CH625910A5

CH625910A5 -

Info

Publication number: CH625910A5
Application number: CH848578A
Authority: CH
Inventors: James Daniel Rancourt; Richard Ian Seddon
Original assignee: Optical Coating Laboratory Inc
Priority date: 1977-08-11
Filing date: 1978-08-10
Publication date: 1981-10-15
Also published as: FR2400216B1; DE2834161C2; FR2400216A1; GB2002581A; DE2834161A1; GB2002581B

Description

La présente invention concerne une pile solaire comportant un filtre et un filtre pour une telle pile.

On a déjà utilisé depuis un certain temps des piles solaires au silicium, dans les satellites spatiaux et dans ces applications, elle sont couvertes d'un mince feuille de verre ou de silice fondue, dont l'épaisseur est comprise entre 150 et 1500 microns. Le couvercle protège la pile au silicium contre les particules chargées, par exemple les protons et les électrons qui peuvent être présents dans les ceintures de Van Allen, et il augmente le pouvoir émissif de la pile si bien que celle-ci irradie une plus grande quantité de chaleur et a donc une température réduite, le rendement de conversion de lumière en électricité étant aussi accru. On a collé ces couvercles aux piles avec une colle qui se dégrade par exposition à la lumière ultraviolette. On a évité jusqu'à présent cette dégradation par disposition d'une filtre à couches minces sur le couvercle, afin qu'il arrête les rayons ultraviolets nuisibles. Dans une variante on a obtenu l'arrêt avec un covercle de verre qui ne transmet pas dans cette partie du spectre. L'inconvénient de ce processus est que, bien que la lumière ultraviolette n'atteigne pas la colle, l'énergie ultraviolette est absorbée. Cette absorption élève la température de la pile au silicium et réduit donc son rendement car la lumière ultraviolette absorbée se transforme en chaleur. Une pile solaire ne présentant pas cet inconvénient est donc très avantageuse.

La pile solaire selon l'invention comprend un corps formé de silicium ayant une surface sur laquelle une jonction photovoltaïque est appliquée, un revêtement anti-réfléchissant formé sur cette surface, un couvercle protecteur transparent, un filtre réfléchissant porté par le couvercle et une couche d'une colle pratiquement transparente, fixant le couvercle au corps de manière qu'il recouvre la jonction et le revêtement anti-réfléchissant, le filtre réfléchissant comprenant un empilement de couches formées alternativement de matières d'indices de réfraction élevé et faible, cet empilement réfléchissant l'énergie lumineuse dans la région ultraviolette entre 350 et 250 nm.

L'invention concerne aussi un filtre réfléchissant destiné à une telle pile solaire, ledit filtre étant caractérisé en ce qu'il comprend un empilement de couches, des couches alternées étant formées d'une première matière d'indice élevé de réfraction et les autres couches d'une matière ayant un faible indice de réfraction, afin que l'énergie solaire de la région ultraviolette, entre 350 et 250 nm, soit réfléchie.

Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels:

la figure 1 est une coupe d'une exemple de construction de pile solaire selon l'invention;

la figure 2 est un graphique représentant une courbe de transmission du revêtement anti-réfléchissant de la pile solaire;

la figure 3 est un graphique représentant la variation de la valeur calculée de <E2> pour le couvercle de pile solaire réfléchissant à 350 nm, selon l'invention;

la figure 4 est un graphique représentant le déplacement de la longueur d'onde de coupure principale du couvercle réfléchissant selon l'invention, pour des angles d'incidence deO, 15,30,45 et 60°; et la figure 5 est un graphiqué représentant la variation de la réflectance d'un couvercle de pile solaire réfléchissant à partir de 350 nm, par rapport à un couvercle selon l'invention.

La figure 1 est une coupe d'une construction de pile solaire au silicium selon l'invention. Comme indiqué, la pile comprend un corps 11 essentiellement formé de silicium et ayant un indice de réfraction d'environ 3,5 à 4, le corps ayant une surface sensiblement plane 12 sur laquelle est formé une jonction photovoltaïque non représentée, de manière classique. Lorsque la pile est réalisée, une couche anti-réfléchissante 13 est formée sur elle. Cette couche 13 peut être d'un type monocouche classique ou peut être formée de deux couches, comme décrit par exemple dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 650 258 déposée le 19 janvier 1976.

