EP2912693A1 - Dispositif photovoltaïque a couches minces, notamment pour vitrage solaire - Google Patents

Dispositif photovoltaïque a couches minces, notamment pour vitrage solaire

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Publication number
EP2912693A1
EP2912693A1 EP13795549.8A EP13795549A EP2912693A1 EP 2912693 A1 EP2912693 A1 EP 2912693A1 EP 13795549 A EP13795549 A EP 13795549A EP 2912693 A1 EP2912693 A1 EP 2912693A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
holes
mask
cell
substrate
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13795549.8A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Marc Ricci
Pierre-Yves Thoulon
Ivan Jager
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.)
Crosslux
Original Assignee
Crosslux
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Filing date
Publication date
Application filed by Crosslux filed Critical Crosslux
Publication of EP2912693A1 publication Critical patent/EP2912693A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
    • H01L31/0445—PV modules or arrays of single PV cells including thin film solar cells, e.g. single thin film a-Si, CIS or CdTe solar cells
    • H01L31/046—PV modules composed of a plurality of thin film solar cells deposited on the same substrate
    • H01L31/0468—PV modules composed of a plurality of thin film solar cells deposited on the same substrate comprising specific means for obtaining partial light transmission through the module, e.g. partially transparent thin film solar modules for windows
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/02002—Arrangements for conducting electric current to or from the device in operations
    • H01L31/02005—Arrangements for conducting electric current to or from the device in operations for device characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/02008—Arrangements for conducting electric current to or from the device in operations for device characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells or solar cell modules
    • 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 a thin-film photovoltaic device.
  • a thin film photovoltaic device comprising a substrate on which is disposed a photovoltaic film composed of a superposition of layers distributed in a so-called principal plane and comprising at least a first conductive layer forming a rear electrical contact, a second inorganic material-based, inorganic material-absorbing, photo-active second layer of transparent conductive material forming a front electrical contact, said photovoltaic film being divided to form a plurality of individual and interconnected photovoltaic cells, each cell being connected in series or in parallel with one or more adjacent cells and electrically isolated from other adjacent cells.
  • the photovoltaic device finds particular application in the field of so-called solar glazing or so-called photovoltaic glazing, in which the substrate consists of a transparent glass substrate - or transparent glazing - with interconnected photovoltaic cells and more or less spaced to choose the best relationship between brightness or overall transparency and energy performance.
  • the glazing may be of double glazing or triple glazing type, in the form of laminated glazing, insulation, etc.
  • the present invention is not limited to such an application and other substrates can be envisaged with such a photovoltaic device, such as for example a substrate made of organic material, a substrate made of plastic material or based on polymers, a substrate made of treated glass, for example frosted glass, tinted, opaque, etc., a metal substrate, a substrate of construction material, for example concrete, composite material, etc., optionally covered with a layer of paint and / or protection.
  • a photovoltaic device such as for example a substrate made of organic material, a substrate made of plastic material or based on polymers, a substrate made of treated glass, for example frosted glass, tinted, opaque, etc., a metal substrate, a substrate of construction material, for example concrete, composite material, etc., optionally covered with a layer of paint and / or protection.
  • the object of the present invention is to apply to the substrate a series of thin layers forming a photovoltaic film defining a plurality of photovoltaic cells interconnected and shaped to pass a portion of the light to give the photovoltaic film a certain transparency that ensures the visibility of a portion of the substrate.
  • the photovoltaic film offers opaque areas and transparent areas that respectively allow to conceal and expose the substrate from the outside.
  • an area of the photovoltaic film is considered to be transparent insofar as it is easily traversed by the light and makes it possible to clearly distinguish the substrate through its thickness.
  • photovoltaic devices in a building faces several constraints: the photovoltaic surface that can be used on roofs and / or facades, the cost, the dimensions of photovoltaic devices, which should preferably be standardized to respect the norms and practices in the field. of the construction, installation of photovoltaic devices with constraints of insulation, sealing, mechanical resistance, wind resistance, etc. and the aesthetics of photovoltaic devices, especially in façade integration.
  • thin film photovoltaic devices employing a photoactive, absorbing layer in the solar spectrum, with a thickness ranging from a few atoms in thickness to a thickness tens of micrometers, made of inorganic semiconductor material, in particular based on Cu 2 S / CdS, a-Si: H (hydrogenated amorphous silicon), CdTe (cadmium telluride), and CulnSe 2 (Copper Indium Selenium or CIS), CulnGaSe 2 (Copper Indium Galium Selenium or CIGS).
  • These thin-film photovoltaic devices based on inorganic materials belong to the second generation, after the first generation based on crystalline silicon, and before the third generation based on organic materials.
  • organic photovoltaic materials are naturally transparent, however they have limited lifetimes, generally of the order of a few thousand hours, and low electrical performance or yields (yield of the order of 5 to 9% against 15 to 20% for second generation inorganic photovoltaic materials), which are incompatible with integration into a building.
  • Inorganic photovoltaic materials do not have intrinsic properties of transparency, and only the design of photovoltaic cells on the substrate will confer on the photovoltaic film a transparency needed to be able to partially see the substrate through the film. Indeed, these inorganic photovoltaic materials have a very high level of light absorption, with for example an absorption of 99% of the light arriving at the surface of the CIGS material on the first micrometer thickness. Thus, for the CIGS, a material thickness greater than one micron leads to a layer opaque to light.
  • the present invention is therefore concerned with the design of photovoltaic cells made from thin layers of inorganic photovoltaic material.
  • the photovoltaic film is composed of a superposition of layers comprising a first conductive layer forming a rear electrical contact, a second photo-active layer absorbing in the solar spectrum and based on material. inorganic, a third layer of transparent conductive material forming a front electrical contact.
  • the third front contact layer may for example consist of a double film of zinc oxide (ZnO) doped with Group III elements such as aluminum, and it has the highest possible light transmission in the range of wavelength linked to the second photoactive layer. It is known to employ an intermediate thin layer, called a "buffer" window or layer, between the second and third layers, generally based on CdS (cadmium sulphide), ZnS, ZnSe, Snnn 2 Se 4 , ZnI - x Mg x O, ln 2 S3, etc.
  • CdS cadmium sulphide
  • ZnS, ZnSe, Snnn 2 Se 4 ZnI - x Mg x O, ln 2 S3, etc.
  • the second layer referred to as an absorber, is made from inorganic semiconductor materials of type I-III-VI, such as for example CIGS, often referred to as chalcogenide materials.
  • the first layer is deposited on the substrate and has both ohmic properties to ensure optimum recovery of the charges emitted by the second photo-active layer but also optical properties to ensure reflection towards the second layer of the light spectrum part not absorbed in direct transmission.
  • photovoltaic cells in the form of parallel opaque strips having a width of the order of a centimeter and regularly spaced from each other by one spacing equivalent to the width of the bands; the cells being interconnected at their ends, the interconnections being generally concealed by the frame of the glazing.
  • the overall transparency of the glazing is of the order of 50%, but these photovoltaic strips distributed in a linear array with a resolution of the order of a centimeter provide a real visual discomfort for the building users who look through the glazing.
  • the aim of the present invention is to propose a thin-film photovoltaic device comprising a substrate on which is placed a photovoltaic film based on second-generation semiconductor inorganic material, with a control of the geometry of the photovoltaic cells which enables the times to obtain a film with a controlled transparency between 10 and 90% and a visual comfort resulting from a high resolution which brings the perception of a quasi uniformity of the drawing of the opaque layers.
  • a thin-film photovoltaic device comprising a substrate on which is disposed a photovoltaic film composed of a superposition of layers distributed along a so-called principal plane and comprising at least a first conductive layer forming a rear electrical contact, a second inorganic material-based, inorganic material-absorbing, photo-active second layer of transparent conductive material forming a front electrical contact, said photovoltaic film being divided to form a plurality of individual and interconnected photovoltaic cells, each cell being connected in in series or in parallel with one or more adjacent cells and electrically isolated from other adjacent cells, wherein the device is remarkable in that it comprises a plurality of individual holes passing through at least the first and second layers of the photovoltaic film in each cell ule, each hole having dimensions in the main plane between 10 nanometers and 400 micrometers, each hole being spaced from the nearest adjacent hole by a distance of between 5 nanometers and 400 micrometers, and in that each cell has a surface hole, corresponding to the
  • the photovoltaic cells are perforated, at least on the thickness of the first and second layers (the third layer being transparent), and these holes are distributed almost uniformly in each cell with a resolution between 5 nanometers and 400 micrometers, guaranteeing a perception for the human eye that is almost uniform of the external surface of the film, with a controlled transparency of the film which ensures visibility of the medium through the film.
  • the resolution power of the eye is about a minute of arc, or 0.017 °, which corresponds to a minimum distance about 600 micrometers for an image located 2 meters away from the eye.
  • the holes are distributed on the surface of each cell according to a non-periodic distribution, in particular according to non-periodic tessellation.
  • the non-periodic (ie irregular) distribution of the holes has the advantage of avoiding a periodic repetition of patterns that catches the eye and diminishes visual comfort. Thanks to such a non-periodic distribution, a person looking through the device will be much less disturbed by the holes compared to a periodic or regular distribution.
  • the holes are distributed on the surface of each cell in a random distribution, in particular according to a random tiling.
  • This random distribution which is a special case of non-periodic distribution, is particularly advantageous for visual comfort through the device.
  • the holes are distributed over the surface of each cell according to a periodic distribution, in particular according to a periodic tiling.
  • periodic distribution being advantageous for simplifying the realization of the holes, due to the regular repetition.
  • the holes are distributed over the surface of each cell according to a virtual tiling composed of a plurality of photovoltaic unitary units juxtaposed without void and without encroachment to define the corresponding cell, each elementary unit being in the form of a geometric portion of the photovoltaic film delimited by a virtual outline and to which is associated at least one hole formed wholly or partly within said contour, each hole being associated with a single elementary unit, and in which each elementary unit has a perforated surface corresponding to the surface of the hole or holes associated with said unit elementary in the main plane, which is between 10 and 90% of the total area of the elementary unit in the same main plane, preferably between 30 and 70%.
  • each photovoltaic cell is geometrically defined by a tiling of photovoltaic unitary units and each of these units present is perforated to intrinsically offer the desired overall transparency.
  • the macroscopic photovoltaic cell has the same transparency as its own elementary units that compose it.
  • each elementary unit has dimensions in the main plane of between 10 and 800 micrometers.
  • the elementary units are distributed on the surface of each cell according to a non-periodic tiling, and the elementary units are identical both in the shape and dimensions of the virtual contour and in the conformation, the number and the dimensions of the holes associated with each elementary unit;
  • the elementary units are distributed on the surface of each cell according to a periodic tiling, and the elementary units are identical in the shape and dimensions of the virtual contour but are distinct in the conformation, the number and / or the dimensions of the or holes associated with each elemental unit.
  • the elementary units are distributed on the surface of each cell according to a periodic tiling, and the elementary units are identical as much in the shape and the dimensions of the virtual contour as in the conformation, the number and the dimensions of the hole or holes associated with each elementary unit.
  • the substrate consists of a glass substrate for producing photovoltaic or solar glazing.
  • the first layer is an opaque metal layer directly in contact with the substrate.
  • the present invention also relates to a method of manufacturing a photovoltaic device according to the invention, in which: - a photovoltaic film is arranged on a substrate by the superposition of layers distributed in a so-called principal plane and comprising at least one first conductive layer forming a rear electrical contact, a second absorbing photoactive layer in the solar spectrum based on inorganic material, and a third layer of transparent conductive material forming a front electrical contact;
  • each cell being connected in series or in parallel with one or more adjacent cells and electrically isolated from the other adjacent cells,
  • each hole has dimensions in the main plane of between 10 nanometers and 400 micrometers,
  • each hole is spaced from the nearest adjacent hole by a distance of between 5 nanometers and 400 micrometers,
  • each cell has a perforated surface, corresponding to the surface of the holes disposed in said cell in the main plane, which is between 10 and 90% of the total surface area of the cell in this same main plane, preferably between 30 and 70; %.
  • the holes on the surface of each cell are distributed in a non-periodic distribution, in particular according to non-periodic tessellation.
  • the holes are distributed on the surface of each cell in a random distribution, in particular according to a random tiling.
  • the holes are distributed on the surface of each cell according to a periodic distribution, in particular according to a periodic tiling.
  • the so-called main sequence is carried out comprising the following steps:
  • a first conductive layer is made with through-holes arranged according to the geometrical characteristics of the holes
  • the third layer is deposited, preferably by evaporation.
  • the third transparent layer does not change the transparency and can therefore cover the bare areas of the substrate in the orifices passing through the first layer.
  • a first uniform conductive layer is deposited on the substrate, and then the orifices passing through said first conductive layer are etched, in particular by laser etching.
  • a mask is deposited according to a printing process, in particular of the type digital printing by material jet, flexography, screen printing, or pad printing, said mask having main zones defining a positive or a negative of the holes made at least in the first layer.
  • a layer of photoresist is deposited on the first uniform conductive layer
  • the mask is deposited on the resin layer, said mask forming a positive stencil of the geometric conformation of the holes;
  • the resin is insulated by application of light radiation; eliminating the areas of the resin layer not exposed to the light radiation and corresponding to the areas of the resin layer masked by the mask, exposing zones of the first uniform conductive layer and leaving in place insulated resin islands;
  • the exposed areas of the first conductive layer are removed between the islands of insolated resin, thus forming orifices passing through said first conductive layer;
  • the remaining insolated resin islands are removed on the first conductive layer, leaving on the substrate only the first conductive layer having positive openings of the mask.
  • a layer of photoresist is deposited on the substrate
  • the mask is deposited on the resin layer, said mask forming a negative stencil of the geometric conformation of the holes;
  • the resin is insulated by application of light radiation
  • a first conductive layer is uniformly deposited which covers the remaining insolated resin islands and the exposed areas of the substrate.
  • the second layer which covers the first conductive layer is uniformly deposited; the third layer which covers the second layer is uniformly deposited;
  • the remaining insoluble resin islands are removed, leaving on the substrate the photovoltaic film having negative holes in the mask.
