EP2430668A2 - Dispositif photovoltaique et procede de fabrication - Google Patents

Dispositif photovoltaique et procede de fabrication

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Publication number
EP2430668A2
EP2430668A2 EP10723789A EP10723789A EP2430668A2 EP 2430668 A2 EP2430668 A2 EP 2430668A2 EP 10723789 A EP10723789 A EP 10723789A EP 10723789 A EP10723789 A EP 10723789A EP 2430668 A2 EP2430668 A2 EP 2430668A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
photovoltaic
cell
photovoltaic cell
converter
photovoltaic device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10723789A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Bruno Estibals
Corinne Alonso
Marc Vermeersch
Loïc FRANCKE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
TotalEnergies Marketing Services SA
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Total SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Total SE filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP2430668A2 publication Critical patent/EP2430668A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F10/00—Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/66—Regulating electric power
    • G05F1/67—Regulating electric power to the maximum power available from a generator, e.g. from solar cell
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of DC power input into DC power output
    • H02M3/02—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC
    • H02M3/04—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of AC power input into DC power output; Conversion of DC power input into AC power output
    • H02M7/42—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S40/00—Components or accessories in combination with PV modules, not provided for in groups H02S10/00 - H02S30/00
    • H02S40/30—Electrical components
    • H02S40/32—Electrical components comprising DC/AC inverter means associated with the PV module itself, e.g. AC modules
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F19/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one photovoltaic cell covered by group H10F10/00, e.g. photovoltaic modules
    • H10F19/30—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one photovoltaic cell covered by group H10F10/00, e.g. photovoltaic modules comprising thin-film photovoltaic cells
    • H10F19/31—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one photovoltaic cell covered by group H10F10/00, e.g. photovoltaic modules comprising thin-film photovoltaic cells having multiple laterally adjacent thin-film photovoltaic cells deposited on the same substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/95—Circuit arrangements
    • H10F77/953—Circuit arrangements for devices having potential barriers
    • H10F77/955—Circuit arrangements for devices having potential barriers for photovoltaic devices
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the present invention relates to the field of photovoltaic devices and more particularly to devices comprising photovoltaic cells of so-called thin film technologies.
  • the invention also relates to the manufacture of a thin film vo ltaic photo device.
  • a photovoltaic device comprises one or more photovoltaic cells (PV) connected in series and / or in parallel.
  • a photovoltaic cell essentially consists of a diode (pn junction or pin) made from a semiconductor material. This material has the property of absorbing light energy, a significant part of which can be transferred to charge carriers (electrons and holes).
  • the potential difference (open circuit voltage, V oc ) and the maximum current (short circuit current, I cc ) that the photovoltaic cell can supply are a function of both the materials constituting the whole cell and the conditions surrounding this cell (including illumination through spectral intensity, temperature, ).
  • V oc open circuit voltage
  • I cc short circuit current
  • Thin film photovoltaic cell technologies have many advantages. They enable high throughput manufacturing processes for large areas over crystalline silicon technologies.
  • the thin-film photovoltaic cells also have a good energy efficiency when they are assembled in modules.
  • Photovoltaic module means the assembly of a plurality of photovoltaic cells.
  • the module can also be associated with management electronics typically comprising a static converter (CS) and possibly an electronic search command of the maximum power point (or MPPT or Maximum Power Point Tracker in English terminology).
  • CS static converter
  • MPPT Maximum Power Point Tracker in English terminology
  • Figure 1 shows the steps of a conventional manufacturing process of a thin-film photovoltaic cell device.
  • the thickness proportions of the different layers are not respected in the diagram of FIG.
  • the various materials are deposited in thin films on a substrate 10 by PVD (Physical Vapor Deposition) or by PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), or by cathode sputtering or by LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition).
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • PECVD Pullasma Enhanced Chemical Vapor Deposition
  • cathode sputtering or by LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition).
  • LPCVD Low Pressure Chemical Vapor Deposition
  • FIG. 1 shows a first step (a) in which a first electrode 11 is deposited on a substrate 10.
  • substrate 10 is the part that supports the active elements of the photovoltaic cell.
  • the substrate may be rigid such as a glass or flexible plate such as a sheet of polymer or stainless steel or titanium; it may be transparent or opaque depending on whether it will be placed in the path of the incident or non-incident light with respect to the active layers.
  • the substrate may also be chosen so that it constitutes at least one of the end product encapsulation plates, for example a glass substrate in the case of a rigid photovoltaic module.
  • the substrate glass, polymer or metal
  • the substrate that is best suited to the deposition of the different active layers of the device that they wish to manufacture.
  • the first electrode 11 may be composed of a light-transparent oxide layer, such as indium tin oxide (ITO for Indium Tin Oxide) or transparent conductive oxides (OTC) such as oxide of indium (In 2 O 3 ), zinc oxide (ZnO) doped with aluminum or tin (SnO 2 ) doped with fluorine for example. It is possible to deposit a rear reflector layer directly on the substrate 10 before the first electrode (referenced 20 in FIG. 2), especially when the substrate 10 is transparent and the incident light enters the cell through the face opposite to the substrate .
  • the rear reflector layer may be a layer of copper, silver or aluminum, for example.
  • FIG. 1 shows a second step (b) in which the layer of the first electrode 11 is segmented to delimit strips which will constitute as many individual diodes on the same panel defined by the substrate 10, the surface of the electrodes imposing the maximum current which will be delivered by the diode thus constructed.
  • the segmentation is typically carried out by laser etching, for example with an Nd-YAG type laser (acronym for neodymium-doped yttrium aluminum garnet).
  • FIG. 1 shows a third step (c) in which the active layers 15 are deposited.
  • the active layers 15 For example, thin films of hydrogenated amorphous silicon (a-Si: H), polymorph (pm-Si: H) or microcrystalline silicon ( ⁇ c-Si: H) may be deposited to form one or more superimposed PN or PIN junctions.
  • the man of profession will choose any material suitable for the manufacture of a PN or PIN junction according to the available industrial equipment and / or the needs in photoelectric output.
  • the active layers 15 fill the interstices between the strips of the first electrode 11, thereby isolating each electrode segment.
  • FIG. 1 shows a fourth step (d) in which the active layers 15 are segmented until the first electrode 11 is exposed.
  • the segmentation of the active layers 15 is shifted with respect to the segmentation of the first electrode 11 to enable a contact between the second electrode to be deposited in step (e) and the first electrode 11, thus ensuring the series of diodes formed by the adjacent strips.
  • placing the diodes in series on a single panel makes it possible to reach a higher voltage equal to the sum of the elementary voltages of each diode placed in series.
  • the segmentation of the active layers 15 is typically performed by laser etching, for example with an Nd-YAG type laser.
