FR2955207A1 - Dispositif collecteur de rayonnement - Google Patents
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Abstract
Ce dispositif collecteur de rayonnement (20) comprend au moins un élément collecteur de rayonnement (30) et une couche de diffusion (2) agencée, par rapport à l'élément (30), du côté d'incidence du rayonnement sur le dispositif. La couche de diffusion (2) comporte une structure fibreuse transparente (3) et un milieu transparent (4) d'encapsulation des fibres de la structure fibreuse, la valeur absolue de la différence entre l'indice de réfraction des fibres de la structure fibreuse et l'indice de réfraction du milieu d'encapsulation étant supérieure ou égale à 0,05.
Description
1 DISPOSITIF COLLECTEUR DE RAYONNEMENT
La présente invention a trait à un dispositif collecteur de rayonnement, tel qu'un module photovoltaïque. La présente invention a également trait à un couvercle pour un élément collecteur de rayonnement, notamment pour une cellule photovoltaïque. De manière connue, un module photovoltaïque comprend, en tant qu'élément collecteur de rayonnement, au moins une cellule photovoltaïque propre à convertir l'énergie issue d'un rayonnement en énergie électrique. Une cellule photovoltaïque comprend classiquement un matériau propre à assurer la conversion d'énergie et deux contacts électriquement conducteurs, ou électrodes, de part et d'autre de ce matériau. L'électrode avant d'une cellule photovoltaïque, destinée à être disposée du côté d'incidence du rayonnement sur la cellule, peut notamment être formée à base d'une couche d'oxyde conducteur transparent (Transparent Conductive Oxyde ou TCO), ou à base d'une couche métallique transparente (Transparent Conductive Coating ou TCC). Cette électrode avant est classiquement associée à un substrat avant du module photovoltaïque, ou substrat à fonction verrière, qui assure une protection mécanique des cellules photovoltaïques, tout en permettant une bonne transmission de rayonnement vers les cellules. Le rendement de conversion énergétique d'un module photovoltaïque est directement influencé par la quantité de rayonnement qui atteint le matériau de conversion d'énergie de chaque cellule photovoltaïque. Il convient donc, pour améliorer ce rendement, de maximiser le pourcentage du rayonnement incident sur le module qui parvient jusqu'au matériau de conversion d'énergie. Pour ce faire, une première stratégie connue consiste à améliorer les propriétés de transmission du substrat avant, en texturant au moins sa face avant, destinée à être disposée du côté d'incidence du rayonnement sur le module photovoltaïque, de manière à limiter la réflexion du rayonnement incident sur le module à l'interface entre l'air et le substrat avant. Une autre stratégie connue consiste, lorsque le module comprend des cellules photovoltaïques dont l'électrode avant est formée à base d'une couche de TCO, à doter cette couche de TCO d'une microtexturation sur sa face opposée au substrat avant. Grâce à cette microtexturation, la couche de TCO assure un piégeage du rayonnement incident, ce qui augmente la probabilité d'absorption de rayonnement par le matériau de conversion d'énergie de la cellule. Toutefois, les rendements de modules photovoltaïques intégrant de tels substrats avant texturés ou de telles couches de TCO microtexturées restent limités. C'est à ces inconvénients qu'entend plus particulièrement remédier l'invention en proposant un dispositif collecteur de rayonnement, notamment un module photovoltaïque, qui présente un rendement de conversion énergétique amélioré par rapport aux dispositifs de l'état de la technique.
A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif collecteur de rayonnement comprenant au moins un élément collecteur de rayonnement, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une couche de diffusion agencée, par rapport à l'élément collecteur, du côté d'incidence du rayonnement sur le dispositif, la couche de diffusion comportant une structure fibreuse transparente et un milieu transparent d'encapsulation des fibres de la structure fibreuse, la valeur absolue de la différence entre l'indice de réfraction des fibres de la structure fibreuse et l'indice de réfraction du milieu d'encapsulation étant supérieure ou égale à 0,05. Dans l'ensemble de cette demande, les valeurs numériques d'indices de réfraction sont données à 550 nm. Au sens de l'invention, le terme transparent renvoie à une transparence au moins dans les domaines de longueurs d'onde utiles pour les éléments collecteurs de rayonnement du dispositif. A titre d'exemple, dans le cas d'un module photovoltaïque comprenant des cellules photovoltaïques à base de silicium polycristallin, chaque structure ou milieu transparent est avantageusement transparent dans le domaine de longueurs d'onde comprises entre 400 nm et 1200 nm, qui sont les longueurs d'onde utiles pour ce type de cellule. On entend également par encapsulation des fibres de la structure fibreuse, le fait d'enrober au moins une partie des fibres de la structure fibreuse. Ainsi, il existe dans la couche de diffusion des interfaces entre le matériau des fibres et le matériau du milieu d'encapsulation.
