Brevet FR3017997A1 — publié le 20150828

Mono cellule photovoltaïque semi-transparente en couches minces Domaine technique de l'invention La présente invention concerne le domaine des dispositifs photovoltaïques semi transparents à base de mono cellules photovoltaïques en couches minces et destinés à la fois à produire de l'électricité et à voir par transparence, une image associée au module photovoltaïque. Etat de la technique Par couche mince ou de faible épaisseur, on entend des couches photovoltaïques de nature quelconque (organique, inorganique), dont l'épaisseur de l'absorbeur est comprise dans une fourchette allant de quelques dizaines de nanomètres (avec des matériaux photovoltaïques organiques) à quelques dizaines de micromètres (avec certains matériaux photovoltaïques inorganiques). De tels modules commencent à révéler leur utilité dans toute une série d'applications commerciales, notamment dans le domaine des écrans photovoltaïques pour des dispositifs électroniques tels que les téléphones portables, les tablettes tactiles, les écrans d'ordinateurs ou d'autres dispositifs pourvus d'un écran photovoltaïque semi-transparent, à savoir un écran qui laisse transparaître une image pour un observateur placé devant lui, tout en captant à travers des zones actives photovoltaïques opaques une partie de la lumière incidente pour la transformer en énergie électrique destinée à alimenter le dispositif pourvu d'un tel écran. Comme cela a été décrit dans le brevet US2012/236540, afin d'améliorer aussi bien leurs performances en matière de transparence qu'en matière de rendement de conversion photovoltaïque, de tels écrans sont de préférence, mais pas nécessairement, associés à une optique, par exemple sous la forme d'un réseau de lentilles superposé au système d'affichage de l'image et au module photovoltaïque semi-transparent. Or un module photovoltaïque en couches minces est généralement composé de plusieurs cellules photovoltaïques mises en série. Un tel module a notamment été décrit dans le document US5254179. Cette conception de module a l'avantage d'augmenter la tension électrique aux bornes du module et de réduire le courant conduit par les électrodes du module et ainsi de réduire les pertes résistives notamment au niveau de l'électrode transparente située en face avant de la cellule. Mais cette conception connue a également des inconvénients. Ainsi, la mise en série des cellules photovoltaïques se fait par une des inconvénients. Ainsi, la mise en série des cellules photovoltaïques se fait par une méthode de gravure des différentes couches qui composent le module photovoltaïque à couches minces. La première gravure, typiquement appelée P1, est celle de l'électrode transparente, également appelée électrode avant, qui est déposée sur le substrat transparent. La deuxième gravure appelée P2 est celle de la couche de conversion photovoltaïque, encore appelée absorbeur, puisqu'elle absorbe les photons incidents. La troisième gravure, appelée P3, est celle de l'électrode métallique, également appelée électrode arrière, et/ou de la couche de conversion photovoltaïque. Cette conception de modules photovoltaïques ne pose pas de problème particulier dans le cadre de leur usage dans des dispositifs pourvus d'écrans grossiers de grande taille. En revanche, dès que la perception de la qualité d'image de l'écran du dispositif doit être parfaite du point de vue de l'observateur, ce qui est le cas par exemple pour les téléphones portables dits intelligents (« smartphones » en terminologie anglo-saxonne), plusieurs inconvénients liés à la conception des modules photovoltaïques semi-transparents connus apparaissent. Les inconvénients liés aux décalages de gravure : En vue en plan, par exemple du point de vue d'un observateur placé en face du module, les gravures P1, P2, P3 sont légèrement décalées les unes par rapport aux autres. Du fait de la précision limitée des techniques de gravure et des tolérances prises pour ne pas les superposer, ce décalage peut être plus ou moins important. II en résulte que pour chaque mise en série de deux cellules adjacentes, une largeur de matériau photovoltaïque de l'ordre de 0,3 mm devient inactive au niveau de la conversion photovoltaïque, ce qui diminue le rendement de conversion global de l'écran. Par exemple pour des dimensions typiques d'un smartphone (soit environ 40 x 70 = 2800 mm2), la perte de surface active photovoltaïque peut