FR2673329A1 - Cellule et module photovoltauiques a transparence partielle. - Google Patents

Abstract

L'invention concerne une cellule photovoltaïque comprenant un substrat isolant transparent (1), une couche formant électrode avant transparente (3), une couche semiconductrice de conversion photoélectrique (5) et une couche formant électrode arrière (7). L'électrode arrière (7) présente une série de bandes conductrice (7a, 7b...) s'étendant continûment d'un premier côté (10a) de la cellule jusqu'à un second côté (10b) opposé au premier, une bande étant séparée d'une bande voisine par un espace transparent continu (11a, 11b...) formé au moins à travers cette électrode et débouchant sur lesdits premier et second côtés opposés de la cellule, pour assurer dans lesdites bandes de matière une circulation de courant parallèle à la direction des espaces, avec un passage de lumière a travers la cellule. Application aux modules solaires en couches minces.

Description

L'invention se rapporte aux modules et cellules photovoltaïques en couches minces, et plus particulièrement à de telles structures ayant une caractéristique de semitransparence, 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 à travers.

Bien entendu, ce second concept est largement 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. Par cette semitransparence ou transparence partielle, on peut ainsi améliorer le confort des personnes.

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 bateau 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 semi-transparence, 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.

Plus précisément, l'invention propose, sur une structure classique de cellule photovoltaïque, comprenant donc un substrat transparent, une électrode avant transparente, une couche semi-conductrice puis une électrode arrière, de conformer l'électrode "arrière" 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 de l'électrode arrière limite largement l'augmentation de la résistance en série de cette électrode, compte tenu de la présence des zones isolantes.

Et de toutes façons, avec une telle structure, les pertes relatives d'énergie photoélectrique restent celles d'un module conventionnel opaque (à l'inverse du cas où la transparence partielle est obtenue par des réseaux de trous).

On notera également que la probabilité de défauts aux frontières des zones transparentes est limitée.

A partir d'une telle cellule élémentaire, 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.

Il est clair que les avantages inhérents aux cellules élémentaires se retrouvent sur le module solaire complet.

Selon une variante de réalisation qui est apparue très performante, le module de l'invention pourra de surcroît comprendre des espaces transparents complémentaires s'étendant transversalement auxdits espaces transparents précités des cellules élémentaires, le long de certains au moins des bandes d'interconnexion série, ces espaces transparents complémentaires étant formés, dans le sens de l'épaisseur du module, à travers (au moins) la couche semi-conductrice et dans la continuité d'un autre espace formé à travers l'électrode arrière pour la liaison en série des cellules.

Eventuellement, ces espaces transparents isolants "complémentaires" pourraient même être substitués à certaines au moins des espaces transparents précités des cellules élémentaires.

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 assez précisément une forme à travers, la largeur des bandes de matière séparées par lesdits espaces transparents étant alors de l'ordre de 2 mm.

Le taux de transparence devra être sensiblement constant sur toute la surface de la cellule ou du module pour que l'on obtienne une restitution fidèle de l'image vue.

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 plan d'une cellule photovoltaïque élémentaire conforme à l'invention,
- la figure 2 est une vue schématique en coupe selon la ligne Il-Il de la figure 1 (vue partielle rabattue),
- la figure 3 est une vue en coupe selon la ligne III-III de la figure 1,
- la figure 4 est une vue d'une variante de réalisation de la cellule de la figure 1 suivant une vue en coupe comparable à celle de la figure 2,
- la figure 5 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 6 est une vue locale en coupe transversale selon la ligne VI-VI de la figure 5,
- les figures 7 et 8 sont deux vues schématiques en plan de deux variantes de réalisation du module illustré sur la figure 5,
- la figure 9 est une vue locale schématique en coupe transversale selon la ligne IX-IX de la figure 8,
- et la figure 10 est une vue schématique en plan d'une autre variante de réalisation d'un module solaire conforme à l'invention.

Sur les figures 1 à 3 est donc illustrée une cellule photovoltaïque en couches minces à travers laquelle on puisse voir, conformément en cela à l'approche classique des panneaux à transparence partielle (persienne, heaume, treillis) ne se laissant traverser que partiellement par la lumière incidente.

En relation avec la cellule illustrée sur ces figures, la lumière incidente L est reçue tout d'abord par un substrat isolant transparent 1 par exemple en verre ou en polymère transparent.

