Brevet FR3076079A1 — publié le 20190628

DISPOSITIF PHOTOVOLTAÏQUE MULTI-CELLULE SEMI-TRANSPARENT La présente invention concerne le domaine des dispositifs photovoltaïques 5 semi-transparents en couches minces ayant une architecture multi-cellules. Ces dispositifs sont destinés à produire de l'énergie électrique et/ou à fonctionner comme des capteurs ou transducteurs photovoltaïques. ETAT DE LA TECHNIQUE 10 Une cellule photovoltaïque en couches minces est composée d'au moins un substrat, une première électrode transparente, une seconde électrode généralement métallique et une couche d'absorbeur. Par couches minces, on entend des couches photovoltaïques de nature quelconque (organique, inorganique) et dont l'épaisseur 15 de l'absorbeur n'excède pas la dizaine de micromètres. Un module photovoltaïque en couches minces est composé d'une multitude de cellules photovoltaïques en couches minces. Généralement, il est composé de plusieurs cellules photovoltaïques connectées électriquement en série afin 20 d'augmenter la tension électrique aux bornes du module. On connait des méthodes de mise en série de cellules photovoltaïques par des étapes successives d'isolation et d'interconnexion des différentes couches minces qui composent lesdites cellules. Ces étapes sont décrites par exemple dans le document EP0500451-B1. 25 Une cellule photovoltaïque en couches minces semi-transparente à la lumière visible comporte une pluralité de zones actives photovoltaïques opaques séparées par des zones de transparence. Les zones photovoltaïques peuvent être de formes quelconques et de dimensions telles que l'ceil humain ne les distingue pas. Pour ce faire, la largeur des zones photovoltaïques est de préférence inférieure à 200 30 micromètres. Dans un mode de réalisation connu de l'homme du métier, les zones actives photovoltaïques ou de transparence sont organisées en réseaux de structures géométriques élémentaires, linéaires, circulaires ou polygonales. La transparence de 2 la cellule photovoltaïque est fonction de la fraction surfacique occupée par les zones actives photovoltaïques opaques. Le brevet W02014/188092-Al décrit l'architecture d'une unique cellule photovoltaïque semi-transparente en couches minces appelée mono-cellule. Dans un mode de réalisation préconisé dans ce document, les zones de -5 transparence sont aménagées dans l'électrode transparente en plus de l'électrode métallique et de l'absorbeur afin d'augmenter la transmission de la lumière au niveau des zones de transparence, puisqu'en réduisant le nombre d'interfaces, on minimise les phénomènes optiques de réflexions aux interfaces. 10 La mise en série de telles mono-cellules semi-transparentes par la méthode décrite dans le document EP0500451-B1 précité présenterait l'inconvénient de créer des lignes d'isolation qui ne seraient pas intégrées dans la conception initiale et qui de fait deviendraient visibles par l'ceil humain, notamment dans le cas de motifs polygonaux. L'invention vise donc à supprimer cet inconvénient en rendant les lignes 15 d'isolation invisibles à l'oeil nu. BUT DE L'INVENTION L'invention a pour but général de proposer un dispositif photovoltaïque apte à 20 éliminer les inconvénients précités. En particulier, l'invention vise à améliorer la qualité visuelle d'un module photovoltaïque composé d'une multitude de cellules en couches minces semi-transparentes. OBJETS DE L'INVENTION 25 Selon le principe de l'invention, l'amélioration de la qualité visuelle est obtenue en plaçant les lignes d'isolation de sorte qu'elles soient moins visibles, voire invisibles, pour un observateur placé à quelques centimètres de la surface dudit module. 