  • FIG. 1 shows a fifth step (e) in which a second electrode 12 is deposited to frame, with the first electrode 11, the active layers 15 of the cell.
  • the second electrode 12 may be of the same composition as the first electrode 11 or of a different composition; it can be composed of Indium Etain Oxide (ITO) or any Transparent Conductive Oxide (OTC) for example.
  • ITO Indium Etain Oxide
  • OTC Transparent Conductive Oxide
  • the second electrode 12 may be further covered with a rear reflector if the incident light enters the cell through the substrate 10; the second electrode 12 may also serve as a rear reflector with a suitable composition, for example if it is composed of an alloy of ITO, silver and nickel.
  • the second electrode 12 fills the segmentation interstices of the active layers 15, ensuring the series of adjacent bands.
  • FIG. 1 shows a sixth step (f) in which the second electrode 12 is segmented until the active layers are exposed.
  • the segmentation of the second electrode 12 is further shifted with respect to the segmentation of the active layers 15 and with respect to the segmentation of the first electrode 11 to delimit, with the first segmentation of the step (b), the active zones of the bands of individual diodes.
  • the segmentation of the second electrode 12 is typically carried out by laser etching, for example with an Nd-YAG type laser, or by mechanical etching.
  • Figure 2 summarizes in a flowchart the manufacturing steps described with reference to Figure 1.
  • the substrate 10 is first washed and checked to verify that there is no crack or dust or defect on the surface of the substrate or even check that the substrate is not broken simply.
  • a reflector 20 can then be deposited; then the first electrode 11.
  • the first electrode 11 is then textured, for example by annealing to obtain the same crystalline orientation of the deposited molecules, and segmented.
  • the quality of the segmentation - fineness, straightness, depth, ... - is controlled and the substrate must once again be washed to remove the metal residues of the etching.
  • the active layers 15 - PIN or other junctions - are deposited and segmented then the second electrode 12 is deposited and segmented.
  • a final check is then made.
  • the active layers and the layer of the first electrode can be segmented together and Insulating ink can be screen printed. Then the second electrode is deposited and segmented. Finally, a contact grid, silver for example, is screen printed on the second electrode and a remelting step of this grid ensures the series of two adjacent photovoltaic strips. The reflow of the metal layer is provided by laser.
  • segmentation reduces the useful area of the device. Indeed, all areas that are destroyed by a segmentation stripe are unusable for the production of photovoltaic energy.
  • the active area of a photovoltaic cell is delimited by the first and third segmentation stripes. Thus, for example, for 12 mm wide strips, a loss of about 5 to 6% of area, and therefore of intensity delivered by the cell, is due to segmentation.
  • FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view of a piece of thin-film photovoltaic device with a series interconnection of adjacent vo ltaic photo cells.
  • the dimensions of the different layers and the segmentation scratches are not to scale in FIG. 3.
  • FIG. 3 shows the substrate 10, the first electrode 11, the active photovo ltaic layers 15 and the second electrode 12.
  • FIG. also shows a first segmentation line 1 for electrically isolating two adjacent photovoltaic cells; this first scratch 1 is hollowed out in the first electrode 11 and the active layers 15 and filled with insulating ink.
  • a second segmentation scratch 2 is hollowed out in the active layers 15 and filled with the material of the second electrode 12 during the deposition of the latter.
  • a third segmentation stripe 3 segments the second electrode 12 in strips. It can be seen in FIG. 3 (black arrow) that the current I of one photovoltaic cell is led to the next by the second electrode, the second stripe and the first electrode. Each photovoltaic cell delimited by the first and third scratches 1, 3 is thus connected in series with the adjacent cell by means of the second stripe 2.
  • Serialization of the cells of a photovoltaic device is necessary to increase the output voltage of the device to voltage values compatible with the continuous or alternating external loads to which the device is intended to be connected. Segmentation of the thin layers of a photovoltaic device, however, is an expensive step in time and equipment and reduces the useful surface of the device. There is therefore a need for a method of manufacturing a thin-film photovoltaic device that allows improved manufacturing efficiency and limits the dead surfaces of the device.
  • the invention proposes to limit or even eliminate the laser segmentation step in the method of manufacturing a thin-film photovoltaic device; one or a few large cells occupy the entire surface of the device and provide a large current but with a limited voltage. At least one static converter is placed at the terminals of each cell to decrease the current and proportionally increase the voltage. It is thus possible to eliminate a constraining step in the method of manufacturing the photovoltaic device by adding a suitable conversion electronics.
  • the invention more specifically relates to a photovoltaic device comprising: at least one photovoltaic cell comprising active thin layers deposited on a substrate, said active layers being not segmented; and at least one static converter associated with each photovoltaic cell, in which - each photovoltaic cell provides electrical power with a maximum current and a nominal voltage, and each static converter is adapted to transmit the electric power supplied by the photovoltaic cell to a load by decreasing the transmitted current and increasing the transmitted voltage.
  • the static converter is a DC-DC converter (DC / DC) and / or a DC-AC converter (DC / AC).
  • the static converter is associated with a management electronics adapted to control the decrease of the transmitted current and the increase of the transmitted voltage.
  • the management electronics associated with the static converter may include a search command of the maximum operation (MPPT).
  • MPPT maximum operation
  • the management electronics can communicate with the load.
  • the device comprises a plurality of static converters arranged in series between each photo voltaic cell and the load.
  • the device comprises a single photovoltaic cell.
  • the active layers of the photovoltaic cell can cover more than 95% of the surface of the substrate.
  • the device comprises a plurality of photovoltaic cells connected in parallel to the load each by at least one static converter.
  • the invention also relates to a photovoltaic generator comprising a plurality of photovoltaic devices according to the invention connected in series and / or in parallel.
  • the invention further relates to a method of manufacturing a photovoltaic device comprising the steps of: fabricating at least one photovoltaic cell by successive deposition of thin layers on a substrate; connect at least one static converter to the terminals of each cell, the method comprising no step of segmentation of the thin layers putting in series several photovoltaic cells elementary.
  • FIG. 2 already described, a flowchart of the steps for manufacturing a photovoltaic cell device according to the prior art
  • FIG. 3 already described, a diagram of a photovoltaic cell device according to the prior art;
  • FIG. 4 a diagram of a photovoltaic device according to the invention;
  • FIG. 6 a diagram illustrating the electrical analogy of a photovoltaic cell of reduced surface area with respect to the cell of FIG. 4;
  • FIG. 7 a diagram illustrating the electrical analogy of a plurality of photovoltaic cells placed in series
  • FIG. 8 a diagram illustrating the electrical analogy of a photovoltaic device according to the invention.
  • the invention proposes a thin-film photovoltaic device comprising at least one photovoltaic cell associated with at least one static converter.
