FR2673328A1 - Dispositif et module solaire a structure inversee pouvant presenter une transparence partielle. - Google Patents

Dispositif et module solaire a structure inversee pouvant presenter une transparence partielle. Download PDF

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Abstract

L'invention se rapporte à un dispositif photovoltaïque comprenant un substrat-support transparent (1), une couche métallique opaque (3) formant électrode avant, une couche semi-conductrice (5) de conversion photoélectrique, et une couche formant électrode arrière transparente (7). Des passages (15a, 15b) tels que des espaces transparents continus peuvent être formés au moins à travers l'électrode avant opaque (3) pour laisser passer la lumière à travers cette électrode et à travers tout le dispositif. L'invention s'applique à la réalisation de modules solaires en couches minces.

Description

L'invention se rapporte aux dispositifs, cellules ou modules photovoltaïques permettant de convertir en énergie électrique une énergie lumineuse.
Dans ce cadre, l'invention a plus particulièrement pour objet de proposer un dispositif photovoltaïque comprenant
un substrat-support transparent,
une couche métallique opaque formant électrode avant disposée sur le substrat support,
une couche semi-conductrice de conversion photoélectrique disposée sur l'électrode,
une couche formant électrode arrière transparente disposée sur la couche semi-conductrice, cette électrode arrière recevant la lumière incidente frappant le dispositif.
L'avantage d'une telle structure est, compte-tenu de la nature des substrats transparents généralement utilisés (en verre ou polymère transparent), de faciliter les phases de réalisation de la couche semi-conductrice.
De surcroît, dans la mesure où l'électrode arrière transparente est réalisée en oxyde transparent conducteur (TCO), les caractéristiques de liaison mécanique entre cette couche et tout film encapsulant utile à l'étanchéité et à la résistance de la cellule vont être de très bonne qualité.
Un marché apparaît donc pour ce type de produit, compte-tenu des inconvénients rencontrées sur les dispositifs photovoltaïques existants, inconvénients liés en particulier à leur coût de fabrication, à la difficulté à rendre compatibles chimiquement électriquement ou mécaniquement entre-elles les différentes couches constituant le dispositif.
De surcroît, le dispositif précité de l'invention est tout particulièrement intéressant lorsque l'on désire obtenir une structure à transparence partielle, c'est-à-dire combinant les fonctions traditionnelles d'une structure solaire générant un courant électrique, avec celle d'un panneau laissant passer la lumière en la filtrant et en permettant, de façon avantageuse, de voir distinctement à travers.
Il est clair que ce concept de transparence partielle est depuis longtemps connu.
En effet, lorsqu'une ouverture, par exemple une fenêtre, est exposée au plein soleil, les personnes situées derrière cette ouverture peuvent être incommodées par la lumière aveuglante et la chaleur dégagée. Il est alors d'usage de placer à l'endroit de cette ouverture un store, une persienne ... ou toute autre paroi ajourée ayant pour fonction d'occulter partiellement la lumière tout en gardant certaines parties transparentes à cette lumière, en assurant une ouverture vers l'extérieur.
Appliquer ce concept à une structure photovoltaïque n'a en fait rien de surprenant, étant donné que de telles structures doivent être disposées pour leur bon fonctionnement en des zones très éclairées.
Leur installation par exemple sur des toits ouvrants d'automobiles ou des toits de bateaux peut donc être considérée comme tout à fait appropriée, le rendement énergétique d'une telle structure photovoltaïque n'étant finalement qu'assez peu affecté par cette transparence partielle, dans la mesure où cette fonction complémentaire peut généralement être assurée dès que la structure laisse passer de l'ordre de 10 à 25 % de la lumière incidente.
Un brevet a malgré tout été déposé et obtenu aux
Etats-Unis par la société SANYO (US-A-4 795 500).
Ce brevet décrit un dispositif photovoltaïque comprenant un substrat isolant transparent, une couche formant électrode frontale transparente disposée sur le substrat, une couche semi-conductrice de conversion photoélectrique disposée sur la couche formant électrode frontale, et une couche formant électrode arrière métallique déposée sur la couche semi-conductrice, au moins cette électrode arrière présentant une pluralité de trous ménagés à travers elle pour assurer une transmission de lumière.
