Brevet FR3153467A1 — publié le 20250328

La présente invention concerne un panneau solaire (1), notamment de type photovoltaïque, comprenant un premier module (2) composé de cellules photovoltaïques en couche mince, en particulier à base de pérovskite, reliées entre elles en série et/ou en parallèle un deuxième module (3) composé de cellules photovoltaïques à base de silicium reliées entre elles en série et/ou en parallèle. Ce module est particulier en ce qu’il comporte un troisième module (4) composé de cellules photovoltaïques en couches minces reliées entre elles en série et/ou en parallèle, les premier et troisième module étant disposés de part et d’autre du deuxième module (3), et en ce que les trois modules sont branchés en parallèle de sorte qu’un niveau faible de courant produit dans l’un des modules n’empêche pas la production d’un courant de niveau plus élevé par un autre module. La présente invention concerne également un procédé de fabrication d’un module selon l’invention. Figure de l’abrégé : Figure n° 1 Module solaire amélioré La présente invention se situe dans le domaine de la production d’énergie. Elle concerne un module solaire, notamment de type photovoltaïque. Les modules photovoltaïques sont composés de cellules silicium, généralement de forme carrée d’un côté compris entre 125 et 217 mm. Ces cellules sont raccordées électriquement entre elles, par des arrangement en série et/ou en parallèle. Dans le cadre de la recherche de réduction des émissions de gaz à effet de serre, la production d’électricité photovoltaïque présente des solutions d’avenir. Beaucoup d’acteurs cherchent à en améliorer les performances. En particulier on a vu apparaitre récemment des cellules à deux couches actives distinctes et superposées ; une première couche à base de perovskite apte à convertir les lumières à faibles longueurs d’onde, et qui laisse passer ce qu’elle ne convertit pas ; et une deuxième couche à base de silicium, située sous la première couche, et apte à convertir les lumières à longueurs d’onde plus élevées. Toutefois de telles cellules à deux couches et connectées en série sont limitées par le courant produit dans la couche qui en produit le moins. Et quand on souhaite faire un panneau solaire à partir de telles cellules, l’optimisation est compliquée, notamment du fait que le spectre solaire n’est pas le même entre un soleil couchant ou levant, et un soleil de plein midi. Une autre difficulté connue de la captation de l’énergie solaire est la rotation de la terre, qui fait qu’un module installé de manière fixe au sol reçoit le rayonnement solaire de façon variée au cours de la journée. Des variations plus réduites sont également observées selon les saisons. On connait des modules solaires disposés sur un mécanisme mobile en rotation, qui permet d’orienter le module de façon optimale au cours de la journée. Toutefois de tels mécanismes sont coûteux, nécessitent un entretien régulier, et consomment une partie de l’électricité produite par la module. Un objet de la présente invention est de proposer un panneau solaire permettant de produire de l’électricité de façon plus performante, plus simple et moins coûteuse. Un autre objet de la présente invention est de proposer un panneau solaire à l’efficacité surfacique améliorée. Un autre objet de la présente invention est de proposer un panneau solaire à l’efficacité surfacique améliorée en moyenne sur une journée. La présente invention a pour objet de répondre au moins en partie aux objets précités en proposant un panneau solaire notamment de type photovoltaïque, comprenant un premier module composé de cellules photovoltaïques en couches minces reliées entre elles en série et/ou en parallèle un deuxième module composé de cellules photovoltaïques à base de silicium reliées entre elles en série et/ou en parallèle caractérisé en ce qu’il comporte un troisième module composé de cellules photovoltaïques en couches minces reliées entre elles en série et/ou en parallèle, les premier et troisième module étant disposés de part et d’autre du deuxième module, et en ce que les trois modules sont branchés en parallèle de sorte qu’un niveau faible de courant produit dans l’un des modules n’empêche pas la production d’un courant de niveau plus élevé par un autre module. Grâce à ces dispositions, on arrive à canaliser les courants produits par les différentes cellules de manière optimisée pour la production globale de courant ; on obtient ainsi des rendements de conversion plus élevés, jusqu’à plus de 30% alors qu’un module unique à base de silicium permet d’obtenir un rendement de conversion inférieur à 27%. Selon d’autres caractéristiques : les courants de sortie de chacun des trois modules peuvent être reliés à un même contact en entrée et en sortie, permettant ainsi une gestion simplifiée du