Brevet FR3042341A1 — publié le 20170414

Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multifrégence variable arrière simple concave et double convexe localement 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 13` 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 entraînant 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 Pencapsulation 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 1300nrn représentant 80% du spectre 3042 34 1 -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 frontale et multiréfringence variable arrière simple concave et double convexe localement : 10 Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière simple concave et double convexe localement caractérisé selon les figures 1 et 2 en ce qu'il comporte : Des rangées de cellules solaires bifaciales cristallines (1) ayant une surface frontale (1f) et une surface arrière (1r) de ratio de conversion photovoltaïque minimum de 80% et interconnectées pour former 15 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 d'une cellule solaire (1) La surface prise dans le plan de la matrice (2) forme une aire (2s) un filtre plasmonique (3) collé sur le dioptre entrant (4) et positionné en parallèle d'une rangée de cellules solaires (1) dans l'intervalle (e) séparant les cellules solaires (1) et centré sur l'axe médian entre 20 deux rangées de cellules donc 1/2 de (e) Une aire de transmission lumineuse (6S) constituée de l'intervalle (e) par une rangée de cellules solaires (1) Un filtre multiréfringent variable (8) à miroir simple concave et double convexe localement (8c) collé sur la surface inférieure (7") du dioptre sortant (7) recouvrant la surface inférieure (7") d'une surface 25 égale à l'aire (2s) et dont la zone simple concave et double convexe (8c) du filtre (8) est positionnée exactement en superposition parallèle en tout point de l'aire (6S) pour réfléchir les rayons lumineux vers la face arrière (1r) des cellules solaires et vers le filtre plasmonique (3) par convergence des rayons diffractés du miroir dichroïque simple concave(8c) et par divergence des rayons diffractés du miroir dichroïque double convexe 30 Ce dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière simple concave et double convexe localement selon la figure n°3 caractérisé en ce que le filtre plasmonique (3) comporte : - Un film d'un polymère (3p) choisi parmi le poly(téréphtalate d'éthylène) (PET), la polyoléfine (PO), un 35 fluoropolyrnère (PVDF), les polycarbonates, les acrylates ayant une micro-réplication bifaciale d'un motif prismatique (3") et (3"') de segment inférieur ou égal à 25micron selon un angle inférieur ou égal à 60° un composé nanolaminé (3r) composé de multi-couches des matériaux choisi parmi l'Argent, l'Aluminium, le Silicium, l'Or, le Chrome, le Zinc, le Cuivre, le Nickel, le Cobalt, le lithium, le Platine 40 des nanotubes de Carbone, de Nitrure de Bore, l'oxyde d'aluminium A1203, l'oxyde d'Hafnium Hf02, l'oxyde de Zirconium ZrO2, les alliages ternaires hafnium aluminate HfrAly0z, les alliages ternaires zirconate d'aluminate ZrxAlyOz, les alliages ternaires hafnium zirconate HfxZryOz, les alliages quaternaires hafnia zirconate d'aluminate HficZryAlz0i, d'oxyde de Titane TiO2 45 Le dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière simple concave et double convexe localement selon la figure n°2 caractérisé en ce que le filtre plasmonique (3) ait une longueur égale à la rangée de cellules solaires (1) et constitue une bande réfléchissante bifaciale. 50 Ce dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière simple concave et double convexe localement selon la figure n°2 caractérisé en ce que la bande réfléchissante constituant le filtre plasmonique (3) ait une largeur inférieure au tiers l'intervalle (e) soit e/3 par unité de bande réfléchissante. 55 Le dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière simple concave et double convexe localement selon la figure n°5 caractérisé en ce que l'espace libre de passage de lumière entrant et sortant à travers soit d'une largeur (e) entre deux rangées de cellules solaires (1) et de la 60 longueur de la rangée de cellules solaires (1) pour former l'aire (6S). 