Toujours selon ce brevet, ces trous ou orifices à contour fermé peuvent en particulier avoir une forme polygonale, hexagonale, carrée... et être notamment arrangés pour former une structure par exemple en nid d'abeilles ou en zigzag.
L'obtention de la transparence partielle, par de tels orifices fermés périphériquement crée toutefois certaines difficultés.
En particulier, la présence de ces trous locaux induit des perturbations dans la circulation des lignes de courant à travers notamment l'électrode "arrière", les lignes qui rencontrent les trous étant nécessairemement déviées par ces zones- , isolantes, fermées périphériquement qui forment alors des obstacles à une circulation par nappes sensiblement homogènes des lignes de courant dans la couche.
En outre, la réalisation de tels trous augmente les risques de court-circuit entre les électrodes avant et arrière à l'occasion d'un défaut au bord d'un trou pouvant relier entre elles ces électrodes, ce risque étant proportionnel au nombre de trous réalisés.
Indépendamment de cette structure, le présent déposant a suivi une approche fondamentalement différente de celle de ce brevet US-4 795 500, approche bien entendu fondée sur le concept précité connu de transparence partielle permettant d'obtenir un produit (en l'espèce une structure photovoltaïque) ayant à la fois un rendement énergétique attractif et une relative transparence à la lumière incidente, pouvant permettre de voir distinctement à travers.
Une caractéristique importantede l'invention est donc de proposer,à partir de la structure précitée de cellule photovoltaïque, comprenant donc un substrat transparent, une électrode avant opaque, une couche semi-conductrice puis une électrode arrière transparente, de conformer au moins l'électrode "avant" de manière qu'elle présente une série de bandes de matière électriquement conductrice s'étendant continûment d'un premier côté de la cellule jusqu'à un second côté opposé au premier, une bande étant continûment séparée de sa voisine par un espace transparent continu formé au moins à travers cette électrode arrière et débouchant longitudinalement, de part et d'autre, sur lesdits premier et second côtés de la cellule pour assurer, entre ces mêmes côtés, une circulation de courant dans lesdites bandes sensiblement parallèle à la direction générale longitudinale des espaces, avec un passage de lumière à travers la cellule.
Ainsi, l'obtention d'une transparence partielle par l'intermédiaire de ces espaces transparents continus qui divisent la partie active de la cellule en autant de zones actives non topologiquement connexes (à la différence des trous ou tout autre orifice à contour fermé), va permettre d'assurer une circulation par nappe homogène des lignes de courant tant à travers l'électrode avant qu'à travers l'électrode arrière, sans que ces lignes soient perturbées par la présence d'obstacles isolants.
De surcroît, une telle réalisation en bandes limite largement l'augmentation de la résistance en série de l'électrode avant, compte tenu de la présence des zones isolantes.
On notera également que la probabilité de défauts aux frontières des zones transparentes est limitée.
A partir d'une telle structure, l'invention a tout naturellement pour objet un module solaire comprenant plusieurs telles cellules reliées électriquement en série par des bandes d'interconnexion série, lesquelles intersectent, ou bordent sur l'un au moins de leurs côtés opposés, les espaces transparents continus précités de deux cellules voisines du module.
Avant de s'intéresser plus particulièrement aux variantes de réalisation illustrées aux dessins annexés, on notera encore que, conformément à une autre caractéristique de l'invention, tant les cellules élémentaires que le module d'ensemble seront avantageusement tels que l'oeil humain puisse voir ou distinguer suffisamment précisément une forme à travers, la largeur des espaces transparents, étant alors de l'ordre de 2 mm.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore de la description qui va suivre faite en référence aux dessins annexés donnés uniquement à titre d'exemple et dans lesquels
La figure 1 est une vue schématique en coupe d'une structure photovoltaïque conforme à l'invention,
la figure 2 est une variante de réalisation de la structure de la figure 1, également en vue transversale schématique en coupe,
la figure 3 est une autre variante de réalisation selon une vue en coupe comparable, variante intégrant le concept de la transparence partielle,
la figure 4 est une vue Schématique rabattue en plan de le sens de la flèche IV de la figure 3,
la figure 5 est une vue identique à celle de la figure 3 montrant la possible réalisation des espaces transparents continus à travers l'électrode avant opaque, la couche semi conductrice et l'électrode arrière,
la figure 6 est une vue schématique en plan d'un module solaire conforme à l'invention comprenant une série de cellules élémentaires connectées en série,
la figure 7 est une vue locale en coupe transversale selon la ligne Vil-Vil de la figure 6,
la figure 8 est une vue schématique en plan d'une variante de réalisation du module illustré sur la figure 6,
Si l'on se reporte tout d'abord à la figure 1, on voit donc illustré un dispositif photovaltaïque pouvant constituer une cellule élémentaire.