aller de 5% à 10%, soit jusqu'à 280 mm2. Cette perte est donc non négligeable et réduit les avantages qu'on peut obtenir par ailleurs en adoptant un écran semi-transparent photovoltaïque. Les inconvénients liés à l'ombrage d'une cellule : Une autre conséquence de la mise en série de cellules photovoltaïques est la sensibilité à l'ombrage d'un module utilisant des cellules ainsi connectées. En effet, si l'une des cellules est sous un éclairage inférieur à celui des autres cellules (dans le cas d'une ombre portée ou ombrage par exemple), la baisse de production électrique de cette cellule sous ombrage va affecter toutes les autres cellules, car le courant électrique va être réduit de la même manière dans toutes les cellules connectées en série. De la même façon, si l'une des cellules est moins performante que les autres à cause de défauts d'homogénéité du dépôt de matière photovoltaïque ou du dopage par exemple, c'est cette cellule déficiente qui va pénaliser les autres et réduire les performances du module photovoltaïque dans sa globalité. Les inconvénients liés à la visibilité des lignes de gravure : La gravure de l'électrode transparente induit un changement local de l'indice optique de la zone qui est traversée par la lumière émise par un écran retro éclairé. En conséquence, il existe des déviations locales des rayons lumineux qui passent dans cette zone, et l'observateur perçoit la ligne de gravure même si le matériau est lui-même transparent, ce qui crée un effet optique indésirable. De plus, dans certaines configurations optiques, les zones de gravure présentes sur les zones de matériau photovoltaïque pourront elles aussi être vues. Le changement d'indice entre deux couches successives de l'empilement peut être aussi visible dans chaque zone de gravure, soit en vue directe, soit par réflexion sous certains angles. Compte tenu de la qualité optique exigée en général par l'industrie des écrans, qui vise des taux de transparence de l'ordre de 90 % ou plus, la visibilité des lignes de gravure dues à la mise en série des cellules photovoltaïques est donc également à éviter. Buts de l'invention L'invention a par conséquent pour objectif général de proposer une structure de mono-cellule photovoltaïque semi-transparente qui soit dépourvue des inconvénients précités, ainsi qu'un procédé de fabrication de ladite mono cellule. En particulier, l'invention a pour but de proposer une structure de mono cellule photovoltaïque semi-transparente adaptée pour permettre son intégration satisfaisante dans des écrans de dispositifs électroniques, notamment de téléphones portables. Cette structure doit alors résoudre la contradiction entre la qualité de l'image affichée, donc l'exigence d'une transparence élevée à la lumière, de l'ordre de 80-90 %, et celle d'une production électrique supérieure à 2 mW/cm2 sous une illumination équivalente à 1 soleil (AM 1.5 G), non affectée par les problèmes d'ombrage. Objet de l'invention Afin d'atteindre les buts fixés, un premier objet de l'invention est une mono cellule photovoltaïque semi-transparente à la lumière comportant une pluralité de zones actives photovoltaïques séparées par des zones de transparence, - lesdites zones actives photovoltaïques étant formées d'un empilement de couches minces constituées au moins d'une électrode transparente, d'une couche d'absorbeur et d'une électrode métallique disposées sur un substrat transparent à la lumière ; - et lesdites zones de transparence étant des ouvertures aménagées au moins dans l'électrode métallique et dans la couche d'absorbeur pour laisser passer un maximum de lumière ; caractérisée en ce que lesdites zones actives photovoltaïques contiennent en outre plusieurs canaux, aménagés dans l'électrode métallique et la couche d'absorbeur, au niveau desquels une grille de collecte électriquement conductrice est en contact avec l'électrode transparente, ladite grille de collecte étant séparée de l'électrode métallique et de la couche d'absorbeur par un matériau diélectrique, de manière à réduire la résistance série de l'électrode transparente tout en minimisant la visibilité de la grille de collecte. On appelle mono cellule photovoltaïque une cellule photovoltaïque unique, comportant des couches minces d'un seul tenant et comportant au moins deux couches électriquement conductrices, à savoir une électrode transparente et une électrode métallique, et une couche intermédiaire semi-conductrice