  • Each photovoltaic cell of the device according to the invention is electrically connected to a load by at least one static converter.
  • load is the electrical application for which the photovoltaic device is intended without prejudging its nature (continuous or alternative).
  • the photovoltaic device according to the invention may comprise a single photovoltaic cell or several large cells each associated with a management electronics and connected in parallel with the load. On the same panel, the laser segmentations are thus limited or completely eliminated.
  • large photovoltaic cell is meant a cell without segmentation of the active layers putting in series several elementary cells. The manufacturing efficiency of the photovoltaic device is thus improved and the dead surfaces are limited.
  • Such a "large” cell then delivers a large current, generally greater than the needs of the load, with a limited voltage, generally less than the needs of the load.
  • Each static converter is then adapted to reduce the current supplied by the photovoltaic cell to which it is associated by a factor N and to increase the voltage supplied to the load by a factor N at most.
  • the power received at the input of the converter, by the cell of the photovoltaic device is substantially equal to the power output by the converter to the load; the output power may be slightly less than the input power due to thermal losses and losses in the converter (due to switching by example).
  • the converter converts the energy received from the photo voltaic cell to adapt the output voltage to values compatible with the applications of the load.
  • FIG. 4 illustrates a photovoltaic device according to the invention.
  • the photovoltaic device according to the invention is described with respect to a single photovoltaic cell. However, it is understood that the device described can be duplicated with several photovoltaic cells and static converters arranged in module and connected in parallel to the load.
  • the device of the invention comprises a single photovoltaic cell 60.
  • This single thin-film photovoltaic cell comprises a substrate 10, a first electrode 11, active layers 15 constituting at least one junction, and a second electrode 12
  • This photovoltaic cell 60 is manufactured according to one of the methods described above with the exception of the segmentation steps of the deposited layers.
  • the cell 60 of the device according to the invention has no segmentation stripe; that is to say that its active layers and electrodes are not segmented to form several series cells connected in series as is typically the case in the prior art.
  • the active layers 15 of the cell therefore cover almost the entire surface of the substrate 10, more than about 95%. It is nevertheless possible to envisage segmentation to delimit the edges of the cell and set a maximum current.
  • the device of the invention furthermore comprises at least one static converter 50 at the terminals of the cell 60.
  • the static converter 50 may be a DC-AC converter (DC / AC according to the acronym used in English). ) and / or a DC-DC converter (DC / DC according to the acronym used in English).
  • the static converter 50 is adapted to transmit the electrical power supplied by the photovoltaic cell 60 to a load 100 of an external application - battery, electrical network or other.
  • the converter 50 of the device according to the invention is adapted to reduce the transmitted current and to increase the transmitted voltage.
  • Figure 4 shows that a plurality of converters 50 may be arranged in series.
  • the cell 60 provides electrical power with a current depending on the sun and a nominal voltage equal to the threshold voltage of the junction.
  • a first converter can transform this power by decreasing the current by a first factor N and increasing the voltage to the maximum of a first factor N; a second converter can then transform this power by further decreasing the current of a second factor N 'and further increasing the voltage to a maximum of a second factor N'.
  • Each converter 50 can be associated with a management electronics which controls the current decrease and voltage increase factor.
  • the management electronics may be common to the set of converters of a cell. Such electronics can also incorporate a search command of the maximum operating point (MPPT) of the cell.
  • MPPT maximum operating point
  • the management electronics makes it possible in particular to reprogram the operation of each converter 50, for example if the needs of the load 100 are changing or if a more efficient control law is proposed.
  • Such electronics may also detect malfunctions, both at cell level 60 and at converters 50, and interrupt power transmission and / or alert load 100 and / or an outside observer, such as a network supervisor. .
  • the transmission of information between the management electronics and the load 100 can be done by line carrier currents (CPL) or by radio link for example.
  • CPL line carrier currents
  • FIG. 5 schematically illustrates the electrical analogy of a single photovoltaic cell covering the entire surface of a device.
  • a photovoltaic cell consists essentially of a diode; its output voltage corresponds to the threshold voltage of the diode and the output current depends directly on the size and the constituent materials of the cell and the surrounding conditions.
  • Such a cell can therefore provide a maximum current I cc important, around 150 A for example for active layers of type thin layer of silicon and a surface of the order of Im 2 , with a threshold voltage V oc typically less than 1 V.
  • Such an output voltage is generally not compatible with the external loads to which the photovoltaic device is intended.
  • the required output voltage is of the order of 12 V.
  • the required output voltage is of the order of 240V.
  • These voltage values are much higher than can be provided by a single photovoltaic cell covering the entire surface of the device.
  • few applications require a current as high as that provided by a single large cell. This is why the photovoltaic devices of the prior art comprise a plurality of cells connected in series. Each cell has a reduced size compared to the total surface of the device; the output current is therefore decreased, but the series setting increases the output voltage.
  • Figure 6 (which is outside the invention but presented for purposes of understanding) schematically illustrates the electrical analogy of a cell of a segment of a photovoltaic device. If the photovoltaic device comprises N bands of cells over a whole area identical to that of the device of Figure 5, then the maximum output current I cc will be reduced by a factor N minus the area removed by the scratches; the output voltage of the cell will always be equal to the threshold voltage of the diode constituting the cell.
  • FIG. 7 (which is outside the invention but presented for purposes of understanding) schematically illustrates the electrical analogy of the series connection of a plurality of elementary photovoltaic cells of FIG. 6.
  • the maximum current I cc remains reduced, because of the reduced surface of each cell, but the output voltage is increased by a factor N by the serialization of the elementary cells.
  • the output voltage of the device can then be compatible with the external application.
  • the segmentation of the layers of the photovoltaic device is long, expensive and constitutes the point of limitation of the production capacity.
  • the series setting of the photovoltaic cells limits the output current to the current of the least lighted cell of the device.
  • the invention therefore proposes, as described with reference to FIG. 4, a photovoltaic device comprising a single photovoltaic cell 60 associated with at least one static converter 50.
  • FIG. 8 schematically illustrates the electrical analogy of a photovoltaic device according to the invention.
  • the photovoltaic cell of the device can be assimilated electrically to a diode; its power characteristic will therefore be identical to that described with reference to FIG. 5 with a nominal output voltage V p corresponding to the threshold voltage of the diode and a maximum output current I cc directly dependent on the size and materials constituting the the cell as well as surrounding conditions.
  • the cell of the device according to the invention is however associated with a static converter (DC / DC or DC / AC) which transforms the power supplied by the cell by reducing the current by a factor N and increasing the voltage to the maximum of a factor N.
  • the output power of the converter is substantially equal to the input power (a power conversion generates losses even if the latter are limited) but the output voltage could be increased to values compatible with the needs of the charge.