Comme représenté, ce dispositif comprend un substrat transparent isolant 1 sur lequel est disposée une couche formant électrode avant opaque 3, par exemple en métal, tel que de l'aluminium de l'argent ou du titane, puis une couche semi-conductrice de conversion photoélectrique, réalisée par exemple en silicium amorphe, en sulfure ou tellurure de cadmium..., par exemple à jonction n-i-p, et une couche conductrice transparente formant électrode arrière 7 surmontant la couche semi-conductrice 5.
Le sens de réception de la lumière incidente L a été repéré par les flèches 9.
On remarque que cette lumière L rencontre d'abord l'électrode transparente avant 7.
A des fins essentiellement de protection, cette électrode transparente 7 est recouverte d'une couche transparente 11, par exemple en résine neutre à la lumière naturelle, telle qu'une couche d'Ethyl Vynil Acétate (EVA).
De façon avantageuse, le substrat transparent 1 sera réalisé en verre, avec pour avantage d'utilisé un produit relativement peu coûteux, très passif, inerte du point de vue des couleurs, et présentant une des meilleures barrières à la pénètration de la corrosion.
Sur la figure 2, on a illustré un autre dispositif photovaltaïque qui reprend la structure de la cellule de la figure 1 à laquelle on a adjoint, par-dessus la couche protectrice transparente 11 (c'est-à-dire du côté de sa face opposée à l'électrode arrière 7), un second support ou plaque transparent(e)e 13, de préférence en verre, pouvant être trempé.
Bien entendu, on aura compris que dans ce cas la lumière incidente L traverse tout d'abord ce second support transparent 13.
Avec une telle structure, on va pouvoir obtenir un dispositif photovaltaïque à la fois performant électriquement et présentant une résistance tant mécanique qu'à la corrosion particulièrement intéressante.
En relation avec cet aspect mécanique, il doit être clair que les épaisseurs des différents éléments constituant le dispositif n'ont pas été respectées, les plaques de verre 1 et 13 étant beaucoup plus épaisses que les couches photoactives 3, 5, 7.
Il en va de même pour la couche de résine transparente 11.
Comme cela a déjà été mentionné, les structures des figures 1 et 2 sont tout particulièrement adaptées à l'obtention d'un dispositif photovoltaïque à transparence partielle dont un exemple de réalisation a été illustré à la figure 3.
Sur cette figure, on remarquera que des passages 15 ont été ménagés à travers toute l'épaisseur de l'électrode opaque 3 de manière que celle-ci, de même que l'ensemble de dispositif, puisse être traversé en ces endroits par la lumière.
Comme on le comprend clairement au vu des figures 3 et 4, l'électrode avant 3 est en l'espèce réalisé sous la forme d'une série de bandes 19a, 19b, 19c, 19d (figure 4) en matière électriquement conductrice s'étendant continûment d'un côté 17a de la cellule jusqu'à un second côté 17b opposé au premier, une bande étant continûment séparée de la bande voisine par un espace transparent continu 15a, 15b et 15c formé à travers toute l'épaisseur de l'électrode 3 et débouchant longitudinalement, de part et d'autre, sur les premier et second côtés 17a, 17b de la cellule.
En particulier si les espaces transparents continus 15a, 15b sont rectilignes et parallèles (voir figure 4), on va pouvoir ainsi assurer entre les côtés 17a, 17b, une circulation de courant dans les bandes sensiblement parallèles à la direction longitudinale 21 de chaque espace isolant, comme schématisé par les flèches 21a, ceci bien entendu en combinaison avec un passage de lumière à travers toute la cellule dans les deux sens, comme représenté sur la figure 3.
La variante de la réalisation de la figure 5 reprend globalement la même architecture, avec dans l'ordre, le substrat transparent 1, l'électrode avant opaque 3, la couche semi-conductrice de conversion photoélectrique 5, l'électrode transparente arrière 7 et la couche de protection transparente et isolante 11 et le second "support" transparent 13.