Un couvercle 16 de pile solaire est formé d'une mince feuille de verre ou de silice fondue, transparente à l'ultraviolet et de type classique, ayant une épaisseur comprise entre

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

625 910

150 et 1500 microns, son indice de réfraction étant compris entre environ 1,45 et 1,52. Le couvercle 16 a deux surfaces 17 et 18. Un filtre réfléchissant 19 est formé sur la première surface 17 et un revêtement anti-réfléchissant 21 est formé sur la seconde surface du couvercle 16. Le filtre réfléchissant est destiné à renvoyer l'énergie lumineuse de la région ultraviolette comprise entre environ 350 et 250 nm. Une couche classique 22 de colle est destinée à fixer le couvercle 16 de manière que sa première surface 17 portant le filtre 19 soit tournée vers la jonction photovoltaïque, la colle fixant le couvercle sur la pile 11. La colle utilisée pour la couche 22 est pratiquement transparente et son indice de réfraction est par exemple d'environ 1,43 à 1,5. On note que la couche anti-réfléchissante 13 assure l'adaptation de l'indice de réfraction du corps 11 de silicium qui est d'environ 4 à celui de la colle qui est d'environ 1,4. La couche anti-réfléchissante comprend en fait deux couches, la première étant formée d'une matière ayant un indice élevé de réfraction, inférieur à celui du silicium et compris entre 2,35 et 2,4, cette couche étant plus proche du corps de silicium que la seconde couche. Cette dernière est formée d'une matière ayant un indice de réfraction relativement faible mais supérieur à celui de la colle, cet indice étant inférieur à celui de la première couche et étant compris entre 1,6 et 1,7 comme décrit dans la demande précitée de brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 650 258.

Un revêtement anti-réfléchissant 21 de type classique peut comprendre une couche unique d'une matière à faible indice de réfraction, correspondant à un quart d'onde, par exemple de fluorure de magnésium, ou il peut s'agir d'un revêtement anti-réfléchissant du type décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3 185 020. Le revêtement anti-réfléchissant 21 assure l'adaptation de l'indice de réfraction du couvercle 16 de silice fondue à celui de la matière par laquelle proviennent les radiations et qui peut être le vide dans le cas de l'espace.

Le filtre réfléchissant 19 a une bande de réflectance élevée (sans absorption) dans la région ultraviolette, c'est-à-dire à 350 nm environ et au-dessous. Le flanc de cette bande aux grandes longueurs d'onde est pratiquement insensible à la variation de l'angle d'incidence. Cette caractéristique est obtenue par utilisation d'un empilement quart d'onde légèrement modifié qui n'absorbe pratiquement pas aux longueurs d'onde supérieures à 250 nm et inférieures à 1200 nm. La pile comprend plusieurs couches, des couches alternées étant formées d'une matière de faible indice de réfraction compris entre 1,4 et 1,7 alors que les autres couches sont formées d'une matière d'indice élevé de réfraction compris entre 2,00 et 2,4. La matière de faible indice de réfraction est de façon particulièrement avantageuse de la silice fondue dont l'indice de réfraction est de 1,4686, la matière d'indice élevé de réfraction étant avantageusement le pentoxyde de tantale dont l'indice de réfraction est égal à 2,23. On constate que l'oxyde de zirconium peut remplacer le pentoxyde de tantale mais est moins avantageux que ce dernier car le rapport plus faible des indices indique que le décalage du flanc (comme décrit dans la suite) est plus important si bien que l'absorption est un peu plus élevée pour une certaine incidence par rapport à la normale, le nombre de couches dans un empilement, pour l'obtention d'une réflectance donnée, devant aussi être plus grand. Une autre matière qui peut être utilisée comme matière d'indice élevé et n'absorbant pas, est l'oxyde de hafnium. D'autres matières utiles pour la formation de la matière de faible indice n'absorbant pas sont la silice, le sesquioxyde de silicium, le fluorure de magnésium et le saphir.

