Brevet FR3038136A1 — publié le 20161230

-1 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multifrégence variable arrière locale 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 PEVA 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 156min 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 0,2mrn 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 PEVA 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 1300rnn représentant 80% du spectre 303 81 36 -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 locale : 10 Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière locale selon les figures 1 et 2 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 15 inférieure au segment d'une cellule solaire (1) un filtre plasmonique (3) collé sur la surface inférieure (4') du 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) Un filtre multiréfringent variable (8) collé sur la surface inférieure (7") du dioptre sortant (7) 20 recouvrant la surface inférieure (7") d'une surface égale à l'aire (2s) et positionné exactement en superposition parallèle en tout point de l'aire (2s) occupée par la matrice (2) à la surface (7") pour former une aire (8s) du dichroïsme parallèle au filtre plasmonique (3). 25 Ce dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière locale selon la figure n°3 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 30 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 35 l'éthylène vinyle acétate, les thermo-plastiques, les silicones, les acryliques Le dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière locale selon la figure n°2 caractérisé en ce que le filtre plasmonique (3) ait une longueur égale à la rangée de cellules 40 solaires (1) et constitue une bande réfléchissante. Le dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière locale selon la figure n°2 caractérisé en ce que la bande réfléchissante constituant le filtre plasmonique (3) ait une 45 largeur inférieure ou égale à 6Omm par unité de bande réfléchissante. Ce dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière locale selon les figures 1,2 et 5 caractérisé en ce que l'espace libre de passage de lumière entrant et sortant à travers le 50 dispositif optique photovoltaïque soit d'une largeur (e) entre deux rangées de cellules solaires (1) diminué de la largeur de bande réfléchissante (3) constituant le filtre plasmonique frontal et de la longueur de la rangée de cellules solaires (1). 55 Le dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière locale selon la figure 5 caractérisé en ce que le filtre plasmonique (3) par sa face supérieure texturé (3") soit orientée vers la face supérieure active de cellules solaires (1) et soit encapsulé entre la face supérieure de la matrice (2) de cellules solaires (1) et la surface (4') du dioptre entrant (4) par un matériau encapsulant (5) choisi parmi l'éthylène vinyle acétate, les thermo-plastiques, les silicones, les acryliques et que la face inférieure de la matrice 60 (2) soit encapsulée avec la face supérieure (7') du dioptre sortant (7) par un matériau encapsulant (6) choisi parmi l'éthylène vinyle acétate, les thermo-plastiques, les silicones, les acryliques. 303 81 36 -3- Ce dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière locale selon la figure n°5 caractérisé en ce que la bande réfléchissante constituant le filtre plasmonique (3) ait une largeur inférieure ou égale à 1/3 de la distance (e) entre deux rangées de cellules solaires et que l'axe médian du filtre plasmonique (3) est positionné à une distance de son axe médian du filtre plasmonique (3) égale à 1/2 de 5 (e) distance séparant deux rangées de cellules (1). Le dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique et multiréfringence variable arrière locale 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 trois plans parallèles entre le filtre plasmonique (3) et la 10 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) et du filtre plasmonique (3). Ce dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière locale 15 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 thermo-plastiques, les silicones - une combinaison de couches (8a) et (8b) formant un nano-laminé dont chaque (8a) et (8b) varie en épaisseur comprise entre 2Angstriim et 500Angstriim chacune 20 - 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 1600nrn. 25 Ce dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière locale selon les figures 4 et 5 caractérisé en ce que le filtre multiréfringent variable (8) consiste à un dichroïsme compris entre X/8 et k/2 du spectre incident pour une longueur d'onde ? donnée et dont l'interface (8i) peut avoir une texturation de sa surface localisée dont la surface est définie par la distance entre deux rangées de 30 cellules solaires(e) *longueur de rangée (2) de cellules solaire (1). Un exemple de construction d'un tel dispositif photovoltaïque se compose de : 35 - une matrice de cellules solaires formée sur silicium monocristallin de type P dont les dimensions du substrat pseudo-carrés sont 156,75x156,75mtn 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 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 cellules solaires 40 la matrice est organisée pour avoir 139mm 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 2,6mrn - 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 45 - 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, dont les sillons sont formés sous presse