  • the second and third layers are uniformly deposited, preferably by vaporization, and not selectively as in the case of the first option.
  • the mask is deposited on the substrate, said mask forming a positive stencil of the geometric conformation of the holes;
  • a first conductive layer which covers the mask and the bare areas of the substrate is uniformly deposited.
  • the mask is deposited directly on the substrate, and no longer on a resin layer as in the first and second uses. Following this sequence, two options are possible.
  • the mask is removed, leaving on the substrate only the first conductive layer having positive openings of the mask. Then, we resume the steps of the main sequence mentioned above.
  • the second layer which covers the first conductive layer is uniformly deposited
  • the third layer which covers the second layer is uniformly deposited
  • the mask is removed, leaving on the substrate the photovoltaic film having positive holes of the mask.
  • the mask has secondary zones defining a positive or a negative band separation between the cells.
  • FIG. 1a is a schematic front view of a photovoltaic device according to the invention.
  • Figure 1b is a schematic sectional view of the photovoltaic film of the device of Figure 1a;
  • FIG. 2a is a schematic front view of a photovoltaic cell for a photovoltaic device according to the invention
  • FIG. 2b is a schematic front view of a photovoltaic device incorporating several interconnected cells of the type illustrated in FIG. 2a;
  • FIG. 3 shows schematic partial sectional views of a first embodiment on a substrate of a first conductive layer with through holes (three steps 3a to 3c being illustrated);
  • FIG. 4 shows schematic partial sectional views of a second embodiment on a substrate of a first conductive layer with through holes (six steps 4a to 4f being illustrated);
  • FIG. 5 shows schematic partial sectional views of a third embodiment on a substrate of a first conductive layer with through holes (four steps 5a to 5d being illustrated);
  • FIG. 6 is a schematic partial sectional view of a fourth embodiment on a substrate of a first conductive layer with through holes (seven steps 6a to 6g being illustrated);
  • FIG. 7 represents partial sectional schematic views of an additional deposition sequence of the second and third layers, following the first, second, third or fourth sequences illustrated in FIGS. 3 to 6 (two steps 7a and 7b); being illustrated);
  • FIG. 8 represents partial sectional schematic views of a deposition sequence on a substrate of the first, second and third layers with through holes (five steps 8a to 8e being illustrated);
  • FIG. 9 is a schematic partial sectional view of another deposition sequence on a substrate of the first, second and third layers with through holes (seven steps 9a to 9g being illustrated);
  • FIG. 10 represents partial sectional schematic views of an additional deposition sequence of the second and third layers, following the first, second, third or fourth sequences illustrated in FIGS. 3 to 6 (five steps 10a to 10e); being illustrated), wherein Figure 10 more specifically illustrates the implementation of interconnection steps between two adjacent cells;
  • FIG. 11 shows schematic partial sectional views of a deposition sequence on a substrate of the first, second and third layers with through holes (six steps 11a to 11f being illustrated), where FIG. illustrates more specifically the implementation of interconnection steps between two adjacent cells;
  • FIGS. 12a to 12k show schematic perspective views of a deposition sequence on a substrate of the first, second and third layers with through-holes (eight steps being illustrated, FIG. 12g being a zoom of part of the FIG. 12f and FIG. 12k being a zoom of a portion of FIG. 12j), where the sequence is identical to that of FIG. 10, FIGS. 12a to 12k illustrating four adjacent cells two by two;
  • FIGS. 13a and 13b are schematic views of a first tiling of holes for a photovoltaic device according to the invention, with a first orthogonal or square periodic tiling, with four basic patterns illustrated in FIG. 13a and with a complete cell. using these patterns in Figure 13b;
  • FIGS. 14a and 14b are schematic views of a second tiling of holes for a photovoltaic device according to the invention, with a second periodic staggered tessellation or honeycomb, with five basic patterns illustrated in FIG. 14a. and with a complete cell with these patterns in Figure 14b;
  • FIGS. 15a and 15b are diagrammatic views of a third pavement of holes for a photovoltaic device according to the invention, with a third non-periodic paving of the "pinwheel" type with a basic pattern illustrated in Figure 15a and with a complete cell incorporating this pattern in Figure 15b;
  • FIGS. 16a to 16c are diagrammatic views of a fourth tiling of holes for a photovoltaic device according to the invention, with a fourth non-periodic tiling of the random type, with respectively seven and four basic patterns illustrated in FIG. and 16b and with a complete cell including these patterns in Figure 16c.
  • a thin-film photovoltaic device 1 comprises:
  • a substrate 2 such as a glass substrate for application in solar panels
  • a photovoltaic film 3 composed of a superposition of layers distributed along a so-called principal plane, and divided into a plurality of individual photovoltaic cells and interconnected with each other, each cell 30 being connected in series or in parallel with one or more cells 30 adjacent and isolated from other adjacent cells.
  • the photovoltaic film 3 is composed of a superposition of the following successive thin layers:
  • a first conductive layer 4 in particular of the metallic type, forming a rear electrical contact deposited on the substrate;
  • a second photoactive absorbing layer in the solar spectrum based on inorganic material, in particular based on CIGS;
  • window or buffer layer optionally an intermediate thin layer 7, called window or "buffer” layer and in particular based on CdS, between the second and third layers 5, 6.
  • Each cell 30 comprises a plurality of individual holes 31 passing through either the first and second layers 4, 5, or the first, second and third layers 4, 5, 6; these holes 30 thus ensuring a semi-transparent cells 30, the perforated areas being transparent to visible light and the non-perforated areas being opaque to visible light.
  • each hole 31 has dimensions in the main plane of between 10 nanometers and 400 micrometers (these dimensions corresponding to their diameters in the case of circular holes);
  • each hole 31 is spaced from the nearest adjacent hole 31 by a distance of between 5 nanometers and 400 micrometers;
  • the total surface of the holes 31 arranged in the cell 30 taken in the main plane is between 10 and 90% of the total surface of the cell 30 in the same main plane.
  • each cell 30 has a transparency of between 10 and 90%, depending on the total area occupied by the holes 31 in the cell 30 concerned.
  • the dimensions of the holes 31 and the inter-hole distances are chosen to offer a visual comfort in accordance with the resolution power of the eye, so that the human eye does not distinguish the holes 31 in the cells 30 and sees a surface substantially uniform.
  • FIG. 2a illustrates a cell 30 in which are provided holes 31 distributed according to a periodic tiling whose detail will be described later
  • FIG. 2b illustrates a photovoltaic device 1 incorporating such cells 30 and which has a quasi-uniform appearance.
  • the following description relates to the method of manufacturing such a photovoltaic device 1, starting from the substrate 2 on which it is desired to deposit the photovoltaic film 3 divided into cells 30 perforated and interconnected; several variants being conceivable.
  • Figures 3 to 6 illustrate four distinct sequences for producing a first layer 4 perforated according to the aforementioned geometric conformation.
  • a substrate 2 is provided (FIG. 3a), a first uniform layer 4 is deposited by spraying or evaporation on the substrate 2 (FIG. 3b), and then through-holes are etched directly. said holes 31, in this first layer 4, in particular by laser etching.
  • the first layer 4 is etched and thus perforated in accordance with the aforementioned geometric conformation.
  • a mask 8 is used according to a printing method, in particular of the type of digital material jet printing, flexography, screen printing, or pad printing, said mask 8 exhibiting so-called principal zones 81 defining a positive or a negative of the holes 31.
  • This mask 8 will serve as a stencil that will allow the distribution of the holes 31 on the first layer 4 in the geometric conformation above, the main areas 81 of the mask 8 defining:
  • the mask 8 takes the form of a layer of masking material, such as ink, forming the negative or the positive of the holes 31.
  • the mask 8 comprises, for each cell, a plurality of main areas 81 of masking material, individual and distributed over each cell in the following geometric conformation:
  • each main zone 81 has dimensions in the main plane of between 10 nanometers and 400 micrometers (these dimensions corresponding to their diameters in the case of circular zones 81);
  • each main zone 81 is distant from the nearest main zone 81 closest to a distance of between 5 nanometers and 400 micrometers; the total area of the main zones 81 arranged in the cell taken in the main plane is between 10 and 90% of the total surface of the cell 30 in this same main plane.
  • the mask 8 is, for each cell, in the form of a plurality of main areas 81 spaced from each other (as illustrated in particular in Figure 12a and FIGS 13 to 16).
  • the mask 8 comprises, for each cell, contiguous main zones 81 flanking individual holes 83 distributed on each cell in the following geometric conformation:
  • each hole 83 of the mask 8 has dimensions in the main plane of between 10 nanometers and 400 micrometers (these dimensions corresponding to their diameters in the case of circular holes);
  • each hole 83 of the mask 8 is spaced from the nearest adjacent hole 83 by a distance of between 5 nanometers and 400 micrometers; -
  • the total surface of the holes 83 of the mask 8 arranged in the cell taken in the main plane is between 10 and 90% of the total area of the cell in the same main plane.
  • the mask 8 is, for each cell, in the form of a continuous layer of masking material, in which are provided holes 83 spaced apart from each other (as visible in Figure 4c).
  • a layer of photoresist 9 is deposited on the substrate 2 (FIG. 4b);
  • the mask 8 made in a layer of opaque masking material, is deposited on the resin layer 9, this opaque mask 8 forming a negative stencil of the geometric conformation of the holes 31 by presenting holes 83 as described above ( Figure 4c);
  • the resin 9 is insulated by application of light radiation, and then the zones of the resin layer 9 not exposed to the light radiation and corresponding to the zones of the resin layer 9 masked by the mask 8 are chemically removed (by etching) exposing areas of the substrate and leaving islands of insolated resin 90 in place ( Figure 4d);
  • a first layer 4 is deposited which covers the remaining insolated resin islands 90 and the exposed zones of the substrate 2 (FIG. 4e);
  • the mask 8 is deposited on the substrate 2, this mask 8 forming a positive stencil of the geometric conformation of the holes 31 by presenting individual main zones 81 as described above (FIG. 5b);
  • a first layer 4 is deposited which covers the mask 8 and the bare (unmasked) zones of the substrate 2 (FIG. 5c); the mask 8 is chemically removed, leaving on the substrate 2 only the first layer 4 having positive openings 31 of the mask 8 (FIG. 5d).
  • the optical characteristics of the mask 8 are irrelevant, ie the mask 8 may be opaque or not. Indeed, the mask 8 is used to form a physical barrier for the deposition of the first layer 4, without using an insolation step.
  • a first layer 4 is deposited on the substrate 2 (FIG. 6b);
  • a layer of photoresist 9 is deposited on the first uniform layer 4 (FIG. 6c);
  • the mask 8 made in a layer of opaque masking material, is deposited on the resin layer 9, this opaque mask 8 forming a positive stencil of the geometric conformation of the holes 31, by presenting individual main zones 81 as described above ( Figure 6d);
  • the resin 9 is insulated by application of light radiation through the previously deposited mask 8, and then the zones of the resin layer 9 not exposed to the light radiation and corresponding to the zones of the layer are chemically removed (by stripping) resin 9 masked by the main areas 81 of the mask, exposing areas of the first uniform layer 4 and leaving in place islands of resin 90 insolated surrounding holes 91 in the resin layer 9 ( Figure 6e);
  • the exposed areas of the first layer 4 are removed by chemical etching between the islands of insolated resin 90 and through the holes 91, thus forming orifices passing through - the holes 31 - in the first layer 4 (FIG. );
  • a first layer 4 is thus obtained on the substrate 2 with holes 31 arranged according to the desired geometric conformation .
  • the second layer 5 is deposited by electroplating on the unpaved portions of the first layer 4 (FIG. 7b), the first conductive layer 4 serving as an electrode which will attract the photoactive semiconductor material of the second layer 5; once the first layer 4 polarized and immersed in an electroplating bath, the exposed areas of the substrate 2 unpolarized being spared by electroplating;
  • the third layer 6 is deposited by evaporation (FIG. 7c).
  • the deposition of the third layer 6 is carried out by evaporation, thus completely covering the surface, including the holes 31, which causes no harm because the third layer 6 is transparent in nature, and in addition the electroplating step ensures that the second layer 5 completely envelops the first layer 4, which prevents the third layer 6 from being in contact with the first layer 4 and does not short circuit the cell.
  • the mask 8 was used only to make the holes 31 in the first layer 4, before discarding it in order to deposit the second layer 5 by electrodeposition.
  • FIG. 8a a substrate 2 is provided (FIG. 8a), then:
  • the mask 8 is deposited on the substrate 2, this mask 8 forming a positive stencil of the geometric conformation of the holes 31 by presenting main zones 81 as described above (FIG. 8b);
  • a first layer 4 is deposited which covers the mask 8 and the bare (unmasked) zones of the substrate 2 (FIG. 8c); a second layer 5 is deposited in a uniform manner, by spraying or evaporation, and a third layer 6 is then uniformly deposited by spray or evaporation (FIG. 8d); and
  • the mask 8 is chemically removed, leaving on the substrate 2 only the first, second and third layers 4, 5, 6 having the holes 31 in the positive position of the mask 8 (FIG. 8e).
  • FIG. 9a a substrate 2 is provided (FIG. 9a), then:
  • a layer of photoresist 9 is deposited on the substrate 2 (FIG. 9b);
  • the mask 8 made in a layer of opaque masking material, is deposited on the resin layer 9, this mask forming a negative stencil of the geometric conformation of the holes (FIG. 9c);
  • the resin 9 is insulated by application of light radiation, and then the zones of the resin layer 9 not exposed to the light radiation and corresponding to the zones of the resin layer 9 masked by the mask 8 are chemically removed (by etching) opaque, exposing areas of the substrate and leaving in place islands of resin 90 insolated ( Figure 9d);
  • a first layer 4 is deposited which covers the remaining insolated resin islands 90 and the exposed zones of the substrate 2 (FIG. 9e);
  • a second layer 5 is deposited in a uniform manner, by spraying or evaporation, and a third layer 6 is then uniformly deposited by spray or evaporation (FIG. 9f);
  • the third layer 6 does not cover the holes 31, because the mask 8 is removed after the laying of this third layer 6, thus avoiding a short circuit between the first and third layers 4, 6.