3042341 -3- Ce dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière simple concave et double convexe localement selon les figures 1 et 5 caractérisé en ce que la face supérieure de la matrice (2) de cellules solaires soit encapsulée avec la surface (4') du dioptre entrant (4) par un matériau 5 encapsulant (5) choisi parmi les silicones, les acryliques, les thermoplastiques. Le dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière simple concave et double convexe localement selon les figures 1 et 5 caractérisé en ce que le filtre plasmonique (3) par 10 sa face inférieure texturée (3") soit orientée vers la face frontale (1f) de cellules solaires (1) et que sa face supérieure texturée (3") soit encapsulée entre la surface (4') du dioptre entrant (4) par un matériau encapsulant (6) choisi parmi les silicones, les acryliques, les thermoplastiques. Ce dispositif est caractérisé en ce que l'aire (6S) se définit par les dimensions de l'intervalle (e) et de la longueur 15 des rangées de cellules. Ce dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière simple concave et double convexe localement selon la figure n°5 caractérisé en ce que la surface (8s) du filtre multiréfringent variable (8) ait une surface égale à l'aire (2s) de la matrice (2) de cellules solaires (1) et constitue 20 trois plans parallèles entre le filtre plasmonique (3) et la matrice de cellules (2) et le filtre multiréfringent variable (8) afin que le dichroïsme résultant du filtre (8) est positionné à la face inférieure (1r) des cellules solaires en superposition en tout point de cette aire (2s). Le dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière simple 25 concave et double convexe localement selon la figure n°4 caractérisé en ce que le filtre multiréfringent variable (8) comporte : - une interface (8i) de collage à partir de matériaux choisis parmi les acryliques, les silicones - une combinaison de couches (8a) et (8b) formant un nano-laminé dont chaque (8a) et (8b) varie en épaisseur comprise entre 2Angstrôm et 500Angstri3m chacune 30 - la couche (8a) est la première et la dernière couche du nano-laminé à indice de réfraction part réelle compris entre 1,45 et 1,55 sur la bande spectrale de 300 à 1600nm - la couche (8b) est la combinaison de (8a) dont l'indice de réfraction part réelle varie entre 1,6 et 2 sur la bande spectrale de 300 à 1600nm. 35 Ce dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière simple concave et double convexe localement selon les figures 2 et 4 caractérisé en ce que le filtre multiréfringent variable (8) consiste à un dichroïsme compris entre X/10 et X/2 du spectre incident pour une longueur d'onde X, donnée dont l'interface (8i) peut avoir une texturation de sa surface en interface avec (7"). Le dispositif optique (8) caractérisé en ce que la forme convexe soit en matériau acrylate dont la surface a le filtre multiréfringent variable et dont le diamètre (1') de la forme convexe soit au plus égale à la largeur du filtre (3) soit e/3 et dont la profondeur (h') doit être inférieure à (e/3) pour former un miroir dichroïque paraboloïde hyperbolique convexe. Le dispositif optique (8) caractérisé en ce que la forme concave soit en matériau acrylate dont la surface intérieure a le filtre multiréfringent variable et dont le diamètre (I") de la forme concave soit au plus égale à la largeur du filtre (3) soit e/3 et dont la profondeur (h") doit être inférieure à (e/3) pour former un miroir dichroïque paraboloïde hyperbolique concave. L'axe médian de la forme convexe du filtre optique (8) doit être à positionnée exactement et confondue avec l'axe médian entre deux rangées de cellules solaires (1) et l'axe médian du filtre plasmonique (3). 55 Un exemple de construction d'un tel dispositif photovoltaïque se compose de : - une matrice de cellules solaires bifaciales à passivation arrière de l'emetteur formée sur silicium monocristallin dopé au Phosphore dont les dimensions du substrat pseudo-carrés sont 156,75x156,75mm pour un rayon de lingot de 205mrn : la cellule solaire a une efficacité de conversion de 20,8% minimum pour une puissance maximale de 5,06Watt, interconnectée par un ruban enrobé colle conductrice d'une résine de silicone et de 60 cuivre et nano-fils de cuivre sans plomb : la matrice (2) est constituée de 6 rangées de 10 cellules solaires la matrice est organisée pour avoir 16rnm d'espace (e) entre les rangées de cellules connectées en série 40 45 50 3042341 -4- - 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 2mm - 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 5 - le dioptre sortant (7) est un verre solaire