Brevet FR3038142A1 — publié le 20161230

-1- Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique simple arrière 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 sut 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 motaocristallin 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 3 0 3 8 1 4 2 -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 longueurs d'onde qui ne sont pas utiles à la production photovoltaïque. 5 Description du dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique simple arrière : Le dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique simple arrière caractérisé en ce qu'il 10 comporte selon la figure n°1 - des rangées de cellules solaires cristallines (1) interconnectées pour former une matrice (2) encapsulée entre un dioptre entrant (4) et sortant (7) dont la distance (e) séparant deux rangées est égale ou inférieure au segment du filtre plasmonique (3) le filtre plasmonique (3) collé sur le dioptre sortant (7) et positionné dans l'espace entre rangée de 15 cellules solaires (1) dans l'intervalle (e) séparant les cellules solaires (1) Ce Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique simple arrière selon la figure n°3 caractérisé en ce que le filtre plasmonique (3) comporte : 20 - un composé métallique (3') à partir de matériaux conducteurs choisi parmi l'Argent, l'Aluminium, le Silicium, l'Or, le Chrome, le Zinc, le Cuivre, le Nickel, le Cobalt, le Lithium, le Platine des nanotubes de Carbone, de Nitrure de Bore - la surface supérieure du composé métallique (3) est texturée en tranchées parallèles de forme triangulaire (3") avec une inclinaison des parois de tranchées parallèle inférieure (3°) à 90° et de largeur 25 de tranchée inférieure ou égale à 50micron caractérisant le pas des sillons formant les parois des tranchées - le composé métallique a une face postérieure (3"') enduite d'un matériau encapsulant choisi parmi l'éthylène vinyle acétate, les thermo-plastiques, les silicones, les acryliques 30 Ce Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique simple arrière caractérisé en ce que le filtre plasmonique (3) ait une longueur égale à la rangée de cellules solaires (1) selon la figure n°2 et constitue une bande réfléchissante. 35 Le dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique simple arrière selon la figure n°2 caractérisé en ce que la bande réfléchissante constituant le filtre plasmonique (3) ait une largeur supérieure ou égale à la largeur (e) de la matrice (2) entre deux rangées de cellules solaires (1) ou inférieure ou égale à 60mm par unité de bande réfléchissante. 40 Ce dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique simple arrière selon figure n°4 caractérisé en ce que la face supérieure de la matrice (2) de cellules solaires soit encapsulée avec le dioptre entrant (4) par un matériau encapsulant (5) choisi parmi l'éthylène vinyle acétate, les thermo-plastiques, les silicones, les acryliques. 45 Ce dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique simple arrière selon la figure n°4 caractérisé en ce que le filtre plasmonique (3) soit encapsulé entre la face inférieure de la matrice (2) de cellules solaires et le dioptre sortant (7) par un matériau encapsulant (6) choisi parmi l'éthylène vinyle acétate, les thermo-plastiques, les silicones, les acryliques. 50 Un excemple de construction d'un tel dispositif photovoltaïque se compose de : - une matrice de cellules solaires formée sur silicium rnonocristallin de type P dont les dimensions du substrat pseudo-carrés sont 156,75x156,75mm pour un rayon de lingot de 205mm : la cellule solaire a une efficacité de conversion de 20,8% minimum pour une puissance maximale de 5,06Watt, interconnectée par un ruban enrobé 55 colle conductrice d'une résine de silicone et de cuivre et rano-fils de cuivre sans plomb : la matrice (2) est constituée de 10 rangées de 6 cellules solaires la matrice est organisée pour avoir 13mm d'espace (e) entre les rangées de cellules connectées en série - dioptre entrant (4) est un verre solaire imprimé trempé thermiquement de silicate à transmission de 96% sur le spetre solaire 1.5AM d'épaisseur de 2,6mm 60 - la matrice (2) formée est encapsulée par sa face avant soumis en radiation solaire directe par un encapsulant (5) de silicone liquide transparent aux UV laminé par une lamination liquide 3038142 -3- - le dioptre sortant (7) est un verre solaire imprimé d'épaisseur de 2mm de silicate à trempe de durcissement ayant deux découpes par polissage du bord du verre pour l'extraction des câbles de polarité de la matrice (2) sur lequel est positionné les bandes réfléchissantes constituant le filtre plasmonique. - le filtre plasmonique