Du côté opposé à la surface réceptrice la du substrat sont successivement formées une couche 3 transparente formant électrode avant réalisée en oxyde transparent conducteur (TCO), puis une couche semiconductrice 5 de conversion photoélectrique, réalisée par exemple en silicium amorphe, en sulfure ou tellurure de cadmium....par exemple à jonction p-i-n, et une couche formant électrode arrière 7 réalisée au moins partiellement en métal, tel que de l'aluminium, de l'argent, du titane....

En l'espèce, l'électrode arrière 7 est opaque.

Et une couche supplémentaire transparente isolante de protection 9, telle qu'une résine, a été adjointe à la cellule, à la suite de l'électrode arrière 7, en particulier pour protéger les couches minces 3, 5, 7 de cette cellule. Une telle structure de cellule est assez classique. A toutes fins utiles, on en trouvera une description tout à fait détaillée dans la demande de brevet français FR-A-2 646 560.

Pour assurer la transparence partielle de la cellule, l'électrode arrière 7 est en l'espèce réalisée sous la forme d'une série de bandes 7a, 7b, 7c, 7d, (figure 2) en matière électrique conductrice s'étendant continûment d'un premier côté 10a de la cellule jusqu'à un second côté 10b opposé au premier, une bande étant continûment séparée ou isolée de la bande voisine par un espace transparent continu lla, llb, llc formé à travers toute l'épaisseur de l'électrode arrière 7 et débouchant longitudinalement, de part et d'autre, sur les premier et second côtés 10a et 10b de la cellule.

En particulier si les espaces transparents continus lla, llb, llc sont rectilignes et parallèles (voir figure 1), on va pouvoir ainsi assurer entre les côtés 10a, 10b, une circulation de courant dans les bandes sensiblement parallèle à la direction longitudinale 13 de chaque espace isolant, comme schématisé par les flèches 13a, ceci bien entendu en combinaison avec un passage de lumière à travers toute la cellule, comme représenté sur la figure 2.

Sur la figure 3, il apparaît tout à fait clairement qu'à l'endroit d'un espace transparent, la couche transparente de protection 9 pourrait venir sur toute la longueur de la cellule entre ses côtés opposés 10a et 10b, directement au contact de la couche semiconductrice 5p par remplissage desdits espaces îîa, lob....

La variante de la réalisation de la figure 4 reprend globalement la même architecture, avec dans l'ordre, le substrat transparent 1, l'électrode avant transparente 3, la couche semi-conductrice de conversion photoélectrique 5, l'électrode métallique arrière 7 et la couche de protection transparente et isolante arrière 9.

Dans cette variante, une feuille transparente isolante de protection 14 a été de surcroît disposée sur la couche 9 du côté opposé à l'électrode arrière 7. Cette feuille supplémentaire peut être réalisée par exemple en verre, en polyméthyl métacrylate ou équivalent.

Une autre particularité de la variante de réalisation de la figure 4 est que les espaces transparents continus lla, llb, llc... ont en l'espèce été formés, non seulement à travers l'électrode arrière 7, mais également à travers la couche semi-conductrice 5, ces mêmes espaces pouvant être remplis par la couche isolante 9, de préférence neutre du point de vue des couleurs.

Bien entendu, ce percement local continu, de bout en bout, de la couche semi-conductrice 5 pourrait s'appliquer à la structure des figures 1 à 3. On pourrait imaginer un enlèvement comparable de matière (par bandes) de l'électrode avant transparente 3.

On notera qu'avec des cellules comprenant de tels espaces transparents séparant 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 (flèches 12 des figures 2 et 4).

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 7a, 7b... ne devra pas excéder, au moins sur la partie centrale active de la cellule, environ 2 à 2,5 mm.

Cette largeur 11 devra donc être inférieure ou de l'ordre de 2 mm, la largeur 12 des espaces transparents lla, ..... étant alors adaptée en fonction des exigences de rendement électrique et de vision. La répartition des espaces et bandes sera de préférence sensiblement régulière.

Reportons-nous maintenant aux figures 5 et suivantes pour voir illustré dans son ensemble un module photovoltaïque constitué d'une série de cellules solaires du type de celles des figures 1 à 4, connectées en série à la suite les unes des autres.

Sur la figure 5, 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 10a, 10b pour la cellule 20, par des bandes d'interconnexion série 15.

Plusieurs techniques peuvent être utilisées. Le brevet US-A-4 243 432 décrit une possibilité dont le principe a été illustré sur la figure 6 où l'on peut voir une bande d'interconnexion 15 constituée de trois zones parallèles et sensiblement adjacentes : une zone 17 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 19 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 21 de l'électrode arrière 7.

