Brevet FR3027750A1 — publié le 20160429

MODULE PHOTOVOLTAÏQUE FORMANT DISSIPATEUR THERMIQUE POUR UN COMPOSANT ELECTRONIQUE DOMAINE DE L'INVENTION L'invention a trait au domaine des modules photovoltaïques, et plus particulièrement des dispositifs comportant un module photovoltaïque et un composant électronique. L'invention trouve particulièrement application dans les dispositifs d'éclairage, notamment les lampadaires autonomes. ETAT DE LA TECHNIQUE En se référant à la figure 1, un lampadaire autonome de l'état de la technique comprend un module photovoltaïque 10, un bloc lumineux 12, indépendant du module 10, et un circuit électrique (non représenté) pour stocker l'énergie électrique produite par le module photovoltaïque 10 et pour alimenter le bloc lumineux 12 en énergie électrique. Le module photovoltaïque 10, dont la face avant recevant la lumière est illustrée à la figure 1, comprend : - des cellules photovoltaïques 14 par exemple à base de silicium cristallin, par exemple polycristallin ou monocristallin, les cellules étant à homojonction ou hétérojonction ou des cellules de type couches minces à base de silicium amorphe CdTe ou CIGS - des électrodes 16 de collecte du courant électrique produit par les cellules, par exemple sous la forme de rubans de cuivre, brasé aux cellules 14, par exemple au moyen d'un matériau de brasure; - des pistes de connexions électriques 18, 20 connectées aux électrodes 16 pour délivrer le courant produit par les cellules 14 à l'extérieur du module 10, par exemple des rubans de cuivre; et - un matériau de protection transparent 22 encapsulant les cellules 14, les électrodes 16 et les connexions 18, 20, par exemple en verre. Le matériau de protection est par exemple constitué de deux plaques collées l'une à l'autre, avec éventuellement l'aide d'un encapsulant en polymère. Le bloc lumineux 12 comprend quant à lui un ensemble de circuit lumineux 24, notamment des photodiodes ou LEDs, déposées au contact d'un dissipateur de chaleur 26 et connectées électriquement à des pistes électriques 28 pour leur alimentation électrique. Le dissipateur thermique 26, qui a pour fonction d'évacuer la chaleur produite par les LEDs et ainsi limiter la surchauffe de celles-ci, est usuellement réalisé en un matériau à forte conduction thermique, par exemple en métal, et présente une épaisseur importante. La conception et la fabrication indépendantes du module photovoltaïque 10 et du bloc lumineux 12 implique cependant de prévoir deux espaces distincts respectifs pour le module et le bloc. Il convient en effet d'éviter : - que le bloc lumineux ne masque la lumière incidente sur le module photovoltaïque. Le bloc lumineux est ainsi disposé soit à côté du module, impliquant un lampadaire de surface importante, soit sous le module, ce qui limite l'emploi d'un module bifacial captant la lumière par ses deux faces ; - que le bloc lumineux n'influence la température du module photovoltaïque. En effet, l'efficacité d'un module photovoltaïque dépend de la température des cellules photovoltaïques ; et - les courts-circuits électriques entre ces deux éléments. De fait, un lampadaire de ce type est usuellement encombrant. Bien qu'il ait été décrit un lampadaire autonome, les problèmes décrits ci-dessus se posent en des termes similaires dès lors qu'il s'agit de combiner un module photovoltaïque avec un composant électronique ou électrique (LED, transistor, résistance électrique, etc...). EXPOSE DE L'INVENTION Le but de la présente invention est de proposer un dispositif combinant un module photovoltaïque et un composant électronique ou électrique remédiant aux inconvénients de l'art antérieur et qui soit notamment compact. A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif comprenant un module photovoltaïque ayant des cellules photovoltaïques et au moins un composant électronique ou électrique, chaque composant électronique ou électrique étant électriquement isolé des cellules photovoltaïques et fixé sur une face d'une des cellules photovoltaïques au moyen d'une colle électriquement isolante et conductrice thermique, le chemin de plus faible résistance thermique entre le composant électronique ou électrique et la cellule photovoltaïque sur laquelle le composant est fixé comprenant ladite colle.35 L'invention a également pour objet un dispositif comprenant un module photovoltaïque