Brevet FR3038135A1 — publié le 20161230

- 1- Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multifringence variable à texturation 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 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 thenno-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 1300nrn représentant 80% du spectre 3 0 3 8 1 3 5 -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 à texturation locale : 10 Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable à texturation 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) terturé localement sur une largeur (8t1) correspondant à l'espace 20 entre deux rangées de cellules solaires (e) et 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) de largeur (8t1) et de longueur du dioptre (4) ou (7) du dichroïsme parallèle au filtre plasmonique (3). 25 Ce dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable à texturation 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 30 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 35 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 Le dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable à texturation 40 locale 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. Le dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable à texturation 45 locale selon la figure n°2 caractérisé en ce que la bande réfléchissante constituant le filtre plasmonique (3) ait une largeur inférieure ou égale à 60mrn par unité de bande réfléchissante. Ce dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable à texturation 50 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 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 60 parmi l'éthylène vinyle acétate, les thermo-plastiques, les silicones, les acryliques et que la face inférieure de la Le dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable à texturation 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 3038135 -3- matrice (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. Ce dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable à texturation locale selon la figure n°5 caractérisé en ce que la bande réfléchissante constituant le filtre plasmonique (3) ait 5 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 (e) distance séparant deux rangées de cellules (1). Le dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique et multiréfringence variable arrière locale selon les 10 figures 4 et 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 matrice de cellules (2) et le filtre multiréfringent variable (8) à texturation locale (8t1) 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 15 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 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 20 - 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 la couche (8b) est la combinaison de (8a) dont l'indice de réfraction part réelle varie entre 1,6 et 2 sur 25 la bande spectrale de 300 à 1600nm. Une texturation par des plans d'un angle inférieure ou égale à 60° sur une largeur (8t1) correspondant à la bande soumise au passage libre de lumière (e) Une zone non texturée par un plan horizontal du nano-laminé définie en largeur (8c1) inférieure ou égale à la largeur de la rangée de cellules solaires (1) 30 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 k/8 et ?./2 du spectre incident pour une longueur d'onde k donnée et dont l'interface (8i) a une 35 texturation de sa surface localisée dont la surface est définie par (8t1) 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) terturé localement sur une largeur (8t1) correspondant à l'espace entre deux rangées de cellules solaires (e) et 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) de largeur (8t1) et de longueur du dioptre (4) ou (7) 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 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 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. 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 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 selon la revendication n°1 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 (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. 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 plasmonique (3) ait une largeur inférieure ou égale à 1/3 de la distance (e) entre deux rangées de cellules solaires 3 0 3 8 1 3 5 -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) à texturation locale (8t1) 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 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 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 1600nm. Une texturation par des plans d'un angle inférieure ou égale à 60° sur une largeur (8t1) correspondant à la bande soumise au passage libre de lumière (e) Une zone non texturée par un plan horizontal du nano-laminé définie en largeur (8c1) inférieure ou 25 égale à la largeur de la rangée de cellules solaires (1) 10 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière locale selon la revendication précédente caractérisé en ce que le filtre multiréfringent variable (8) consiste à un 30 dichroïsme compris entre X/8 et X/2 du spectre incident pour une longueur d'onde X donnée et dont l'interface (8i) a une texturation de sa surface localisée dont la surface est définie par (8t1) 35 40 45 50 55 10 60