afin de former une texturation de surface en tranchées d'un pas de 20micron et dont les parois forment 50 un angle de 60° (3°) et dont l'interface (3"') est une couche produite par évaporation de SiOx et de résine de silicone - la bande réfléchissante d'une largeur de 16mrn est positionnée par un robot selon les axes X, Y pour être placée sur la surface inférieure (4') du verre (4) dans l'intervalle entre deux rangées de la matrice (2) de cellules (1) avec la face supérieure texturée (3") orientée vers la face supérieure des cellules solaires et il ne peut y avoir 55 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 supérieure de la matrice (2) et du filtre plasmonique (3) avec le dioptre sortant (4) - 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 60 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. 3038136 -4- Un tel dispositif optique photovoltaïque à double filtre plasmonique arrière a une puissance lors du test d'insolation sous condition standard de 250Watt pour seulement 36 cellules solaires de 5,06W et le ratio d'ombrage en proportion de la surface du dispositif est de 45% et permet un passage de lumière en ratio de 5 surface de 55% à travers le dispositif. 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 10 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 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 15 d'onde selon l'inclinaison de ce dernier. 20 25 30 35 40 45 50 55 60 REVENDICATIONS1 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière locale 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 d'une cellule solaire (1) un filtre plasmonique (3) collé sur la surface inférieure (4') du 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) Un filtre multiréfringent variable (8) collé sur la surface inférieure (7") du dioptre sortant (7) recouvrant la surface inférieure (7") d'une surface égale à l'aire (2s) et positionné exactement en superposition parallèle en tout point de l'aire (2s) occupée par la matrice (2) à la surface (7") pour former une aire (8s) du dichroïsme parallèle au filtre plasmonique (3). 2 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière locale 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 50tnicron 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 frontale et multiréfringence variable arrière locale 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 frontale et multiréfringence variable arrière locale selon la revendication n°2 caractérisé en ce que la bande réfléchissante constituant le filtre plasmonique (3) ait une largeur inférieure ou égale à 60mm par unité de bande réfléchissante. 40 5 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière locale selon la revendication n°1 caractérisé en ce que l'espace libre de passage de lumière entrant et sortant à travers le dispositif optique photovoltaïque soit d'une largeur (e) entre deux rangées de cellules solaires (1) diminué de 45 la largeur de bande réfléchissante (3) constituant le filtre plasmonique frontal et de la longueur de la rangée de cellules solaires (1). 6 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière locale 50 selon la revendication n°1 caractérisé en ce que le filtre plasmonique (3) par sa face supérieure texture (3") soit orientée vers la face supérieure active de cellules solaires (1) et soit encapsulé entre la face supérieure de la matrice (2) de cellules solaires (1) et la surface (4') du dioptre entrant (4) par un matériau encapsulant (5) choisi parmi l'éthylène vinyle acétate, les thermo-plastiques, les silicones, les acryliques et que la face inférieure de la matrice (2) soit encapsulée avec la face supérieure (7') du dioptre sortant (7) par un matériau encapsulant (6) 55 choisi parmi l'éthylène vinyle acétate, les thermo-plastiques, les silicones, les acryliques. 7 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière locale selon les revendications n°1, 2, 3, 4, 6 caractérisé en ce que la bande réfléchissante constituant le filtre 60 plasmonique (3) ait une largeur inférieure ou égale à 1/3 de la distance (e) entre deux rangées de cellules solaires 35 3 0 3 8 1 3 6 -6- et que l'axe médian du filtre plasmonique (3) est positionné à une distance de son axe médian du filtre plasmonique (3) égale à 1/2 de (e) distance séparant deux rangées de cellules (1). 8 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique et multiréfringence variable arrière locale selon la 5 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 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). 9 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière locale 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 thermo-plastiques, les 15 silicones une combinaison de couches (8a) et (8b) formant un nano-laminé dont chaque (8a) et (8b) varie en épaisseur comprise entre 2Angstrôm 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 20 - 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 1600nrn. 10 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière 25 locale selon la revendication précédente caractérisé en ce que le filtre multiréfringent variable (8) consiste à un dichroïsme compris entre X./8 et ?./2 du spectre incident pour une longueur d'onde donnée et dont l'interface (8i) peut avoir une texturation de sa surface localisée dont la surface est définie par la distance entre deux rangées de cellules solaires(e) *longueur de rangée (2) de cellules solaire (1). 30 35 40 45 50 55 10 60