panneau, ledit panneau peut comporter une lame d’air entre les premier et deuxième modules, et/ou entre les deuxième et troisième module de sorte à permettre à l’air de circuler entre lesdits modules, permettant ainsi un refroidissement amélioré des cellules ; on évite ainsi des points chauds pouvant dégrader les cellules, et on prolonge donc la durée de vie des cellules, ladite lame d’air peut présenter une épaisseur d’au moins 5 mm permettant une bonne circulation d’air entre les modules, La présente invention a également pour objet une installation comportant un ou plusieurs panneaux solaires selon l’invention, caractérisée en ce que lesdits un ou plusieurs panneaux sont disposés avec une face orientée vers l’Est, et l’autre face orientée vers l’Ouest, avec une précision de moins de 20° ; grâce à ces dispositions, on obtient une production de courant élevée en matinée et en soirée, ce qui est convient bien à certains types de consommateurs, comme par exemple les transports en commun, Selon un mode préféré de réalisation de l’invention, les panneaux peuvent être disposés verticaux, avec une précision de moins de 20°, permettant de profiter au mieux des avantages de l’invention. La présente invention concerne encore un procédé de fabrication d’un panneau solaire selon l’invention, comportant les étapes suivantes : fabrication d’un premier module à base de pérovskite, comportant les étapes suivantes : pose d’une plaque de verre, pose d’une couche d’oxyde conducteur transparent sur la plaque de verre, pose d’une première couche sélective de charges, pose d’une couche ou superposition de couches d’absorbants, par exemple constituée de pérovskite, sur la couche sélective de charges, pose d’une deuxième couche sélective de charges, les charges de ladite deuxième couche étant de sens contraire à celles de la première couche sélective de charges, découpe du panneau obtenu pour obtenir une pluralité de bandes transversales, de longueur la largeur du panneau, et de largeur comprise entre 5 et 100 mm, pose d’un isolant entre lesdites bandes, usinage d’une rainure longitudinale dans chaque bande d’une profondeur adaptée pour atteindre l’oxyde conducteur transparent déposé sur le verre, pose d’un conducteur arrière transparent, formant une couche, et s’insérant dans les rainures longitudinales, découpe longitudinale du conducteur arrière au niveau de chaque bande, pour former une bande conductrice par bande transversale, étapes de finition du module fabrication d’un deuxième module composé de cellules photovoltaïques à base de silicium reliées entre elles en série et/ou en parallèle assemblage des trois modules, les premier et troisième module étant disposés de part et d’autre du deuxième module, et les trois modules sont branchés en parallèle de sorte qu’un niveau faible de courant produit dans l’un des modules n’empêche pas la production d’un courant de niveau plus élevé par un autre module ; de telles dispositions permettent d’obtenir un panneau apte à réaliser les performances élevées jusqu’à plus de 30% de rendement de conversion. Selon d’autres caractéristiques : l’assemblage des trois modules peut se faire après la mise en place de cales entre les modules, lesdites cales prenant la forme de plots répartis selon un quadrillage parallèle aux côtés du panneau, ou de tasseaux tous parallèles à l’un des côtés du panneau ; de telles dispositions permettent un refroidissement amélioré des cellules ; on évite ainsi des points chauds pouvant dégrader les cellules, et on prolonge donc la durée de vie des cellules, ledit deuxième module peut être fabriqué par pose de cellules de silicium sur une couche d’encapsulant dudit premier module sans couche de verre ou pet entre les premier et deuxième module, permettant ainsi une réduction de l’épaisseur, du poids et du coût du panneau solaire. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui fait suite, en référence aux figures annexées dans lesquelles : FIG. 1 La FIG. 1 est une vue schématique en coupe d’un panneau selon l’invention. FIG. 2 La FIG. 1 est une vue d’une installation selon l’invention. Le panneau solaire 1 selon l’invention comporte un premier module 2 composé de cellules en couche mince, par exemple à base de pérovskite, un deuxième module 3 composé de cellules à base de silicium, et un troisième module 4 composé de cellules en couche mince, par exemple à base de pérovskite ; les cellules d’un module sont reliées entre elles en série et/ou en parallèle, selon des dispositions connues. Un exemple est décrit dans le document FR2002583 dans lequel une vingtaine de cellules sont reliées en série formant des chaines, et au moins trois de telles chaines sont reliées en parallèle. Dans la suite, sauf précision contraire, on décrira l’invention avec l’exemple de cellules en couche mince à base de