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 7a, 7b.... de chaque cellule élémentaire sensiblement perpendiculairement à la direction des bandes 15 d'interconnexion série en découpant (par exemple par gravure avec enlèvement de matière) les espaces transparents pila, llb, 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 les figures 5 et 8). Il suffira ensuite de reconnecter toutes les bandes sur les côtés latéraux opposés du module, au niveau des zones de reprise de contact repérées 25, 27 sur la figure 5.

Cette technique ne présente aucune difficulté réelle, sauf si la réalisation des espaces transparents lla, llb interfère avec la formation des bandes d'interconnexion série 15, à l'endroit de leurs intersections, telles que repérées 29 sur les figures 5 et 8.

En particulier en cas d'interférence, on peut alors recourir par exemple à la géométrie de la figure 7 où les espaces transparents sont, par lignes, interrompus et se présentent sous la forme de tronçons repérés pour certains llal, lla2. . . . 11a4, llbl ... .lob4, les interruptions se situant aux endroits des bandes d'interconnexion 15, la largeur l'entre deux espaces voisins d'une même ligne pouvant être sensiblement égale à, ou de l'ordre de, à la largeur 1 de la bande d'interconnexion 15 correspondante (largeurs de l'ordre de 0,5 à 2mm en général).

Bien entendu, ces caractéristiques valent également pour la variante de réalisation de la figure 10 ou l'on retrouve une réalisation par tronçons en lignes des espaces intermédiaires isolants transparents lla1,. ..lla4.

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 semitransparence comme issue d'un réseau de lignes transparentes. Il est même possible d'imaginer d'augmenter le taux de cette semi-transparence en créant le long de toute ou partie des bandes d'interconnexion série des espaces transparents complémentaires repérés 31 aux figures 8 et 10, s'étendant transversalement (et notamment perpendiculairement) aux espaces "élémentaires" lla, ils.... La réalisation de ces espaces complémentaires 31 est illustrée sur la figure 9 où il apparaît que dans le jeu des trois rayures ou interruptions 17, 19, 21, la coupure 21 de l'électrode arrière 7 peut devenir transparente, à condition que la coupure 31 soient faite à travers la couche mince semi-conductrice 5, ceci dans la verticale (ou plus généralement dans la continuité) de la coupure 21. On remarquera que cette géométrie n'affecte en rien le transport du photocourant qui, au niveau des coupures 21, 31 passe entièrement par la couche formant l'électrode avant 3, comme repéré par la flèche 33. Il va de soi que, si pour les espaces transparents interbandes lla, lob...., la semi-transparence pouvait être obtenue non seulement par l'absence de la couche semi-conductrice 5 et de l'électrode arrière 7, mais aussi, facultativement, par l'absence de la couche électrode avant 3, cette dernière option est impossible dans le cas où l'on réalise les découpes complémentaires transparentes 31.

Dans le cas où la formation des espaces transparents isolants lla, ..... ne pose pas de problème à l'endroit du croisement avec les bandes d'interconnexion série 15, la structure du module peut devenir celle illustrée sur la figure 8, cette structure se présentant alors comme un réseau croisé de lignes et colonnes.transparentes croisées.

Il peut toutefois arriver que le croisement des lignes transparents lla, ils... avec les bandes d'interconnexion 15 soit malgré tout techniquement délicat à réaliser notamment au niveau des rayures 17, 19 et/ou 21.

On peut alors combiner, comme illustré sur la figure 10, le concept de réalisation illustré sur la figure 7 (où les lignes d'espaces transparents llal...llb4 sont interrompues sur toute ou partie de la largeur des bandes d'interconnexion 15) avec le concept de la figure 9 où les colonnes transparentes isolantes 31 se trouvent placées à l'intérieur, ou en bordure latérale (c'est-à-dire à la frontière) des bandes d'interconnexion série 15.

Pour une homogénéité de la semi-transparence, on pourra chercher à réaliser des espaces transparents complémentaires 31 d'une largeur (13) sensiblement égale, ou légèrement inférieure, à la largeur 1' (ou à la largeur des zones d'interconnexion 15) multipliée par le taux de transparence A du module, ctest-à-dire le rapport entre la largeur moyenne des zones transparentes et la somme des largeurs moyennes de ces mêmes zones et des parties opaques qui les séparent.