30 Dans la suite du document on définit une maille d'un réseau par ses vecteurs U et V ainsi que sa figure géométrique élémentaire qui, répétée périodiquement dans les deux dimensions de l'espace selon les directions des vecteurs U et V, engendre 3 un réseau périodique appelé également structure régulière. Lorsqu'une maille est répétée selon les directions des vecteurs U et V mais pas de manière périodique dans les deux dimensions de l'espace, cette répétition génère une structure pseudorégulière. Dans les deux cas, la figure géométrique élémentaire peut être constituée -5 d'un ou plusieurs motifs. Par ailleurs, à partir d'une mono-cellule photovoltaïque semi-transparente, il est possible de créer un module photovoltaïque serni-transparent composé de plusieurs cellules. Pour cela, il faut enlever de la matière au sein de la zone électriquement conductrice et des bus de collecte, de telle sorte qu'un chemin qui 10 isole électriquement deux parties de la cellule photovoltaïque soit créé. Ce chemin est appelé une ligne d'isolation active. Si un chemin est créé seulement au sein de la zone électriquement conductrice et n'intercepte pas les bus de collecte alors il est appelé ligne d'isolation non fonctionnelle. 15 L'invention a pour objet un module semi-transparent formé par : - un motif 2D de base, représentant un agencement d'une zone électriquement conductrice et de zones électriquement non conductrices, et défini par le fait que : o tout point de la zone électriquement conductrice est relié 20 électriquement à n'importe quel autre point de ladite zone ; o la zone électriquement conductrice est une structure régulière ou pseudo-régulière formée par une figure géométrique élémentaire qui est répétée selon un maillage régulier ou pseudo-régulier dont la maille est définie par ses vecteurs U et V; 25 o la zone électriquement conductrice est composée en majeure partie de zones photovoltaïques actives mais peut être constituée localement de matériaux uniquement conducteurs ; o les zones électriquement non conductrices sont des zones de transparence ; 30 - des bus de collecte ; ce motif étant caractérisé en ce qu'il contient en outre une ou plusieurs lignes d'isolation actives et plusieurs lignes d'isolation non fonctionnelles, lesdites lignes 4 d'isolation étant parallèles entre elles et dirigées selon la direction d'un des vecteurs U, V, U+V ou U-V et/ou selon un des côtés de la figure géométrique élémentaire. Avantageusement, les lignes d'isolation (qu'elles soient actives ou non -5 fonctionnelles) sont équidistantes entre elles de sorte à former un sous réseau qui s'intègre parfaitement au sein du motif 2D. Un des moyens permettant de réaliser cette intégration est de réaliser les lignes d'isolation équidistantes d'une distance correspondant à la valeur m*I I Ul I ou k*I IVI I, où II II représente la norme du vecteur associé et où m et k sont des entiers naturels non nuls. 10 Avantageusement, lesdites lignes d'isolation ont une même largeur L. Préférentiellement, cette largeur L n'excède pas 50% de la largeur des zones électriquement conductrices. Avantageusement, la largeur L est inférieure à 100 micromètres. Avantageusement, lorsqu'une ligne d'isolation traverse une zone électrique 15 conductrice du motif 2D de base, elle la scinde localement en deux zones électriquement conductrices d'égales largeurs. Avantageusement, les motifs 2D sont constitués d'au moins un cercle, un carré, un hexagone, un octogone, un losange. 20 LISTE DES FIGURES L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée, en relation avec les figures 1A à 3B. La figure 1A représente une maille d'un réseau de carrés. 25 La figure 1B représente un réseau de carrés associé à la maille de la figure 1A et formant un premier motif 2D de base. La figure 1C représente le premier motif 2D de base auquel ont été ajoutés deux bus de collecte. La figure 1D représente le premier motif 2D de base de la figure 1C avec ses 30 bus de collecte auquel a été ajouté une ligne d'isolation active. La figure 1E représente le premier motif 2D de base contenant une ligne d'isolation active et deux lignes d'isolation non-fonctionnelles (premier mode de réalisation du module photovoltaïque selon l'invention). La figure 1F représente le premier motif 2D de base contenant une ligne -5 d'isolation active et dix lignes d'isolation non-fonctionnelles (deuxième mode de réalisation du module photovoltaïque selon l'invention). La figure 2A représente une maille d'un réseau hexagonal régulier. La figure 2B représente un réseau hexagonal régulier associé à la maille de la 10 figure 2A et formant un deuxième motif 2D de base, associé à ses bus de collecte. La figure 2C représente le deuxième motif 2D de base contenant une ligne d'isolation active et huit lignes d'isolation non-fonctionnelles (troisième mode de réalisation du module photovoltaïque selon l'invention). 