Lors de la réalisation de l'empilement quart d'onde du filtre réfléchissant, la longueur d'onde au centre de l'empilement est choisie de manière que le bord de la bande de réflexion élevée se trouve à 350 nm et donne la réflectance élevée voulue.

On peut utiliser une seule paire de couches d'indices faible et élevé pour le filtre bien qu'il soit souhaitable que celui-ci comporte plusieurs couches.

Lors de l'utilisation du pentoxyde de tantale, on constate que cette matière absorbe entre environ 200 et 275 nm. Cependant, il existe un décalage de longueurs d'onde lorsque l'angle d'incidence de l'énergie solaire est nettement différent de l'incidence normale ou perpendiculaire à la surface qui donne un décalage du bord du filtre à une longueur d'onde plus courte ou plus loin de la région de 350 nm, par exemple jusqu'à 325 nm. Ce phénomène provoque alors la formation d'une fenêtre permettant des fuites des rayons ultraviolets qui peuvent passer à travers le filtre réfléchissant à moins qu'un dispositif supplémentaire soit associé au filtre afin qu'il absorbe l'énergie ultraviolette qui peut fuir par l'empilement des couches d'indices élevé et faible. L'élimination du décalage de la longueur d'onde de coupure avec l'angle est obtenue par remplacement d'au moins une et de préférence de quelques couches d'indice élevé de l'empilement quart d'onde sur le côté éloigné de la lumière incidente, par une matière qui permet un arrêt de l'énergie ultraviolette, en d'autres mots qui absorbe cette énergie, par exemple de l'oxyde de titane. Une autre matière qui convient à cet effet est le bioxyde de titane, l'oxyde de cérium ou le sulfure de zinc. L'effet du remplacement est de provoquer l'absorption de l'énergie, au-dessous de 350 nm, transmise par le filtre incliné, dans cette couche si bien que l'énergie ne peut pas atteindre la colle ni la dégrader. Bien que ce phénomène provoque un certain chauffage, celui-ci est bien inférieur à celui qui est obtenu avec les piles de conception classique dans lesquelles l'oxyde de titane constitue la couche d'indice élevé. En particulier, il faut noter que les panneaux solaires sont en général orientés de manière que la lumière solaire soit perpendiculaire aux piles et non inclinée. Dans ce cas, la quantité de lumière ultraviolette qui pénètre à travers le filtre réfléchissant et absorbée par les couches d'oxyde de titane est très faible si bien que l'effet de chauffage est minimal.

Le tableau qui suit indique une construction donnée à titre illustratif selon l'invention et comprenant dix-sept couches, à partir du substrat.

Couche

Matière

Indice

Epaisseur normale

1

Pentoxyde de tantale

2,2300

95,9

2

Silice fondue

1,4686

336,2

3

Bioxyde de titane

2,5600

198,1

4

Silice fondue

1,4686

265,0

5

Bioxyde de titane

2,5600

265,0

6

Silice fondue

1,4686

276,0

7

Pentoxyde de tantale

2,2300

285,0

8

Silice fondue

1,4686

284,0

9

Pentoxyde de tantale

2,2300

284,0

10

Silice fondue

1,4686

284,0

11

Pentoxyde de tantale

2,2300

284,0

12

Silice fondue

1,4686

284,0

13

Pentoxyde de tantale

2,2300

284,0

14

Silice fondue

1,4686

284,0

15

Pentoxyde de tantale

2,2300

190,4

16

Silice fondue

1,4686

336,0

17

Pentoxyde de tantale

2,2300

95,0

Le tableau qui précède indique que la pile commence par une couche d'indice élevé et se termine par une couche d'indice élevé et que l'empilement comprend un certain nombre de paires de couche d'indices élevé et faible. Un nombre quelconque de paires peut être utilisé suivant le résultat voulu. L'empilement quart d'onde de pentoxyde de tantale et de silice

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

625910

fondue est centré près de 284 nm et a une bande réfléchissante commençant 350 nm vers les grandes longueurs d'onde et allant jusqu'au bord d'absorption de Ta2Û5 qui se trouve à peu près à 275 nm. L'absorption provoque une chute rapide de la réflectance au-delà de 275 nm. Les couches 3 et 5 sont celles qui absorbent l'ultraviolet. Il faut noter que certaines variantes de la construction donnée à titre illustratif peuvent être facilement réalisées, les valeurs exactes dépendant de compromis entre l'indice de réfraction du couvercle, le coût des matières et l'importance de la réflexion voulue.