La couche de diffusion est positionnée, par rapport à l'élément collecteur, du côté d'incidence du rayonnement sur le dispositif, c'est-à-dire à l'avant de l'élément collecteur. De manière conventionnelle, dans le cadre de l'invention, un sens arrière-avant d'un dispositif collecteur de rayonnement est un sens opposé au sens de propagation d'un rayonnement destiné à être collecté par le dispositif. Pour un module photovoltaïque conforme à l'invention, l'élément collecteur de rayonnement est une cellule photovoltaïque et la couche de diffusion est positionnée à l'avant de cette cellule. Grâce à la différence relativement importante entre l'indice de réfraction des fibres de la structure fibreuse et l'indice de réfraction du milieu d'encapsulation, la couche de diffusion est à même d'améliorer le guidage du rayonnement vers le matériau de conversion d'énergie de la cellule photovoltaïque, d'une part par un effet de piégeage du rayonnement, qui augmente la probabilité d'absorption du rayonnement par le matériau de conversion d'énergie de la cellule, et d'autre part par un effet de flou en angle, qui augmente la transmission des grands angles d'incidence du rayonnement. Il est ainsi possible, pour un module photovoltaïque conforme à l'invention et par rapport à un module de l'état de la technique ne comportant pas la couche de diffusion définie dans l'invention, soit d'augmenter le rendement de conversion énergétique du module pour une même épaisseur du matériau de conversion d'énergie, soit de conserver un même rendement de conversion énergétique en diminuant l'épaisseur du matériau de conversion d'énergie, c'est-à-dire en diminuant le coût du module.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le milieu d'encapsulation des fibres de la structure fibreuse est un matériau polymère. En particulier, le milieu d'encapsulation peut être formé par un intercalaire de feuilletage polymère, par exemple à base de polybutyral de vinyle (PVB), d'éthylène vinylacétate (EVA), de polyuréthane, d'un ionomère ou d'un adhésif à base de polyoléfine. En variante, le milieu d'encapsulation peut être formé par un substrat avant en polymère thermoplastique du dispositif collecteur. Des exemples de polymères thermoplastiques transparents appropriés comprennent, notamment, le polyéthylène téréphtalate (PET), le polyéthylène naphtalate (PEN), le polycarbonate, le polyuréthane, le polyméthacrylate de méthyle, les polyamides, les polyimides, les polymères fluorés tels que l'éthylène tétrafluoroéthylène (ETFE) et le polytétrafluoroéthylène (PTFE). Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la structure fibreuse comprend des fibres de verre et/ou des fibres polymères. Dans le cas de fibres de verre, le verre entrant dans la constitution des fibres peut être de tout type de verre fibrable, notamment le verre E. Dans le cas de fibres polymères, il peut s'agir notamment de fibres de polyester ou d'une polyoléfine telle que le polyéthylène et le polypropylène. De manière avantageuse, la structure fibreuse a une masse surfacique comprise entre 10 et 500 g/m2, de préférence entre 10 et 100 g/m2, et comprend des fibres de diamètre compris entre 1 et 20 micromètres, de préférence entre 5 et 15 micromètres. De préférence, la structure fibreuse a une épaisseur comprise entre 10 micromètres et 1 millimètre.
En pratique, les propriétés de flou et de transmission lumineuse de la couche de diffusion peuvent être ajustées en jouant sur un ou plusieurs paramètres parmi, notamment, la masse surfacique de la structure fibreuse, le diamètre des fibres de la structure fibreuse, la composition des fibres de la structure fibreuse, la composition du milieu d'encapsulation. Conformément à l'invention, la composition des fibres de la structure fibreuse et la composition du milieu d'encapsulation sont adaptées de telle sorte que la valeur absolue de la différence entre l'indice de réfraction des fibres de la structure fibreuse et l'indice de réfraction du milieu d'encapsulation est supérieure ou égale à 0,05. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la couche de diffusion a une transmission lumineuse totale supérieure ou égale à 80% et une valeur de flou supérieure ou égale à 40%. Dans cette demande, la transmission lumineuse totale d'un élément, qui comprend la transmission lumineuse directe et la transmission lumineuse diffuse, est déterminée selon la norme ISO 9050:2003. De plus, on entend par valeur de flou ("haze" en anglais) d'un élément, exprimée en pourcentage, une grandeur représentative de l'aptitude de cet élément à dévier un rayonnement. Dans cette demande, les valeurs de flou sont mesurées au hazemeter selon la norme ASTM D 1003.