apte à former une diode photovoltaïque. Selon certains modes de réalisation retenus dans le cadre de l'invention, l'électrode transparente est constituée de graphène ou de nanostructures métalliques ou encore d'un oxyde conducteur transparent tel que le Sn02, l'ITO, l'IZO, l'AZO, le BZO, le GZO ou le ZnO. L'électrode métallique est formée d'un métal tel que l'aluminium (AI), le nickel (Ni), l'or (Au), l'argent (Ag), le cuivre (Cu), le molybdène (Mo), le chrome (Cr), le titane (Ti) ou le palladium (Pd). La couche d'absorbeur est composée d'un ou plusieurs matériaux semiconducteurs inorganiques et/ou organiques, par exemple à base de silicium amorphe ou microcristallin, de GaAs (arséniure de gallium), de CdTe (tellurure de cadmium), de CIGS (cuivre - indium - gallium - sélénium) ou à base de polymères. Il peut s'agir de jonctions de type p-i-n ou p-n, ou encore d'architectures tandem, c'est-à-dire comportant plusieurs couches de matériaux qui absorbent préférentiellement une partie différente du spectre lumineux. Elles peuvent être conçues pour convertir la lumière visible et/ou la lumière ultraviolette et/ou la lumière infrarouge en électricité. Avantageusement, le choix des matériaux semi-conducteurs est réalisé pour maximiser la capture des photons dans les conditions d'éclairement visées. Les zones actives photovoltaïques peuvent être de formes quelconques et de dimensions telles que l'oeil humain ne les distingue pas. Pour ce faire, la largeur des zones photovoltaïques est de préférence inférieure à 200 micromètres. Dans un mode de réalisation particulier, les zones actives photovoltaïques ou les zones de transparence sont organisées en réseaux de structures géométriques élémentaires, linéaires, circulaires ou polygonales. La transparence des modules photovoltaïques est fonction de la fraction surfacique occupée par les zones actives photovoltaïques opaques. Dans un mode de réalisation avantageux, les zones de transparence sont aménagées dans l'électrode transparente en plus de l'électrode métallique et de la couche d'absorbeur, afin d'augmenter la transmission de la lumière au niveau des zones de transparence, puisqu'en réduisant le nombre d'interfaces, on minimise les phénomènes optiques de réflexions aux interfaces. La grille de collecte est électriquement conductrice et préférentiellement métallique pour faciliter la collecte des charges électriques générées dans la couche d'absorbeur et transportées par l'électrode transparente de la mono cellule. Cette grille de collecte permet donc de réduire la résistance électrique de l'électrode transparente, qui limite les performances électriques de la mono cellule. Le nombre de canaux aménagés dans les zones actives photovoltaïques, ainsi que la surface de contact entre la grille de collecte et l'électrode transparente sont ajustés de manière à minimiser la résistance série de la mono cellule tout en réduisant au maximum les effets optiques dus à la présence de cette grille de collecte et indésirables pour l'observateur. L'homme du métier saura adapter la densité des canaux et la taille des grilles de collecte en fonction de la résistance intrinsèque de l'électrode transparente et en fonction du courant électrique que la mono cellule photovoltaïque doit fournir dans l'application visée. La grille de collecte est séparée de la couche d'absorbeur et de l'électrode métallique qui délimitent les canaux par une couche de matériau diélectrique qui isole électriquement la grille de collecte de ces couches minces, afin de supprimer toute possibilité de court-circuit, ce qui entrainerait une dégradation des performances électriques de la mono cellule. Les grilles de collecte disposées dans l'ensemble des canaux sont reliées électriquement entre elles par un bus de collecte de la face avant isolé électriquement du bus de collecte de la face arrière qui relie électriquement les électrodes métalliques. L'isolation électrique entre les deux bus peut être réalisée à l'aide du matériau diélectrique précédemment décrit. Par ailleurs, le matériau diélectrique peut, dans certains modes de réalisation, être déposé en une seule étape et recouvrir ainsi les zones de transparence. Le matériau diélectrique est donc avantageusement transparent ou semi-transparent à la lumière visible afin de ne pas réduire la transmission de la lumière à travers les dites zones de transparence. En outre, l'indice de réfraction du matériau diélectrique