Claims (8)

REVENDICATIONS

1. - Cellule photovoltaïque élémentaire comprenant

- un substrat isolant transparent (1),

- une couche formant électrode avant transparente (3) formée sur le substrat,

- une couche semi-conductrice de conversion photoélectrique (5) formée sur ladite électrode avant,

- une couche formant électrode arrière (7) formée sur ladite couche semi-conductrice, caractérisée en ce que la couche formant électrode arrière (7) présente une série de bandes de matière électriquement conductrice (7a, 7b..) s'étendant continûment d'un premier côté (l0a) de la cellule jusqu'à un second côté (lob) opposé au premier, une bande étant continûment séparée d'une bande voisine par un espace transparent continu (lla, lob...) formé au moins à travers ladite électrode arrière (7) et débouchant longitudinalement, de part et d'autre, sur lesdits premier et second côtés (10a, lOb) opposés de la cellule, pour assurer entre ces mêmes côtés et dans les bandes de matière de l'électrode arrière une circulation de courant sensiblement parallèle à la direction longitudinale (13) des espaces, avec un passage de lumière à travers la cellule.

2. - Cellule selon la revendication 1 caractérisée en ce que les espaces transparents (lla, lob...) de séparation des bandes de matière (7a, 7b...) sont sensiblement rectilignes et s'étendent sensiblement parallèlement les uns aux autres et aux lignes de courant (13a) photogénérées circulant dans les couches électrodes (3, 7) de la cellule.

3. - Cellule selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisée en ce que les bandes de matière (7a, 7b...) sont sensiblement régulièrement réparties et présentent une largeur (11) inférieure ou égale à 2 mm environ pour qu'un oeil humain puisse voir sensiblement distinctement à travers la cellule.

4. - Cellule selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que lesdits espaces isolants transparents continus (lla, lob...) s'étendent à travers la couche semi-conductrice (5).

5. - Module solaire comprenant plusieurs cellules photovoltaïques (10, 20...) reliées électriquement en série à l'endroit de bandes d'interconnexion série (15), ces cellules étant formées sur au moins un substrat (1) transparent électriquement isolant, chaque cellule comprenant

- une couche (3) formant électrode avant transparente formée sur ledit substrat (1),

- une couche semi-conductrice de conversion photoélectrique (5) formée sur ladite électrode avant,

- une couche formant électrode arrière (7) formée sur ladite couche semi-conductrice, caractérisé en ce que la couche formant électrode arrière (7) présente une série de bandes de matière électriquement conductrice (7a, 7b..) s'étendant continûment d'un premier côté (loua) des cellules jusqu'à un second côté (lOb) opposé au premier, une bande étant continûment séparée d'une bande voisine par un espace transparent continu (lia, il...) formé au moins à travers ladite électrode arrière (7) et débouchant longitudinalement, de part et d'autre, sur lesdits premier et second côtés (loua, lOb) opposés des cellules, pour assurer entre ces mêmes côtés et dans les bandes de matière de l'électrode arrière une circulation de courant sensiblement parallèle à la direction longitudinale (13) de chaque espace, avec un passage de lumière à travers le module, lesdites bandes d'interconnexion série (15) intersectant, ou bordant sur l'un au moins de leurs côtés opposés (lOa, lOb), lesdits espaces (lla, llb...) de deux cellules voisines.

6. - Module selon la revendication 5 caractérisé en ce que les espaces transparents continus (lia, lob...) de deux cellules élémentaires voisines communiquent entre eux deux à deux.

7. - Module selon la revendication 5 ou la revendication 6 caractérisé en ce qu'il comprend également des espaces transparents complémentaires continus (31) s'étendant transversalement auxdits espaces transparents (pila, lob...) des cellules élémentaires, le long de certaines au moins des bandes d'interconnexion série (15), ces espaces transparents complémentaires étant formés dans le sens de l'épaisseur du module, à travers ladite couche semi-conductrice (5), dans la continuité d'un autre espace (21) formé à travers l'électrode arrière (7) pour la liaison en série des cellules.

8. - Module selon la revendication 7 caractérisé en ce que, lesdits espaces transparents (ils...) étant séparés, par lignes, aux endroits des bandes d'interconnexion série (15), la largeur (13) des espaces transparents complémentaires (31) est sensiblement égale au produit de la largeur moyenne (1') séparant deux espaces transparents (plan, lia2...) voisins d'une même ligne par le taux de transparence (A) du module.