Brevet FR3024284A1 — publié le 20160129

-1- Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique Introduction à l'art : La fabrication de module photovoltaïque cristallin requiert le processus suivant : nettoyage du verre ou positionnement d'un matériau à forte transparence positionnement d'un film encapsulant EVA « Ethylène Vinyle Acétate » qui est en majorité de l'éthylène vinyle acétate sur le verre ou matériau à forte transparence soudure d'un ruban de cuivre ayant une couche de protection à base d'un alliage à base d'argent, de plomb et d'étain : la température de la soudure n'excède pas 250°C et ne dure pas plus de 3 secondes par cellules solaires ayant des zones en forme de ligne collecteur de courant des métallisations de l'émetteur sur une largeur de 1,5 à 3 millimètres interconnexion de la polarité négative 'face avant d'une cellule d'un substrat de type P à la polarité positive 'face arrière d'une cellule d'un substrat de type P` par exemple disposition en rangée de cellules soudées interconnexion des rangées pour un montage en série des cellules solaires nécessitant une soudure de chaque ligne de collecteur de courant positionnement d'un film encapsulant sur la matrice de cellules positionnement d'un film arrière de protection électrique ou d'un verre ou autre matériaux isolant lamination à des fins d'encapsulation des cellules solaires Cette technique est unilatéralement utilisée mais a des inconvénients : le matériau encapsulant EVA a une viscosité d'une grande variabilité en fonction de la température ce qui induit une pression mécanique sur l'ensemble du dispositif des cellules solaires interconnectées le matériau encapsulant EVA contenant 1% d'eau libère de l'acide acétique et du peroxyde d'hydrogène en permanence qui se retrouvent piégés dans le module photovoltaïque entrainant des corrosions, des réactions chimiques avec les surfaces des cellules solaires, des réactions chimiques avec la surface intérieure du verre et crée la corrosion du verre par la formation de halogénures qui sont des pièges d'électrons mais aussi avec le polymère utilisé en protection électrique du module le matériau EVA ayant un indice de réfraction part réelle variant entre 1,49 et 1,47 sur la bande de rayonnement solaire, ce qui correspond une réponse spectrale proche du verre blanc utilisé, à savoir que le verre ait un traitement particulier le matériau EVA étant réticulé à la surface du verre, il est très difficile de séparer par quelques techniques que ce soient le film EVA du verre et le recyclage du verre comportant l'EVA rend les matériaux constituant le verre trop pollués et donc rendent le recyclage du module non fonctionnel l'encapsulation de 60 cellules solaires sur silicium monocristallin de wafer de format pseudo carré de 156mm de côté obtenu par la méthode de croissance Czochralski, « CZ » cellule à homojonction et émetteur homogène de 18,6% de rendement entraine les pertes suivantes : à partir d'un ruban interconnectant en série les cellules de 2mm de largeur par 0,2mm d'épaisseur et interconnectant les rangées de cellules thermo-soudées par un ruban de 5 par 0,3mm, les pertes électriques sont de 2,5% les pertes optiques sont de 1% pour un verre avec une couche de silice poreuse d'indice de réfraction variant entre 1,23 et 1,33 pour un verre de transmittance sur le spectre solaire de 93% le module cristallin de ces 60 cellules solaires de 18,6% aura un rendement de 15,85% soit 2,75% et son comportement en température sera très affecté par l'encapsulation la cellule solaire de 18,6% sur silicium CZ d'orientation « 1-0-0 » à émetteur homogène aura un coefficient de variation de sa puissance par rapport à la température d'un facteur négatif de 0,45%/°Kelvin et le module cristallin utilisant l'EVA entre autre aura un coefficient de variation de sa puissance d'un facteur négatif de 0,51%/°K la combinaison des matériaux verres à 93% de transmittance avec l'EVA et des cellules à émetteur homogène est compatible mais l'évolution technologique des cellules à homojonction vers des émetteurs sélectifs et des passivations arrières, la réponse spectrale des cellules évoluent grandement rendant la combinaison des matériaux d'un module impropre et non efficiente le module cristallin silicium se caractérise également par le comportement optique du silicium à savoir un fort coefficient d'absorption dans les ultra-violets « UV » et une quasi transparence aux infrarouges « IR » et le comportement en fonction de la température d'un module cristallin est intimement lié à la capacité de capter la bande solaire spectrale dont les longueurs d'onde de 