  • the photovoltaic cell 60 of the device according to the invention thus provides a large current I cc , which can reach 150 A or more, with a nominal voltage V p low, typically less than 1 V.
  • the converter 50 of the device according to the invention provides an increase of this voltage, a factor N which can be between 10 and 50 depending on the application, with a corresponding decrease in current. If the factor of increase of the voltage - decrease of the current - required by the load 100 is important, several converters 50 (DC / DC and / or DC / AC) can be cascaded as illustrated in FIG. so-called Boost, Buck, Buck-Boost or Cuck can be used in the context of the invention.
  • the photovoltaic cell 60 of the device according to the invention allows the passage of strong currents without deterioration of the layers of the cell.
  • the layers of the electrodes 11, 12 may be adapted in terms of materials and thicknesses to limit resistivity and warming.
  • the electrical connection buses 31, 32 intended to collect the current from each electrode 11, 12 of the cell, can be adapted in terms of materials and sections to drive strong currents.
  • the present invention is not limited to the embodiments described by way of example.
  • the materials cited for manufacturing the different layers of the cell have been given for illustrative purposes only and depend on the processes and the manufacturing equipment used.
  • the current and voltage values have been given for illustrative purposes and depend on the type of photovoltaic cell and the load to which the device is intended.

Landscapes

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Abstract

Un dispositif photovoltaïque comprend au moins une cellule photovoltaïque (60) comprenant des couches minces actives (15) déposées sur un substrat (10), lesdites couches actives n'étant pas segmentées, et au moins un convertisseur statique (50) associé à chaque cellule photovoltaïque (60). Chaque cellule photovoltaïque (60) fournit une puissance électrique avec un courant maximal (Icc) et une tension nominale (Vp), et chaque convertisseur statique (50) est adapté à transmettre la puissance électrique fournie par la cellule photovoltaïque vers une charge (100) en diminuant le courant transmis et en augmentant la tension transmise. Sur un même panneau, les segmentations au laser des cellules photovoltaïques sont ainsi limitées voire totalement supprimées. Le rendement de fabrication du dispositif photovoltaïque est ainsi amélioré et les surfaces mortes sont limitées.

Description

DISPOSITIF PHOTOVOLTAIQUE ET PROCEDE DE FABRICATION
La présente invention concerne le domaine des dispositifs photovoltaïques et plus particulièrement les dispositifs comprenant des cellules photovoltaïques de technologies dites à couches minces. L'invention concerne aussi la fabrication d'un dispositif photo vo ltaïque à couches minces.
De manière connue en soi, un dispositif photovoltaïque comprend une ou plusieurs cellules photovoltaïques (PV) reliées en série et/ou en parallèle. Dans le cas de matériaux inorganiques, une cellule photovoltaïque est essentiellement constituée d'une diode (jonction pn ou pin) composée à partir d'un matériau semi-conducteur. Ce matériau présente la propriété d'absorber de l'énergie lumineuse dont une part significative peut être transférée à des porteurs de charge (électrons et trous). La constitution d'une diode (jonction P-N ou PIN) par dopage de deux zones respectivement de type N et de type P - éventuellement séparées d'une région non dopée (appelée "intrinsèque" et désignée par "I" dans la jonction PIN) - permet de séparer les porteurs de charge pour ensuite les collecter via des électrodes que comporte la cellule photovoltaïque. La différence de potentiel (tension de circuit ouvert, Voc) et le courant maximal (courant de court-circuit, Icc) que peut fournir la cellule photovoltaïque sont fonction à la fois des matériaux constitutifs de l'ensemble de la cellule et des conditions environnant cette cellule (dont l'éclairement au travers de intensité spectrale, la température,...). Dans le cas des matériaux organiques, les modèles sont sensiblement différents - faisant davantage référence à la notion de matériaux donneurs et accepteurs dans lesquels sont créés des paires électron-trou appelées excitons. La finalité demeure la même : séparer les porteurs de charge pour collecter et générer un courant.
Il existe plusieurs technologies connues pour fabriquer des cellules photovoltaïques. Les technologies dites à couches minces ont été développées sur un plan industriel dès 1975 ; ces technologies consistent à déposer différents matériaux en films minces sur un substrat par PVD (Physical Vapor Déposition) ou PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Déposition). D'autres technologies de fabrication sont apparues par la suite, telles que les technologies dites à silicium cristallin qui représentent aujourd'hui la majorité de la production industrielle ; ces technologies consistent à réaliser des lingots de silicium monocristallin ou polycristallin puis à les découper en tranches (wafers) et à doper la tranche pour réaliser une jonction P-N ou PIN. Des technologies émergentes proposent des cellules organiques ou en matériaux composites.
Les technologies de cellules photovoltaïques à couches minces présentent de nombreux avantages. Elles permettent des procédés de fabrication à haut débit pour de grandes surfaces par rapport aux technologies à silicium cristallin. Les cellules photovoltaïques à couches minces présentent aussi un bon rendement énergétique lorsqu'elles sont assemblées en module. On entend par module photovoltaïque l'assemblage d'une pluralité de cellules photovoltaïques. Le module peut en outre être associé à une électronique de gestion comprenant typiquement un convertisseur statique (CS) et éventuellement une commande électronique de recherche du point de puissance maximal (ou MPPT soit Maximum Power Point Tracker en terminologie anglaise).
La figure 1 montre les étapes d'un procédé de fabrication classique d'un dispositif de cellules photovoltaïques à couches minces. Les proportions en épaisseur des différentes couches ne sont pas respectées sur le schéma de la figure 1.
Dans les technologies à couches minces, les différents matériaux sont déposés en films minces sur un substrat 10 par PVD (Physical Vapor Déposition) ou par PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Déposition), ou encore par pulvérisation cathodique ou par LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Déposition). Sont ainsi successivement déposées, une première électrode conductrice 11, des couches dites actives 15 formant une ou plusieurs jonctions et une seconde électrode conductrice 12. Les électrodes 11, 12 sont destinées à collecter le courant produit par les couches actives 15. Dans les technologies à films minces, des étapes de séquençage sont nécessaires pour former une pluralité de cellules photovoltaïques sur un même substrat. On cherche en effet à réaliser plusieurs cellules sur un même substrat pour augmenter le rendement de fabrication des cellules en réalisant les dépôts successifs sur une grande surface, typiquement plusieurs dizaines à plusieurs centaines de cellules sur une plaque de quelques cm2 au stade de laboratoire à plus de 1 m2 au stade industriel, puis en reliant ces cellules en série pour augmenter la tension de sortie du dispositif. L'analogie électrique d'un dispositif de cellules photovoltaïques sera décrite plus en détails plus loin en référence aux figures 4 à 6.