est avantageusement compris entre l'indice de réfraction du substrat transparent ou de l'électrode transparente et celui de l'air ou d'une colle optique transparente, de manière à réduire les phénomènes optiques de réflexions aux interfaces et d'augmenter la transmission de la lumière au niveau des zones de transparence. Suivant différents modes de réalisation, le substrat transparent peut être constitué d'un matériau solide tel que le verre minéral, le verre organique ou encore un polymère de type PMMA, PET ou polycarbonate, et peut être rigide ou flexible. Dans un mode de réalisation particulier non représenté, le substrat transparent est recouvert d'une surface fonctionnelle, par exemple antireflet ou anti-UV. L'invention a également pour objet tout appareil utilisant une ou plusieurs mono cellules décrites ici. Un autre objet de l'invention concerne le procédé de fabrication d'une telle mono cellule photovoltaïque semi-transparente, dans lequel procédé : - on approvisionne une mono cellule semi-transparente à la lumière comportant une pluralité de zones actives photovoltaïques séparées par des zones de transparence ; - on aménage des canaux dans les zones actives photovoltaïques par gravure ou ablation des matériaux constitutifs de l'électrode métallique et de la couche d'absorbeur ; - on dépose un matériau diélectrique autour des zones actives photovoltaïques non gravées tout en laissant apparente une zone de l'électrode transparente au niveau des canaux ; - on dépose une grille de collecte ainsi que les bus de collecte de la face avant et de la face arrière. Figures L'invention sera mieux comprise à l'aide de sa description détaillée, en relation avec les figures, dans lesquelles : les figures 1 a, lb et 1 c illustrent respectivement une vue de face et deux vues en coupe transversale d'une mono cellule photovoltaïque selon l'invention. les figures 2a, 2b, 2c et 2d montrent schématiquement en coupe transversale des objets qui illustrent différentes étapes intermédiaires d'un procédé de fabrication d'une mono cellule photovoltaïque selon l'invention. Les figures ne sont pas à l'échelle, les épaisseurs relatives des composants de la mono cellule étant volontairement exagérées pour mieux faire apparaître sa structure. Description détaillée On se réfère à la figure 1, qui illustre une vue de face d'une mono cellule photovoltaïque selon l'invention (figure 1 a) et deux coupes transversales de ladite mono cellule vues selon l'axe A (figure 1 b) ou selon l'axe B (figure 1c), les deux axes étant définis à la figure 1 a. La mono cellule est composée de trois bandes actives photovoltaïques 1, elles-mêmes constituées de trois couches minces, à savoir une électrode transparente 2, une couche d'absorbeur 3 et une électrode métallique 4. Ces bandes actives photovoltaïques 1 sont séparées par des bandes libres 6 correspondant à des zones de transparence au niveau desquelles la couche d'absorbeur 3 et l'électrode métallique 4 ont été gravées. Les bandes actives photovoltaïques 1 contiennent une pluralité de canaux 7 qui sont également des ouvertures aménagées dans ces bandes actives photovoltaïques 1 par gravure de la couche d'absorbeur 3 et de l'électrode métallique 4. Ces canaux 7 permettent de mettre en contact électrique l'électrode transparente 2 avec une grille de collecte 6, électriquement conductrice, de manière à réduire la résistance intrinsèque de l'électrode transparente 2 tout en minimisant la visibilité de cette grille 6. Toutefois, afin de ne pas réduire les performances électriques de la mono cellule, la grille de collecte 6 est séparée de l'électrode métallique 4 et de la couche d'absorbeur 3 des bandes actives photovoltaïques 1 par un matériau diélectrique 9. L'ensemble des grilles de collecte 8 situées sur chaque bande active photovoltaïque 1 est relié en périphérie de la mono cellule à un bus de collecte de la face avant 10 qui permet de collecter les charges électriques transportées jusqu'à l'électrode transparente 2. A l'opposé de ce bus de collecte de la face avant 10, on retrouve un bus de collecte de la face arrière 11 qui permet de relier les électrodes métalliques 4 de chaque bande active photovoltaïque 1 et de collecter ainsi les charges transportées jusqu'auxdites électrodes métalliques 4. La figure 2 montre schématiquement en coupe transversale des objets qui illustrent différentes étapes d'un procédé selon l'invention, les vues en