est un composé d'aluminium d'épaisseur de 100micron et de largeur de 13mm, dont les 5 sillons sont formés sous presse afin de former une texturation de surface en tranchées d'un pas de 20micron et dont les parois forment un angle de 60° (3°) et dont l'interface (3") est une couche produite par évaporation de SiOx et de résine de silicone - les bandes réfléchissantes d'une largeur de 13mm sont positionnés par un robot selon les axes X, Y pour être placées sur le verre dans l'intervalle entre deux rangées de la matrice (2) de cellules (1) avec la face supérieure 10 texturée (3") orientée vers la face inférieure des cellules solaires et il ne peut y avoir de court-circuit étant donné que l'encapsulant (6) est un silicone liquide d'une viscosité dynamique de 30Pa.s est appliqué par lamination liquide afin d'encapsuler la face inférieure de la matrice (2) et du filtre plasmonique (3) avec le dioptre sortant (7) 15 Un tel dispositif optique photovoltaïque à double filtre plasmonique arrière a une puissance lors du test d'insolation sous condition standard de 345Watt pour seulement 60 cellules solaires de 5,06W. Cette invention permet la réalisation d'une augmentation de la puissance d'un module par une filtration plasmonique qui n'est pas sensible au photo vieillissement par la combinaison des matériaux intégrés : la 20 géométrie du filtre est adaptée en fonction de la réponse spectrale de la cellule solaire et correspond à la réflexion de longueurs d'ondes entre 300 et 900nm : cette fonctionnalité a un intérêt économique par l'augmentation de la puissance (Pmpp) d'un module au travers de la tension (Vmpp) augmentée de 13% dans cet exemple de mise en oeuvre, soit l'équivalent d'une matrice de 68 cellules solaires identiques et donc cette technologie permet de réduire le nombre de cellules solaires et donc le coût EUR/kWh produit. 25 30 35 40 45 50 55 60 REVENDICATIONS1 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique simple arrière caractérisé en ce qu'il comporte : - des rangées de cellules solaires cristallines (1) interconnectées pour former une matrice (2) encapsulée entre un dioptre entrant (4) et sortant (7) dont la distance (e) séparant deux rangées est égale ou inférieure au segment du filtre plasmonique (3) - le filtre plasmonique (3) collé sur le dioptre sortant (7) et positionné dans l'espace entre rangée de cellules solaires (1) dans l'intervalle (e) séparant les cellules solaires (1) 2 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique simple arrière selon la revendication précédente caractérisé en ce que le filtre plasmonique (3) comporte : - un composé métallique (3') à partir de matériaux conducteurs choisi parmi l'Argent, l'Aluminium, le Silicium, l'Or, le Chrome, le Zinc, le Cuivre, le Nickel, le Cobalt, le lithium, le Platine des nanotubes de Carbone, de Nitrure de Bore - la surface supérieure du composé métallique (3) est texturée en tranchées parallèles de forme triangulaire (3") avec une inclinaison des parois de tranchées parallèle inférieure (3°) à 90° et de largeur de tranchée inférieure ou égale à 50micron caractérisant le pas des sillons formant les parois des tranchées - le composé métallique a une face postérieure (3") enduite d'un matériau encapsulant choisi parmi l'éthylène vinyle acétate, les thermo-plastiques, les silicones, les acryliques 3 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique simple arrière selon la revendication précédente caractérisé en ce que le filtre plasmonique (3) ait une longueur égale à la rangée de cellules solaires (1) et constitue une bande réfléchissante. 4 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique simple arrière selon la revendication n°2 caractérisé en ce que la bande réfléchissante constituant le filtre plasmonique (3) ait une largeur supérieure ou égale à la largeur (e) de la matrice (2) entre deux rangées de cellules solaires (1) ou inférieure ou égale à 60mm par unité de bande réfléchissante. 5 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique simple arrière selon la revendication n°1 caractérisé en ce que la face supérieure de la matrice (2) de cellules solaires soit encapsulée avec le dioptre entrant (4) par un matériau encapsulant (5) choisi parmi l'éthylène vinyle acétate, les thermo-plastiques, les silicones, les acryliques. 6 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique simple arrière selon la revendication n°1 caractérisé en ce que le filtre plasmonique (3) soit encapsulé entre la face inférieure de la matrice (2) de cellules solaires et le dioptre sortant (7) par un matériau encapsulant (6) choisi parmi l'éthylène vinyle acétate, les thermo-plastiques, les silicones, les acryliques. 55 60