La figure 1 montre une première étape (a) dans laquelle une première électrode 11 est déposée sur un substrat 10. On entend par « substrat » 10 la partie qui supporte les éléments actifs de la cellule photovoltaïque. Le substrat peut être rigide telle une plaque de verre ou souple telle une feuille de polymère ou d'acier inoxydable ou de titane ; il peut être transparent ou opaque selon qu'il sera placé sur le trajet de la lumière incidente ou non par rapport aux couches actives. On peut aussi choisir le substrat pour qu'il constitue au moins une des plaques d'encapsulation du produit final, par exemple un substrat verrier dans le cas d'un module photovoltaïque rigide.
L'homme du métier saura choisir le substrat (verre, polymère ou métal) le mieux adapté au dépôt des différentes couches actives du dispositif qu'il souhaite fabriquer.
La première électrode 11 peut être composée d'une couche d'oxyde transparent à la lumière, telle que de l'Oxyde Indium Etain (ITO pour Indium Tin Oxide) ou des oxydes transparents conducteurs (OTC) tels que de l'oxyde d'indium (In2O3), de l'oxyde de zinc (ZnO) dopé aluminium ou de l'étain (SnO2) dopé fluor par exemple. On peut prévoir de déposer une couche de réflecteur arrière directement sur le substrat 10 avant la première électrode (référencé 20 sur la figure 2), notamment lorsque le substrat 10 est transparent et que la lumière incidente pénètre dans la cellule par la face opposée au substrat. La couche de réflecteur arrière peut être une couche de cuivre, d'argent ou d'aluminium par exemple.
La figure 1 montre une deuxième étape (b) dans laquelle la couche de la première électrode 11 est segmentée pour délimiter des bandes qui constitueront autant de diodes individuelles sur un même panneau défini par le substrat 10, la surface des électrodes imposant le courant maximal qui sera délivré par la diode ainsi construite. La segmentation est typiquement réalisée par gravure laser, par exemple avec un laser de type Nd-YAG (acronyme anglais de neodymium-doped yttrium aluminium garnet).
La figure 1 montre une troisième étape (c) dans laquelle les couches actives 15 sont déposées. Par exemple, des couches minces de silicium amorphe hydrogéné (a- Si:H), polymorphe (pm-Si:H) ou microcristallin (μc-Si:H) peuvent être déposées pour constituer une ou plusieurs jonctions P-N ou PIN superposées. L'homme du métier saura choisir tout matériau adapté à la fabrication d'une jonction P-N ou PIN selon les équipements industriels disponibles et/ou les besoins en rendement photoélectrique. Les couches actives 15 remplissent les interstices entre les bandes de la première électrode 11, isolant ainsi chaque segment d'électrode. La figure 1 montre une quatrième étape (d) dans laquelle les couches actives 15 sont segmentées jusqu'à mise à nu de la première électrode 11. La segmentation des couches actives 15 est décalée par rapport à la segmentation de la première électrode 11 pour permettre un contact entre la deuxième électrode qui sera déposée à l'étape (e) et la première électrode 11, assurant ainsi la mise en série des diodes formées par les bandes adjacentes. Comme cela sera détaillé plus loin, la mise en série des diodes sur un même panneau permet d'atteindre une tension plus élevée égale à la somme des tensions élémentaires de chaque diode mise en série. La segmentation des couches actives 15 est typiquement réalisée par gravure laser, par exemple avec un laser de type Nd-YAG. La figure 1 montre une cinquième étape (e) dans laquelle une deuxième électrode 12 est déposée pour encadrer, avec la première électrode 11, les couches actives 15 de la cellule. La deuxième électrode 12 peut être de la même composition que la première électrode 11 ou d'une composition différente ; elle peut être composée d'Oxyde Indium Etain (ITO) ou de tout Oxyde Transparent Conducteur (OTC) par exemple. La deuxième électrode 12 peut encore être recouverte d'un réflecteur arrière si la lumière incidente pénètre dans la cellule par le substrat 10 ; la deuxième électrode 12 peut aussi servir de réflecteur arrière avec une composition adaptée, par exemple si elle est composée d'un alliage d'ITO, d'argent et de Nickel. La deuxième électrode 12 remplit les interstices de segmentation des couches actives 15, assurant la mise en série de bandes adjacentes.
La figure 1 montre enfin une sixième étape (f) dans laquelle la deuxième électrode 12 est segmentée jusqu'à mise à nu des couches actives. La segmentation de la deuxième électrode 12 est encore décalée par rapport à la segmentation des couches actives 15 et par rapport à la segmentation de la première électrode 11 pour délimiter, avec la première segmentation de l'étape (b), les zones actives des bandes de diodes individuelles. La segmentation de la deuxième électrode 12 est typiquement réalisée par gravure laser, par exemple avec un laser de type Nd-YAG, ou par gravure mécanique.
La figure 2 résume dans un organigramme les étapes de fabrication décrites en référence à la figure 1. Le substrat 10 est tout d'abord lavé et contrôlé pour vérifier qu'il n'y ait ni fissure ni poussière ou défaut à la surface du substrat ou bien même vérifier que le substrat n'est pas cassé tout simplement. Un réflecteur 20 peut ensuite être déposé ; puis la première électrode 11. La première électrode 11 est ensuite texturée, par exemple par un recuit pour obtenir une même orientation cristalline des molécules déposées, et segmentée. La qualité de la segmentation - finesse, rectitude, profondeur, ... - est contrôlée et le substrat doit une nouvelle fois être lavé pour éliminer les résidus métalliques de la gravure. Les couches actives 15 - jonctions PIN ou autres - sont déposées et segmentées puis la deuxième électrode 12 est déposée et segmentée. Un contrôle final est alors effectué.
Il existe d'autres procédés de fabrication de dispositifs de cellules photovoltaïque à couches minces présentant un ordonnancement différent de celui décrit en référence aux figures 1 et 2. Par exemple, les couches actives et la couche de la première électrode peuvent être segmentées ensembles et une encre isolante peut être sérigraphiée. Puis la deuxième électrode est déposée et segmentée. Enfin une grille de contact, en argent par exemple, est sérigraphiée sur la deuxième électrode et une étape de refusion de cette grille assure la mise en série de deux bandes photovoltaïques adjacentes. La refusion de la couche métallique est assurée par laser.
On a donc typiquement trois étapes de segmentation au laser dans un procédé de fabrication classique d'un dispositif de cellules photovoltaïques à couches minces, quel que soit le procédé mis en œuvre et la nature ou l'épaisseur des couches déposées. Chaque étape de segmentation doit être réalisée avec un laser différent, c'est-à-dire avec un réglage différent en termes de longueur d'onde, de résolution et d'angle d'attaque, afin de segmenter la ou les couches nécessaires. Ces étapes de segmentation représentent un coût important du procédé de fabrication d'un dispositif de cellules photovoltaïques à couches minces et constituent les points de limitation de la capacité de production. De plus, ces étapes de segmentation sont délicates et réduisent le rendement de production en étant responsables de nombreux défauts qui conduisent à des mises au rebut de dispositifs entiers.