ayant des cellules photovoltaïques et au moins un composant électronique ou électrique, chaque composant électronique ou électrique étant électriquement isolé des cellules photovoltaïques et fixé sur une face d'une des cellules photovoltaïques au moyen d'une colle électriquement isolante et conductrice thermique, la conductivité thermique de la colle étant comprise entre 1 W/m.K (Watt par mètre Kelvin) et 10 W/m.K. En d'autres termes, les inventeurs ont constaté qu'une cellule photovoltaïque présente des caractéristiques thermiques suffisantes pour être utilisée en tant que dissipateur thermique, par exemple dans le cas de LEDs. Notamment, une cellule photovoltaïque convertit une part mineure de l'éclairement qu'elle reçoit en électricité. La majeure partie de l'éclairement est alors dissipée en chaleur sans élévation importante de la température. De préférence, le composant électrique ou électronique est en fonctionnement lorsque l'irradiance sur la cellule photovoltaïque est inférieure à inférieur à 200W/m2, de préférence inférieure à 100W/m2, plus particulièrement inférieure à 50W/m2, voir proche de 0 (ce qui correspond à la nuit). Dans un mode de réalisation, le dispositif est pouru d'un capteur mesurant l'irradiance et un circuit de contrôle du fonctionnement du composant qui permet à celui-ci de fonctionner lorsque l'irradiance mesurée est inférieure au seuil décrit ci-dessus. Selon des modes de réalisation de l'invention, le dispositif comporte une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la face de la cellule comporte un trou ayant des parois délimitant une cavité, lesdites parois étant recouverte d'une couche de matériau électriquement isolant, et le composant étant logé dans la cavité, et au moins un conducteur métallique est disposé sur la face de la cellule, isolé électriquement de cette dernière et comporte une portion dénudée fixée au composant électronique, ladite portion dénudée étant fixée à la face de la cellule par la colle ; - le composant électronique est collé sur la face de la cellule par la colle ; - la face de la cellule est la face avant ou la face arrière de la cellule ; - la colle est une colle en silicone du type à vulcanisation à température ambiante thermiquement conductrice ; - la colle est une colle époxy ; - la cellule photovoltaïque comporte une couche de silicium cristallin d'une épaisseur supérieure à 50 micromètres ; - le dispositif est un lampadaire, et le composant électronique est une diode électroluminescente ; - le dispositif comprend plusieurs composants électroniques ou électriques fixés sur une face d'une cellule photovoltaïque. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un dispositif un module photovoltaïque ayant des cellules photovoltaïques et au moins un composant électronique ou électrique, chaque composant étant électriquement isolé des cellules photovoltaïques, le procédé comportant la fixation du composant à une face d'une des cellules photovoltaïques au moyen d'une colle électriquement isolante et conductrice thermique, de manière à définir un chemin de plus faible résistance thermique entre le composant électronique et la cellule photovoltaïque sur laquelle le composant est fixé, ledit chemin comprenant ladite colle. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et réalisée en relation avec les dessins annexés, dans lesquels des références identiques désignent des éléments identiques ou analogues, et dans lesquels : - la figure 1 est une vue de dessus d'un module photovoltaïque et d'un bloc lumineux d'un lampadaire selon l'état de la technique ; - les figures 2A et 2B sont des vue de dessus et de dessous d'une cellule photovoltaïque d'un dispositif selon un troisième mode de réalisation ; - la figure 2C est une vue en coupe de détail illustrant la connexion électrique de la LED des figures 2A et 2B; - les figures 3A et 3B sont des vues de dessous et de dessus d'une LED de l'état de la technique respectivement ; - les figures 4A et 4B sont des vues de dessous et de dessus d'une LED connectée à des pistes conductrices du dispositif des figures 2A et 2B ; - les figures 5A et 5B sont des vues de dessous et de dessus d'un dispositif selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 5C est une vue en coupe de détail illustrant la connexion électrique de la LED des figures 5A et 5B ; et - la figure 6 illustre la montée en température d'une LED en fonction du courant circulant dans celle-ci selon que la LED n'est pas disposée sur un dissipateur thermique et selon que la LED est disposée sur une cellule photovoltaïque. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Conformément à l'invention, un module photovoltaïque, par exemple un module de lampadaire autonome, intègre au moins un composant électronique ou électrique, par exemple une ou plusieurs LED, et joue le rôle de dissipateur de chaleur pour ce dernier. En se référant à la figure 2A, qui illustre la face arrière d'un module photovoltaïque 30 selon l'invention avant l'encapsulation dans un matériau de protection 22, à la figure 2B qui illustre la face avant du module 30 après encapsulation dans le matériau 22, et à la figure 2C qui illustre une vue de détail du collage de la LED 24, le module 30 diffère d'un module photovoltaïque de l'état de la technique, par exemple celui décrit à la figure 1 : - en ce qu'au moins une LED 24 est fixée sur la face arrière d'une cellule photovoltaïque 14, la LED 24 comporte deux bornes métalliques d'alimentation 32, 34, - en ce que deux conducteurs électriques 36, 38 sont connectés respectivement aux deux bornes 32, 34 de la LED 24, par exemple collés au moyen d'une colle électriquement conductrice. Les conducteurs 36, 38, par exemple des pistes de cuivre 40, 42, sont enrobés d'une gaine électriquement isolante 44, 46, avantageusement une gaine en polyimide, qui peut supporter sans dégradation de hautes températures, par exemple du Kapton. Les extrémités des conducteurs gainés 36, 38 sont dénudées et sont fixées, par exemple soudées, aux bornes métalliques 32, 34 de la LED. En outre, les conducteurs 36, 38 sont posés sur l'essentiel de leur longueur sur la face arrière de la cellule 14, et maintenus en place par le matériau de protection 22 qui les plaque contre les cellules 14, ou bien collés sur la cellule 14; - en ce que la LED 24 et/ou les extrémités dénudées des conducteurs 36, 38 sont collées à la face arrière de la cellule photovoltaïque 14 au moyen d'une colle 48 électriquement isolante et bonne conductrice thermique, notamment une colle de conductivité thermique comprise entre 1 W/m.K et 10 W/m.K. Comme illustré à la figure 2C, la LED 24 et la cellule photovoltaïque sont au contact de la colle 48 qui offre ainsi un passage de faible résistance thermique. La chaleur produite par la LED 24 transite ainsi majoritairement par la colle 48 vers la cellule 14 pour sa dissipation par cette dernière, comme illustré par la flèche. La colle 48 réalise donc un « pont thermique » vers la cellule 14.35 De manière avantageuse, plusieurs LEDs sont prévues, respectivement sur la face arrière de plusieurs cellules, et connectées en série au moyen de conducteurs gainés tels que décrits précédemment. Par exemple, deux LEDs sont illustrées au contact de deux cellules photovoltaïques 14 et sont connectées en série par des conducteurs gainés 36, 38, 50, 52 dont les conducteurs les plus extrêmes se prolongent hors du matériau de protection 22 pour l'alimentation électrique des LEDs 24. Un exemple de LED 24 est illustrée aux vues de dessous et de dessus des figures 3A et 3B respectivement. La LED 24, par exemple une photodiode de la société Nichia corp de référence NS6W183AT, comprend une partie semi-conductrice luminescente 54 et deux bornes d'alimentation 32, 34. Les vues de dessous et dessus des figures 4A et 4B illustrent la connexion de la LED 24 avec les pistes conductrices 36, 38. Dans le mode de réalisation venant d'être décrit, la ou les LEDs ainsi que leurs conducteurs électriques associés sont disposés sur la face arrière du module photovoltaïque 40. Aucun de ces éléments n'étant en face avant, le module photovoltaïque conserve donc la même surface active pour la lumière incidente à convertir en électricité. Ceci implique cependant un éclairage depuis la face arrière du module 30, ce qui peut ne pas convenir dans certaines applications. En variante, la ou les LEDs et les conducteurs électriques sont réalisés sur la face avant du module 30, au prix cependant d'une portion de la surface active du module qui est cachée et donc rendue inactive. Pour pallier cet inconvénient, un deuxième mode de réalisation de l'invention, illustré aux figures de dessus et de dessous des figures 5A et 5B, et à la vue de