250 à 1300nm représentant 80% du spectre 3024284 -2- La présente invention décrit un dispositif intégré optique permettant de filtrer le spectre lumineux par trois composants pour apporter à la jonction de cellule solaire les photons aux longueurs d'onde absorbées et transmettre les longueurs d'onde utiles à des applications sous le panneau photovoltaïque et réfléchir les 5 longueurs d'onde qui ne sont pas utiles à la production photovoltaïque. Description du dispositif intégré optique photovoltaïque : Le dispositif intégré optique photovoltaïque comme le montre la figure n°1 se caractérise : 10 Filtre entrant Cellules photovoltaïques sur silicium cristallin espacées par rangée d'une distance égale à 9/10 de la cote la plus grande d'une cellule solaire Filtres plasamoniques se faisant face à angle de 120° se faisant face entre deux rangées de cellules solaires 15 Filtre plasmonique dit entrant est positionné de chaque côté d'une cellule solaire à une distance inférieure à 8mtri de la cellule solaire avec un angle de 120° des motifs en réflexion vers le filtre entrant et l'autre filtre plasmonique centré Filtre plasmonique dit sortant est centré à 72,5mm entre les cellules solaires avec un angle de 120° des motifs en réflexion vers les cellules solaires 20 Filtre arrière La figure n°2 décrit le positionnement et le type de filtres dans l'espace du module photovoltaïque Le filtre entrant et arrière est soumis à l'irradiation solaire et doit avoir une transmittance de 92% sur la 25 bande spectrale 275-1500nrn et il est choisis parmi les polymères, le Polyméthacrylate, polymère type FEP Perfluoro Ethylène Propylène, les verres ou une combinaison de ces matériaux dont la face intérieure du filtre a une surface imprimée dont le motif d'impression est une structure prismatique d'un pas du réseau inférieur à la longueur d'onde la plus élevée absorbée par la jonction de semiconducteurs dopés des cellules solaires. 30 Le filtre plasmonique est un film extrudé en PET (Polytéréphtalate) texturé sur lequel est appliqué une couche d'un matériau choisi parmi l'aluminium, le chrome, le nickel, l'argent, l'or, le platine, le cuivre ou un alliage à 20% massique minimum de ces métaux : le complexe PET-Me a un motif de texturation qui peut être des tranchées aux parois d'un angle de 60° constituant un angle ouvert de 120° des lignes formées. Ce 35 filtre plasmonique a des espaces de parois de 20 à 50 micromètres constituant les plans parallèles de diffraction de 120°. Le filtre plasmonique positionné de chaque côté de cellule solaire a la longueur des cellules solaires ou la 40 longueur de leur assemblage par connexion et la largeur de minimum 1,5 à 30mrn maximum. Le filtre plasmonique centré a la longueur des cellules solaires ou la longueur de leur assemblage par connexion et la largeur de minimum 1,5 à 30mm maximum. La construction de ce dispositif intégré optique dans les plans x, y, z est défini par un ratio d'espace d'espace 45 libre de transmission du spectre solaire entre les cellules solaires sur silicium de 55% de la surface totale du module photovoltaïque et que l'espace libre entre deux cellules corresponde à 92% d'une cellule solaire et que le filtre plasmonique entrant soit positionné avant le filtre arrière à une distance inférieure à sa largeur de la cellule solaire et que son orientation des plans de réflexion à 120° soit dirigée vers le filtre entrant et les plans parallèles de réflexion parallèles aux cellules solaires et que le filtre plasmonique dit sortant soit positionné à mi-distance 50 entre deux rangées de cellules solaires sous le filtre entrant et que son orientation des plans de réflexion à 120° soit dirigée vers le filtre arrièret et les plans parallèles de réflexion parallèles aux cellules solaires. La figure n°3 décrit le principe de fonctionnement : 55 Le dispositif intégré optique a pour effet : de filtrer les longueurs d'onde utiles à la production photovoltaïque in-situ dans le module photovoltaïque, de réfléchir la lumière traversant l'espace libre entre deux rangées de cellules solaires de réfléchir le spectre de filtre plasmonique en continuité de diffraction 60 de filtrer le spectre par absorption des longueurs d'onde supérieure à l200nm et de réfléchir le spectre des longueurs d'onde inférieure à 1000nm 3024284 -3- les cellules solaires étant espacées de 145mm soit un espace libre de passage du spectre solaire à travers le module photovoltaïque de 55%, ce qui sera utile pour une exploitation du spectre dans l'application sur serre en verre l'espace libre correspond à 92% de la surface d'une cellule solaire 5 le système de filtration permet la réflexion de spectre perdu dans l'espace libre en créant une ombre de 11% maximum de l'espace libre le système optique permet d'augmenter par filtration plasmonique le spectre utile à la jonction PN du silicium des cellules solaires. 