pérovskite. Ce matériau est préféré, et le plus couramment utilisé pour l’invention. Mais cela n’exclut nullement les autres matériaux possibles pour les cellules en couche mince. Le deuxième module 3 est composé de cellules bifaciales à base de silicium, pouvant absorber de la lumière venant de chacune de ses faces et la transformer en courant. Dans le cadre de la présente invention, les premier, deuxième, et troisième modules peuvent être complets, avec leurs deux couches de verre ou pet de part et d’autre, ou alors il peut leur manquer l’une ou les deux dites couches, dans les cas où on arrive à les assembler sans ces couches. Les premier et troisième modules nécessitent une telle couche de verre ou pet sur leurs faces tournées vers l’extérieur du panneau fini, mais d’autres couches peuvent ne pas être utiles. Pour qu’un module dans le sens de l’invention soit constitué, il doit contenir au moins la couche absorbante de lumière qui produit de l’électricité, ainsi que tout ce qu’il faut pour que les cellules constituant cette couche puissent être reliées électriquement entre elles en série et/ou en parallèle selon un circuit électrique indépendant du circuit d’un autre module, de sorte qu’on puisse brancher notamment en parallèle les circuits de deux modules différents, et donc aussi les circuits des trois modules différents. Selon l’invention, les trois modules sont branchés en parallèle, de sorte que chacun des modules peut contribuer efficacement par toute la quantité d’électricité qu’il est capable de produire. Le panneau à trois modules selon l’invention est ainsi configuré pour qu’un rayonnement solaire arrivant d’un côté ou de l’autre du panneau, arrivera en premier sur une couche de pérovskite, qui transformera une partie du rayonnement en électricité, notamment la partie proche de l’ultraviolet, à longueurs d’onde faibles ; le rayonnement non absorbé par la couche de pérovskite la traverse, et arrive jusqu’à la couche à base de silicium, qui transforme une autre partie du rayonnement reçu en électricité. Cette combinaison de deux couches permet au global d’obtenir des rendements de conversion plus élevés, jusqu’à plus de 30% ; alors qu’une couche unique à base de silicium permet d’obtenir un rendement de conversion compris entre 22 et 27%. Le panneau selon l’invention permet de bénéficier de cette combinaison, à la fois pour le rayonnement arrivant directement sur le premier module 2, et pour le rayonnement réfléchi, par exemple au sol, qui arrive sur le troisième module 4. Les pérovskites sont des matériaux de formule générale ABX3 dans laquelle : A est un cation, de méthyl ammonium CH3NH3+, de formamidinium CH(NH2)2+ ou de césium Cs+ B est un cation d’étain Sn2+ ou de Plomb PB2+, et X est un anion halogénure I-, Br- ou Cl-. Les halogénures de plomb méthyl ammonium CH3NH3PbX3 sont les perovskites les plus utilisés, de préférence le tri iodure de plomb méthyl ammonium CH3NH3PbI3, avec une bande interdite de 1,75 +/- 0,5 eV ; ceux-ci pourront être utilisés en combinaison avec un panneau à base de silicium, ayant une bande interdite d’environ 1,1 eV. En alternative aux pérovskites, on peut aussi utiliser des produits dits III-V, comme par exemple de l’Arséniure (V) de Gallium (III). On peut aussi utiliser des Tellurures de Cadmium, ou des Séléniures de Cuivre de Gallium ou d’Indium. Les panneaux ont typiquement une longueur de 2m et une largeur de 1m. L’épaisseur du panneau composé des trois modules est typiquement de 5 mm. Selon un mode particulier de réalisation de l’invention, une lame d’air est disposée entre le premier module 2 et le deuxième module 3, et/ou entre le deuxième module 3 et le troisième module 4. La circulation d’air entre les modules permet un rafraichissement des modules, et donc une prolongation de leur durée de vie. L’épaisseur de la lame d’air est de préférence au moins égale à 5 mm ; l’épaisseur du panneau est alors de l’ordre de 10 à 20 mm. Certains consommateurs de courant électrique présentent une courbe de consommation journalière particulière. Il s’agit par exemple des transports en commun électrifiés comme les trains ou métros. Ils consomment une forte quantité d’électricité en début de matinée, puis nettement moins en milieu de journée, puis à nouveau une forte quantité en fin d’après-midi. Or les installations solaires produisent généralement la quantité la plus forte autour de midi, lorsque le soleil est au plus haut. Les solutions de l’état de la technique consistent alors à associer à l’installation de production d’électricité photovoltaïque, un dispositif de stockage de l’énergie, sous forme de batteries, ou encore de stockage d’hydrogène, ou autre, ou encore un raccordement au réseau public. Une installation selon l’invention comporte alors un ou plusieurs panneaux solaires 1 selon l’invention, dont