coupe étant réalisées au niveau des bandes actives photovoltaïques 1, selon l'axe C défini à la figure 1 a. Dans une première étape (figure 2a), on approvisionne une mono cellule semi-transparente à la lumière comportant une pluralité de zones actives photovoltaïques 1 séparées par des zones de transparence 6. Les zones actives photovoltaïques 1 comportent à leur périphérie, au niveau des zones de connexions électriques, plusieurs zones d'interruption des couches minces (2,3,4), généralement parallèles : une première zone d'interruption de l'électrode transparente 2, qui correspond à la gravure dite Pl, où la couche d'absorbeur 3 vient directement au contact du substrat 5; une deuxième zone d'interruption de la couche d'absorbeur 3, qui correspond à la gravure dite P2, où l'électrode arrière 4 vient directement au contact de l'électrode avant 2; une troisième zone d'interruption de l'électrode arrière 4, qui correspond à la gravure dite P3. Dans une deuxième étape (figure 2b), on aménage des canaux 7 dans les zones actives photovoltaïques 1 par gravures successives des matériaux constitutifs de l'électrode métallique 4 et de la couche d'absorbeur 3. Ces gravures peuvent être réalisées par voie humide ou sèche à l'aide d'un procédé de photo-lithographie, de nano-impression (en anglais « nano-imprint ») ou bien directement par ablation laser. Les étapes de photo- lithographie et de nano-impression (non représentées sur la figure) sont connues de l'homme du métier et consistent à déposer une résine non permanente, photosensible ou thermosensible selon un motif prédéfini avant gravure, puis à dissoudre ladite résine en fin de procédé. Les gravures peuvent être réalisées à l'aide d'une solution adaptée pour dissoudre les matériaux des couches 3 et 4, ou à l'aide d'un plasma ou encore par laser. Dans une troisième étape (figure 2c), on dépose un matériau diélectrique 9 autour des zones actives photovoltaïques non gravées tout en laissant apparente une zone de l'électrode transparente 2 au niveau des canaux 7. Le procédé utilisé dans cette étape est typiquement un procédé de photolithographie, dans lequel le matériau diélectrique 9 est une résine permanente, de préférence transparente, développée selon le motif souhaité. Enfin, la dernière étape (figure 2d) consiste à déposer la grille de collecte 8, ainsi que les bus de collecte (10,11) de la face avant et de la face arrière pour obtenir la mono cellule photovoltaïque semi-transparente selon l'invention. Le dépôt d'un matériau conducteur électriquement, comme un métal, peut être réalisé sur toute la mono cellule de manière à combler les zones précédemment gravées, avant d'isoler électriquement par photolithographie et gravure, le bus de collecte de la face arrière 11 de la grille de collecte 8 et de dégager les zones de transparence (figure 1 a). Avantages de l'invention La mono cellule photovoltaïque selon l'invention permet d'atteindre les buts visés. Grâce à sa conception, il n'y a plus de gravure de mise en série dans la zone active, ni de problème d'ombrage d'une cellule élémentaire, ni de perte de surface liée aux gravures de mise en série. Le module photovoltaïque selon l'invention permet donc d'obtenir à la fois une bonne homogénéité optique, une performance électrique améliorée, et une surface utile de production optimale. Les techniques de fabrication d'un tel module restent standard, par dépôt de couches, lithographie et gravure, sur du matériel standard. Liste des repères utilisés sur les figures 1 Zone active photovoltaïque 7 Canal 2 Electrode transparente 8 Grille de collecte 3 Couche d'absorbeur 9 Matériau diélectrique 4 Electrode métallique 10 Bus de collecte de la face avant 5 Substrat transparent 11 Bus de collecte de la face arrière 6 Zone de transparence REVENDICATIONS1. Mono cellule photovoltaïque semi-transparente à la lumière comportant une pluralité de zones actives photovoltaïques (1) séparées par des zones de transparence (6), - lesdites zones actives photovoltaïques (1) étant formées d'un empilement de couches minces (2,3,4) constituées au moins d'une électrode transparente (2), d'une couche d'absorbeur (3) et d'une électrode métallique (4) disposées sur un substrat (5) transparent à la lumière ; - et lesdites zones de transparence (6) étant des ouvertures aménagées au moins dans l'électrode métallique (4) et dans la couche d'absorbeur (3) pour laisser passer un maximum de lumière ; caractérisée en ce que lesdites zones actives photovoltaïques (1) contiennent en outre plusieurs canaux (7), aménagés dans l'électrode métallique (4) et la couche d'absorbeur (3), au niveau desquels une grille de collecte (8) électriquement conductrice est en contact avec l'électrode transparente (2), ladite grille de collecte (8) étant séparée de l'électrode métallique (4) et de la couche d'absorbeur (3) par un matériau diélectrique (9), de manière à réduire la résistance série de l'électrode transparente (2) tout en minimisant la visibilité de la grille de collecte (8). 