Dans cette variante de la figure 5, les espaces transparents continus 15a, 15b... ont été formés, non seulement à travers l'électrode avant 3, mais également à travers la couche semi-conductrice 5 et l'électrode arrière transparente 7. On notera que la couche de résine 11 peut alors remplir les espaces en question.
On notera qu'avec des cellules comprenant de tels espaces transparents isolant continûment en bandes certaines couches de la cellule, l'effet n'est pas tant de laisser passer la lumière incidente à travers ces espaces ou passages que de permettre à une personne de pouvoir voir distinctement une forme à travers, notamment en sens inverse (flèche 14 des figures 3 et 5).
En pratique, on peut raisonnablement estimer que pour qu'une image puisse être vue par un oeil humain dans tous ces détails, sans réduire excessivement le rendement électrique de la cellule, la largeur 11 des bandes 19a, 19b... ne devra pas excéder, au moins sur la partie centrale active de la cellule, environ 2 à 2,5 mm. Cette largeur 1 #vra donc etre inférieureou de l'ordre de 2 mm, la largeur 12 des espaces transparents 15a, .5.... étant alors adaptée aux exigences de rendement électrique et de vision. La répartition des espaces et bandes sera de préférence sensiblement régulière.
Reportons-nous maintenant aux figures 6 et suivantes pour voir illustré dans son ensemble un module photovoltaïque constitué d'une série de cellules solaires du type par exemple de celles de la figure 3, connectées en série à la suite les unes des autres.
Sur la figure 6, on a illustré schématiquement et partiellement une vue en plan d'une première variante de réalisation d'un tel module comprenant en l'espèce quatre cellules solaires élémentaires 10, 20, 30, 40 en couches minces reliées latéralement deux à deux, sur leurs côtés latéraux, tels que 17a, 17b pour la cellule 20, par des bandes d'interconnexion série 23.
Plusieurs techniques peuvent être utilisées. Le brevet US-A-4 243 432 décrit une possibilité dont le principe a été illustré sur la figure 7 où l'on peut voir une bande d'interconnexion 23 constituée de trois zones parallèles et sensiblement adjacentes : une zone 25 d'interruption de l'électrode avant 3 où la couche de conversion photoélectrique 5 d'une cellule vient directement au contact du substrat 1, une zone de percement ou d'interruption 27 de cette même couche semi-conductrice 5 où l'électrode arrière 7 vient directement au contact de l'électrode avant 3 d'une cellule voisine, puis une autre zone d'interruption 29 de l'électrode arrière 7 (On notera que les couches 11 et 13 ont été enlevées).
En pratique, une manière aisée de réaliser un module par interconnexion de cellules en intégrant la semitransparence (en bandes) de l'invention, pourra consister à orienter les bandes 19a, 19b.... de chaque cellule élémentaire sensiblement perpendiculairement à la direction des bandes 23 d'interconnexion série en découpant (par exemple par photolithogravure avec enlèvement de matière) les espaces transparents isolants 15a, 15b, de séparation de ces bandes à travers la ou les couche(s) mince(s) considérée(s), ceci sous toute la longueur du module (comme illustré sur la figure 6). Il suffira ensuite de reconnecter toutes les bandes sur les côtés latéraux opposés du module, au niveau des zones de reprise de contact repérées 31, 33 sur la figure 6.
Cette technique ne présente aucune difficulté réelle, sauf si la réalisation des espaces transparents 15a, 15b interfère avec la formation des bandes d'interconnexion série 23, à l'endroit de leurs intersections, telles que repérées 35 sur la figure 6.
En particulier en cas d'interférence, on peut alors recourir par exemple à la géométrie de la figure 8 où les espaces transparents sont, par lignes, interrompus et se présentent sous la forme de tronçons repérés pour certains 15ale 15a2. . . .15a4, 15bl .. . .15b4, les interruptions se situant aux endroits des bandes d'interconnexion 23, la largeur l'entre deux espaces voisins d'une même ligne pouvant être sensiblement égale à, ou de l'ordre de, la largeur 1 de la bande d'interconnexion 23 correspondante (largeurs de l'ordre de 0,5 à 2 mm en général).
Ainsi, chaque cellule élémentaire présentera, en plan, l'aspect de celle de la figure 1, (au nombre d'espaces transparents près).