  • Figures 10a and 12c each illustrate a substrate 2 on which is deposited a first layer 4 with two cells 30 ( Figure 10a) or four cells 30 ( Figure 12c) separated by respective separation strips 32.
  • Each separation strip 32 electrically separates the first layer 4 of a cell 30 from the first layer 4 of an adjacent cell 30.
  • separation strips 32 can be envisaged, it being specified that a separation strip 32 constitutes a groove or notch with holes in the first layer 4.
  • the separation strip 32 is produced in the same manner as the the holes 31 are made.
  • the separation strip 32 is made by direct etching, in the same manner as in the first sequence illustrated in FIG.
  • the secondary zones 82 then being in the form of bands 82 which delimit the cells 30;
  • FIG. 12a illustrates the application of a positive mask 8 directly on the substrate (as in the third sequence illustrated in FIG. 5) with the main 81 and secondary 82 zones. It is noted that the secondary zones 82 are not joined. at the intersection of the four cells 30.
  • FIG. 12b then illustrates the uniform application of the first layer 4 on the substrate 2 and the mask 8.
  • FIG. 12c illustrates the step of chemical elimination of the mask 8, leaving on the substrate 2 only the first layer 4 having the holes 31 and the separation strips 32. It is noted that the first layers 4 of all the cells 30 are electrically connected because the secondary zones 82 are not contiguous, thus leaving an electrical contact 42 between these cells 30 after removal of the mask 8. This electrical contact 42 between the cells 30 is intended to facilitate the step of electroplating of the second layer 5, because it is sufficient to polarize one of the cells 30 to equally polarize all the cells 30.
  • the second layer 5 (FIGS. 10c, 12f and 12g) is etched directly, in particular according to a so-called "scribing" technique, onto one or more cells 30, along a border of the separation strip 32 in question (edge 10c, 12f and 12g), over a given width, exposing strips 40 of the first layer 4 of the cells 30, these strips 40 being parallel to the separation strips 32 (in FIG. 40 between the left and right cells are shown, but not those between the top and bottom cells);
  • the third layer 6 is deposited by evaporation, which thus uniformly covers the second layer 5, the strips 40 of the first layer 4 of the first cell 30, the holes 31 and the separation strips 32 (FIGS. 10d, 12b and 12i - the third layer 6 not being illustrated in the holes 31 in FIGS. 12h to 12k for the sake of clarity), so that electrical contact is made between the strips 40 and the third layer 6 with, however, short circuit at the level of the cells 30;
  • the third layer 6 is etched directly, in particular according to a so-called "scribing" technique, to cut the aforementioned short circuits established in the cells 30 on their respective strips 40 (FIGS. 10e, 12j and 12k), by etching strips 60 on this third layer 6 so as to lay bare a part strips 40 of the first layer 4 of the cells 30 (cutting off the electrical contact between the first and the third layers 4, 6 within the same cell 30), while maintaining electrical contact between the bands 40 of a cell and the third layer 6 of the adjacent cell, thus establishing the series connection between the cells 30.
  • FIG. 11 illustrates an improvement of the steps of FIG. 8, relating to sub-steps intended to ensure the interconnection between two adjacent cells, in other words the electrical connection between the first layer 4 of a cell 30 and the third layer 6 of an adjacent cell 30.
  • FIG. 11a illustrates a substrate 2 on which a positive mask 8 has been deposited, having main 81 and secondary zones 82, and on which a first layer 4 has been uniformly deposited by spraying or evaporation.
  • the second and the third layers 5, 6 along a border of the separation strip 32 are engraved directly, in particular according to a so-called "scribing" technique, over a given width (left-hand edge in FIG. e), in order to expose a band 41 of the first layer 4 of the first cell 30, this band 41 being parallel to the separation band 32 ( Figure 1 1 e); in the separation strip 32, an electric contactor 33 is provided which comprises a conductive part 34 making contact between the strip 41 and the third layer 6 of the second cell 30 and an insulating part 35 interposed between the first layers 4 of the two cells 30, thereby establishing the series connection between the two cells 30.
  • the holes 31 are distributed on the surface of each cell 30 in a virtual pavement composed of a plurality of photovoltaic unitary units juxtaposed without vacuum and without encroachment to define the corresponding cell 30.
  • the principle is thus to define one or more basic patterns, defining one or more elementary units, which will be repeated to completely pave each cell 30, so that by managing the transparency at the microscopic level (with the elementary units), it is managed transparency at the macroscopic level (at the cell level).
  • Each elementary unit is in the form of a geometric portion of the photovoltaic film 3, whose dimensions in the main plane are between 15 nanometers and 800 micrometers, delimited by a virtual outline (the outline of the pattern) and at which is associated with at least one hole formed wholly or partially within said contour (the surface holed in the elementary unit microscopically defining the perforated surface of the cell), each hole being associated with a single elementary unit.
  • Figures 13 to 16 illustrate masks 8 in positive having main areas 81 of circular shape (other forms being of course conceivable) distributed according to predefined tilings.
  • the pattern M forms the smallest geometric element making it possible to construct the macroscopic scale mask 8 by applying an algorithm given to this pattern M (essentially translation in two directions, symmetry and rotation), while integrating that the pattern M must preferably offer the least interaction with the physiological mechanisms of vision, and contribute to the best perceived uniformity of the photovoltaic device and the best visual comfort.
  • the resolution of the mask 8 characterizes the smallest dimension of the basic pattern.
  • the resolution has no impact on the level of transparency or the energy efficiency of the photovoltaic film, but it can influence the way the eye perceives the transparency of this photovoltaic film and this resolution therefore constitutes a factor potential for comfort or visual discomfort.
  • the resolution plays a role in the perceived uniformity of the photovoltaic film, and the finer the resolution, the more the perception of uniformity will be important.
  • the resolution of the mask 8 is still limited downwards by the printing technique used.
  • the printing process has an intrinsic resolution of 300 dots per inch to draw the pattern, it means that the printed base point is of the order of at least 85 microns, so that such printing process will not allow drawing patterns smaller than 100 micrometers.
  • the intrinsic resolution of the printing process of the mask 8 thus automatically conditions the final resolution of the mask 8.
  • the disc 81 defines the hole 31 (that is to say the perforated and therefore transparent surface of the photovoltaic elementary unit);
  • the lower limit of the transparency ratio is also determined by the printing method implemented, and more specifically by the minimum size of the printable point that the method allows to achieve, the smallest disc then being reduced to a single point.
  • a periodic tiling is carried out from a pattern M consisting of a concentric disk (the main zone 81) centered inside a hexagon (the CV virtual outline).
  • This hexagonal M-pattern is defined by two sizes:
  • the active area of the associated photovoltaic elementary unit must remain connected, which means that the value of the diameter D can not exceed that of the length C above, which makes it possible to deducing an upper limit of the achievable transparency ratio with such a pattern M which is ⁇ / (2.3 1 2 ) is a maximum transparency of about 90.7%.
  • a non-periodic paving called "pinwheel”.
  • This tiling is made from a pattern M composed of a concentric disc (the main area 81) located inside rectangle triangle (the virtual contour CV) whose catheters are in a ratio of two, with a catheter of length C and another catheter length 2C.
  • the concentric disk 81 is centered on the intersection point of the bisectors of the triangle, with a center equidistant from the catheters, r corresponding to the radius of the inscribed circle, or here:
  • the "pinwheel" pavement developed by the British mathematician John Conway, is based on a decomposition of the triangle considered into five homothetic triangles from an original triangle, by the implementation of symmetries, translations and rotations.
  • the level of transparency is given by the ratio of the surface of the disk 81 to that of the triangle CV, thus making it possible to calculate the diameter D of the disk 81 as a function of the transparency T according to the following formula:
  • a non-periodic tiling of the random type is implemented, in order to eventually randomly distribute the holes on the surface of each cell (a random distribution being a special case of non-periodic distribution).
  • This random tessellation is a variant of the non-periodic tessellations described above, with the aim of breaking the periodicity, that is to say, not to obtain parallel and regular lines of holes (eg disk-shaped). distributed; the principle is to scramble the distribution of holes so that the eye can not hang on any regular structure.
  • the first constraint is that the tiling of the patterns must ensure a constant level of transparency independent of the scale considered (except, of course, to go below the basic step). In other words, this random tiling must not lead to obtaining transparent or opaque areas too important so that the overall rendering is relatively uniform.
  • the second constraint is to respect a minimum distance between two adjacent disks 81, so that it is possible to guarantee a deposition of the first layer 4 of a minimum width (function of the capabilities of the printing technology of the mask 8 and / or or deposition of thin layers) between two holes 31.
  • the second aforementioned constraint is a reminder of the distance separating two disks 81. Indeed, this second constraint aims to prevent two neighboring disks 81 from overlapping, or even to guarantee a certain thickness of the line of the first layer 4 between two disks. This second constraint therefore results in a minimum distance dm between the centers of two neighboring disks.
  • X and Y are the order numbers of the pattern from which the coordinates of the center (x, y) of the disk 81 must be drawn;
  • dm must not be larger than the C side, otherwise the model is not buildable on a large scale. Indeed, in this case, the discs would be statistically more distant from each other than the pitch of the pattern, which implies after a while that we would not be able to accommodate the center of the disc to the inside of the associated square.
  • the disks in order to avoid too much local dispersion of the characteristics which could disturb the pattern on a large scale, it is preferable to constrain the disks to not be too far apart from each other, for example by imposing the components x ( respectively y) of two neighboring discs located on the same horizontal line do not differ more than 1, 5.C (respectively 0.5.C), and similarly for discs located on the same vertical line. These values 1, 5.C and 0.5. C are given as an indication.
  • main areas 81 may be envisaged, not only the disk shape, such as ellipse, rectangle, etc.
  • the use of these other forms could be interesting especially for non-periodic tilings, where the orientation of the basic pattern varies.
  • a main elliptical zone in a "pinwheel" paving would allow access to higher levels of transparency and would help visually blur the pattern by varying the angle of the focal axis of the ellipse with the horizontal.
  • the size of the main areas 81 on the substrate it is possible to vary the size of the main areas 81 on the substrate, to provide a gradient effect, for example with a transparency that increases gradually from bottom to top or from right to left on the substrate.

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Abstract

Dispositif photovoltaïque (1) à couches minces comprenant un substrat sur lequel est disposé un film photovoltaïque (3) comprenant une première couche conductrice formant un contact électrique arrière, une deuxième couche photo- active absorbant dans le spectre solaire à base de matériau inorganique, une troisième couche en matériau conducteur transparent formant un contact électrique avant, ledit film photovoltaïque étant divisé pour former une pluralité de cellules (30) photovoltaïques individuelles et interconnectées, dans lequel il comprend une pluralité de trous (31) individuels traversant au moins les première et deuxième couches du film photovoltaïque dans chaque cellule, chaque trou présentant des dimensions dans le plan principal comprises entre 10 nanomètres et 400 micromètres, chaque trou étant distant du trou adjacent le plus proche d'une distance comprise entre 5 nanomètres et 400 micromètres, et chaque cellule présentant une surface trouée, correspondant à la surface des trous disposés dans ladite cellule dans le plan principal, qui est comprise entre 10 et 90% de la surface totale de la cellule dans ce même plan principal, de préférence entre 30 et 70%. La présente invention trouve une application dans le domaine des vitrages solaires.

Description

DISPOSITIF PHOTOVOLTAÏQUE A COUCHES MINCES, NOTAMMENT
POUR VITRAGE SOLAIRE
La présente invention se rapporte à un dispositif photovoltaïque à couches minces.
Elle se rapporte plus particulièrement à un dispositif photovoltaïque à couches minces comprenant un substrat sur lequel est disposé un film photovoltaïque composé d'une superposition de couches réparties selon un plan dit principal et comprenant au moins une première couche conductrice formant un contact électrique arrière, une deuxième couche photo-active absorbant dans le spectre solaire à base de matériau inorganique, une troisième couche en matériau conducteur transparent formant un contact électrique avant, ledit film photovoltaïque étant divisé pour former une pluralité de cellules photovoltaïques individuelles et interconnectées, chaque cellule étant connectée en série ou en parallèle avec une ou plusieurs cellules adjacentes et isolée électriquement des autres cellules adjacentes.
Le dispositif photovoltaïque trouve une application particulière dans le domaine des vitrages dits solaires ou les vitrages dits photovoltaïques, dans lesquels le substrat est constitué d'un substrat en verre transparent - ou vitrage transparent - avec des cellules photovoltaïques interconnectées et plus ou moins espacées pour choisir le meilleur rapport entre la luminosité ou la transparence globale et la performance énergétique. Le vitrage peut être du type double vitrage ou triple vitrage, sous la forme d'un vitrage feuilleté, isolant, etc.
Cependant, la présente invention ne se limite pas à une telle application et d'autres substrats peuvent être envisagés avec un tel dispositif photovoltaïque, comme par exemple un substrat en matériau organique, un substrat en matériau plastique ou à base de polymères, un substrat en verre traité, par exemple en verre dépoli, teinté, opaque, etc., un substrat métallique, un substrat en matériau de construction, par exemple en béton, en matériau composite, etc., éventuellement recouvert d'une couche de peinture et/ou de protection.
L'objet de la présente invention est d'appliquer sur le substrat une série de couches minces formant un film photovoltaïque définissant plusieurs cellules photovoltaïques interconnectées et conformées pour laisser passer une partie de la lumière afin de conférer au film photovoltaïque une certaine transparence qui assure la visibilité d'une partie du substrat. Ainsi, le film photovoltaïque offre des zones opaques et des zones transparentes qui permettent respectivement de dissimuler et d'exposer le substrat de l'extérieur. Pour la suite de la description, une zone du film photovoltaïque est considérée comme transparente dans la mesure où elle se laisse aisément traverser par la lumière et elle permet de distinguer nettement le substrat à travers son épaisseur.
L'intégration de dispositifs photovoltaïques dans un bâtiment est confrontée à plusieurs contraintes : la surface photovoltaïque utilisable sur toiture et/ou sur façade, le coût, les dimensions des dispositifs photovoltaïques qui doivent de préférence être standardisées pour respecter les normes et usages dans le domaine de la construction, l'installation des dispositifs photovoltaïques avec des contraintes d'isolation, d'étanchéité, de tenue mécanique, de prise au vent, etc. et l'esthétisme des dispositifs photovoltaïques en particulier dans une intégration sur façade.
