Brevet FR3042336A1 — publié le 20170414

-1 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration dichroïque variable avec miroir dichroïque concave simple et convexe double 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 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 3 04 2 3 3 6 -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 optique photovoltaïque à filtration dichroïque variable avec miroir dichroïque concave simple et convexe double localement : 10 Dispositif optique photovoltaïque à filtration dichroïque variable à miroir dichroïque concave simple et convexe double localement caractérisé selon les figures 1 et 2 en ce qu'il comporte : - Des rangées de cellules solaires bifadales cristallines (1) ayant une surface frontale (1f) et une surface arrière (10 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 15 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) 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 convexe et double concave localement (8c) collé 20 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) symétrique ou dissymétrique 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 par convergence des rayons diffractés du miroir dichroïque simple concave et par divergence des rayons diffractés du miroir 25 dichroïque double convexe. Le dispositif optique photovoltaïque à filtration dichroïque variable à miroir dichroïque concave simple et convexe double localement selon la figure n°4 caractérisé en ce que l'espace libre de passage de lumière entrant 30 et sortant à travers soit d'une largeur (e) entre deux rangées de cellules solaires (1) et de la longueur de la rangée de cellules solaires (1) pour former l'aire (6S). Ce dispositif optique photovoltaïque à filtration dichroïque variable à miroir dichroïque concave simple et 35 convexe double localement selon les figures 1 et 4 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 encapsulant (5) choisi parmi les silicones, les acryliques, les thermoplastiques et que la surface (4") soit d'un indice de réfraction inférieur de 10% à l'indice de réfraction du dioptre entrant (4). 40 Ce dispositif est caractérisé en ce que l'aire (6S) se définit par les dimensions de l'intervalle (e) et de la longueur des rangées de cellules. 45 convexe double localement selon la figure n°4 caractérisé en ce que la surface (8s) du filtre multiréfringent Ce dispositif optique photovoltaïque à filtration dichroïque variable à miroir dichroïque concave simple et variable (8) ait une surface égale à l'aire (2s) de la matrice (2) de cellules solaires (1) et constitue deux plans parallèles entre 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 (10 des cellules solaires en superposition en tout point de cette aire (2s). 50 Le dispositif optique photovoltaïque à filtration dichroïque variable à miroir dichroïque concave simple et convexe double localement selon la figure n°3 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 55 une combinaison de couches (8a) et (8b) formant un nano-laminé dont chaque (8a) et (8b) varie en 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 1600nm la couche (8b) est la combinaison de (8a) dont l'indice de réfraction part réelle varie entre 1,6 et 2 sur 60 la bande spectrale de 300 à 1600nm. 3042 3 36 -3- Ce dispositif optique photovoltaïque à filtration dichroïque variable à miroir dichroïque concave simple et convexe double localement selon les figures 2 et 4 caractérisé en ce que le filtre multiréfringent variable (8) consiste à un dichroïsme compris entre )t./10 et k/2 du spectre incident pour une longueur d'onde X donnée 5 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 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 10 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 (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 15 dichroïque paraboloïde hyperbolique concave. L'axe médian de la forme simple concave du filtre optique (8c) doit être à positionnée exactement et confondue avec l'axe médian entre deux rangées de cellules solaires (1). 20 Le dispositif optique (8c) peut se caractériser par des dimensions identiques telles que : - h'=h" - P=1" ce dispositif est dit symétrique. 25 Le dispositif optique (8c) peut se caractériser par des dimensions différentes entre la forme concave et la forme convexe et se définit par : - h'=h" - l'=l"/2 30 ce dispositif est dit dissymétrique 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 205mm la cellule solaire a une efficacité de conversion de 20,8% minimum pour une puissance 35 maximale de 5,06Watt, interconnectée par un ruban enrobé colle conductrice d'une résine de silicone et de 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 - 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 40 - 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 - le dioptre sortant (7) est un verre solaire imprimé d'épaisseur de 2mm de silicate à trempe de durcissement. - 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 45 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. Un tel dispositif optique photovoltaïque à double filtre plasmonique arrière a une puissance lors du test 50 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 fotre 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 55 fonction de la réponse spectrale de la cellule solaire et correspond à la réflexion de longueurs d'ondes entre 600 et 900nrn : 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 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 60 d'onde selon l'inclinaison de ce dernier. REVENDICATIONS1 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration dichroïque variable avec miroir dichroïque concave simple et convexe double 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) 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 convexe et double concave 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) symétrique ou dissymétrique 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 par convergence des rayons diffractés du miroir dichroïque simple concave et par divergence des rayons diffractés du miroir dichroïque double convexe. 2 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration dichroïque variable avec miroir dichroïque concave simple et convexe double localement selon la revendication précédente 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 longueur de la rangée de cellules solaires (1) pour former l'aire (6S) qui se définit par les dimensions de l'intervalle (e) et de la longueur des rangées de cellules. 3 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration dichroïque variable avec miroir dichroïque concave simple et convexe double localement selon la revendication n°1 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 encapsulant (5) choisi parmi les silicones, les acryliques, les thermoplastiques et que la surface (4") soit d'un indice de réfraction inférieur de 10% à l'indice de réfraction du dioptre entrant (4). 4 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration dichroïque variable avec miroir dichroïque concave simple et convexe double 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 deux plans parallèles entre la matrice de cellules (2) et le filtre 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). 5 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration dichroïque variable avec miroir dichroïque concave simple et convexe double 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 épaisseur comprise entre 2Angstn5rn et 500Angstrôm 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 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. 6 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration dichroïque variable avec miroir dichroïque concave simple et convexe double localement selon la revendication n°1 et la revendication précédente caractérisé en ce que le filtre multiréfringent variable (8) consiste à un dichroïsme compris entre k/10 et a./2 du spectre incident pour une longueur d'onde T. donnée et dont l'interface (8i) peut avoir une texturation de sa surface localisée dont la surface est définie par l'aire (6S). 3 04 2 3 3 6 -5- 7 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration dichroïque variable avec miroir dichroïque concave simple et convexe double localement selon les revendications n°1, 5, 6 caractérisé en ce que le filtre optique (8c) ait une forme concave simple et convexe double localement soit en matériau acrylate 5 8 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration dichroïque variable avec miroir dichroïque concave simple et convexe double localement selon la revendication précédente 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 concave 10 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. 9 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration dichroïque variable avec miroir dichroïque concave simple et 15 convexe double localement selon les revendications n°7 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 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. 20 10 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration dichroïque variable avec miroir dichroïque concave simple et convexe double localement selon les revendications n°1, 7 et 8 caractérisé en ce que l'axe médian de la forme simple concave du filtre optique (8c) doit être à positionnée exactement et confondue avec l'axe médian entre deux rangées de cellules solaires (1). 25 11 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration dichroïque variable avec miroir dichroïque concave simple et convexe double localement selon les revendications n°1, 7, 8 et 9 caractérisé en ce que le dispositif optique (8c) peut se caractériser par des dimensions identiques telles que : 30 - h'=h" - P=1" pour former un dispositif (8c) symétrique. 35 12 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration dichroïque variable avec miroir dichroïque concave simple et convexe double localement selon les revendications n°1, 7, 8 et 9 caractérisé en ce que le dispositif optique (8c) peut se caractériser par des dimensions différentes entre la forme concave et la forme convexe et se définit par : - h'=h" - P=1"/2 40 pour former un dispositif (8c) dissymétrique 45 50 55 60