une face est tournée vers l’Est, et l’autre vers l’Ouest (voir FIG. 2 ). On peut les disposer précisément, la normale du panneau prenant la direction Est Ouest ; mais on peut aussi les disposer avec un écart à cette direction jusqu’à 20°, pour permettre de s’adapter aux conditions de terrain et d’environnement. La présence d’une montagne ou colline à proximité peut inciter à s’écarter légèrement de la direction précise Est-Ouest. Typiquement on peut disposer ces panneaux verticalement. Mais on peut aussi les incliner légèrement par rapport à la verticale, de moins de 20° ; une telle inclinaison peut être intéressante selon la disposition du terrain, la présence d’une montagne ou colline à proximité, ou encore une facilité de construction du support des panneaux. Ainsi le matin, les rayons du soleil, en position 5, arrivent sur le premier module 2 de façon avantageuse. Les rayons de soleil sont alors absorbés partiellement par la couche de pérovskite. Celle-ci transforme majoritairement la lumière de longueur d’onde faible, du côté du bleu en électricité, et laisse passer la lumière de longueur d’onde plus élevée du côté du rouge. La part que le module 1 laisse passer arrive au module 2, à base de silicium. La couche active de celui-ci transforme toute la lumière en électricité. Ainsi on obtient une première période en matinée, à forte production d’électricité. Autour de midi, position du soleil 6, la puissance transformée baisse significativement du fait de la position des panneaux par rapport au Sud. Puis vers 16 – 18h, les rayons du soleil, en position 7 arrivent sur le troisième module 4 de façon avantageuse. Les rayons de soleil sont alors absorbés partiellement par la couche de pérovskite du troisième module 4. Celle-ci transforme majoritairement la lumière de longueur d’onde élevée, du côté du bleu en électricité, et laisse passer la lumière de longueur d’onde plus faible du côté du rouge. La part que le module 3 laisse passer arrive au module 2, à base de silicium. La couche active de celui-ci transforme toute la lumière en électricité. Ainsi on obtient une deuxième période dans l’après-midi à forte production d’électricité. Une telle installation permet de produire une quantité d’électricité d’une manière bien plus en adéquation avec les besoins le long de la journée, et permet donc de réduire significativement les moyens annexes. Selon le profil des besoins le long de la journée, on peut aussi disposer certains panneau en Est-Ouest, et d’autres panneaux en Nord-Sud. Selon un mode préféré de réalisation de l’invention, la fabrication d’un premier ou troisième module à base de pérovskite peut se faire selon les étapes suivantes : pose d’une plaque de verre, pose d’une couche d’oxyde conducteur transparent sur la plaque de verre, pose d’une première couche sélective de charges pose d’une couche ou superposition de couches d’absorbants gradué, par exemple constituée de pérovskite, sur la première couche sélective de charges, pose d’une deuxième couche sélective de charges, les charges de la deuxième couche sélective de charges étant de sens contraire à celles de la première couche sélective de charges découpe du panneau obtenu pour obtenir une pluralité de bandes transversales, de longueur la largeur du panneau, et de largeur comprise entre 5 et 100 mm, pose d’un isolant entre lesdites bandes, usinage d’une rainure longitudinale dans chaque bande, pour atteindre l’oxyde conducteur transparent déposé sur le verre, pose d’un conducteur arrière transparent, formant une couche, et s’insérant dans les rainures longitudinales, découpe longitudinale du conducteur arrière au niveau de chaque bande, pour former une bande conductrice par bande transversale, étapes de finition du module L’assemblage des trois modules peut alors se faire de la manière suivante : pose sur un support d’un module à base de pérovskite pose d’une première couche d’encapsulation pose d’un module à base de silicium pose d’une deuxième couche d’encapsulation pose d’un module à base de perovskite à l’envers, la plaque de verre étant au-dessus. Selon un mode particulier de réalisation de l’invention, les modules sont assemblés avec des cales, de sorte à ménager une lame d’air entre chaque module. L’épaisseur des cales est de préférence de l’ordre de 5 à 10 mm. Selon un mode de réalisation de l’invention, ces cales prennent la forme de plots répartis selon un quadrillage parallèle aux côtés du panneau, de sorte à laisser des passages continus dans la direction de deux côtés adjacents du panneau. Selon un autre mode de réalisation de l’invention, ces cales prennent la forme de tasseaux tous parallèles à l’un des côtés du panneau, de sorte à laisser des passages d’air dans la direction dudit côté du panneau. Selon un autre mode de réalisation, on peut poser des cellules de silicium