Pour répondre à ces contraintes, il est connu d'employer des dispositifs photovoltaïques dits à couches minces ou « thin films », employant une couche photo-active absorbant dans le spectre solaire, d'une épaisseur variant de quelques atomes d'épaisseur à une dizaine de micromètres, réalisée à base de matériau inorganique semi-conducteur, notamment à base de Cu2S/CdS, de a-Si:H (Silicium amorphe hydrogéné), CdTe (Tellure de cadmium), et CulnSe2 (Cuivre Indium Sélénium ou CIS), de CulnGaSe2 (Cuivre Indium Galium Sélénium ou CIGS).
Ces dispositifs photovoltaïques à couches minces à base de matériaux inorganiques appartiennent à la seconde génération, après la première génération à base de silicium cristallin, et avant la troisième génération à base de matériaux organiques.
Les matériaux photovoltaïques organiques sont naturellement transparents, cependant ils présentent des durées de vie limitées, généralement de l'ordre de quelques milliers d'heure, et des performances ou rendements électriques faibles (rendement de l'ordre de 5 à 9 % contre 15 à 20 % pour les matériaux photovoltaïques inorganiques de seconde génération), qui sont incompatibles avec une intégration dans un bâtiment.
Les matériaux photovoltaïques inorganiques ne possèdent pas de propriétés intrinsèques de transparence, et seul le dessin des cellules photovoltaïques sur le substrat conférera au film photovoltaïque une transparence nécessaire pour pouvoir voir en partie le substrat à travers le film. En effet, ces matériaux photovoltaïques inorganiques présentent un très fort niveau d'absorption de la lumière, avec par exemple une absorption de 99% de la lumière arrivant à la surface du matériau CIGS sur le premier micromètre d'épaisseur. Ainsi, pour le CIGS, une épaisseur de matériau supérieure à un micron conduit à une couche opaque à la lumière.
La présente invention s'intéresse donc au dessin des cellules photovoltaïques réalisées à base de couches minces de matériau photovoltaïque inorganique.
De manière générale, dans un dispositif photovoltaïque à couches minces, le film photovoltaïque est composé d'une superposition de couches comprenant une première couche conductrice formant un contact électrique arrière, une deuxième couche photo-active absorbant dans le spectre solaire et à base de matériau inorganique, une troisième couche en matériau conducteur transparent formant un contact électrique avant.
La troisième couche de contact avant peut être par exemple constituée d'une double pellicule d'oxyde de zinc (ZnO) dopée avec des éléments du groupe III comme l'aluminium, et elle présente une transmission lumineuse la plus grande possible dans la plage de longueur d'ondes liée à la deuxième couche photo-active. Il est connu d'employer une couche mince intermédiaire, appelée fenêtre ou couche « buffer », entre la deuxième et la troisième couches, généralement à base de CdS (sulfure de cadmium), de ZnS, ZnSe, Snln2Se4, Zni-xMgxO, ln2S3, etc.
La deuxième couche, appelée absorbeur, est réalisée à base de matériaux inorganiques semi-conducteur de type l-lll-VI, comme par exemple le CIGS, souvent référencés comme des matériaux chalcogénures.
La première couche est déposée sur le substrat et possède à la fois des propriétés ohmiques pour assurer une récupération optimale des charges émises par la deuxième couche photo-active mais également des propriétés optiques pour assurer la réflexion vers la deuxième couche de la partie du spectre lumineux non absorbée en transmission directe.
Dans le domaine des vitrages solaires à base de couches minces de matériau photovoltaïque inorganique, il est connu de réaliser les cellules photovoltaïques sous la forme de bandes opaques parallèles présentant une largeur de l'ordre du centimètre et espacées régulièrement les unes des autres d'un écartement équivalent à la largeur des bandes ; les cellules étant interconnectées à leurs extrémités, les interconnexions étant généralement dissimulées par le cadre du vitrage.
Ainsi, la transparence globale du vitrage est de l'ordre de 50 %, mais ces bandes photovoltaïques réparties en réseau linéaire avec une résolution de l'ordre du centimètre offrent un réel inconfort visuel pour les utilisateurs du bâtiment qui regardent à travers le vitrage.
La présente invention a pour but de proposer un dispositif photovoltaïque à couches minces comprenant un substrat sur lequel est disposé un film photovoltaïque à base de matériau inorganique semi- conducteur, de seconde génération, avec un contrôle de la géométrie des cellules photovoltaïques qui permet à la fois d'obtenir un film avec une transparence contrôlée entre 10 et 90 % et un confort visuel résultant d'une grande résolution qui apporte la perception d'une quasi uniformité du dessin des couches opaques.
À cet effet, elle propose un dispositif photovoltaïque à couches minces comprenant un substrat sur lequel est disposé un film photovoltaïque composé d'une superposition de couches réparties selon un plan dit principal et comprenant au moins une première couche conductrice formant un contact électrique arrière, une deuxième couche photo-active absorbant dans le spectre solaire à base de matériau inorganique, une troisième couche en matériau conducteur transparent formant un contact électrique avant, ledit film photovoltaïque étant divisé pour former une pluralité de cellules photovoltaïques individuelles et interconnectées, chaque cellule étant connectée en série ou en parallèle avec une ou plusieurs cellules adjacentes et isolée électriquement des autres cellules adjacentes, où le dispositif est remarquable en ce qu'il comprend une pluralité de trous individuels traversant au moins les première et deuxième couches du film photovoltaïque dans chaque cellule, chaque trou présentant des dimensions dans le plan principal comprises entre 10 nanomètres et 400 micromètres, chaque trou étant distant du trou adjacent le plus proche d'une distance comprise entre 5 nanomètres et 400 micromètres, et en ce que chaque cellule présente une surface trouée, correspondant à la surface des trous disposés dans ladite cellule dans le plan principal, qui est comprise entre 10 et 90% de la surface totale de la cellule dans ce même plan principal, de préférence entre 30 et 70%.
Ainsi, les cellules photovoltaïques sont trouées, au moins sur l'épaisseur des première et deuxième couches (la troisième couche étant transparente), et ces trous sont répartis de manière quasi uniforme dans chaque cellule avec une résolution comprise entre 5 nanomètres et 400 micromètres, garantissant une perception pour l'œil humain quasi uniforme de la surface externe du film, avec une transparence maîtrisée du film qui assure une visibilité du support à travers le film.
En effet, le pouvoir de résolution de l'œil (distance minimale qui doit exister entre deux points contigus pour qu'ils soient correctement discernés) est d'environ une minute d'arc, soit 0,017°, ce qui correspond à une distance minimale d'environ 600 micromètres pour une image située à 2 mètres de distance de l'œil.
Selon une caractéristique, les trous sont répartis sur la surface de chaque cellule selon une distribution non périodique, notamment selon un pavage non périodique.
La distribution non périodique (autrement dit irrégulière) des trous présente l'avantage d'éviter une répétition périodique de motifs qui accroche l'œil et amoindrit le confort visuel. Grâce à une telle distribution non périodique, une personne qui regarde à travers le dispositif sera beaucoup moins perturbé par les trous comparativement à une distribution périodique ou régulière.
De manière avantageuse, les trous sont répartis sur la surface de chaque cellule selon une distribution aléatoire, notamment selon un pavage aléatoire. Cette distribution aléatoire, qui est un cas particulier de la distribution non périodique, est particulièrement avantageuse pour le confort visuel à travers le dispositif.
Selon une caractéristique, les trous sont répartis sur la surface de chaque cellule selon une distribution périodique, notamment selon un pavage périodique. Une telle distribution périodique étant avantageuse pour simplifier la réalisation des trous, du fait de la répétition régulière.
Selon une caractéristique, les trous sont répartis sur la surface de chaque cellule selon un pavage virtuel composé d'une pluralité d'unités élémentaires photovoltaïques juxtaposées sans vide et sans empiétement pour définir la cellule correspondante, chaque unité élémentaire se présentant sous la forme d'une portion géométrique du film photovoltaïque délimitée par un contour virtuel et à laquelle est associé au moins un trou ménagé en tout ou partie à l'intérieur dudit contour, chaque trou étant associé à une unique unité élémentaire, et dans lequel chaque unité élémentaire présente une surface trouée, correspondant à la surface du ou des trous associés à ladite unité élémentaire dans le plan principal, qui est comprise entre 10 et 90% de la surface totale de l'unité élémentaire dans ce même plan principal, de préférence entre 30 et 70%.
Ainsi, chaque cellule photovoltaïque est géométriquement définie par un pavage d'unités élémentaires photovoltaïques et chacune de ces unités présentes est trouée pour offrir intrinsèquement la transparence globale voulue. De cette manière, la cellule photovoltaïque macroscopique présente la même transparence que ces propres unités élémentaires qui la composent.
Selon une autre caractéristique, chaque unité élémentaire présente des dimensions dans le plan principal comprises entre 10 et 800 micromètres.
Pour réaliser une distribution non périodique (par exemple aléatoire mais pas uniquement) des trous, il est envisageable de procéder selon l'une des deux solutions suivantes :
- première solution : les unités élémentaires sont réparties sur la surface de chaque cellule selon un pavage non périodique, et les unités élémentaires sont identiques tant dans la forme et les dimensions du contour virtuel que dans la conformation, le nombre et les dimensions du ou des trous associés à chaque unité élémentaire ;
- seconde solution : les unités élémentaires sont réparties sur la surface de chaque cellule selon un pavage périodique, et les unités élémentaires sont identiques dans la forme et les dimensions du contour virtuel mais sont distinctes dans la conformation, le nombre et/ou les dimensions du ou des trous associés à chaque unité élémentaire.
Avec la première solution, on joue sur un pavage non périodique des unités élémentaires pour obtenir la distribution non périodique des trous, tandis qu'avec la seconde solution, on joue sur les différences entre les unités élémentaires pour obtenir la distribution non périodique des trous.
Pour réaliser une distribution périodique des trous, il est envisageable de procéder comme suit : les unités élémentaires sont réparties sur la surface de chaque cellule selon un pavage périodique, et les unités élémentaires sont identiques tant dans la forme et les dimensions du contour virtuel que dans la conformation, le nombre et les dimensions du ou des trous associés à chaque unité élémentaire.
Dans un mode de réalisation particulier, le substrat est constitué d'un substrat en verre, pour réaliser un vitrage photovoltaïque ou solaire. Selon une réalisation particulière, la première couche est une couche métallique opaque directement en contact sur le substrat.
La présente invention se rapporte également à un procédé de fabrication d'un dispositif photovoltaïque conforme à l'invention, dans lequel : - on dispose un film photovoltaïque sur un substrat par la superposition de couches réparties selon un plan dit principal et comprenant au moins une première couche conductrice formant un contact électrique arrière, une deuxième couche photo-active absorbant dans le spectre solaire à base de matériau inorganique, et une troisième couche en matériau conducteur transparent formant un contact électrique avant ;
- on divise le film photovoltaïque en une pluralité de cellules photovoltaïques individuelles et interconnectées, chaque cellule étant connectée en série ou en parallèle avec une ou plusieurs cellules adjacentes et isolée électriquement des autres cellules adjacentes,
ledit procédé étant remarquable en ce qu'on ménage une pluralité de trous individuels traversant au moins les première et deuxième couches du film photovoltaïque dans chaque cellule, en respectant les caractéristiques géométriques suivantes :
- chaque trou présente des dimensions dans le plan principal comprises entre 10 nanomètres et 400 micromètres,
- chaque trou est distant du trou adjacent le plus proche d'une distance comprise entre 5 nanomètres et 400 micromètres,
- chaque cellule présente une surface trouée, correspondant à la surface des trous disposés dans ladite cellule dans le plan principal, qui est comprise entre 10 et 90% de la surface totale de la cellule dans ce même plan principal, de préférence entre 30 et 70%.
Selon une première possibilité, on répartit les trous sur la surface de chaque cellule selon une distribution non périodique, notamment selon un pavage non périodique. Par exemple, on répartit les trous sur la surface de chaque cellule selon une distribution aléatoire, notamment selon un pavage aléatoire.
Selon une seconde possibilité, on répartit les trous sur la surface de chaque cellule selon une distribution périodique, notamment selon un pavage périodique. Selon une possibilité de l'invention, on effectue la séquence dite principale comportant les étapes suivantes :
- on réalise une première couche conductrice avec des orifices traversant disposés conformément aux caractéristiques géométriques des trous ;
- on dépose la deuxième couche sur les parties non trouées de la première couche conductrice, de préférence par électrodéposition ;
- on dépose la troisième couche, de préférence par évaporation.
La troisième couche transparente ne modifie pas la transparence et peut donc venir recouvrir les zones à nu du substrat dans les orifices traversant la première couche.
Dans une première réalisation, on dépose sur le substrat une première couche conductrice uniforme puis on grave les orifices traversant dans ladite première couche conductrice, notamment par gravure laser.
Dans une seconde réalisation, on dépose un masque selon un procédé d'impression, notamment du type impression numérique par jet de matière, flexographie, sérigraphie, ou tampographie, ledit masque présentant des zones principales définissant un positif ou un négatif des trous réalisés au moins dans la première couche.
L'emploi d'un tel masque déposé par impression est vraiment avantageux pour obtenir les résolutions souhaitées dans la répartition des trous. Grâce à cette technique d'impression (sur le substrat, sur une couche de résine ou sur la première couche, comme expliqué ultérieurement), il est possible de réaliser le pavage des unités élémentaires précitées, avec une précision suffisante pour garantir les dimensions attendues, tant celles des trous que celles entre les trous.
Il est envisageable de prévoir plusieurs modes d'utilisation du masque.
