Brevet FR3042344A1 — publié le 20170414

Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmomque frontale et multifrégence variable arrière et concave local 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 «Éthylène 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 entraîne 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 4 -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 et concave local : 10 Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière et concave local caractérisé selon les figures 1 et 2 en ce qu'il comporte : Des rangées de cellules solaires bifaciales cristallines (1) ayant une surface frontale (10 et une surface arrière (14 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 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 25 la zone concave (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 concave (8c) Ce dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière et 30 concave local 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 (P0), un fluoropolymère (PVDF) 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, 35 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 HfxAlyOz, 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 40 Le dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière et concave local 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. 45 Ce dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière et concave local selon la figure n°2 caractérisé en ce que la bande réfléchissante constituant le filtre plasmonique (3) ait une largeur inférieure à l'intervalle (e) par unité de bande réfléchissante. 50 Le dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière et concave local 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 longueur de la rangée de cellules 55 solaires (1) pour former l'aire (6S). Ce dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière et concave local selon les figures 1 et 5 caractérisé en ce que la face supérieure de la matrice (2) de cellules solaires 60 soit encapsulée avec la surface (4') du dioptre entrant (4) par un matériau encapsulant (5) choisi parmi les silicones, les acryliques. 3042344 -3- Le dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière et concave local selon les figures 1 et 5 caractérisé en ce que le filtre plasmonique (3) par sa face inférieure texturée 5 (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. 10 Ce dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière et concave local 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 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 15 de cette aire (2s). Le dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière et concave local 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 20 une combinaison de couches (8a) et (8b) formant un nano-laminé dont chaque (8a) et (8b) varie en épaisseur comprise entre 2Angstréim et 500Angstrôm chacune la couche (8a) est la première et la dernière couche du nano-larniné à indice de réfraction part réelle compris entre 1,45 et 1,55 sur la bande spectrale de 300 à 1600nin 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. Ce dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière et concave local selon les figures 2 et 4 caractérisé en ce que le filtre multiréfringent variable (8) consiste à un 30 dichroïsme compris entre 1/10 et X/2 du spectre incident pour une longueur d'onde donnée dont l'interface (8i) peut avoir une texturation de sa surface. Le dispositif optique (8) caractérisé en ce que la forme concave soit en matériau acrylate dont la surface (8i) interface entre la face (7") et le filtre (8) a une texturation pyramidale de section inférieure ou égale à 5mm et 35 dont le filtre multiréfringent variable épouse la forme concave pour former le miroir dichroïque dont le diamètre (9) de la forme concave soit au plus égale à l'intervalle (e) et dont la profondeur (10) doit être inférieure à (e/4) et que la surface de ce miroir dichroïque de forme concave soit supérieure ou égale à l'aire (6S) définie par le produit de l'intervalle (e) entre deux rangées de cellules solaires (1) et de la longueur de la rangée de cellules solaires (1)pour former un miroir dichroïque paraboloïde hyperbolique concave. 40 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 156,75x156,75min pour un rayon de 45 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 10 cellules solaires la matrice est organisée pour avoir 16mm 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 50 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 - 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 55 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 - 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 3042344 -4- laminé sur le dioptre sortant (7) du laminé avant de fixer les câbles et la cavité concave 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 5 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 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. REVENDICATIONS1. Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière et concave local 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 10 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 15 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 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 20 la zone concave (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 paraboloïde hyperbolique formant un miroir concave d'interférence(8c). 25 2 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière et concave local 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) ayant une micro-réplication bifaciale d'un motif prismatique (3") et (3"') de 30 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 HfxAly0z, les alliages ternaires 35 zirconate d'aluminate ZrxrAly0z, 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 et 40 concave local 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 bi-fadale. 4 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière et 45 concave local selon la revendication n°2 caractérisé en ce que la bande réfléchissante constituant le filtre plasmonique (3) ait une largeur inférieure à l'intervalle (e) par unité de bande réfléchissante. - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière et 50 concave local 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. 55 6 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière et concave local 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. 60 3 04 2 3 4 4 -6- 7 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière et concave local 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 multiréfringent variable (8) afin que le dichroïsme 5 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). 8 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière et concave local 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 2Angstrôni 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. 9 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière et concave local selon la revendication n°1 et la revendication n°8 précédente caractérisé en ce que le filtre multiréfringent variable (8) consiste à un dichroïsme compris entre X/10 et ?%./2 du spectre incident pour une longueur d'onde A. donnée et dont l'interface (8i) peut avoir une texturation de sa surface. 10 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique frontale et multiréfringence variable arrière et concave local selon la revendication n°1 et n°9 caractérisé en ce que la forme concave soit en matériau acrylate dont la surface (8i) interface entre la face (7") et le filtre (8) a une texturation pyramidale de section inférieure ou égale à 5mm et dont le filtre multiréfringent variable épouse la forme concave pour former le miroir dichroïque dont le diamètre (9) de la forme concave soit au plus égale à l'intervalle (e) et dont la profondeur (10) doit être inférieure à (e/4) et que la surface de ce miroir dichroïque de forme concave soit supérieure ou égale à l'aire (6S) définie par le produit de l'intervalle (e) entre deux rangées de cellules solaires (1) et de la longueur de la rangée de cellules solaires (1) pour former un miroir dichroïque paraboloïde hyperbolique concave. 40 45 50 55 60