2. Mono cellule photovoltaïque selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite grille de collecte (8) est métallique. 3. Mono cellule photovoltaïque selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdites grilles de collecte (8) disposées dans l'ensemble des canaux (7) sont reliées électriquement entre elles par un bus de collecte de la face avant (10) isolé électriquement d'un bus de collecte de la face arrière (11) qui relie les électrodes métalliques (4). 4. Mono cellule photovoltaïque selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit matériau diélectrique (9) est transparent ou semitransparent à la lumière visible. 5. Mono cellule photovoltaïque selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'indice de réfraction du matériau diélectrique (9) est' 11 avantageusement compris entre l'indice de réfraction du substrat transparent (5) ou de l'électrode transparente (2) et celui de l'air ou d'une colle optique transparente. 6. Mono cellule photovoltaïque selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdites zones actives photovoltaïques (1) sont de formes quelconques et de dimensions telles que l'oeil humain ne les distingue pas. 7. Mono cellule photovoltaïque selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdites zones actives photovoltaïques (1) ou les zones de transparence (6) sont organisées en réseaux de structures géométriques élémentaires, linéaires, circulaires ou polygonales. 8. Mono cellule photovoltaïque selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite électrode transparente (2) est constituée de graphène ou de nanostructures métalliques ou encore d'un oxyde conducteur transparent tel que le Sn02, l'ITO, l'IZO, l'AZO, le BZO, le GZO ou le ZnO. 9. Mono cellule photovoltaïque selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite couche d'absorbeur (3) est constituée d'un ou plusieurs matériaux semi-conducteurs inorganiques et/ou organiques, par exemple à base de silicium amorphe ou microcristallin, de GaAs (arséniure de gallium), de CdTe (tellurure de cadmium), de CIGS (cuivre - indium - gallium - sélénium) ou à base de polymères. 10. Mono cellule photovoltaïque selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que ladite électrode métallique (4) est constituée d'un métal tel que l'aluminium (AI), le nickel (Ni), l'or (Au), l'argent (Ag), le cuivre (Cu), le molybdène (Mo), le chrome (Cr), le titane (Ti) ou le palladium (Pd). 11. Mono cellule photovoltaïque selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le substrat transparent (5) peut être constitué d'un matériau solide tel que le verre minéral, le verre organique ou encore un polymère de type PMMA, PET ou polycarbonate, et peut être rigide ou flexible. 12. Mono cellule photovoltaïque selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le substrat transparent (5) est recouvert d'une surface fonctionnelle, par exemple antireflet ou anti-UV. 13. Appareil électrique, caractérisé en ce qu'il comporte une ou plusieurs mon cellules selon l'une quelconque des revendications précédentes. 14. Procédé de fabrication d'une mono cellule photovoltaïque selon l'une des revendications 1 à 12, dans lequel procédé on approvisionne une mono cellule semi-transparente à la lumière comportant une pluralité de zones actives photovoltaïques (1) séparées par des zones de transparence (6) ; on aménage des canaux (7) dans les zones actives photovoltaïques (1) par gravure 10 ou ablation des matériaux constitutifs de l'électrode métallique (4) et de la couche d'absorbeur (3) ; on dépose un matériau diélectrique (9) autour des zones actives photovoltaïques (1) non gravées tout en laissant apparente une zone de l'électrode transparente (2) au niveau des canaux (7) ; 15 on dépose une grille de collecte (8) ainsi que les bus de collecte de la face avant (10) et de la face arrière (11).