Selon une première utilisation du masque, on réalise la première séquence suivante :
- on dépose une première couche conductrice uniforme sur le substrat ;
- on dépose une couche de résine photosensible sur la première couche conductrice uniforme ;
- on dépose le masque sur la couche de résine, ledit masque formant un pochoir en positif de la conformation géométrique des trous ;
- on insole la résine par application d'un rayonnement lumineux ; - on élimine les zones de la couche de résine non exposées au rayonnement lumineux et correspondant aux zones de la couche de résine masquées par le masque, mettant à nu des zones de la première couche conductrice uniforme et laissant en place des ilôts de résine insolée ;
- on élimine les zones mises à nu de la première couche conductrice, entre les ilôts de résine insolée, formant ainsi des orifices traversant dans ladite première couche conductrice ;
- on élimine les ilôts de résine insolée restants sur la première couche conductrice, laissant sur le substrat uniquement la première couche conductrice présentant des orifices en positif du masque.
Ensuite, on reprend les étapes de la séquence principale évoquée ci-dessus.
Selon une deuxième utilisation du masque, on réalise la deuxième séquence suivante :
- on dépose une couche de résine photosensible sur le substrat ;
- on dépose le masque sur la couche de résine, ledit masque formant un pochoir en négatif de la conformation géométrique des trous ;
- on insole la résine par application d'un rayonnement lumineux ;
- on élimine les zones de la couche de résine non exposées au rayonnement lumineux et correspondant aux zones de la couche de résine masquées par le masque, mettant à nu des zones du substrat et laissant en place des ilôts de résine insolée ;
- on dépose de manière uniforme une première couche conductrice qui recouvre les ilôts de résine insolée restants et les zones mises à nu du substrat.
A la suite de cette deuxième séquence, deux options sont envisageables.
Dans une première option, à la suite du dépôt de la première couche conductrice, on élimine les ilôts de résine insolée restants, laissant sur le substrat uniquement la première couche conductrice présentant des orifices en négatif du masque. Ensuite, on reprend les étapes de la séquence principale évoquée ci-dessus.
Dans une seconde option, à la suite du dépôt de la première couche conductrice :
- on dépose de manière uniforme la deuxième couche qui recouvre la première couche conductrice ; - on dépose de manière uniforme la troisième couche qui recouvre la deuxième couche ;
- on élimine les ilôts de résine insolée restants, laissant sur le substrat le film photovoltaïque présentant des trous en négatif du masque.
Dans cette deuxième option, les deuxième et troisième couches sont uniformément déposées, de préférence par vaporisation, et non de manière sélective comme dans le cas de la première option.
Selon une troisième utilisation du masque, on réalise la séquence suivante :
- on dépose le masque sur le substrat, ledit masque formant un pochoir en positif de la conformation géométrique des trous ;
- on dépose de manière uniforme une première couche conductrice qui recouvre le masque et les zones nues du substrat.
Ainsi, on dépose le masque directement sur le substrat, et non plus sur une couche de résine comme dans les première et deuxième utilisations. A la suite de cette séquence, deux options sont envisageables.
Dans une première option, à la suite du dépôt de la première couche conductrice, on élimine le masque, laissant sur le substrat uniquement la première couche conductrice présentant des orifices en positif du masque. Ensuite, on reprend les étapes de la séquence principale évoquée ci-dessus.
Dans une seconde option, à la suite du dépôt de la première couche conductrice :
- on dépose de manière uniforme la deuxième couche qui recouvre la première couche conductrice ;
- on dépose de manière uniforme la troisième couche qui recouvre la deuxième couche ;
- on élimine le masque, laissant sur le substrat le film photovoltaïque présentant des trous en positif du masque.
De manière avantageuse, le masque présente des zones secondaires définissant un positif ou un négatif de bandes de séparation entre les cellules.
Ainsi, on profite du masque pour préparer directement la séparation entre les cellules photovoltaïques.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, de plusieurs exemples de mise en œuvre non limitatifs, faite en référence aux figures annexées dans lesquelles :
- la figure 1 a est une vue schématique de face d'un dispositif photovoltaïque conforme à l'invention ;
- la figure 1 b est une vue schématique en coupe du film photovoltaïque du dispositif de la figure 1 a ;
- la figure 2a est une vue schématique de face d'une cellule photovoltaïque pour un dispositif photovoltaïque conforme à l'invention ;
- la figure 2b est une vue schématique de face d'un dispositif photovoltaïque intégrant plusieurs cellules interconnectées du type illustré sur la figure 2a ;
- la figure 3 représente des vues schématiques en coupe partielle d'une première séquence de réalisation sur un substrat d'une première couche conductrice avec des orifices traversant (trois étapes 3a à 3c étant illustrées) ;
- la figure 4 représente des vues schématiques en coupe partielle d'une deuxième séquence de réalisation sur un substrat d'une première couche conductrice avec des orifices traversant (six étapes 4a à 4f étant illustrées) ;
- la figure 5 représente des vues schématiques en coupe partielle d'une troisième séquence de réalisation sur un substrat d'une première couche conductrice avec des orifices traversant (quatre étapes 5a à 5d étant illustrées) ;
- la figure 6 représente des vues schématiques en coupe partielle d'une quatrième séquence de réalisation sur un substrat d'une première couche conductrice avec des orifices traversant (sept étapes 6a à 6g étant illustrées) ;
- la figure 7 représente des vues schématiques en coupe partielle d'une séquence supplémentaire de dépôt des deuxième et troisième couches, à la suite de la première, deuxième, troisième ou quatrième séquences illustrées sur les figures 3 à 6 (deux étapes 7a et 7b étant illustrées) ;
- la figure 8 représente des vues schématiques en coupe partielle d'une séquence de dépôt sur un substrat des première, deuxième et troisième couches avec des trous traversant (cinq étapes 8a à 8e étant illustrées) ; - la figure 9 représente des vues schématiques en coupe partielle d'une autre séquence de dépôt sur un substrat des première, deuxième et troisième couches avec des trous traversant (sept étapes 9a à 9g étant illustrées) ;
- la figure 10 représente des vues schématiques en coupe partielle d'une séquence supplémentaire de dépôt des deuxième et troisième couches, à la suite de la première, deuxième, troisième ou quatrième séquences illustrées sur les figures 3 à 6 (cinq étapes 10a à 10e étant illustrées), où la figure 10 illustre plus spécifiquement la mise en œuvre d'étapes d'interconnexion entre deux cellules adjacentes ;
- la figure 1 1 représente des vues schématiques en coupe partielle d'une séquence de dépôt sur un substrat des première, deuxième et troisième couches avec des trous traversant (six étapes 1 1 a à 1 1f étant illustrées), où la figure 1 1 illustre plus spécifiquement la mise en œuvre d'étapes d'interconnexion entre deux cellules adjacentes ;
- les figures 12a à 12k représente des vues schématiques en perspective d'une séquence de dépôt sur un substrat des première, deuxième et troisième couches avec des trous traversant (huit étapes étant illustrées, la figure 12g étant un zoom d'une partie de la figure 12f et la figure 12k étant un zoom d'une partie de la figure 12j), où la séquence est identique à celle de la figure 10, les figures 12a à 12k illustrant quatre cellules adjacentes deux à deux ;
- les figures 13a et 13b sont des vues schématiques d'un premier pavage de trous pour un dispositif photovoltaïque conforme à l'invention, avec un premier pavage périodique orthogonal ou carré, avec quatre motifs de base illustrés en figure 13a et avec une cellule complète reprenant ces motifs en figure 13b ;
- les figures 14a et 14b sont des vues schématiques d'un deuxième pavage de trous pour un dispositif photovoltaïque conforme à l'invention, avec un deuxième pavage périodique en quinconce ou en nid d'abeille, avec cinq motifs de base illustrés en figure 14a et avec une cellule complète reprenant ces motifs en figure 14b ;
- les figures 15a et 15b sont des vues schématiques d'un troisième pavage de trous pour un dispositif photovoltaïque conforme à l'invention, avec un troisième pavage non périodique du type « pinwheel » avec un motif de base illustré en figure 15a et avec une cellule complète reprenant ce motif en figure 15b ;
- les figures 16a à 16c sont des vues schématiques d'un quatrième pavage de trous pour un dispositif photovoltaïque conforme à l'invention, avec un quatrième pavage non périodique du type aléatoire, avec respectivement sept et quatre motifs de base illustrés sur les figures 16a et 16b et avec une cellule complète reprenant ces motifs en figure 16c.
En référence aux figures 1 a et 1 b, un dispositif photovoltaïque 1 à couches minces conforme à l'invention comprend :
- un substrat 2, tel qu'un substrat en verre pour une application dans les vitrages solaires ; et
- un film photovoltaïque 3 composé d'une superposition de couches réparties selon un plan dit principal, et divisé en une pluralité de cellules 30 photovoltaïques individuelles et interconnectées entre elles, chaque cellule 30 étant connectée en série ou en parallèle avec une ou plusieurs cellules 30 adjacentes et isolée des autres cellules adjacentes.
En référence à la figure 1 b, le film photovoltaïque 3 est composé d'une superposition des couches minces successives suivantes :
- une première couche 4 conductrice, notamment du type métallique, formant un contact électrique arrière déposé sur le substrat ;
- une deuxième couche 5 photo-active absorbant dans le spectre solaire à base de matériau inorganique, notamment à base de CIGS ;
- une troisième couche 6 en matériau conducteur transparent formant un contact électrique avant, notamment en oxyde conducteur ; et
- éventuellement une couche mince intermédiaire 7, appelée fenêtre ou couche « buffer » et notamment à base de CdS, entre la deuxième et la troisième couches 5, 6.
Chaque cellule 30 comprend une pluralité de trous 31 individuels traversant soit les première et deuxième couches 4, 5, soit les première, deuxième et troisième couche 4, 5, 6 ; ces trous 30 assurant ainsi une semi- transparence des cellules 30, les zones trouées étant transparentes à la lumière visible et les zones non trouées étant opaques à la lumière visible.
Conformément à l'invention, ces trous 31 sont répartis sur chaque cellule 30 selon la conformation géométrique suivante : - chaque trou 31 présente des dimensions dans le plan principal comprises entre 10 nanomètres et 400 micromètres (ces dimensions correspondant à leurs diamètres dans le cas de trous circulaires) ;
- chaque trou 31 est distant du trou 31 adjacent le plus proche d'une distance comprise entre 5 nanomètres et 400 micromètres ;
- la surface totale des trous 31 disposés dans la cellule 30 prise dans le plan principal est comprise entre 10 et 90% de la surface totale de la cellule 30 dans ce même plan principal.
Ainsi, chaque cellule 30 présente une transparence comprise entre 10 et 90 %, suivant la surface totale occupée par les trous 31 dans la cellule 30 concernée. Les dimensions des trous 31 et les distances inter-trous sont choisies pour offrir un confort visuel en accord avec le pouvoir de résolution de l'œil, de sorte que l'œil humain distingue peu les trous 31 dans les cellules 30 et voit une surface sensiblement uniforme.
La figure 2a illustre une cellule 30 dans laquelle sont prévus des trous 31 répartis selon un pavage périodique dont le détail sera décrit ultérieurement, et la figure 2b illustre un dispositif photovoltaïque 1 intégrant de telles cellules 30 et qui présente un aspect quasi-uniforme.
La suite de la description porte sur le procédé de fabrication d'un tel dispositif photovoltaïque 1 , en partant du substrat 2 sur lequel on souhaite déposer le film photovoltaïque 3 divisé en cellules 30 trouées et interconnectées ; plusieurs variantes étant envisageables.
Les figures 3 à 6 illustrent quatre séquences distinctes permettant de réaliser une première couche 4 trouée selon la conformation géométrique précitée.
Selon une première séquence illustrée sur la figure 3, on prévoit un substrat 2 (figure 3a), on dépose sur le substrat 2 une première couche 4 uniforme par pulvérisation ou par évaporation (figure 3b), puis on grave directement des orifices traversant, autrement dit les trous 31 , dans cette première couche 4, notamment par gravure laser. La première couche 4 est gravée et donc trouée conformément à la conformation géométrique précitée.
Selon des deuxième, troisième et quatrième séquences illustrées sur les figures 4 à 6, on utilise un masque 8 selon un procédé d'impression, notamment du type impression numérique par jet de matière, flexographie, sérigraphie, ou tampographie, ledit masque 8 présentant des zones dites principales 81 définissant un positif ou un négatif des trous 31 . Ce masque 8 servira de pochoir qui va permettre de réaliser la répartition des trous 31 sur la première couche 4 selon la conformation géométrique précitée, les zones principales 81 du masque 8 définissant :
- soit un positif des trous 31 , autrement dit les zones occultées par les zones principales 81 correspondront in fine aux trous 31 ;
- soit un négatif des trous 31 , autrement dit les zones non occultées par les zones principales 81 correspondront in fine aux trous 31 .
En travaillant par impression, le masque 8 prendre la forme d'une couche de matière de masquage, tel que de l'encre, formant le négatif ou le positif des trous 31 .
Dans le cas d'un masque 8 formant un positif des trous 31 , le masque 8 comporte, pour chaque cellule, une pluralité de zones principales 81 de matière de masquage, individuelles et réparties sur chaque cellule selon la conformation géométrique suivante :
- chaque zone principale 81 présente des dimensions dans le plan principal comprises entre 10 nanomètres et 400 micromètres (ces dimensions correspondant à leurs diamètres dans le cas de zones 81 circulaires) ;
- chaque zone principale 81 est distante de la zone principale 81 adjacente la plus proche d'une distance comprise entre 5 nanomètres et 400 micromètres ; - la surface totale des zones principales 81 disposées dans la cellule prise dans le plan principal est comprise entre 10 et 90% de la surface totale de la cellule 30 dans ce même plan principal.
Ainsi, avec un masque 8 formant un positif des trous 31 , le masque 8 se présente, pour chaque cellule, sous la forme d'une pluralité de zones principales 81 écartées les unes des autres (comme notamment illustré sur la figure 12a et les figures 13 à 16).