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 REVENDICATIONS1 - Dispositif intégré optique photovoltaïque à filtration plasmonique caractérisé en ce qu'il comporte : Filtre entrant Cellules photovoltaïques sur silicium cristallin espacées par rangée d'une distance égale à 9/10 de la cote la plus grande d'une cellule solaire Filtres plasamoniques se faisant face entre deux rangées de cellules solaires Filtre plasmonique dit entrant positionné de chaque côté d'une cellule solaire à une distance inférieure à 8mm de la cellule solaire avec un angle de 120° des motifs en réflexion vers le filtre entrant et l'autre filtre plasmonique centré Filtre plasmonique dit sortant centré à mi-distance entre les cellules solaires avec un angle de 120° des motifs en réflexion vers les cellules solaires Filtre arrière 2 - Dispositif intégré optique selon la revendication précédente caractérisé en ce que le filtre entrant consiste à un milieu optique ayant une transmittance de 92% sur la bande spectrale 275-1500nm et choisit parmi les polymères, le Polyméthacrylate, polymère type FEP Perfluoro Ethylène Propylène, les verres ou une combinaison de ces matériaux dont la face intérieure du filtre a une surface imprimée dont le motif d'impression est une structure prismatique d'un pas du réseau inférieur à la longueur d'onde la plus élevée absorbée par la jonction de semiconducteurs dopés des cellules solaires. 3 - Dispositif intégré optique selon la revendication n°1 caractérisé en ce que le filtre plasmonique est un film extrudé en PET texturé sur lequel est appliqué une couche d'un matériau choisi parmi l'aluminium, le chrome, le nickel, l'argent, l'or, le platine, le cuivre ou un alliage à 20% massique minimum de ces métaux dont le complexe PET-Me a un motif de texturation 4 - Dispositif intégré optique selon la revendication n°3 caractérisé en ce que le filtre plasmonique dit entrant consiste à un motif de texturation qui peut être des tranchées aux parois d'un angle de 60° constituant un angle ouvert de 120° des lignes formées. 5 - Dispositif intégré optique selon la revendication précédente caractérisé en ce que le filtre plasmonique dit entrant consiste à a des espaces de parois de 20 à 50 micromètres constituant les plans parallèles de diffraction de 120°. 6 - Dispositif intégré optique selon la revendication n°4 caractérisé en ce que le filtre plasmonique positionné de chaque côté de cellule solaire a la longueur des cellules solaires ou la longueur de leur assemblage par connexion et la largeur de minimum 1,5 à 30rnm maximum. 7 - Dispositif intégré optique selon la revendication n°3 caractérisé en ce que le filtre plasmonique dit sortant consiste à un motif de texturation qui peut être des tranchées aux parois d'un angle de 60° constituant un angle ouvert de 120° des lignes formées. 8 - Dispositif intégré optique selon la revendication précédente caractérisé en ce que le filtre plasmonique dit sortant consiste à a des espaces de parois de 20 à 50 micromètres constituant les plans parallèles de diffraction de 120°. 9 - Dispositif intégré optique selon la revendication n°7 caractérisé en ce que le filtre plasmonique centré entre les cellules solaires a la longueur des cellules solaires ou la longueur de leur assemblage par connexion et la largeur de minimum 1,5 à 30mm maximum. 3024284 -5- 10 - Dispositif intégré optique selon la revendication n°1 caractérisé en ce que la géométrie dans les plans x, y, z soit définie par un ratio d'espace d'espace libre de transmission du spectre solaire entre les cellules solaires sur silicium de 55% de la surface totale du module photovoltaïque et que l'espace libre entre deux cellules corresponde à 92% d'une cellule solaire et que le filtre plasmonique entrant soit positionné avant le filtre arrière 5 à une distance inférieure à sa largeur de la cellule solaire et que son orientation des plans de réflexion à 120° soit dirigée vers le filtre entrant et les plans parallèles de réflexion parallèles aux cellules solaires et que le filtre plasmonique dit sortant soit positionné à mi-distance entre deux rangées de cellules solaires sous le filtre entrant et que son orientation des plans de réflexion à 120° soit dirigée vers le filtre arrière et les plans parallèles de réflexion parallèles aux cellules solaires. 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60