En outre, la segmentation réduit la surface utile du dispositif. En effet, toutes les zones qui sont détruites par une rayure de segmentation sont inexploitables pour la production d'une énergie photovoltaïque. La zone active d'une cellule photovoltaïque est délimitée par les première et troisième rayures de segmentation. Ainsi, par exemple, pour des bandes de 12 mm de large, une perte d'environ 5 à 6 % de surface, et donc d'intensité délivrée par la cellule, est due à la segmentation.
La figure 3 montre une vue schématique en coupe d'un morceau de dispositif photovoltaïque à couches minces avec une interconnexion série de cellules photo vo ltaïques adjacentes. Les dimensions des différentes couches et des rayures de segmentation ne sont pas à l'échelle sur la figure 3. La figure 3 montre le substrat 10, la première électrode 11, les couches photovo ltaïques actives 15 et la deuxième électrode 12. La figure 3 montre aussi une première rayure de segmentation 1 permettant d'isoler électriquement deux cellules photovoltaïques adjacentes ; cette première rayure 1 est creusée dans la première électrode 11 et les couches actives 15 et remplie d'encre isolante. Une deuxième rayure de segmentation 2 est creusée dans les couches actives 15 et remplie par le matériau de la deuxième électrode 12 lors du dépôt de cette dernière. Une troisième rayure de segmentation 3 segmente en bandes la deuxième électrode 12. On peut voir sur la figure 3 (flèche noire) que le courant I d'une cellule photovoltaïque est conduit à la suivante par la deuxième électrode, la deuxième rayure et la première électrode. Chaque cellule photovoltaïque, délimitée par les première et troisième rayures 1, 3, est ainsi connectée en série avec la cellule adjacente au moyen de la deuxième rayure 2.
La mise en série des cellules d'un dispositif photovoltaïque est nécessaire pour augmenter la tension de sortie du dispositif à des valeurs de tension compatibles avec les charges extérieures continues ou alternatives auxquelles le dispositif est destiné à être relié. La segmentation des couches minces d'un dispositif photovoltaïque constitue cependant une étape coûteuse en temps et en matériel et qui réduit la surface utile du dispositif. Il existe donc un besoin pour un procédé de fabrication d'un dispositif photovoltaïque à couches minces qui permette un rendement de fabrication amélioré et qui limite les surfaces mortes du dispositif.
A cet effet, l'invention propose de limiter, voire de supprimer, l'étape de segmentation au laser dans le procédé de fabrication d'un dispositif photovoltaïque à couches minces ; une ou quelques grandes cellules occupent toute la surface du dispositif et fournissent un courant important mais avec une tension limitée. Au moins un convertisseur statique est placé aux bornes de chaque cellule pour diminuer le courant et augmenter proportionnellement la tension. On peut ainsi éliminer une étape contraignante du procédé de fabrication du dispositif photovoltaïque en ajoutant une électronique de conversion adaptée.
L'invention concerne plus spécifiquement un dispositif photovoltaïque comprenant : au moins une cellule photovoltaïque comprenant des couches minces actives déposées sur un substrat, lesdites couches actives n'étant pas segmentées ; et au moins un convertisseur statique associé à chaque cellule photovoltaïque, dans lequel - chaque cellule photovoltaïque fournit une puissance électrique avec un courant maximal et une tension nominale, et chaque convertisseur statique est adapté à transmettre la puissance électrique fournie par la cellule photovoltaïque vers une charge en diminuant le courant transmis et en augmentant la tension transmise. Selon les modes de réalisation, le convertisseur statique est un convertisseur courant continu - courant continu (DC/DC) et/ou un convertisseur courant continu - courant alternatif (DC/AC).
Selon un mode de réalisation, le convertisseur statique est associé à une électronique de gestion adaptée à contrôler la diminution du courant transmis et l'augmentation de la tension transmise. L'électronique de gestion associée au convertisseur statique peut comprendre une commande de recherche du point de fonctionnement maximal (MPPT). L'électronique de gestion peut communiquer avec la charge.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend une pluralité de convertisseurs statiques agencés en série entre chaque cellule photo voltaïque et la charge.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend une unique cellule photovoltaïque. Les couches actives de la cellule photovoltaïque peuvent couvrir plus de 95 % de la surface du substrat.
Selon un autre mode de réalisation, le dispositif comprend une pluralité de cellules photovoltaïques reliées en parallèle à la charge chacune par au moins un convertisseur statique.
L'invention concerne aussi un générateur photovoltaïque comprenant une pluralité de dispositifs photovoltaïques selon l'invention reliés en série et/ou en parallèle. L'invention concerne en outre un procédé de fabrication d'un dispositif photovoltaïque comprenant les étapes consistant à : fabriquer au moins une cellule photovoltaïque par dépôts successifs de couches minces sur un substrat ; connecter au moins un convertisseur statique aux bornes de chaque cellule, le procédé ne comprenant aucune étape de segmentation des couches minces mettant en série plusieurs cellules photovoltaïques élémentaires.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit des modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés, qui montrent
- figure 1, déjà décrite, un schéma des étapes de fabrication d'un dispositif de cellules photovoltaïques selon l'art antérieur ;
- figure 2, déjà décrite, un organigramme des étapes de fabrication d'un dispositif de cellules photovoltaïques selon l'art antérieur ;
- figure 3, déjà décrite, un schéma d'un dispositif de cellules photovoltaïques selon l'art antérieur ; - figure 4, un schéma d'un dispositif photo voltaïque selon l'invention ;
- figure 5, un schéma illustrant l'analogie électrique d'une unique cellule photovoltaïque couvrant toute la surface d'un dispositif ;
- figure 6, un schéma illustrant l'analogie électrique d'une cellule photovoltaïque de surface réduite par rapport à la cellule de la figure 4 ;
- figure 7, un schéma illustrant l'analogie électrique d'une pluralité de cellules photovoltaïques mises en série ;
- figure 8, un schéma illustrant l'analogie électrique d'un dispositif photovoltaïque selon l'invention.
L'invention propose un dispositif photovoltaïque à couches minces comprenant au moins une cellule photovoltaïque associée à un au moins un convertisseur statique. Chaque cellule photovoltaïque du dispositif selon l'invention est électriquement reliée à une charge par au moins un convertisseur statique. On appelle « charge » l'application électrique à laquelle est destinée le dispositif photovoltaïque sans préjuger de sa nature (continue ou alternative).