Dans le cas d'un masque 8 formant un négatif des trous 31 , le masque 8 comporte, pour chaque cellule, des zones principales 81 contigues encadrant des trous 83 individuels répartis sur chaque cellule selon la conformation géométrique suivante :
- chaque trou 83 du masque 8 présente des dimensions dans le plan principal comprises entre 10 nanomètres et 400 micromètres (ces dimensions correspondant à leurs diamètres dans le cas de trous circulaires) ;
- chaque trou 83 du masque 8 est distant du trou 83 adjacent le plus proche d'une distance comprise entre 5 nanomètres et 400 micromètres ; - la surface totale des trous 83 du masque 8 disposés dans la cellule prise dans le plan principal est comprise entre 10 et 90% de la surface totale de la cellule dans ce même plan principal.
Ainsi, avec un masque 8 formant un négatif des trous 31 , le masque 8 se présente, pour chaque cellule, sous la forme d'une couche continue de matière de masquage, dans laquelle sont prévus des trous 83 écartés les uns des autres (comme visible sur la figure 4c).
Dans la deuxième séquence illustrée sur la figure 4, on prévoit un substrat 2 (figure 4a), puis :
- on dépose une couche de résine 9 photosensible sur le substrat 2 (figure 4b) ;
- on dépose le masque 8, réalisé dans une couche de matière de masquage opaque, sur la couche de résine 9, ce masque 8 opaque formant un pochoir en négatif de la conformation géométrique des trous 31 en présentant des trous 83 comme décrit ci-dessus (figure 4c) ;
- on insole la résine 9 par application d'un rayonnement lumineux, puis on élimine chimiquement (par décapage) les zones de la couche de résine 9 non exposées au rayonnement lumineux et correspondant aux zones de la couche de résine 9 masquées par le masque 8, mettant à nu des zones du substrat et laissant en place des ilôts de résine 90 insolée (figure 4d) ;
- on dépose de manière uniforme, par pulvérisation ou par évaporation, une première couche 4 qui recouvre les ilôts de résine 90 insolée restants et les zones mises à nu du substrat 2 (figure 4e) ;
- on élimine les ilôts de résine 90 insolée restants, laissant sur le substrat 2 uniquement la première couche 4 présentant des orifices 31 en négatif du masque 8.
Dans la troisième séquence illustrée sur la figure 5, on prévoit un substrat 2 (figure 5a), puis :
- on dépose le masque 8 sur le substrat 2, ce masque 8 formant un pochoir en positif de la conformation géométrique des trous 31 en présentant des zones principales 81 individuelles comme décrit ci-dessus (figure 5b) ;
- on dépose de manière uniforme, par pulvérisation ou par évaporation, une première couche 4 qui recouvre le masque 8 et les zones nues (non masquées) du substrat 2 (figure 5c) ; - on élimine chimiquement le masque 8, laissant sur le substrat 2 uniquement la première couche 4 présentant des orifices 31 en positif du masque 8 (figure 5d).
Dans cette troisième séquence, les caractéristiques optiques du masque 8 sont sans importance, autrement dit le masque 8 peut être opaque ou non. En effet, le masque 8 est employé pour former une barrière physique pour le dépôt de la première couche 4, sans utilisation d'une étape d'insolation.
Dans la quatrième séquence illustrée sur la figure 6, on prévoit un substrat 2 (figure 6a), puis :
- on dépose de manière uniforme, par pulvérisation ou par évaporation, une première couche 4 sur le substrat 2 (figure 6b) ;
- on dépose une couche de résine 9 photosensible sur la première couche 4 uniforme (figure 6c) ;
- on dépose le masque 8, réalisé dans une couche de matière de masquage opaque, sur la couche de résine 9, ce masque 8 opaque formant un pochoir en positif de la conformation géométrique des trous 31 , en présentant des zones principales 81 individuelles comme décrit ci-dessus (figure 6d) ;
- on insole la résine 9 par application d'un rayonnement lumineux à travers le masque 8 précédemment déposé, et ensuite on élimine chimiquement (par décapage) les zones de la couche de résine 9 non exposées au rayonnement lumineux et correspondant aux zones de la couche de résine 9 masquées par les zones principales 81 du masque, mettant à nu des zones de la première couche 4 uniforme et laissant en place des ilôts de résine 90 insolée entourant des trous 91 dans la couche de résine 9 (figure 6e) ;
- on élimine par gravure chimique les zones mises à nu de la première couche 4, entre les ilôts de résine 90 insolée et à travers les trous 91 , formant ainsi des orifices traversant - soit les trous 31 - dans la première couche 4 (figure 6f) ;
- on élimine les ilôts de résine 90 insolée restants sur la première couche 4, laissant sur le substrat 2 uniquement la première couche 4 présentant les trous
31 en positif du masque 8 (figure 6g).
En partant de la fin de l'une ou l'autre des quatre séquences décrites ci-dessus en référence aux figures 3 à 6, on obtient donc sur le substrat 2 une première couche 4 avec des trous 31 disposés conformément à la conformation géométrique souhaitée. Pour déposer les deuxième et troisième couches 5, 6 sur une telle première couche 4 trouée, il est envisageable de procéder comme suit, en référence à la figure 7 :
- on dispose du substrat 2 sur lequel est déposée la première couche 4 avec les trous 31 (figure 7a) ;
- on dépose par électrodéposition la deuxième couche 5 sur les parties non trouées de la première couche 4 (figure 7b), la première couche 4 conductrice servant d'électrode qui va attirer le matériau semi-conducteur photo-actif de la deuxième couche 5 une fois la première couche 4 polarisée et plongée dans un bain d'électrodéposition, les zones mises à nu du substrat 2 non polarisées étant épargnées par l'électrodéposition ;
- on dépose par évaporation la troisième couche 6 (figure 7c).
Le dépôt de la troisième couche 6 s'effectue par évaporation, recouvrant ainsi totalement la surface, y compris les trous 31 , ce qui ne cause aucun préjudice car la troisième couche 6 est par nature transparente, et en outre l'étape d'électrodéposition garantit que la deuxième couche 5 enveloppe complètement la première couche 4, ce qui évite que la troisième couche 6 ne soit en contact avec la première couche 4 et ne court-circuite la cellule.
Dans le cas des trois séquences précitées employant un masque 8, on a utilisé le masque 8 uniquement pour réaliser les trous 31 dans la première couche 4, avant de s'en débarrasser pour procéder au dépôt de la deuxième couche 5 par électrodéposition.
Il est cependant envisageable de prévoir des variantes dans lequel le masque 8 est conservé et retiré uniquement en fin de processus, après déposition des deuxième et troisième couches 5.
Dans une première variante illustrée sur la figure 8, qui constitue une variante de la troisième séquence de la figure 5, on prévoit un substrat 2 (figure 8a), puis :
- on dépose le masque 8 sur le substrat 2, ce masque 8 formant un pochoir en positif de la conformation géométrique des trous 31 en présentant des zones principales 81 comme décrit ci-dessus (figure 8b) ;
- on dépose de manière uniforme, par pulvérisation ou par évaporation, une première couche 4 qui recouvre le masque 8 et les zones nues (non masquées) du substrat 2 (figure 8c) ; - on dépose de manière uniforme, par pulvérisation ou par évaporation, une deuxième couche 5, puis on dépose de manière uniforme, par pulvérisation ou par évaporation, une troisième couche 6 (figure 8d) ; et
- on élimine chimiquement le masque 8, laissant sur le substrat 2 uniquement les première, deuxième et troisième couches 4, 5, 6 présentant les trous 31 en positif du masque 8 (figure 8e).
Dans une seconde variante illustrée sur la figure 9, qui constitue une variante de la deuxième séquence de la figure 4, on prévoit un substrat 2 (figure 9a), puis :
- on dépose une couche de résine 9 photosensible sur le substrat 2 (figure 9b) ;
- on dépose le masque 8, réalisé dans une couche de matière de masquage opaque, sur la couche de résine 9, ce masque formant un pochoir en négatif de la conformation géométrique des trous (figure 9c) ;
- on insole la résine 9 par application d'un rayonnement lumineux, puis on élimine chimiquement (par décapage) les zones de la couche de résine 9 non exposées au rayonnement lumineux et correspondant aux zones de la couche de résine 9 masquées par le masque 8 opaque, mettant à nu des zones du substrat et laissant en place des ilôts de résine 90 insolée (figure 9d) ;
- on dépose de manière uniforme, par pulvérisation ou par évaporation, une première couche 4 qui recouvre les ilôts de résine 90 insolée restants et les zones mises à nu du substrat 2 (figure 9e) ;
- on dépose de manière uniforme, par pulvérisation ou par évaporation, une deuxième couche 5, puis on dépose de manière uniforme, par pulvérisation ou par évaporation, une troisième couche 6 (figure 9f) ; et
- on élimine les ilôts de résine 90 insolée restants, laissant sur le substrat 2 uniquement les première, deuxième et troisième couches 4, 5, 6 présentant les trous 31 en négatif du masque 8 (figure 9g).
Dans ces deux variantes, la troisième couche 6 ne recouvre pas les trous 31 , car le masque 8 est retiré après la pose de cette troisième couche 6, évitant ainsi un court-circuit entre les première et troisième couches 4, 6.
La suite de la description porte sur la division du film photovoltaïque en plusieurs cellules, et sur l'interconnexion entre deux cellules adjacentes, faite en référence aux figures 10 à 12.
Les figures 10 et 12 illustrent un perfectionnement des étapes de la figure 7, en portant sur des sous-étapes destinées à assurer l'interconnexion entre deux cellules 30 adjacentes, autrement dit la connexion électrique entre la première couche 4 d'une cellule 30 et la troisième couche 6 d'une cellule 30 adjacente.
Les figures 10a et 12c illustrent chacune un substrat 2 sur lequel est déposée une première couche 4 avec deux cellules 30 (figure 10a) ou quatre cellules 30 (figure 12c) séparées par des bandes de séparation 32 respectives. Chaque bande de séparation 32 sépare électriquement la première couche 4 d'une cellule 30 de la première couche 4 d'une cellule 30 adjacente.
Plusieurs modes de réalisation des bandes de séparation 32 peuvent être envisagés, étant précisé qu'une bande de séparation 32 constitue une rainure ou encoche trouée dans la première couche 4. Ainsi, on réalise la bande de séparation 32 de la même manière que l'on réalise les trous 31 .
Dans une première réalisation, la bande de séparation 32 est réalisée par gravure directe, de la même manière que dans la première séquence illustrée sur la figure 3.
Dans une deuxième réalisation, la bande de séparation 32 est réalisée à partir d'un masque qui présente des zones secondaires 82 définissant un positif ou un négatif des bande de séparation 32 entre les cellules, c'est-à-dire :
- soit un positif comme dans les troisième et quatrième séquences des figures 5 et 6, les zones secondaires 82 se présentant alors sous la forme de bandes 82 qui délimitent les cellules 30 ;
- soit un négatif comme dans la deuxième séquence de la figure 4, les zones secondaires 82 encadrant des fentes qui délimitent les cellules 30 et qui traversent la couche du masque 8.
La figure 12a illustre l'application d'un masque 8 en positif directement sur le substrat (comme dans la troisième séquence illustrée sur la figure 5) avec les zones principales 81 et secondaires 82. On note que les zones secondaires 82 ne sont pas jointives à l'intersection des quatre cellules 30.
La figure 12b illustre ensuite l'application uniforme de la première couche 4 sur le substrat 2 et le masque 8.
La figure 12c illustre l'étape d'élimination chimique du masque 8, laissant sur le substrat 2 uniquement la première couche 4 présentant les trous 31 et les bandes de séparation 32. On note que les premières couches 4 de toutes les cellules 30 sont électriquement connectées car les zones secondaires 82 ne sont pas jointives, laissant ainsi un contact électrique 42 entre ces cellules 30 après retrait du masque 8. Ce contact électrique 42 entre les cellules 30 a pour but de faciliter l'étape d'électrodéposition de la deuxième couche 5, car il suffit de polariser l'une des cellules 30 pour polariser de manière équivalente toutes les cellules 30.
En partant de la première couche 4 avec les trous 31 et les bandes de séparation 32, on réalise les étapes suivantes pour déposer les deuxième et troisième couches 5, 6, tout en assurant l'interconnexion entre les deux cellules 30 :
- on dépose par électrodéposition la deuxième couche 5 sur les parties non trouées de la première couche 4 (figure 10b et figure 12d), cette étape est facilitée car les premières couches 4 de toutes les cellules sont connectées entre elles électriquement grâce au contact électrique 42 ;
- on grave la première et la deuxième couche 4, 5 pour couper le contact électrique 42 entre les cellules 30, au niveau des extrémités des bandes de séparation 32 (figure 12e) ;
- on grave directement, notamment selon une technique dite de « scribing », la deuxième couche 5 (figures 10c, 12f et 12g), sur une ou plusieurs cellules 30, le long d'une bordure de la bande de séparation 32 concernée (bordure de gauche sur les figures 10c, 12f et 12g), sur une largeur donnée, mettant à nu des bandes 40 de la première couche 4 des cellules 30, ces bandes 40 étant parallèles aux bandes de séparation 32 (sur la figure 12f seules les bandes 40 entre les cellules de gauche et de droite sont illustrées, mais pas celles entre les cellules du haut et du bas) ;
- on dépose par évaporation la troisième couche 6 qui recouvre ainsi de manière uniforme la deuxième couche 5, les bandes 40 à nu de la première couche 4 de la première cellule 30, les trous 31 et les bandes de séparation 32 (figures 10d, 12h et 12i - la troisième couche 6 n'étant pas illustrée dans les trous 31 sur les figures 12h à 12k pour des raisons de clarté), de sorte que l'on réalise un contact électrique entre les bande 40 et la troisième couche 6 avec toutefois des court-circuit au niveau des cellules 30 ;
- on grave directement, notamment selon une technique dite de « scribing », la troisième couche 6 pour couper les court-circuit précités établi dans les cellules 30 sur leurs bandes 40 respectives (figures 10e, 12j et 12k), en gravant des bandes 60 sur cette troisième couche 6 de façon à mettre à nu une partie des bandes 40 de la première couche 4 des cellules 30 (coupant le contact électrique entre la première et la troisième couches 4, 6 au sein de la même cellule 30), tout en maintenant un contact électrique entre les bandes 40 d'une cellule et la troisième couche 6 de la cellule adjacente, établissant ainsi la connexion en série entre les cellules 30.