sur la première couche d’encapsulation, et les interconnecter, puis poser directement la deuxième couche d’encapsulation ; cela permet de fabriquer un panneau avec moins de couches de verre ou pet, et d’éviter quelques couches de verre ou pet intermédiaires. Bien que la description ci-dessus se base sur des modes de réalisation particuliers, elle n’est nullement limitative de la portée de l’invention, et des modifications peuvent être apportées, notamment par substitution d’équivalents techniques ou par combinaison différente de tout ou partie des caractéristiques développées ci-dessus, pour arriver à l’ensemble de ce qui est revendiqué dans le jeu de revendications qui suit. Panneau solaire (1), notamment de type photovoltaïque, comprenant un premier module (2) composé de cellules photovoltaïques en couche mince, en particulier à base de pérovskite, reliées entre elles en série et/ou en parallèle un deuxième module (3) composé de cellules photovoltaïques à base de silicium reliées entre elles en série et/ou en parallèle caractérisé en ce qu’il comporte un troisième module (4) composé de cellules photovoltaïques en couches minces reliées entre elles en série et/ou en parallèle, les premier et troisième module étant disposés de part et d’autre du deuxième module (3), et en ce que les trois modules sont branchés en parallèle de sorte qu’un niveau faible de courant produit dans l’un des modules n’empêche pas la production d’un courant de niveau plus élevé par un autre module. Panneau solaire (1) selon la revendication précédente dans lequel les courants de sortie de chacun des trois modules sont reliés à un même contact en entrée et en sortie. Panneau solaire (1) selon l’une des revendications précédentes, comportant une lame d’air entre les premier et deuxième modules, et/ou entre les deuxième et troisième module de sorte à permettre à l’air de circuler entre lesdits modules. Panneau solaire (1) selon la revendication précédente, dans lequel ladite lame d’air présente une épaisseur d’au moins 5 mm. Installation comportant un ou plusieurs panneaux solaires selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que lesdits un ou plusieurs panneaux sont disposés avec une face orientée vers l’Est, et l’autre face orientée vers l’Ouest, avec une précision de moins de 20°. Installation selon la revendication précédente, dans laquelle les panneaux sont disposés verticaux, avec une précision de moins de 20°. Procédé de fabrication d’un panneau solaire (1) selon l’une des revendications 1 à 4, comportant les étapes suivantes : fabrication de deux modules, un premier module (2) et un troisième module (4), par exemple à base de perovskite, comportant pour au moins un des desdits deux modules les étapes suivantes : pose d’une plaque de verre, pose d’une couche d’oxyde conducteur transparent sur la plaque de verre, pose d’une première couche sélective de charges, pose d’une couche ou superposition de couches d’absorbants, par exemple constituée de pérovskite, sur la couche sélective de charges, pose d’une deuxième couche sélective de charges, les charges de ladite deuxième couche étant de sens contraire à celles de la première couche sélective de charges, découpe du panneau obtenu pour obtenir une pluralité de bandes transversales, de longueur la largeur du panneau, et de largeur comprise entre 5 et 100 mm, pose d’un isolant entre lesdites bandes, usinage d’une rainure longitudinale dans chaque bande d’une profondeur adaptée pour atteindre l’oxyde conducteur transparent déposé sur le verre, pose d’un conducteur arrière transparent, formant une couche, et s’insérant dans les rainures longitudinales, découpe longitudinale du conducteur arrière au niveau de chaque bande, pour former une bande conductrice par bande transversale, étapes de finition du module, fabrication d’un deuxième module (3) composé de cellules photovoltaïques à base de silicium reliées entre elles en série et/ou en parallèle, assemblage des trois modules, les premier et troisième module étant disposés de part et d’autre du deuxième module (3), et les trois modules sont branchés en parallèle de sorte qu’un niveau faible de courant produit dans l’un des modules n’empêche pas la production d’un courant de niveau plus élevé par un autre module. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, dans lequel l’assemblage des trois modules se fait après la mise en place de cales entre les modules, lesdites cales prenant la forme de plots répartis selon un quadrillage parallèle aux côtés du panneau, ou de tasseaux tous parallèles à l’un des côtés du panneau. Procédé selon la revendication 7, dans lequel ledit deuxième module (3) est fabriqué par pose de cellules de silicium sur une couche d’encapsulant dudit premier module (2) sans couche de verre ou pet entre les premier et deuxième module.