détail de la figure 5C, propose un éclairage par la face avant du module avec un impact minimal concernant la diminution de la surface active du module photovoltaïque. Plus particulièrement, une ouverture 60 est réalisée dans une cellule 14 à l'emplacement souhaitée pour une LED 24, et cette dernière est insérée dans l'ouverture 60 sans toucher les parois 62 de l'ouverture 60 de sorte que la LED 24 est électriquement isolée de la cellule 14. Un éclairage par la face avant du module photovoltaïque est ainsi obtenu. En variante ou de manière optionnelle, un matériau électriquement isolant (non représenté) recouvre la paroi 62 de l'ouverture 60, par exemple une couche de vernis isolant, afin d'éviter un court-circuit entre les bornes d'alimentation 32, 34 de la LED 24. Dans une première variante, les conducteurs électriques gainés sont fixés à des extrémités dénudées 64, 66 respectivement aux bornes 32, 34 de la LED 24, par exemple par soudure, et sont par ailleurs uniquement plaqués contre la cellule photovoltaïque, le matériau de protection 22 assurant le maintien en place des conducteurs. Les portions dénudées 64, 66 des conducteurs 36, 38 sont par ailleurs collées à la face arrière de la cellule 14 au moyen d'une colle 68 électriquement isolante et conductrice thermique. La colle6 offre ainsi un chemin pour la dissipation de la chaleur générée par la diode 24, tel qu'illustré par les flèches. Notamment, la chaleur est évacuée par les extrémités dénudées des conducteurs 36, 38, constituées d'un métal et donc d'un matériau bon conducteur thermique, et par la colle 68, l'ensemble formant ainsi le chemin de plus faible résistance thermique entre la LED 24 et la cellule 14. La cellule photovoltaïque 24 reçoit une part importante de la chaleur dégagée par la LED, jouant ainsi pleinement un rôle de dissipateur thermique et limitant la montée en température de la LED 24. La colle électriquement isolante et conductrice thermique utilisée pour fixer une LED 24 à la face d'une cellule photovoltaïque 14 est avantageusement une colle en silicone du type à vulcanisation à température ambiante (ou « RTV », pour « Room temperature volcanization») thermiquement conductrice, par exemple une colle du fabricant Electrolube commercialisée sous la référence « TCER ». Cette colle monocomposant a un temps de durcissement de 24 heures à 20°C, et une conductivité thermique de 2,2W/m.K. En variante, la colle est une colle époxy, par exemple la colle de référence EPOTEK T7110® de la société Epoxy Technoloy Inc. Cette colle bicomposant a un temps de durcissement de 72 heures à 23°C ou de 2 heures à 80°C, et une conductivité thermique de 1,0W/m.K. En prenant l'exemple d'un module photovoltaïque comprenant des cellules photovoltaïques à base de silicium d'une épaisseur d'au moins 50 micromètres, recevant en journée un éclairement de 1000W/m2, usuellement 200W sont transformés en électricité alors que 800W sont dissipés thermiquement par les cellules, une cellule photovoltaïque présentant une section de 156 mm par 156 mm pouvant donc dissiper thermiquement 20W. Pendant la nuit, le module photovoltaïque ne reçoit sensiblement aucun éclairement et les 20W de dissipation d'une cellule photovoltaïque peuvent donc ainsi être sensiblement utilisés pour dissiper la chaleur produite par des LEDs. Cela signifie par exemple qu'une cellule photovoltaïque peut servir de dissipateur thermique à un groupe de six LEDs produisant chacune 3W de chaleur. La figure 8 illustre la montée en température d'une LED, notamment de la société Nichia corp de référence NS6W183AT, en fonction du courant injecté dans celle-ci, soit sans dissipateur thermique (courbe « LED seule »), soit lorsque la LED est collée sur une cellule photovoltaïque en silicium (courbe « LED sur silicium »). Comme on peut le constater, la température de la LED monte rapidement au-delà des 100°C sans dissipateur thermique, alors qu'une cellule photovoltaïque permet de garder la température de la LED sous les 60°C, montrant ainsi la capacité d'une cellule photovoltaïque à jouer le rôle de dissipateur thermique. De préférence, une cellule photovoltaïque à base de silicium cristallin, sur laquelle est monté un composant électronique ou électrique dont elle doit dissiper la chaleur, a une épaisseur supérieure à 50 micromètres 15 L'invention n'est pas limitée aux cellules