Il est à noter que, si on dépose la deuxième couche 5 par évaporation ou pulvérisation (à la place du dépôt par électrodéposition illustré sur les figures 10b et 12d), il n'est pas nécessaire d'assurer le contact électrique 42 préalable entre les cellules 30. Ainsi, dans ce cas de figure, les zones secondaires 82 du masque 8 peuvent être jointives.
La figure 1 1 illustre un perfectionnement des étapes de la figure 8, en portant sur des sous-étapes destinées à assurer l'interconnexion entre deux cellules 30 adjacentes, autrement dit la connexion électrique entre la première couche 4 d'une cellule 30 et la troisième couche 6 d'une cellule 30 adjacente.
La figure 1 1 a illustre un substrat 2 sur lequel a été déposé un masque 8 en positif présentant des zones principales 81 et secondaires 82, et sur lequel a ensuite été déposé de manière uniforme, par pulvérisation ou par évaporation, une première couche 4.
En partant de la situation de la figure 1 1 a, on réalise les étapes suivantes pour déposer les deuxième et troisième couches 5, 6, tout en assurant l'interconnexion entre deux cellules 30 :
- on dépose de manière uniforme, par pulvérisation ou par évaporation, une deuxième couche 5 (figure 1 1 b) ;
- on dépose de manière uniforme, par pulvérisation ou par évaporation, une troisième couche 6 (figure 1 1 c) ;
- on élimine chimiquement le masque 8, laissant sur le substrat 2 uniquement les première, deuxième et troisième couches 4, 5, 6 présentant les trous 31 en positif des zones principales 81 et les bandes de séparation 32 en positif des zones secondaires 82 (figure 1 1 d) ;
- on grave directement, notamment selon une technique dite de « scribing », la deuxième et la troisième couches 5, 6 le long d'une bordure de la bande de séparation 32, sur une largeur donnée (bordure de gauche sur la figure 1 1 e), afin de mettre à nu une bande 41 de la première couche 4 de la première cellule 30, cette bande 41 étant parallèle à la bande de séparation 32 (figure 1 1 e) ; - on dispose dans la bande de séparation 32 un contacteur électrique 33 qui comprend une partie conductrice 34 établissant le contact entre la bande 41 et la troisième couche 6 de la seconde cellule 30 et une partie isolante 35 intercalée entre les premières couches 4 des deux cellules 30, établissant ainsi la connexion en série entre les deux cellules 30.
La suite de la description porte sur la conformation géométrique des trous 31 , en référence notamment aux figures 13 à 16.
Conformément à l'invention, les trous 31 sont répartis sur la surface de chaque cellule 30 selon un pavage virtuel composé d'une pluralité d'unités élémentaires photovoltaïques juxtaposées sans vide et sans empiétement pour définir la cellule 30 correspondante. Le principe est ainsi de définir un ou plusieurs motifs de base, définissant une ou plusieurs unités élémentaires, qui seront répétés pour paver complètement chaque cellule 30, de sorte qu'en gérant la transparence au niveau microscopique (avec les unités élémentaires), on gère la transparence au niveau macroscopique (au niveau de la cellule).
Chaque unité élémentaire se présente sous la forme d'une portion géométrique du film photovoltaïque 3, dont les des dimensions dans le plan principal sont comprises entre 15 nanomètres et 800 micromètres, délimitée par un contour virtuel (le contour du motif) et à laquelle est associé au moins un trou ménagé en tout ou partie à l'intérieur dudit contour (la surface trouée dans l'unité élémentaire définissant microscopiquement la surface trouée de la cellule), chaque trou étant associé à une unique unité élémentaire.
Chaque unité élémentaire présente une surface trouée, correspondant à la surface du ou des trous associés à l'unité élémentaire dans le plan principal, qui est comprise entre 10 et 90% de la surface totale de l'unité élémentaire dans ce même plan principal, de préférence entre 30 et 70%.
En travaillant avec un masque 8, on gère le pavage des unités élémentaires en gérant le pavage des zones principales 81 décrites ci-dessus.
Les figures 13 à 16 illustrent des masques 8 en positif présentant des zones principales 81 de forme circulaire (d'autres formes étant bien entendu envisageables) réparties selon des pavages prédéfinies.
Avec un masque 8 en positif, les zones principales 81 du masque 8 sont réparties sur la surface de chaque cellule 30 selon un pavage virtuel composé d'une pluralité de motifs M juxtaposés sans vide et sans empiétement, chaque motif M étant délimité par un contour CV virtuel auquel est associé au moins une zone principale 81 situé en tout ou partie à l'intérieur dudit contour CV.
Le motif M forme le plus petit élément géométrique permettant de construire le masque 8 d'échelle macroscopique par application d'un algorithme donné à ce motif M (essentiellement translation selon deux directions, symétrie et rotation), tout en intégrant que le motif M doit de préférence offrir le moins d'interaction avec les mécanismes physiologiques de la vision, et contribuer à la meilleure uniformité perçue du dispositif photovoltaïque et au meilleur confort visuel.
II est en outre important de noter la définition suivante : la résolution du masque 8 caractérise la plus petite dimension du motif de base. Or la résolution n'a pas d'impact sur le niveau de transparence ou sur l'efficacité énergétique du film photovoltaïque, mais elle peut influer sur la façon dont l'œil perçoit la transparence de ce film photovoltaïque et cette résolution constitue donc un facteur potentiel de confort ou d'inconfort visuel. En particulier, la résolution joue un rôle sur l'uniformité perçue du film photovoltaïque, et plus la résolution sera fine, plus la perception d'uniformité sera importante.
Dans la mise en œuvre d'un procédé d'impression du masque 8, il est à noter que la résolution du masque 8 est tout de même limitée vers le bas par la technique d'impression employée. À titre d'illustration, si le procédé d'impression présente une résolution intrinsèque de 300 points par pouce pour dessiner le motif, cela signifie que le point de base imprimé est de l'ordre de 85 micromètres au minimum, de sorte qu'un tel procédé d'impression ne permettra pas de dessiner des motifs de taille inférieure à 100 micromètres. La résolution intrinsèque du procédé d'impression du masque 8 conditionne donc automatiquement la résolution finale du masque 8.
Dans un premier mode de réalisation du masque 8 illustré sur les figures 13a et 13b, on met en œuvre un pavage périodique à partir d'un motif M consistant en un disque concentrique (la zone principale 81 ) centré à l'intérieur d'un carré (le contour virtuel CV), de sorte que :
- le disque 81 définit le trou 31 (c'est-à-dire la surface trouée et donc transparente de l'unité élémentaire photovoltaïque) ; et
- la partie du motif inscrite dans le carré et bordant le disque 81 définit la zone opaque et active de l'unité élémentaire photovoltaïque. Le niveau de transparence du motif (et donc de la cellule 30 au niveau macroscopique) est donc caractérisé par le rapport de la surface du disque 81 à celle du carré CV qui le contient. Le motif M est répété par translation le long des axes parallèles aux côtés du carré C, créant ainsi des alignements des disques selon ces deux axes.
La résolution du motif M est caractérisée par la longueur C du côté du carré CV. En fonction du niveau de transparence T souhaité, avec T compris entre 0 et 1 (0 pour une opacité totale et 1 pour une transparence totale), on pourra calculer le diamètre D du disque 81 à l'aide de la formule suivante :
D = 2C.(T/TT)1 2.
Pour des raisons inhérentes à la technologie, la zone active de l'unité élémentaire photovoltaïque associée doit demeurer connexe, de sorte que le diamètre du disque doit rester inférieur à la longueur C, ce qui permet d'en déduire une limite supérieure du taux de transparence réalisable avec un tel motif M qui est ττ/4, soit une transparence maximale de d'environ 78.5%.
Dans la pratique, il sera nécessaire de prendre en compte les capacités du procédé d'impression mis en œuvre pour créer l'espace entre deux disques 81 voisins, réduisant ainsi la valeur de la transparence maximale réellement accessible.
En outre, la limite inférieure du taux de transparence est également déterminée par le procédé d'impression mis en œuvre, et plus spécifiquement par la taille minimale du point imprimable que le procédé permet de réaliser, le plus petit disque se ramenant alors à un seul point.
Dans un deuxième mode de réalisation du masque 8 illustré sur les figures 14a et 14b, on met en œuvre un pavage périodique à partir d'un motif M consistant en un disque concentrique (la zone principale 81 ) centré à l'intérieur d'un hexagone (le contour virtuel CV).
De cette manière, on met en œuvre un pavage en quinconce ou en nid d'abeille, les disques 81 d'une ligne (ou d'une colonne) étant placés en quinconce par rapport à ceux de la ligne (ou colonne) précédente, en imposant que tous les disques 81 soient équidistants.
Ce motif M hexagonal est défini par deux grandeurs :
- la longueur C du côté du triangle équilatéral formé par les centres de trois disques 81 immédiatement adjacents non alignés (autrement dit l'écartement entre deux disques 81 immédiatement adjacents), qui détermine la résolution du masque 8 ; et
- le diamètre D des disques 81 .
Le masque 8 est ainsi construit par le pavage du plan à l'aide de ce motif M et, comme précédemment expliqué avec le motif carré, le niveau de transparence est réglé par le ratio de la surface du disque 81 à celle de l'hexagone CV, selon la formule suivante qui donne le diamètre D du disque 81 pour une transparence T donnée :
D = C.[(2T.31 2)/TT] 1 2.
Comme dans le cas précédent avec le motif carré, la zone active de l'unité élémentaire photovoltaïque associée doit demeurer connexe, ce qui signifie que la valeur du diamètre D ne peut pas excéder celle de la longueur C précitée, ce qui permet d'en déduire une limite supérieure du taux de transparence réalisable avec un tel motif M qui est π/(2.31 2) soit une transparence maximale de d'environ 90.7%.
Afin d'éviter d'avoir des motifs périodiques qui pourrait amoindrir le confort visuel du film photovoltaïque, il est envisageable de procéder avec un pavage non périodique du plan, pour au final distribuer de manière non périodique (autrement non régulière) les trous sur la surface de chaque cellule.
Dans un troisième mode de réalisation du masque 8 illustré sur les figures 15a et 15b, on met en œuvre un pavage non périodique dit « pinwheel ». Ce pavage est réalisé à partir d'un motif M composé d'un disque concentrique (la zone principale 81 ) situé à l'intérieur triangle rectangle (le contour virtuel CV) dont les cathètes sont dans un rapport de deux, avec une cathète de longueur C et une autre cathète de longueur 2C.
À titre d'exemple, le disque 81 concentrique est centré sur le point d'intersection des bissectrices du triangle, avec un centre situé à égale distance r des cathètes, r correspondant au rayon du cercle inscrit, soit ici :
r = C.(3-51 2)/4.
Le pavage de « pinwheel », développé par le mathématicien britannique John Conway est basé sur une décomposition du triangle considéré en cinq triangles homothétiques à partir d'un triangle d'origine, par la mise en œuvre de symétries, de translations et de rotations.
Comme précédemment décrit avec les deux premiers pavages, le niveau de transparence est donné par le rapport de la surface du disque 81 à celle du triangle CV, permettant ainsi de calculer le diamètre D du disque 81 en fonction de la transparence T selon la formule suivante :
D = 2C.(T/TT)1 2.
La transparence maximum est obtenue lorsque le diamètre D du disque est égal à celui du cercle inscrit, soit D = r, ce qui permet d'en déduire que la transparence maximum est d'environ 45.8 %.
Dans un quatrième mode de réalisation du masque 8 illustré sur les figures 16a à 16c, on met en œuvre un pavage non périodique du type aléatoire, pour au final distribuer de manière aléatoire les trous sur la surface de chaque cellule (une distribution aléatoire étant un cas particulier de la distribution non périodique).
Ce pavage aléatoire constitue une variante des pavages non périodiques exposés ci-dessus, avec l'objectif de rompre la périodicité, c'est-à- dire de ne pas obtenir des lignes de trous (eg. en forme de disque) parallèles et régulièrement réparties ; le principe étant de brouiller la répartition des trous afin que l'œil ne puisse pas s'accrocher sur une structure régulière quelconque.
Cependant, ce pavage aléatoire doit respecter un certain nombre de contraintes et de propriétés statistiques.
La première contrainte est que le pavage des motifs doit assurer un niveau de transparence constant indépendant de l'échelle considérée (sauf, bien entendu, à descendre en dessous du pas de base). En d'autres termes, ce pavage aléatoire ne doit pas conduire à obtenir des zones transparentes ou opaques trop importantes afin que le rendu global soit relativement uniforme.
La seconde contrainte est de respecter une distance minimale entre deux disques 81 voisins, de sorte que l'on puisse garantir un dépôt de la première couche 4 d'une largeur minimale (fonction des capacités de la technologie d'impression du masque 8 et/ou de dépôt des couches minces) entre deux trous 31 .
À titre d'exemple de pavage aléatoire, on considère un motif M basé sur un carré CV de côté C. La transparence du motif M est créée par l'insertion d'un disque 81 unique pour chaque carré CV, le rapport de la surface du disque 81 à celle du carré CV fournissant le niveau de transparence, comme déjà calculé ci-dessus.
Cependant, à la différence du pavage périodique où le disque 81 est centré sur le carré CV, on impose uniquement que le centre du disque 81 soit situé dans le périmètre du carré CV en tirant aléatoirement sa localisation pour chaque motif M de base.
Ainsi, en définissant les coordonnées (x, y) du centre du disque 81 et en plaçant l'origine du système de coordonnées dans le coin inférieur gauche de chaque carré CV, on obtient donc le premier système de contraintes suivant : x appartient à l'intervalle [0, C] et y appartient à l'intervalle [0, C].
La seconde contrainte précitée porte pour rappel sur la distance séparant deux disques 81 . En effet, cette seconde contrainte vise à éviter que deux disques 81 voisins ne se chevauchent, voire à garantir une certaine épaisseur du trait de la première couche 4 entre deux disques. Cette seconde contrainte se traduit donc par une distance minimale dm entre les centres de deux disques voisins.
On définit les paramètres suivants, en référence à la figure 16b :
- X et Y les numéros d'ordre du motif dont il faut tirer les coordonnées du centre (x, y) du disque 81 ;
- Xp et Yp les numéros d'ordre du motif par rapport auquel il faut garantir la distance ; et
- xp et yp les coordonnées du centre du disque correspondant.