15 La figure 3A représente un troisième motif 2D de base dont la figure géométrique élémentaire est une forme aléatoire disposée au sein d'un réseau de type diamant, associé à ses bus de collecte. La figure 3B représente le troisième motif 2D contenant deux lignes d'isolation actives et dix lignes d'isolation non-fonctionnelles (quatrième mode de réalisation du 20 module photovoltaïque selon l'invention). DESCRIPTION DETAILLEE La figure 1A représente une maille d'un réseau de carrés. Elle est définie par sa 25 forme géométrique élémentaire carrée et par les deux directions de l'espace représentées par les vecteurs U (3) et V (4). La zone électriquement conductrice (1) est agencée de telle sorte que tout point (1A) de ladite zone (1) est relié électriquement à n'importe quel autre point (1B) de cette zone (1). 30 La figure 1B représente un réseau de carrés basé sur la maille de la figure 1A. La figure géométrique de la figure 1A a été répétée périodiquement selon le vecteur 6 U (3) et selon le vecteur V (4) pour former un premier motif 2D de base qui possède les propriétés suivantes : o tout point (1A) de la zone électriquement conductrice (1) est relié électriquement à n'importe quel autre point (1B) de ladite zone (1) ; 5 o la zone électriquement conductrice (1) est une structure régulière de carrés qui forme une grille ; o la zone électriquement conductrice (1) est composée en majeure partie de zones photovoltaïques actives mais peut être constituée localement de matériaux uniquement conducteurs ; o les zones électriquement non conductrices (2) sont des zones de transparence. La figure 1C représente le premier motif 2D de base de la figure 1B auquel ont été ajoutés deux bus de collecte 5A et 5B. Cette configuration particulière correspond 15 à une unique cellule photovoltaïque. A partir de cette mono-cellule photovoltaïque semi-transparente, il est possible de créer un module photovoltaïque semi-transparent composé de plusieurs cellules. Pour cela, il faut enlever de la matière au sein de la zone électriquement conductrice (1) et des bus de collecte (5A et 5B), de telle sorte qu'un chemin qui isole 20 électriquement deux parties de la cellule photovoltaïque soit créé. Ce chemin est appelé une ligne d'isolation active. Si un chemin est créé seulement au sein de la zone électriquement conductrice (1) du motif 2D de base et n'intercepte pas les bus de collecte (5A et 5B), alors il est appelé ligne d'isolation non fonctionnelle. L'invention consiste à agencer une multitude de lignes d'isolation (actives ou 25 non fonctionnelles) au sein du motif 2D de base et/ou des bus de collecte afin de créer un module photovoltaïque multi-cellules au sein duquel lesdites lignes d'isolation sont moins visibles, voire invisibles, pour un observateur placé à quelques centimètres de la surface dudit module. Dans la suite du document, une direction photovoltaïque est définie par l'une au 30 moins des caractéristiques suivantes : - la direction photovoltaïque correspond à la direction d'un des vecteurs U, V, U+V ou U-V; 7 - la direction photovoltaïque est parallèle à l'un des côtés de la figure géométrique élémentaire. La figure 1D représente le premier motif 2D de base avec ses bus de collecte auquel a été ajouté une ligne d'isolation active (6A). Cette ligne d'isolation (6A) - 5 permet de transformer la cellule photovoltaïque décrite à la figure 1C en deux cellules électriquement distinctes (Cl et C2) selon une direction photovoltaïque. Dans cet exemple, ladite direction est à la fois selon la direction du vecteur U (3) et selon la direction d'un des côtés de la figure géométrique carrée. La reconnexion des cellules (Cl et C2) en série ou en parallèle s'effectue au niveau des bus (5A et 56) 10 par des méthodes connues par l'homme du métier. Toutefois, cette ligne d'isolation (6A) crée une perturbation visuelle au sein du premier motif 2D de base. Quelle que soit la taille et l'emplacement des lignes d'isolation actives (6A) au sein du motif 2D, ces lignes créent localement des ruptures de symétrie du réseau qui sont perceptibles par l'oeil