imprimé d'épaisseur de 2mm de silicate à trempe de durcissement. - le filtre plasmonique est un composé de PET micro-répliqué d'épaisseur de 100micron, dont les sillons formant le prisme ont un pas de 20micron et dont la surface est un nano-laminé d'Aluminium, d'oxyde d'aluminium A1203 et en couche de surface un alliage ternaire de HfxAlyOz ce qui augmente la réflectivité sur la bande spectrale de 250-400nm qui sont réfléchis par le filtre à dichroïsme et ont une largeur de 7mm 10 - un filtre multiréfringent variable composé de matériaux acryliques (8a) à indice de réfraction de 1,49 pour une longueur d'onde de 620nm et de matériaux poly-éthylène (8b) à indice de réfraction de 1,76 pour une longueur d'onde de 620nm a une interface acrylique (8i) : ce film a un réseau de 100 pour une épaisseur de 350nm et est laminé sur le dioptre sortant (7) du laminé avant de fixer les câbles et la cavité convexe a une largeur de 18mm pour une profondeur de 4,5mm. 15 Un tel dispositif optique photovoltaïque à double filtre plasmonique arrière a une puissance lors du test d'insolation sous condition standard de 360Watt pour seulement 60 cellules solaires de 5,06W Cette invention permet la réalisation d'une augmentation de la puissance d'un module photovoltaïque à foire 20 transparence par une faible densité de matrice de cellules solaires par une filtration plasmonique qui n'est pas sensible au photo vieillissement par la combinaison des matériaux intégrés : la 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 600 et 900nm : cette fonctionnalité a un intérêt économique par le coût du silicium diminuant ainsi de 50% le nombre de cellules solaires pour la surface du dioptre entrant d'une part et d'une utilisation du spectre lumineux 25 sortant du dioptre sortant pour diverses applications dont la chroma-culture de différents types de végétaux entre autres et de maitriser le spectre transmis à travers le dispositif optique photovoltaïque pour des longueurs d'onde selon l'inclinaison de ce dernier. REVENDICATIONS1. Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière simple concave et double convexe localement caractérisé en ce qu'il comporte : - Des rangées de cellules solaires bifaciales cristallines (1) ayant une surface frontale (1f) et une surface arrière (1r) de ratio de conversion photovoltaïque minimum de 80% et 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 d'une cellule solaire (1) La surface prise dans le plan de la matrice (2) forme une aire (2s) un filtre plasmonique (3) collé sur le dioptre entrant (4) et positionné en parallèle d'une rangée de cellules solaires (1) dans l'intervalle (e) séparant les cellules solaires (1) et centré sur l'axe médian entre deux rangées de cellules donc 1/2 de (e) Une aire de transmission lumineuse (6S) constituée de l'intervalle (e) par une rangée de cellules solaires (1) Un filtre multiréfringent variable (8) à miroir simple concave et double convexe localement (8c) collé sur la surface inférieure (7") du dioptre sortant (7) recouvrant la surface inférieure (7") d'une surface égale à l'aire (2s) et dont la zone simple concave et double convexe (8c) du filtre (8) est positionnée exactement en superposition parallèle en tout point de l'aire (6S) pour réfléchir les rayons lumineux vers la face arrière (1r) des cellules solaires et vers le filtre plasmonique (3) par divergence des rayons diffractés du miroir dichroïque simple convexe (8c) et par convergence des rayons diffractés du miroir dichroïque double concave L'axe médian de la forme simple concave du filtre optique (8) doit être à positionnée exactement et confondue avec l'axe médian entre deux rangées de cellules solaires (1) et l'axe médian du filtre plasmonique (3). 2 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière simple concave et double convexe localement selon la revendication précédente caractérisé en ce que le filtre plasmonique (3) comporte : Un film d'un polymère (3p) choisi parmi le poly(téréphtalate d'éthylène) (PET), la polyoléfine (PO), un fluoropolymère (PVDF), les polycarbonates, les acrylates ayant une micro-réplication bifaciale d'un motif prismatique (3") et (3"') de segment inférieur ou égal à 25micron selon un angle inférieur ou égal à 60° un composé nanolaminé (3r) composé de multi-couches des matériaux 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, l'oxyde d'aluminium A1203, l'oxyde d'Hafnium