Comme on l'a compris, la géométrie "en bandes" des cellules et modules, fera apparaître la semi-transparence comme issue d'un réseau de lignes transparentes.
A titre de précision supplémentaire, on notera que si des passages (orifices, rayures...) de forme autre que lesdits espaces transparents 15a, 15b... étaient prévus, la distance entre deux passages voisins devrait également être inférieure ou égale à 2 ou 2,5 mm environ, pour obtenir une vision nette à travers la cellule ou le module considérée, de façon avantageuse en combinaison avec une répartition régulière de ces passages transparents sur la surface active de la cellule.

Claims (10)

REVENDICATIONS
1. Dispositif photovoltaïque comprenant
un substrat- support transparent (1),
une couche métallique opaque (3) formant électrode avant disposée sur le substrat support,
une couche semi-conductrice (5) de conversion photoélectrique disposée sur l'électrode avant, et
une couche formant électrode arrière transparente (7) disposée sur la couche semi-conductrice.
2. Dispositif selon la revendication 1 comprenant en outre une couche transparente de protection (11) formée sur l'électrode arrière transparente (7) et recevant en premier la lumière incidente (L).
3. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que le substrat-support (1) est en verre et une plaque transparente en verre (13) est disposée sur la couche transparente de protection (11).
4. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce que la plaque transparente (13) est en verre trempé pour accroître la résistance mécanique du dispositif.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que des passages (15) sont formés à travers l'électrode avant opaque (3) pour laisser passer la lumière à travers cette électrode et à travers tout le dispositif.
6. Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que la couche formant électrode avant (3) une série de bandes de matière électriquement conductrice (19a, 19b...) s'étendant continûment d'un premier côté (17a) du dispositif jusqu'à un second côté (17b) opposé au premier, une bande étant continûment séparée d'une bande voisine par un espace transparent continu (15a, 15b...) formé au moins à travers ladite électrode avant (3) et débouchant longitudinalement, de part et d'autre, sur lesdits premier et second côtés (17a, 17b) du dispositif, pour assurer entre ces mêmes côtés et dans lesdites bandes de matière une circulation de courant sensiblement parallèle à la direction longitudinale (21) des espaces, lesquels forment lesdits passages de circulation de lumière à travers le dispositif.
7. Dispositif selon la revendication 5 ou la revendication 6 caractérisé en ce que lesdits passages (15) sont sensiblement régulièrement répartis, la distance (11) entre deux passages voisins étant inférieure ou égale à 2 mm environ pour qu'un oeil humain puisse voir sensiblement distinctement à travers le dispositif.
8. Module solaire comprenant plusieurs dispositifs photovoltaïques (10, 20...) reliés électriquement en série à l'endroit de bandes d'interconnexion série (23), ces dispositifs étant formés sur au moins un substrat (1) transparent électriquement isolant, chaque dispositif comprenant
- une couche opaque (3) formant électrode avant disposée sur ledit substrat (1),
- une couche semi-conductrice de conversion photoélectrique (5) formée sur ladite électrode avant,
- une couche formant électrode arrière (7) transparente formée sur ladite couche semi-conductrice,
- la couche opaque formant électrode avant (3) présentant une série de bandes de matière électriquement conductrice (19a, 19b..) s'étendant continûment d'un premier côté (17a) des dispositifs jusqu'à un second côté (17b) opposé au premier, une bande étant continûment séparée d'une bande voisine par un espace transparent continu (15a, 15b...) formé au moins à travers ladite électrode avant (3) et débouchant longitudinalement, de part et d'autre, sur lesdits premier et second côtés (17a, 17b) opposés, pour assurer entre ces mêmes côtés et dans lesdites bandes de matière une circulation de courant sensiblement parallèle à la direction longitudinale (21) des espaces, avec un passage de lumière à travers le module, lesdites bandes d'interconnexion série (23) intersectant, ou bordant sur l'un au moins de leurs côtés opposés (17a, 17b), lesdits espaces (15a, 15b...) de deux dispositifs voisins.
9. Module selon la revendication a caractérisé en ce que les espaces transparents continus (15a, l5b#..) de deux dispositifs voisins communiquent entre eux deux à deux.
10. Module selon la revendication 8 ou la revendication 9 caractérisé en ce que la largeur (11) desdites bandes de matière (19a, l9b) est inférieure ou égale à 2 mm environ.
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