car elles ne peuvent pas, pour assurer leur fonction d'isolation électrique, avoir une dimension inférieure à 0,1 pm, ce qui serait imperceptible par l'oeil à une distance de 30 cm du module. La figure 1E représente un premier mode de réalisation du module photovoltaïque selon l'invention dans lequel le premier motif 2D de base contient une ligne d'isolation active (6A) et deux lignes d'isolation non-fonctionnelles (6B) parallèles entre elles et selon une direction photovoltaïque. Les lignes d'isolation non fonctionnelles (6B) permettent d'homogénéiser l'impact visuel des lignes d'isolation actives (6A) en permettant d'intégrer un réseau de lignes transparentes (6A et 6B) au sein du premier motif 2D de base. Les lignes d'isolation non fonctionnelles (66) se distinguent des lignes d'isolation actives (6B) car elles ne scindent pas électriquement les bus de collecte en deux bus électriquement indépendants. Afin de minimiser encore l'impact visuel des lignes d'isolation (actives et non fonctionnelles) au sein du motif 2D de base, il est recommandé que lesdites lignes d'isolation : - soient équidistantes ; - aient la même largeur L; 8 - aient une largeur inférieure à la largeur des zones électriquement conductrices qu'elles traversent. Dans l'exemple de la figure 1E, les lignes d'isolation sont équidistantes d'une distance égale à la norme du vecteur U : I IU I I. De plus, elles scindent la partie active -5 photovoltaïque qu'elles traversent en deux zones de même largeur. La figure 1F représente un deuxième mode de réalisation du module photovoltaïque selon l'invention dans lequel le premier motif 2D de base contient une ligne d'isolation active (6A) et dix lignes d'isolation non-fonctionnelles (6B) parallèles 10 entre elles et de même direction que le vecteur U-V. La figure 2A représente une maille d'un réseau hexagonal régulier. Elle est définie par sa figure géométrique élémentaire composée de deux hexagones réguliers, et par les deux directions de l'espace représentées par les vecteurs U (3) et 15 V (4). Pour former la figure géométrique élémentaire, on utilise un premier hexagone régulier dont le côté interne a une longueur Li et le côté externe une longueur L2. La largeur d'un côté d'un hexagone est égale à la moitié de L3. Le second hexagone régulier résulte de la translation du premier hexagone selon le vecteur W (9). 20 La figure 2B représente un réseau hexagonal régulier basé sur la maille de la figure 2A et formant un deuxième motif 2D de base, associé à ses bus de collecte (5A et 5B). Le deuxième motif 2D de base satisfait aux mêmes propriétés que le premier motif 2D de base décrit à la figure 1B. 25 La figure 2C représente un troisième mode de réalisation du module photovoltaïque selon l'invention dans lequel le deuxième motif 2D de base contient une ligne d'isolation active (6A) et huit lignes d'isolation non-fonctionnelles (6B). Les lignes d'isolation non fonctionnelles (6B) permettent là encore d'homogénéiser l'impact visuel de la ligne d'isolation active (6A) en intégrant un réseau de lignes 30 transparentes (6A et 6B) au sein du motif 2D de base. La ligne d'isolation active (6A) forme deux cellules photovoltaïques distinctes Cl et C2. Le rendu visuel du module photovoltaïque obtenu avec l'ajout des lignes d'isolation (6A et 6B) est très similaire 9 à celui de la mono-cellule photovoltaïque décrite à la figure 2B. L'objectif est bien de conserver l'aspect visuel d'un réseau d'hexagones. La figure 3A représente une cellule composée d'un troisième motif 2D de base, dont la figure géométrique élémentaire est une forme aléatoire disposée au sein d'un réseau de type diamant, associé à ses bus de collecte (5A et 5B). La figure 3B représente un quatrième mode de réalisation du module photovoltaïque selon l'invention dans lequel le troisième motif 2D contient deux 10 lignes d'isolation actives (6A) et dix lignes d'isolation non-fonctionnelles (6B). Les deux lignes d'isolation actives (6A) permettent de former un module photovoltaïque composé de trois cellules distinctes Cl, C2 et C3. EXEMPLE DE REALISATION 15 L'objet de l'invention peut être mis en oeuvre en considérant un module photovoltaïque dont les couches minces sont déposées sur un substrat de verre. L'absorbeur est à base de silicium amorphe et les électrodes sont constituées d'un oxyde transparent conducteur en face avant et d'aluminium en face arrière. 