Brevet FR3042345A1 — publié le 20170414

Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique bifaciale et multifrégence variable à miroir dichroïque convexe 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 « 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 Pencapsulation 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°/0/°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 3042 34 5 -2- La préente 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 plasmonique bifaciale et multiréfringence variable à miroir dichroïque convexe local : 10 Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique bifaciale et multiréfringence variable à miroir dichroïque convexe 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 (1f) et une surface arrière (1r) de ratio de rendement face avant face arrière de 80% minimum et interconnectées pour 15 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) un filtre plasmonique (3) est 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 20 donc 1/2 de (e) ) et entre les rangées de cellules solaires - Une aire de transmission lumineuse (6S) constituée de l'intervalle (e) et par la longueur de rangée de cellules solaires (1) - Un filtre multiréfringent variable (8) à miroir convexe 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 convexe (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 convexe (8c) Ce dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique bifaciale et multiréfringence variable à miroir 30 dichroïque convexe 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 (PO), 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 HfxAly0z, les alliages ternaires zirconate d'aluminate ZrxAly0z, 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 bifaciale et multiréfringence variable à miroir dichroïque convexe 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 bifaciale et multiréfringence variable à miroir dichroïque convexe 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 et que ce filtre 50 plasmonique soit positionnée entre deux rangées de cellules solaires dont son axe médian soit exactement confondu avec l'axe médian entre deux rangées de cellules solaires et que l'axe du plan du filtre plasmonique soit l'axe du plan de la matrice de cellules (2). 55 Le dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique bifaciale et multiréfringence variable à miroir dichroïque convexe 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 solaires (1) pour former l'aire (6S). 60 3042345 -3- Ce dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique bifaciale et multiréfringence variable à miroir dichroïque convexe local selon les figures 1 et 5 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. 5 Le dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique bifaciale et multiréfringence variable à miroir dichroïque convexe local selon les figures 1 et 5 caractérisé en ce que le filtre plasmonique (3) par sa face inférieure texturée (3") soit orientée vers le miroir dichroïque convexe 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 10 silicones, les acryliques, les thermoplastiques. La surface (4') est un matériau de surface du dioptre qui a une texturation pyramidale polygonale de base et un indice de réfraction réduit de minimum 10% de l'indice de réfraction du dioptre (4). 15 Ce dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique bifaciale et multiréfringence variable à miroir dichroïque convexe 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 20 tout point de cette aire (2s). Le dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique bifaciale et multiréfringence variable à miroir dichroïque convexe 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 25 une combinaison de couches (8a) et (8b) formant un nana-laminé dont chaque (8a) et (8b) varie en épaisseur comprise entre 2Angstrâm 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 30 la bande spectrale de 300 à 1600nm. Ce dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique bifaciale et multiréfringence variable à miroir dichroïque convexe local selon les figures 2 et 4 caractérisé en ce que le filtre multiréfringent variable (8) 35 consiste à un dichroïsme compris entre k/10 et X/2 du spectre incident pour une longueur d'onde X donnée dont l'interface (8i) peut avoir une texturation de sa surface localisée dont la surface est définie par 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). 40 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 (9) de la forme convexe 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 convexe soit supérieure ou égale à l'aire (6S) pour former un miroir dichroïque paraboloïde hyperbolique convexe. 45 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 50 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 spetre solaire 1.5AM d'épaisseur de 2mm 55 - 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 formant le prisme ont un pas de 20micron et dont la surface est un nano-laminé d'Aluminium, d'oxyde 60 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 3042 34 5 -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 d'onde de 620nm a une interface acrylique (8i) : ce film a un réseau de 100 pour une épaisseur de 350run et est laminé sur le dioptre sortant (7) du laminé avant de fixer les câbles et la cavité convexe a une largeur de 18mrn 5 pour une profondeur de 4,5mm. Un tel dispositif optique photovoltaïque à double filtre plasmonique arrière a une puissance lors du test d'insolation sous condition standard de 360Watt pour seulement 60 cellules solaires de 5,06W 10 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 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 15 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 d'onde selon l'inclinaison de ce dernier. REVENDICATIONS1. Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique bifaciale et multiréfringence variable à miroir dichroïque convexe 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 rendement face avant face arrière de 80% minimum 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) un filtre plasmonique (3) est 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) et entre les rangées de cellules solaires Une aire de transmission lumineuse (6S) constituée de l'intervalle (e) et par la longueur de rangée de cellules solaires (1) Un filtre multiréfringent variable (8) à miroir convexe 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 convexe (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 convexe (8c). 2 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique bifaciale et multiréfringence variable à miroir dichroïque convexe 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 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 Hfidily0z, 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 3 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique bifaciale et multiréfringence variable à miroir dichroïque convexe 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-faciale. 4 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique bifaciale et multiréfringence variable à miroir dichroïque convexe 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 et que ce filtre plasmonique soit positionnée entre deux rangées de cellules solaires dont son axe médian soit exactement confondu avec l'axe médian entre deux rangées de cellules solaires et que l'axe du plan du filtre plasmonique soit l'axe du plan de la matrice de cellules (2). 5 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique bifaciale et multiréfringence variable à miroir dichroïque convexe 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') ayant une texturation pyramidale polygonale de base et un indice de réfraction réduit de minimum 10% de l'indice de réfraction du dioptre entrant (4) par un matériau encapsulant (5) choisi parmi les silicones, les acryliques, les thermoplastiques. 6 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique bifaciale et multiréfringence variable à miroir dichroïque convexe local selon la revendication n°1 caractérisé en ce que le filtre plasmonique (3) par sa face inférieure texturée (3"') soit orientée vers le miroir dichroïque convexe 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, les thermoplastiques. 3 04 2 3 4 5 -6- 7 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique bifaciale et multiréfringence variable à miroir dichroïque convexe 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 5 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). 10 8 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique bifaciale et multiréfringence variable à miroir dichroïque convexe 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 15 épaisseur comprise entre 2Angstrtim et 500Angstrôni 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. 20 9 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique bifaciale et multiréfringence variable à miroir dichroïque convexe 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 25 une longueur d'onde X. donnée et dont l'interface (8i) peut avoir une texturation de sa surface localisée dont la surface est définie par 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). 30 10 - Dispositif optique photovoltaïque à filtration plasmonique bifaciale et multiréfringence variable à miroir dichroïque convexe local selon la revendication n°1 et n°9 caractérisé en ce que le filtre optique (8) ait une forme convexe localement soit en matériau acrylate dont la surface a le filtre multiréfringent variable et dont le diamètre (9) de la forme convexe 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 convexe soit supérieure ou égale à l'aire 35 (6S) pour former un miroir dichroïque paraboloïde hyperbolique convexe. 40 45 50 55 60