Hf02, l'oxyde de Zirconium ZrO2, les alliages ternaires hafnium aluminate HficAly0z, les alliages ternaires zirconate d'aluminate ZrxAlyOz, les alliages ternaires hafnium zirconate HfxZry0z, les alliages quaternaires hafnia zirconate d'aluminate HfxZryAlz0i, d'oxyde de Titane TiO2 3 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière simple concave et double convexe localement selon la revendication précédente caractérisé en ce que le filtre plasmonique (3) ait une longueur égale à la rangée de cellules solaires (1) constituant une bande réfléchissante bi-faciale et ait une largeur inférieure au tiers l'intervalle (e) soit e/3 par unité de bande réfléchissante. 4 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière simple concave et double convexe localement selon la revendication n°1 caractérisé en ce que la face frontale (1f) de la matrice (2) de cellules solaires soit encapsulée avec la surface (4') du dioptre entrant (4) par un matériau encapsulant (5) choisi parmi les silicones, les acryliques, les thermoplastiques. 5 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière simple concave et double convexe localement selon la revendication n°1 caractérisé en ce que le filtre plasmonique (3) par sa face inférieure texturée (3") soit orientée vers la face frontale (1f) de cellules solaires (1) et que sa face supérieure texturée (3") soit encapsulée entre la surface (4') du dioptre entrant (4) par un matériau encapsulant (6) choisi parmi les silicones, les acryliques, les thermoplastiques. 3 04 2 3 4 1 -6- 6 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière simple concave et double convexe localement selon la revendication n°1 caractérisé en ce que la surface (8s) du filtre multiréfringent variable (8) ait une surface égale à l'aire (2s) de la matrice (2) de cellules solaires (1) et constitue trois plans parallèles entre le filtre plasmonique (3) et la matrice de cellules (2) et le filtre 5 multiréfringent variable (8) afin que le dichroïsme résultant du filtre (8) est positionné à la surface (7") en superposition en tout point de cette aire (2s) et en parallèle en tout point de cette aire (2s) derrière le dioptre sortant (7) et du filtre plasmonique (3). 10 7 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière simple concave et double convexe localement selon la revendication n°1 caractérisé en ce que le filtre multiréfringent variable (8) comporte : - une interface (8i) de collage à partir de matériaux choisis parmi les acryliques, les silicones - une combinaison de couches (8a) et (8b) formant un nano-laminé dont chaque (8a) et (8b) varie en 15 épaisseur comprise entre 2Angstrôm et 500Angstriim chacune - la couche (8a) est la première et la dernière couche du nano-laminé à indice de réfraction part réelle compris entre 1,45 et 1,55 sur la bande spectrale de 300 à 1600nrn - la couche (8b) est la combinaison de (8a) dont l'indice de réfraction part réelle varie entre 1,6 et 2 sur la bande spectrale de 300 à 1600nm. 20 8 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière simple concave et double convexe localement selon la revendication n°1 et la revendication n°7 précédente caractérisé en ce que le filtre multiréfringent variable (8) consiste à un dichroïsme compris entre X/10 et ?./2 du 25 spectre incident pour une longueur d'onde X. donnée et dont l'interface (8i) peut avoir une texturation de sa surface en interface avec (7"). 9 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière 30 simple concave et double convexe localement selon la revendication n°1 et n°8 caractérisé en ce que la forme concave soit en matériau acrylate dont la surface a le filtre multiréfringent variable et dont le diamètre (1') de la forme convexe soit au plus égale à la largeur du filtre (3) soit e/3 et dont la profondeur (h') doit être inférieure à (e/3) pour former un miroir dichroïque paraboloïde hyperbolique concave. 35 10 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière simple concave et double convexe localement selon la revendication n°1 et n°8 caractérisé en ce que la forme convexe soit en matériau acrylate dont la surface intérieure a le filtre multiréfringent variable et dont le diamètre (1") de la forme concave soit au plus égale à la largeur du filtre (3) soit e/3 et dont la profondeur (h") doit être 40 inférieure à (e/3) pour former un miroir dichroïque paraboloïde hyperbolique convexe. 45 50 55 60