Le dispositif photovoltaïque selon l'invention peut comprendre une unique cellule photovoltaïque ou plusieurs grandes cellules associée chacune à une électronique de gestion et reliées en parallèle à la charge. Sur un même panneau, les segmentations au laser sont ainsi limitées voire totalement supprimées. On entend par « grande » cellule photovoltaïque, une cellule sans segmentation des couches actives mettant en série plusieurs cellules élémentaires. Le rendement de fabrication du dispositif photovoltaïque est ainsi amélioré et les surfaces mortes sont limitées.
Une telle « grande » cellule délivre alors un courant important, généralement supérieur aux besoins de la charge, avec une tension limitée, généralement inférieure aux besoins de la charge. Chaque convertisseur statique est alors adapté à diminuer le courant fourni par la cellule photovoltaïque à laquelle il est associé d'un facteur N et à augmenter la tension fournie à la charge d'un facteur N au maximum. La puissance reçue en entrée du convertisseur, par la cellule du dispositif photovoltaïque, est sensiblement égale à la puissance fournie en sortie par le convertisseur à la charge ; la puissance de sortie peut être légèrement inférieure à la puissance d'entrée du fait de pertes thermiques et de pertes dans le convertisseur (dues à la commutation par exemple). Le convertisseur transforme l'énergie reçue de la cellule photo voltaïque pour adapter la tension de sortie à des valeurs compatibles avec les applications de la charge.
La figure 4 illustre un dispositif photovoltaïque selon l'invention. Dans la suite de la description, on décrit le dispositif photovoltaïque selon l'invention par rapport à une unique cellule photovoltaïque. Il est cependant entendu que le dispositif décrit peut être dupliqué avec plusieurs cellules photovoltaïques et convertisseurs statiques agencés en module et reliés en parallèle à la charge.
Sur la figure 4, le dispositif de l'invention comprend une unique cellule photovoltaïque 60. Cette unique cellule photovoltaïque à couches minces comprend un substrat 10, une première électrode 11, des couches actives 15 constituant au moins une jonction, et une deuxième électrode 12. Cette cellule photovoltaïque 60 est fabriquée selon l'un des procédés décrits précédemment à l'exception des étapes de segmentation des couches déposées. La cellule 60 du dispositif selon l'invention ne présente aucune rayure de segmentation ; c'est-à-dire que ses couches actives et électrodes ne sont pas segmentées pour constituer plusieurs cellules élémentaires reliées en série comme c'est typiquement le cas dans l'art antérieur. Les couches actives 15 de la cellule couvrent donc la quasi totalité de la surface du substrat 10, plus de 95 % environ. On peut néanmoins envisager de réaliser des segmentations pour délimiter les bords de la cellule et fixer un courant maximal.
Le dispositif de l'invention comprend en outre au moins un convertisseur statique 50 aux bornes de la cellule 60. Selon les applications, le convertisseur statique 50 peut être un convertisseur courant continu - courant alternatif (DC/AC selon l'acronyme utilisé en anglais) et/ou un convertisseur courant continu - courant continu (DC/DC selon l'acronyme utilisé en anglais). Le convertisseur statique 50 est adapté à transmettre la puissance électrique fournie par la cellule photovoltaïque 60 vers une charge 100 d'une application extérieure - batterie, réseau électrique ou autre. Le convertisseur 50 du dispositif selon l'invention est adapté à diminuer le courant transmis et à augmenter la tension transmise. La figure 4 montre qu'une pluralité de convertisseurs 50 peuvent être agencés en série. La cellule 60 fournit une puissance électrique avec un courant fonction de l'ensoleillement et une tension nominale égale à la tension de seuil de la jonction. Un premier convertisseur peut transformer cette puissance en diminuant le courant d'un premier facteur N et en augmentant la tension au maximum d'un premier facteur N ; un deuxième convertisseur peut alors transformer cette puissance en diminuant encore le courant d'un deuxième facteur N' et en augmentant encore la tension au maximum d'un deuxième facteur N'. Cette mise en cascade permet d'atteindre des valeurs importantes de tension avec des convertisseurs de taille restreinte.
Chaque convertisseur 50 peut être associé à une électronique de gestion qui contrôle le facteur de diminution du courant et d'augmentation de la tension. L'électronique de gestion peut être commune à l'ensemble de convertisseurs d'une cellule. Une telle électronique peut également intégrer une commande de recherche du point de fonctionnement maximal (MPPT) de la cellule. L'électronique de gestion permet notamment une reprogrammation du fonctionnement de chaque convertisseur 50, par exemple si les besoins de la charge 100 évoluent ou si une loi de commande plus performante est proposée. Une telle électronique peut aussi détecter des défauts de fonctionnement, tant au niveau de la cellule 60 qu'au niveau des convertisseurs 50, et interrompre la transmission de puissance et/ou alerter la charge 100 et/ou un observateur extérieur, tel un superviseur réseau. La transmission d'informations entre l'électronique de gestion et la charge 100 peut se faire par courants porteur de ligne (CPL) ou par liaison radio par exemple. L'électronique de gestion des convertisseurs 50 n'est cependant pas indispensable à la mise en œuvre de l'invention ; si les besoins en tension de la charge sont fixes, le convertisseur 50 peut être directement conçu pour fournir une tension dans une plage de fonctionnement adaptée à la capacité de production énergétique de la cellule 60. La figure 5 (qui est en dehors de l'invention mais présentée pour des besoins de compréhension) illustre schématiquement l'analogie électrique d'une unique cellule photovoltaïque couvrant toute la surface d'un dispositif. Comme cela a été expliqué plus haut, une cellule photovoltaïque est essentiellement constituée d'une diode ; sa tension de sortie correspond donc à la tension seuil de la diode et le courant de sortie dépend directement de la taille et des matériaux constitutifs de la cellule et des conditions environnantes. Une telle cellule peut donc fournir un courant maximal Icc important, aux alentours de 150 A par exemple pour des couches actives de type couche mince de Silicium et une surface de l'ordre de Im2, avec une tension seuil Voc typiquement inférieure à 1 V. Une telle tension de sortie n'est généralement pas compatible avec les charges extérieures auxquelles le dispositif photovoltaïque est destiné. Par exemple, dans une application à un chargeur de batterie, la tension de sortie requise est de l'ordre de 12 V. De même, pour une application à un réseau électrique, la tension de sortie requise est de l'ordre de 240V. Ces valeurs de tension sont bien supérieures à ce que peut fournir une unique cellule photovoltaïque couvrant toute la surface du dispositif. En outre, peu d'application nécessite un courant aussi élevé que celui fourni par une unique cellule de grande taille. C'est pourquoi les dispositifs photo voltaïques de l'art antérieur comprennent une pluralité de cellules reliées en série. Chaque cellule présente une taille réduite par rapport à la surface totale du dispositif ; le courant de sortie est donc diminué, mais la mise en série augmente la tension de sortie.
