Brevet FR3042347A1 — publié le 20170414

Dispositif optiqu photovoltaïque à filtration piasmonique 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 4 7 -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. Descr ption du dispositif optique photovoltaïque à filtration »m'Ionique Un dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique caractérisé selon les figures 1 et 2 en ce qu'il 10 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 (3A) collé sur le dioptre entrant (4) et positionné en parallèle d'une rangée de 15 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 plasmonique (3B) collé sur le dioptre sortant (7) 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). 20 Ce dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique selon la figure n°3 précédente caractérisé en ce que les filtres plasmoniques (3A) et (3B) comportent : - un composé multicouches (3') à partir de matériaux conducteurs choisi parmi l'Argent, l'Aluminium, le 25 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, de graphène, de dioxyde d'hafnium, de dioxyde de zirconium, de penta-oxyde de tantale, d'oxyde d'aluminium, de dioxyde de titane, d'oxyde de magnésium - la surface supérieure du composé métallique (3A) ou (3B) est texturée en tranchées parallèles de forme triangulaire (3") avec une inclinaison des parois de tranchées parallèle s(3°) inférieure à 90° et de 30 largeur de tranchée inférieure ou égale à 20micron 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 35 Le dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique selon la figure n°2 caractérisé en ce que les filtres plasmoniques (3A) et (3B) aient une longueur égale à la rangée de cellules solaires (1) et constitue une bande réfléchissante. Le dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique selon les figures 2 et 4 caractérisé en ce que la bande réfléchissante constituant le filtre plasmonique (3A) ait une largeur inférieure ou égale à 10mm par unité de bande réfléchissante. Ce dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique selon la figure n°2 caractérisé en ce que la bande réfléchissante constituant le filtre plasmonique (3B) ait une largeur inférieure ou égale à 10mm par unité de bande réfléchissante. Ce dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique selon les figures 1 et 4 caractérisé en ce que l'espace libre de passage de lumière à travers le dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique soit d'une largeur (e) entre deux rangées de cellules solaires (1) diminué de la largeur de la bande réfléchissante (3B) et de la longueur de la rangée de cellules solaires (1) et inférieur ou égal à 10mm. Ce Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique caractérisé en ce que l'espace libre de passage libre de lumière à travers le dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique ait une largeur inférieure ou égale à 10mm et préférentiellement inférieure ou égale à 5mm. 40 45 50 55 60 3042347 -3- Ce dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique selon les figures 1 et 4 caractérisé en ce que le filtre plasmonique (3A) 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 le dioptre entrant (4) par un matériau encapsulant (5) choisi parmi l'éthylène vinyle acétate, les thermo-plastiques, les silicones, les 5 acryliques. Ce dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique selon les figures 1 et 4 caractérisé en ce que le filtre plasmonique (3B) par sa face supérieure texturé (3") soit orientée vers la face inférieure de cellules solaires 10 (1) et soit encapsulé entre la face inférieure de la matrice (2) de cellules solaires (1) et le dioptre sortant (7) par un matériau encapsulant (6) choisi parmi l'éthylène vinyle acétate, les thermo-plastiques, les silicones, les acryliques. 15 Le dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique selon la figure n°4 caractérisé en ce que la bande réfléchissante constituant le filtre plasmonique (3A) ait une largeur inférieure ou égale à 1/3 de la largeur de la bande réfléchissante constituant le filtre plasmonique (3B) et que l'axe médian du filtre plasmonique (3A) soit identique à l'axe médian du filtre plasmonique (3B). 20 Un excemple de construction d'un tel dispositif photovoltaïque se compose de : - une matrice de cellules solaires formée sur silicium monocristallin de type N bifaciales dont les dimensions du substrat pseudo-carrés sont 156x156mm pour un rayon de lingot de 200mm - la cellule solaire a une efficacité de conversion de 20% minimum pour une puissance maximale de 4,78Watt, interconnectée par un ruban 25 enrobé colle conductrice d'une résine de silicone et de cuivre et nana-fils de cuivre sans plomb : la matrice (2) est constituée de 6 rangées de 10 cellules solaires la matrice est organisée pour avoir 12mm 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 sur lequel est positionné les bandes réfléchissantes constituant le 30 filtre plasmonique (3A). - la bande réfléchissante (3A) d'une largeur de 3mm est positionnée par un robot selon les axes X, Y pour être placée sur le verre dans l'intervalle entre deux rangées de la matrice (2) de cellules (1) à 6,5mm du bord de cellules (1) avec la face supérieure texturée (3") orientée vers la face supérieure 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 35 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 entrant (4) - 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 40 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 (3B). - le filtre plasmonique (3B) ou (3A) 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 un angle de 60° (3°) et dont l'interface (3"') est une couche produite par évaporation de SiOx et 45 de résine de silicone - la bande réfléchissante (3B) d'une largeur de 9mm 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 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 50 liquide afin d'encapsuler la face inférieure de la matrice (2) et du filtre plasmonique (3) avec le dioptre sortant (7) 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 4,78W. 