Lorsqu'on utilise le bioxyde de zirconium et la silice fondue pour la construction de réflecteurs ultraviolets efficaces, deux empilements sont nécessaires à la suppression des fuites vers les courtes longueurs d'onde puisque le bord d'absorption du bioxyde de zirconium est à une longueur d'onde trop courte pour qu'il empêche les fuites par absorption de la lumière.

La figure 3 est un graphique représentant la variation du champ électrique pénétrant dans l'empilement. Les codes des couches sont les suivants: H représente TaîOs, H1 représente TÌ2O3 et les couches non marquées représentent la silice SÌO2.

La courbe indique la variation de l'intensité de la lumière en fonction de la profondeur dans le filtre. On note que, lorsque la lumière pénètre dans les couches de l'empilement, son intensité diminue. Lorsque les couches H1 d'oxyde de titane sont atteintes, l'intensité de la lumière a été réduite à presque 0 si bien qu'il n'y a pratiquement pas de lumière ultraviolette qui peut être absorbée par les couches d'oxyde de titane qui constituent la troisième et la cinquième couche à partir du substrat.

Si le filtre est incliné, la lumière n'est plus en incidence normale et le bord se déplace depuis 350 nm vers des longueurs d'onde plus courtes et délimite une petite fenêtre. Tout rayon ultraviolet passant dans cette petite fenêtre est cependant absorbé par la troisième et la cinquième couche d'oxyde de titane. Ces couches sont des protections empêchant l'arrivée de la lumière ultraviolette sur la colle et la dégradation de celle-ci. L'oxyde de titane est une bonne matière à cet effet car elle n'est pas sensible à l'inclinaison et elle absorbe intrinsèquement l'ultraviolet de longueurs d'onde inférieure à 350 nm.

Il faut noter que, le cas échéant, d'autres couches d'oxyde de titane peuvent être ajoutées afin qu'elles arrêtent mieux l'ultraviolet. Cependant, l'addition d'un nombre supplémentaire de couches augmente le coût du filtre.

La figure 4 représente le décalage de la coupure assurée par un filtre selon l'invention. Les angles d'incidence indiqués correspondent à 0,15,30,45 et 60°. Les courbes de la figure 4 indiquent que le décalage angulaire n'est pas très grand.

La figure 5 permet la comparaison entre la réflectance mesurée d'un couvercle de pile solaire classique à coupure 5 à 350 nm et d'un couvercle de pile solaire, la courbe correspondant à ce dernier étant la courbe du haut. Ces courbes indiquent la très grande amélioration du pouvoir réflecteur. Toute différence entre 100% et la courbe représente l'absorption. On voit que le couvercle absorbe beaucoup moins d'énergie ultra-1» violette que le couvercle normal coupant à 350 nm. La réflectance du couvercle de la pile solaire à coupure à 350 nm doit être pondérée par la courbe de l'énergie solaire dans cette région.

L'utilisation d'un tel couvercle réfléchissant pour pile solaire 15 assurant la coupure à 350 nm permet la réflexion d'environ 4% et certainement de plus de 3% de l'énergie solaire totale parvenant sur la pile, en plus de la quantité réfléchie par le couvercle classique si bien que l'énergie totale réfléchie est de l'ordre de 90%. L'utilisation du couvercle réfléchissant 20 donnant la coupure à 350 nm et l'augmentation correspondante de 4% de l'énergie réfléchie par rapport à l'énergie totale, assure l'absorption d'une quantité de chaleur inférieure de 4% par la pile si bien que le rendement de la pile solaire peut augmenter jusqu'à 2% environ.

25 Lorsqu'une pile solaire fonctionne dans l'espace on peut considérer que la réduction de température est d'environ 4°C. En général, les caractéristiques d'une pile solaire changent de 0,5 % par degré, donnant environ 2% de plus à la sortie de la pile.