La figure 6 (qui est en dehors de l'invention mais présentée pour des besoins de compréhension) illustre schématiquement l'analogie électrique d'une cellule d'un segment d'un dispositif photovoltaïque. Si le dispositif photovoltaïque comprend N bandes de cellules sur l'ensemble d'une surface identique à celle du dispositif de la figure 5, alors le courant de sortie maximal Icc sera réduit d'un facteur N moins la surface supprimée par les rayures ; la tension de sortie de la cellule sera toujours égale à la tension seuil de la diode constituant la cellule.
La figure 7 (qui est en dehors de l'invention mais présentée pour des besoins de compréhension) illustre schématiquement l'analogie électrique de la mise en série d'une pluralité de cellules photovoltaïques élémentaires de la figure 6. Le courant maximal Icc reste réduit, du fait de la surface réduite de chaque cellule, mais la tension de sortie est augmentée d'un facteur N par la mise en série des cellules élémentaires. La tension de sortie du dispositif peut alors être compatible avec l'application extérieure.
Néanmoins, comme discuté précédemment, la segmentation des couches du dispositif photovoltaïque est longue, coûteuse et constitue le point de limitation de la capacité de production. De plus, la mise en série des cellules photovoltaïques limite le courant de sortie au courant de la cellule la moins éclairée du dispositif. L'invention propose donc, comme décrit en référence à la figure 4, un dispositif photovoltaïque comprenant une unique cellule photovoltaïque 60 associée à au moins un convertisseur statique 50.
La figure 8 illustre schématiquement l'analogie électrique d'un dispositif photovoltaïque selon l'invention. Comme cela a été expliqué plus haut, la cellule photovoltaïque du dispositif peut être assimilé électriquement à une diode ; sa caractéristique de puissance sera donc identique à celle décrite en référence à la figure 5 avec une tension de sortie nominal Vp correspondant à la tension seuil de la diode et un courant de sortie maximal Icc dépendant directement de la taille et des matériaux constitutifs de la cellule ainsi que des conditions environnantes. La cellule du dispositif selon l'invention est cependant associée à un convertisseur statique (DC/DC ou DC/AC) qui transforme la puissance fournie par la cellule en diminuant le courant d'un facteur N et en augmentant la tension au maximum d'un facteur N. La puissance de sortie du convertisseur est sensiblement égale à la puissance d'entrée (une conversion de puissance engendre des pertes même si ces dernières sont limitées) mais la tension de sortie a pu être augmentée à des valeurs compatibles avec les besoins de la charge.
La cellule photovoltaïque 60 du dispositif selon l'invention fournit ainsi un courant Icc important, qui peut atteindre 150 A, voire davantage, avec une tension nominale Vp faible, typiquement inférieure à 1 V. Le convertisseur 50 du dispositif selon l'invention assure une augmentation de cette tension, d'un facteur N qui peut être compris entre 10 et 50 selon les applications, avec une diminution correspondante du courant. Si le facteur d'augmentation de la tension - diminution du courant - requis par la charge 100 est important, plusieurs convertisseurs 50 (DC/DC et/ou DC/AC) peuvent être placés en cascade comme illustré sur la figure 4. Des convertisseurs dits de type Boost, Buck, Buck-Boost ou Cuck peuvent être utilisés dans le cadre de l'invention.
La cellule photovoltaïque 60 du dispositif selon l'invention permet le passage de courants forts sans détérioration des couches de la cellules. Les couches des électrodes 11, 12 peuvent être adaptées en termes de matériaux et d'épaisseurs pour limiter la résistivité et réchauffement. De même, les bus de connexion électrique 31, 32, prévus pour récolter le courant depuis chaque électrode 11, 12 de la cellule, peuvent être adaptés en termes de matériaux et de sections pour conduire des courants forts.
Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits à titre d'exemple. En particulier, les matériaux cités pour fabriquer les différentes couches de la cellule ont été donnés à titre illustratif uniquement et dépendent des procédés et des équipements de fabrication utilisés. De même, les valeurs de courant et de tension n'ont été données à titre illustratif et dépendent du type de cellule photovoltaïque et de la charge à laquelle le dispositif est destiné.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif photo vo ltaïque comprenant :
- au moins une cellule photovoltaïque (60) comprenant des couches minces actives (15) déposées sur un substrat (10), lesdites couches actives n'étant pas segmentées ; et
- au moins un convertisseur statique (50) associé à chaque cellule photovoltaïque (60), dans lequel - chaque cellule photovoltaïque (60) fournit une puissance électrique avec un courant maximal (Icc) et une tension nominale (Vp), et
- chaque convertisseur statique (50) est adapté à transmettre la puissance électrique fournie par la cellule photovoltaïque vers une charge (100) en diminuant le courant transmis et en augmentant la tension transmise.
2. Le dispositif photovoltaïque selon la revendication 1, dans lequel le convertisseur statique (50) est un convertisseur courant continu - courant continu (DC/DC) et/ou un convertisseur courant continu - courant alternatif (DC/AC).
3. Le dispositif photovoltaïque selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le convertisseur statique (50) est associé à une électronique de gestion adapté à contrôler la diminution du courant transmis et l'augmentation de la tension transmise.
4. Le dispositif photovoltaïque selon la revendication 3, dans lequel l'électronique de gestion associée au convertisseur statique (50) comprend une commande de recherche du point de fonctionnement maximal (MPPT).
5. Le dispositif photovoltaïque selon la revendication 3 ou 4, dans lequel l'électronique de gestion est adaptée à communiquer avec la charge (100).
6. Le dispositif photo voltaïque selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une pluralité de convertisseurs statiques (50) agencés en série entre chaque cellule photovoltaïque (60) et la charge (100).
7. Le dispositif photovoltaïque l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant une unique cellule photovoltaïque (60).
8. Le dispositif photovoltaïque de la revendication 7, dans lequel les couches actives (15) de la cellule photovoltaïque (60) couvre plus de 95 % de la surface du substrat (10).
9. Le dispositif photovoltaïque selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant une pluralité de cellules photovoltaïques (60) reliées en parallèle à la charge (100) chacune par au moins un convertisseur statique (50).
10. Générateur photovoltaïque comprenant une pluralité de dispositifs photovoltaïques selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 reliés en série et/ou en parallèle.
1 1. Un procédé de fabrication d'un dispositif photovoltaïque comprenant les étapes consistant à :
- fabriquer au moins une cellule photovoltaïque par dépôts successifs de couches minces sur un substrat ; - connecter au moins un convertisseur statique aux bornes de chaque cellule, le procédé ne comprenant aucune étape de segmentation des couches minces mettant en série plusieurs cellules photovoltaïques élémentaires.
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