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 4,78W et il est parfaitement adapté à des cellules à passivation et émetteur arrière sur silicium cristallin dopé au phosphore. 60 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 3042347 -4- fonction de la réponse spectrale de la cellule solaire et correspond à la réflexion de longueurs d'ondes entre 300 et 900run : cette fonctionnalité a un intérêt économique par le gain de puissance et la réponse spectrale utilisant la face arrière d'une cellule solaire bifaciale sans avoir de support réflectif ou d'un sol ou support à l'Albédo correspond. L'utilisation de la face arrière de la cellule rend le module photovoltaïque bifacial quelque soit l'angle incident du rayonnement solaire et permet une réponse spectrale de la face arrière maitrisée à savoir que les filtres plasmoniques permettent le piégeage photonique et les nombreuses réflexions vers la face arrière sous des angles faibles ou sous un angle normal assure un courant augmenté de la face arrière de 25 à 35% constamment 10 ce qui évite les sauts de courant du générateur photovoltaïque et donc de réduire les pertes électriques et les déphasages par ce lissage de la réponse spectrale de la face arrière d'un module bifacial photovoltaïque. Ce type de filtre est la solution idéale pour les cellules bi-faciales encapsulées avec un dioptre de face arrière réfléchissant. REVENDICATIONS1. Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique 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 (3A) 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) un filtre plasmonique (3B) collé sur le dioptre sortant (7) 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). 15 2 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique selon la revendication n°1 caractérisé en ce que les filtres plasmoniques (3A) et (3B) comportent : - un composé multicouches (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 20 de Carbone, de Nitrure de Bore, de graphène, de dioxyde d'hafnium, de dioxyde de zirconium, de penta-oxyde de tantale, d'oxyde d'aluminium, de dioxyde de titane, d'oxyde de magnésium métallique (3A) ou (3B) est texturée en tranchées parallèles de forme triangulaire (3") avec une inclinaison des parois de tranchées parallèles (3°) inférieure à 90° et de largeur de tranchée inférieure ou égale à 20micron caractérisant le pas des sillons formant les parois des tranchées 3 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique selon la revendication précédente caractérisé en ce que face postérieure (3") des filtres plasmoniques (3A) et (3B) soit enduite d'un matériau encapsulant choisi parmi l'éthylène vinyle acétate, les thermo-plastiques, les silicones, les acryliques 4 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique selon la revendication n°1 caractérisé en ce que les filtres plasmoniques (3A) et (3B) aient une longueur égale à la rangée de cellules solaires (1) et constitue une bande réfléchissante. - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique selon la revendication n°1 caractérisé en ce que la bande réfléchissante constituant le filtre plasmonique (3A) ait une largeur inférieure ou égale à 10 mm par unité de bande réfléchissante. 6 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique selon la revendication n°1 caractérisé en ce que la bande réfléchissante constituant le filtre plasmonique (3B) ait une largeur inférieure ou égale à lOmm par unité de bande réfléchissante. 45 7 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique selon les revendications 1, 5, 6 caractérisé en ce que l'espace libre de passage de lumière à travers le dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique soit d'une largeur (e) entre deux rangées de cellules solaires (1) diminué de la largeur de la bande réfléchissante 50 (3B) et de la longueur de la rangée de cellules solaires (1) et inférieur ou égal à 10mm. 8 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique selon la revendication n°1 caractérisé en ce que le filtre plasmonique (3A) par sa face supérieure texturé (3") soit orientée vers la face supérieure active de 55 cellules solaires (1) et soit encapsulé entre la face supérieure de la matrice (2) de cellules solaires (1) et le dioptre entrant (4) par un matériau encapsulant (5) choisi parmi l'éthylène vinyle acétate, les thermo-plastiques, les silicones, les acryliques. 60 9 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique selon la revendication n°1 caractérisé en ce que le filtre plasmonique (3B) par sa face supérieure texturé (3") soit orientée vers la face inférieure de cellules solaires 5 25 30 35 40 3 04 2 3 4 7 -6- (1) et soit encapsulé entre la face inférieure de la matrice (2) de cellules solaires (1) et le dioptre sortant (7) par un matériau encapsulant (6) choisi parmi l'éthylène vinyle acétate, les thermo-plastiques, les silicones, les acryliques. 5 10 - Dispositif optique photovoltaïque à double filtration plasmonique face arrière et simple filtration plasmonique face avant selon les revendications n°1, 5, 6, 7 caractérisé en ce que la bande réfléchissante constituant le filtre plasmonique (3A) ait une largeur inférieure ou égale à 1/3 de la largeur de la bande réfléchissante constituant le filtre plasmonique (3B) et que l'axe médian du filtre plasmonique (3A) soit 10 identique à l'axe médian du filtre plasmonique (3B). 20 25 30 35 40 45 50 55 60