30 II faut noter que le revêtement peut être utilisé avec des couvercles de verre absorbant qui sont utilisés pour arrêter l'ultraviolet. Dans ce cas, l'empilement quart d'onde est appliqué à la face externe du couvercle de verre et réduit l'absorption des rayons ultraviolets par le couvercle. Dans le cas des 35 couvercles transparents à l'ultraviolet tel que la silice fondue, les revêtements sont placés à l'intérieur du couvercle (côté de la colle).

La description qui précède indique qu'une sélection particulière des matières et des épaisseurs des couches permet la 40 formation d'un revêtement interférentiel à couches minces ayant un pouvoir réflecteur élevé dans la partie ultraviolette du spectre (entre 250 et 350 nm) sans réduction due aux limi-. tations d'angle. Plus précisément, le revêtement comprend un empilement de couches ayant une bande de réflexion élevée 45 disposée de manière que le soleil les frappe en premier. Au-dessous de ces couches empilées, des couches supplémentaires comprennent une matière dont la bande d'absorption commence à 350 nm et se prolonge au-delà de 250 nm.

B

2 feuilles dessins

Claims

625 910

2

REVENDICATIONS

1. Pile solaire, caractérisée en ce qu'elle comprend un corps (11) formé de silicium ayant une surface (12) sur laquelle une jonction photovoltaïque est appliquée, un revêtement antiréfléchissant (13) formé sur cette surface, un couvercle protecteur transparent (16), un filtre réfléchissant (19) porté par le couvercle et une couche d'une colle (22) pratiquement transparente, fixant le couvercle (16) au corps (11) de manière qu'il recouvre la jonction et le revêtement anti-réfléchissant (13), le filtre réfléchissant (19) comprenant un empilement de couches formées alternativement de matières d'indices de réfraction élevé et faible, cet empilement réfléchissant l'énergie lumineuse dans la région ultraviolette entre 350 et 250 nm.
2. Pile selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'une des périodes de l'empilement, très proche du corps, a une couche d'une matière dont la bande d'absorption commence à environ 350 nm et se prolonge au-delà de 250 nm, cette matière remplaçant la matière d'indice élevé dans la période afin qu'elle arrête l'énergie lumineuse de la région ultraviolette, au-dessous d'environ 300 nm.
3. Pile selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend un revêtement anti-réfléchissant (21) porté par la surface (18) du couvercle (16) qui est éloignée du corps.
4. Pile selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'empilement est réalisé de manière que les couches qui coopèrent initialement avec la lumière incidente n'absorbent pratiquement pas aux longueurs d'onde comprises entre 250 et 1200 nm, et que l'une au moins des couches les plus éloignées de la matière par laquelle proviennent les rayons lumineux puisse absorber à des longueurs d'onde comprises entre 350 et 250 nm, si bien que l'énergie comprise entre 350 et 250 nm et qui n'est pas réfléchie par les couches précédentes de l'empilement, est alors absorbée.
5. Pile selon la revendication 1, caractérisée en ce que la matière d'indice élevé est choisie dans le groupe qui comprend le pentoxyde de tantale, l'oxyde de zirconium et l'oxyde de hafnium, la matière de faible indice de réfraction étant choisie dans le groupe qui comprend la silice, le sesquioxyde de silicium, le fluorure de magnésium et le saphir, la matière absorbante étant choisie dans le groupe qui comprend le bioxyde de titane, l'oxyde de cérium et le sulfure de zinc.
6. Filtre réfléchissant destiné à une pile solaire, la pile, étant du type défini dans la revendication 1 ledit filtre étant caractérisé en ce qu'il comprend un empilement de couches, des couches alternées étant formées d'une première matière d'indice élevé de réfraction et les autres couches d'une matière ayant un faible indice de réfraction, afin que l'énergie solaire de la région ultraviolette, entre environ 350 et 250 nm, soit réfléchie.
7. Filtre selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une couche d'une matière ayant une bande d'absorption commençant à 350 nm environ et se prolongeant au-delà de 250 nm.
8. Filtre selon la revendication 7, caractérisé en ce que la matière ayant une bande d'absorption commençant à 350 nm environ et se prolongeant au-delà de 250 nm l'oxyde de titane.