Le disque 81 a de la figure 16b est le disque à positionner par rapport au disque 81 b préalablement placé. La distance d entre ce disque 81 a et le disque 81 b précédent est l'hypoténuse d'un triangle rectangle de côtés [(X-Xp).C + x - xp] et [(Y-Yp).C + y - yp].
Cette distance d doit être supérieure à la distance imposée dm, de sorte que l'on obtient pour la seconde contrainte la relation suivante :
[(X-Xp).C + x - xp]2 + [(Y-Yp).C + y - yp]2 > dm2
Il est par ailleurs à noter que dm ne doit pas être plus grand que le côté C, faute de quoi le modèle n'est pas constructible à grande échelle. En effet, dans ce cas, les disques seraient statistiquement plus éloignés les uns des autres que le pas du motif, ce qui implique au bout d'un certain temps que l'on ne serait plus capable de loger le centre du disque à l'intérieur du carré associé.
Par ailleurs, afin d'éviter une trop grande dispersion locale des caractéristiques qui pourrait perturber le motif à grande échelle, il est préférable de contraindre les disques à ne pas être trop éloignés les uns des autres, en imposant par exemple que les composantes x (respectivement y) de deux disques voisins situés sur la même ligne horizontale ne diffèrent pas de plus de 1 ,5.C (respectivement 0,5.C), et similairement pour des disques situés sur une même ligne verticale. Ces valeurs 1 ,5.C et 0,5. C sont données à titre indicatif.
La figure 16c illustre un pavage aléatoire sur une cellule bâtie selon les contraintes précitées.
De manière générale, d'autres formes des zones principales 81 peuvent être envisagées, pas uniquement la forme en disque, comme par exemple des formes en ellipse, rectangle, etc. L'emploi de ces autres formes pourrait se révéler intéressant en particulier pour les pavages non périodiques, où l'orientation du motif de base varie. À titre d'exemple, une zone principale en ellipse dans un pavage « pinwheel » permettrait d'accéder à des niveaux de transparence supérieurs et contribuerait à brouiller visuellement le motif par variation de l'angle de l'axe focal de l'ellipse avec l'horizontale.
En outre, il est envisageable de faire varier les dimensions des zones principales 81 sur le substrat, afin d'offrir un effet de dégradé, avec par exemple une transparence qui augmente graduellement de bas en haut ou de droite à gauche sur le substrat.
Bien entendu l'exemple de mise en œuvre évoqué ci-dessus ne présente aucun caractère limitatif et d'autres améliorations et détails peuvent être apportés au dispositif photovoltaïque selon l'invention, sans pour autant sortir du cadre de l'invention où d'autres formes de motif peuvent par exemple être réalisées.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif photovoltaïque (1 ) à couches minces comprenant un substrat (2) sur lequel est disposé un film photovoltaïque (3) composé d'une superposition de couches réparties selon un plan dit principal et comprenant au moins une première couche (4) conductrice formant un contact électrique arrière, une deuxième couche (5) photo-active absorbant dans le spectre solaire à base de matériau inorganique, une troisième couche (6) en matériau conducteur transparent formant un contact électrique avant, ledit film photovoltaïque (3) étant divisé pour former une pluralité de cellules (30) photovoltaïques individuelles et interconnectées, chaque cellule (30) étant connectée en série ou en parallèle avec une ou plusieurs cellules (30) adjacentes et isolée électriquement des autres cellules (30) adjacentes, ledit dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de trous (31 ) individuels traversant au moins les première et deuxième couches (4, 5) du film photovoltaïque (3) dans chaque cellule (30), chaque trou (31 ) présentant des dimensions dans le plan principal comprises entre 10 nanomètres et 400 micromètres, chaque trou (31 ) étant distant du trou (31 ) adjacent le plus proche d'une distance comprise entre 5 nanomètres et 400 micromètres, et en ce que chaque cellule (30) présente une surface trouée, correspondant à la surface des trous (31 ) disposés dans ladite cellule (30) dans le plan principal, qui est comprise entre 10 et 90% de la surface totale de la cellule (30) dans ce même plan principal, de préférence entre 30 et 70%.
2. Dispositif photovoltaïque (1 ) selon la revendication 1 , dans lequel les trous (31 ) sont répartis sur la surface de chaque cellule (30) selon une distribution non périodique, notamment selon un pavage non périodique.
3. Dispositif photovoltaïque (1 ) selon la revendication 2, dans lequel les trous (31 ) sont répartis sur la surface de chaque cellule (30) selon une distribution aléatoire, notamment selon un pavage aléatoire.
4. Dispositif photovoltaïque (1 ) selon la revendication 1 , dans lequel les trous (31 ) sont répartis sur la surface de chaque cellule (30) selon une distribution périodique, notamment selon un pavage périodique.
5. Dispositif photovoltaïque (1 ) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les trous (31 ) sont répartis sur la surface de chaque cellule (30) selon un pavage virtuel composé d'une pluralité d'unités élémentaires photovoltaïques juxtaposées sans vide et sans empiétement pour définir la cellule (30) correspondante, chaque unité élémentaire se présentant sous la forme d'une portion géométrique du film photovoltaïque (3) délimitée par un contour virtuel et à laquelle est associé au moins un trou (31 ) ménagé en tout ou partie à l'intérieur dudit contour, chaque trou (31 ) étant associé à une unique unité élémentaire, et dans lequel chaque unité élémentaire présente une surface trouée, correspondant à la surface du ou des trous (31 ) associés à ladite unité élémentaire dans le plan principal, qui est comprise entre 10 et 90% de la surface totale de l'unité élémentaire dans ce même plan principal, de préférence entre 30 et 70%.
6. Dispositif photovoltaïque (1 ) selon la revendication 5, dans lequel chaque unité élémentaire présente des dimensions dans le plan principal comprises entre 10 et 800 micromètres.
7. Dispositif photovoltaïque (1 ) selon les revendications 2 et 5, dans lequel les unités élémentaires sont réparties sur la surface de chaque cellule (30) selon un pavage non périodique, et dans lequel les unités élémentaires sont identiques tant dans la forme et les dimensions du contour virtuel que dans la conformation, le nombre et les dimensions du ou des trous (31 ) associés à chaque unité élémentaire.
8. Dispositif photovoltaïque (1 ) selon les revendications 2 et 5, dans lequel les unités élémentaires sont réparties sur la surface de chaque cellule
(30) selon un pavage périodique, et dans lequel les unités élémentaires sont identiques dans la forme et les dimensions du contour virtuel mais sont distinctes dans la conformation, le nombre et/ou les dimensions du ou des trous (31 ) associés à chaque unité élémentaire.
9. Dispositif photovoltaïque (1 ) selon les revendications 4 et 5, dans lequel les unités élémentaires sont réparties sur la surface de chaque cellule (30) selon un pavage périodique, et les unités élémentaires sont identiques tant dans la forme et les dimensions du contour virtuel que dans la conformation, le nombre et les dimensions du ou des trous (31 ) associés à chaque unité élémentaire.
10. Dispositif photovoltaïque (1 ) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le substrat (2) est constitué d'un substrat (2) en verre.
1 1 . Dispositif photovoltaïque (1 ) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la première couche (4) est une couche métallique opaque directement en contact sur le substrat (2).
12. Procédé de fabrication d'un dispositif photovoltaïque (1 ) conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel :
- on dispose un film photovoltaïque (3) sur un substrat (2) par la superposition de couches réparties selon un plan dit principal et comprenant au moins une première couche (4) conductrice formant un contact électrique arrière, une deuxième couche (5) photo-active absorbant dans le spectre solaire à base de matériau inorganique, et une troisième couche (6) en matériau conducteur transparent formant un contact électrique avant ;
- on divise le film photovoltaïque (3) en une pluralité de cellules (30) photovoltaïques individuelles et interconnectées, chaque cellule (30) étant connectée en série ou en parallèle avec une ou plusieurs cellules (30) adjacentes et isolée électriquement des autres cellules (30) adjacentes, ledit procédé étant caractérisé en ce qu'on ménage une pluralité de trous (31 ) individuels traversant au moins les première et deuxième couches (4, 5) du film photovoltaïque (3) dans chaque cellule (30), en respectant les caractéristiques géométriques suivantes :
- chaque trou (31 ) présente des dimensions dans le plan principal comprises entre 10 nanomètres et 400 micromètres,
- chaque trou (31 ) est distant du trou (31 ) adjacent le plus proche d'une distance comprise entre 5 nanomètres et 400 micromètres,
- chaque cellule (30) présente une surface trouée, correspondant à la surface des trous (31 ) disposés dans ladite cellule (30) dans le plan principal, qui est comprise entre 10 et 90% de la surface totale de la cellule (30) dans ce même plan principal, de préférence entre 30 et 70%.
13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel on répartit les trous (31 ) sur la surface de chaque cellule (30) selon une distribution non périodique, notamment selon un pavage non périodique.
14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel on répartit les trous (31 ) sur la surface de chaque cellule (30) selon une distribution aléatoire, notamment selon un pavage aléatoire.
15. Procédé selon la revendication 12, dans lequel on répartit les trous (31 ) sur la surface de chaque cellule (30) selon une distribution périodique, notamment selon un pavage périodique.
16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 15, dans lequel on effectue les étapes suivantes :
- on réalise une première couche (4) conductrice avec des orifices (31 ) traversant disposés conformément aux caractéristiques géométriques des trous (31 ) ;
- on dépose la deuxième couche (5) sur les parties non trouées de la première couche (4) conductrice, de préférence par électrodéposition ;
- on dépose la troisième couche (6), de préférence par évaporation.
17. Procédé selon la revendication 16, dans lequel on dépose sur le substrat (2) une première couche (4) conductrice uniforme puis on grave les orifices (31 ) traversant dans ladite première couche (4) conductrice, notamment par gravure laser.
18. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 16, dans lequel on dépose un masque (8) selon un procédé d'impression, notamment du type impression numérique par jet de matière, flexographie, sérigraphie, ou tampographie, ledit masque (8) présentant des zones principales (81 ) définissant un positif ou un négatif des trous (31 ) réalisés au moins dans la première couche (4).
19. Procédé selon les revendications 16 et 18, dans lequel :
- on dépose une première couche (4) conductrice uniforme sur le substrat (2) ;
- on dépose une couche de résine (9) photosensible sur la première couche (4) conductrice uniforme ; - on dépose le masque (8) sur la couche de résine (9), ledit masque (8) formant un pochoir en positif de la conformation géométrique des trous (31 ) ;
- on insole la résine (9) par application d'un rayonnement lumineux à travers le masque (8) précédemment déposé ;
- on élimine les zones de la couche de résine (9) non exposées au rayonnement lumineux et correspondant aux zones de la couche de résine (9) masquées par le masque (8), mettant à nu des zones de la première couche (4) conductrice uniforme et laissant en place des ilôts de résine (90) insolée ;
- on élimine les zones mises à nu de la première couche (4) conductrice, entre les ilôts de résine (90) insolée, formant ainsi des orifices (31 ) traversant dans ladite première couche (4) conductrice ;
- on élimine les ilôts de résine (90) insolée restants sur la première couche (4) conductrice, laissant sur le substrat (2) uniquement la première couche (4) conductrice présentant des orifices (31 ) en positif du masque (8).
20. Procédé selon la revendication 18, dans lequel :
- on dépose une couche de résine (9) photosensible sur le substrat (2) ;
- on dépose le masque (8) sur la couche de résine (9), ledit masque (8) formant un pochoir en négatif de la conformation géométrique des trous (31 ) ;
- on insole la résine (9) par application d'un rayonnement lumineux ;
- on élimine les zones de la couche de résine (9) non exposées au rayonnement lumineux et correspondant aux zones de la couche de résine (9) masquées par le masque (8), mettant à nu des zones du substrat (2) et laissant en place des ilôts de résine (90) insolée ;
- on dépose de manière uniforme une première couche (4) conductrice qui recouvre les ilôts de résine (90) insolée restants et les zones mises à nu du substrat (2).
21 . Procédé selon les revendications 16 et 20, dans lequel, à la suite du dépôt de la première couche (4) conductrice, on élimine les ilôts de résine
(90) insolée restants, laissant sur le substrat (2) uniquement la première couche (4) conductrice présentant des orifices (31 ) en négatif du masque (8).
22. Procédé selon la revendication 20, dans lequel, à la suite du dépôt de la première couche (4) conductrice :
- on dépose de manière uniforme la deuxième couche (5) qui recouvre la première couche (4) conductrice ;
- on dépose de manière uniforme la troisième couche (6) qui recouvre la deuxième couche (5) ;
- on élimine les ilôts de résine (90) insolée restants, laissant sur le substrat
(2) le film photovoltaïque (3) présentant des trous (31 ) en négatif du masque (8).
23. Procédé selon la revendication 18, dans lequel :
- on dépose le masque (8) sur le substrat (2), ledit masque (8) formant un pochoir en positif de la conformation géométrique des trous (31 ) ;
- on dépose de manière uniforme une première couche (4) conductrice qui recouvre le masque (8) et les zones nues du substrat (2).
24. Procédé selon les revendications 16 et 23, dans lequel, à la suite du dépôt de la première couche (4) conductrice, on élimine le masque (8), laissant sur le substrat (2) uniquement la première couche (4) conductrice présentant des orifices (31 ) en positif du masque (8).
25. Procédé selon la revendication 23, dans lequel, à la suite du dépôt de la première couche (4) conductrice :
- on dépose de manière uniforme la deuxième couche (5) qui recouvre la première couche (4) conductrice ;
- on dépose de manière uniforme la troisième couche (6) qui recouvre la deuxième couche (5) ;
- on élimine le masque (8), laissant sur le substrat (2) le film photovoltaïque
(3) présentant des trous (31 ) en positif du masque (8).
26. Procédé selon l'une quelconque des revendications 18 à 25, dans lequel le masque (8) présente des zones secondaires (82) définissant un positif ou un négatif de bandes de séparation (32) entre les cellules (30) du film photovoltaïque (3).
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