20 L'empilement de couches composant ledit module photovoltaïque est protégé par une résine d'encapsulation transparente. La semi-transparence est réalisée soit par ablation laser locale et sélective de la matière ou par des procédés standards de photolithographie et de gravures humides (solutions chimiques de gravure) ou sèches (plasma). 25 Pour réaliser un module photovoltaïque ayant 78% de transparence (c'est-à- dire 22% de surface opaque ou photovoltaïque), une solution consiste à considérer : - une figure géométrique élémentaire composée de deux hexagones réguliers et telle que décrite à l'exemple de la figure 2A: o le premier hexagone régulier à un côté interne de 65,53 pm et un côté 30 externe de 74,20 pm ; o le second hexagone régulier résulte de la translation du premier hexagone selon le vecteur W de coordonnées (11.30 ; 64.26) ; 10 - les vecteurs U et V de la maille associée à ladite figure géométrique élémentaire ont les directions présentées à la figure 2A, la norme de U vaut 222,6 pm et la norme de V vaut 128,52 pm. La largeur des lignes opaques entre les hexagones adjacents est donc de 15 pm. 5 Les lignes d'isolation REVENDICATIONS1 - Module photovoltaïque semi-transparent formé par : un motif 2D de base représentant un agencement d'une zone électriquement conductrice (1) et de zones électriquement non conductrices (2) tel que : o tout point (1A) de la zone électriquement conductrice (1) est relié électriquement à n'importe quel autre point (1B) de ladite zone (1) ; o la zone électriquement conductrice (1) est une structure régulière ou pseudo-régulière formée par une figure géométrique élémentaire qui est répétée selon un maillage régulier ou pseudo-régulier dont la maille est définie par ses vecteurs U et V; o la zone électriquement conductrice (1) est composée en majeure partie de zones photovoltaïques actives mais peut être constituée localement de matériaux uniquement conducteurs ; o les zones électriquement non conductrices (2) sont des zones de transparence ; - des bus de collecte ; caractérisé en ce qu'il contient en outre une ou plusieurs lignes d'isolation actives 20 (6A) et plusieurs lignes d'isolation non fonctionnelles (6B), lesdites lignes d'isolation (6A, 6B) étant parallèles entre elles et dirigées selon la direction d'un des vecteurs U, V, U+V ou U-V et/ou selon un des côtés de ladite figure géométrique élémentaire. 2 - Module photovoltaïque semi-transparent selon la revendication 1, 25 caractérisé en ce que les lignes d'isolation actives (6A) et non fonctionnelles (6B) sont équidistantes entre elles. 3 - Module photovoltaïque semi-transparent selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les lignes d'isolation actives (6A) et non 30 fonctionnelles (6B) sont équidistantes d'une distance correspondant à la valeur m* IlUll ou k*I IVI I, où II I I représente la norme du vecteur associé, où m et k sont des entiers naturels non nul. 12 4 - Module photovoltaïque semi-transparent selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les lignes d'isolation actives (6A) et non fonctionnelles (6B) ont même largeur L. 5 5 - Module photovoltaïque semi-transparent selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la largeur L est inférieure à 100 micromètres. 6 - Module photovoltaïque semi-transparent selon la revendication 10 précédente, caractérisé en ce que les lignes d'isolation actives et non fonctionnelles ont une largeur qui n'excède pas 50 % de la largeur des zones électriques conductrices. 7 - Module photovoltaïque semi-transparent selon l'une quelconque des 15 revendications précédentes, caractérisé en ce que les lignes d'isolation actives (6A) et non fonctionnelles (6B) scindent les zones électriques conductrices du motif 2D de base qu'elles traversent localement en deux zones électriques conductrices d'égales largeurs. 8 - Module photovoltaïque semi-transparent selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les motifs 2D sont constitués d'au moins un cercle, un carré, un hexagone, un octogone, un losange.