photovoltaïques à base de silicium cristallin, qu'il soit monocristallin ou polycristallin, les cellules à hétéroj onction ou à homojonction. Elle peut également s'appliquer aux cellules photovoltaïques en couches minces, par exemple à base de silicium amorphe, de CdTe ou de CIGS. 20 La fabrication d'un module photovoltaïque intégrant un ou plusieurs composants électroniques ou électriques notamment une ou plusieurs LED et/ou transistors et/ou résistances électriques, tel que décrit précédemment, comprend les étapes suivantes : a. les cellules photovoltaïques sont donc tout d'abord fabriquées de manière classique; b. une fois les cellules fabriquées, chaque composant électronique ou électrique et sa 25 connectique électrique associée sont montées sur la face d'une cellule au moyen d'une colle, le cas échéant après avoir pratiqué une ouverture dans ladite cellule afin d'y loger le composant ; c. les cellules sont ensuite mises en module. Elles peuvent notamment être mises en module de manière classique par lamination au moyen notamment d'un ou de 30 plusieurs films polymères d'encapsulation et de plaques de protection, notamment en verre. Le composant est ainsi noyé dans le film polymère. De manière avantageuse, le film polymère d'encapsulation peut comporter une ouverture d'une épaisseur égale à celle du composant pour compenser la surépaisseur générée par celui-ci dans le module, lorsque celui-ci est fixé à l'une des faces de la cellule. 35 10 Il a été décrit une colle. En variante, un pad thermique est utilisé en complément ou en remplacement de la colle. REVENDICATIONS1. Dispositif comprenant un module photovoltaïque ayant des cellules photovoltaïques (14) et au moins un composant électronique ou électrique(24), chaque composant (24) étant électriquement isolé des cellules photovoltaïques (14) et fixé sur une face d'une des cellules photovoltaïques (14) au moyen d'une colle (48 ; 68) électriquement isolante et conductrice thermique, le chemin de plus faible résistance thermique entre le composant (24) et la cellule photovoltaïque (14) sur laquelle le composant est fixé comprenant ladite colle (48 ; 68). Dispositif selon la revendication 1, dans lequel : - la face de la cellule (14) comporte un trou ayant des parois délimitant une cavité, lesdites parois étant recouverte d'une couche de matériau électriquement isolant, et le composant (24) étant logé dans la cavité ; - au moins un conducteur métallique est disposé sur la face de la cellule (14), isolé électriquement de cette dernière et comporte une portion dénudée fixée au composant électronique (24), ladite portion dénudée étant fixée à la face de la cellule par la colle. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le composant électronique (24) est collé sur la face de la cellule (14) par la colle. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel la face de la cellule est la face avant ou la face arrière de la cellule (14). Dispositif électronique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la colle est une colle en silicone du type à vulcanisation à température ambiante thermiquement conductrice. Dispositif électronique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la colle est une colle époxy. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la cellule photovoltaïque comporte une couche de silicium cristallin d'une épaisseur supérieure à 50 micromètres. 10 2. 15 203. 4. 25 5. 30 6. 7. 358. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif est un lampadaire, et dans lequel le composant électronique est une diode électroluminescente. 9 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant plusieurs composants électroniques ou électriques fixés sur une face d'une cellule photovoltaïque. 10. Procédé de fabrication d'un dispositif un module photovoltaïque ayant des cellules photovoltaïques (14) et au moins un composant électronique ou électrique (24), chaque composant étant électriquement isolé des cellules photovoltaïques (14), le procédé comportant la fixation du composant à une face d'une des cellules photovoltaïques (14) au moyen d'une colle électriquement isolante et conductrice thermique, de manière à définir un chemin de plus faible résistance thermique entre le composant électronique (24) et la cellule photovoltaïque (14) sur laquelle le composant est fixé, ledit chemin comprenant ladite colle.