La structure fibreuse peut être une structure non tissée ou une structure tissée. Dans un mode de réalisation avantageux, la structure fibreuse est un voile, ce qui assure une distribution aléatoire des fibres dans la couche de diffusion. De manière classique, on entend par voile un non-tissé constitué de filaments complètement dispersés. Avec un tel voile, les propriétés de la couche de diffusion, notamment en termes de flou et de transmission lumineuse, sont ainsi globalement homogènes. Un voile non tissé de fibres de verre contient généralement un liant, qui lie les fibres et confère au voile une rigidité suffisante pour pouvoir être manipulé facilement. Ce liant, qui comprend classiquement au moins un polymère apte à lier les fibres, est choisi transparent et peut être de tout type approprié connu de l'homme du métier. La présence de liant dans le voile peut être avantageuse pour la fabrication industrielle du dispositif collecteur de rayonnement selon l'invention, en facilitant la manipulation du voile. Toutefois, le liant ne doit recouvrir qu'une surface limitée des fibres de verre du voile, de telle sorte qu'un rayonnement traversant la couche de diffusion rencontre effectivement des interfaces entre les fibres et le milieu d'encapsulation. Pour une bonne mise en oeuvre de l'invention, le liant représente de préférence environ 5 à 30% en poids du voile de fibres de verre, encore de préférence 5 à 20%. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la couche de diffusion est agencée contre une électrode avant de l'élément collecteur de rayonnement. L'élément collecteur de rayonnement du dispositif peut être une cellule photovoltaïque.
Dans un mode de réalisation avantageux d'un dispositif collecteur de rayonnement selon l'invention, le dispositif comprend une première cellule photovoltaïque, dont le matériau absorbeur a un premier spectre d'absorption, et une deuxième cellule photovoltaïque, dont le matériau absorbeur a un deuxième spectre d'absorption au moins partiellement disjoint par rapport au premier spectre d'absorption, la couche de diffusion étant intercalée entre la première cellule photovoltaïque et la deuxième cellule photovoltaïque. L'invention a également pour objet un couvercle pour un élément collecteur de rayonnement, notamment pour une cellule photovoltaïque, ce couvercle comprenant un substrat transparent et une couche de diffusion, où la couche de diffusion comporte une structure fibreuse transparente et un milieu transparent d'encapsulation des fibres de la structure fibreuse, la valeur absolue de la différence entre l'indice de réfraction des fibres de la structure fibreuse et l'indice de réfraction du milieu d'encapsulation étant supérieure ou égale à 0,05. La couche de diffusion du couvercle peut être agencée contre une face du substrat. En variante, lorsque le substrat est en polymère thermoplastique, la couche de diffusion du couvercle peut être intégrée dans le substrat, avec au moins une partie du substrat qui forme le milieu d'encapsulation des fibres de la structure fibreuse. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui va suivre de trois modes de réalisation d'un dispositif collecteur de rayonnement selon l'invention, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une coupe transversale schématique d'un module solaire photovoltaïque conforme à un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une coupe analogue à la figure 1 pour un module solaire photovoltaïque conforme à un deuxième mode de réalisation de l'invention ; et - la figure 3 est une coupe analogue à la figure 1 pour un module solaire photovoltaïque conforme à un troisième mode de réalisation de l'invention. Le module solaire photovoltaïque 20 représenté sur la figure 1 comprend une cellule photovoltaïque 30 constituée à partir de "wafers" ou galettes de silicium polycristallin formant une jonction p/n. Comme visible sur la figure 1, le module 20 comprend un substrat avant 1 à fonction verrière et un substrat arrière 8 à fonction support. Le substrat avant 1, destiné à être agencé du côté d'incidence du rayonnement solaire sur le module 20, peut notamment être constitué en un verre transparent extra-clair, à très faible teneur en oxydes de fer, ou en un polymère thermoplastique transparent.
Le substrat arrière 8 est constitué en tout matériau approprié, transparent ou non, et porte, sur sa face dirigée vers l'intérieur du module 20, c'est-à-dire du côté d'incidence du rayonnement solaire sur le module, une couche 7 électriquement conductrice qui forme une électrode arrière de la cellule photovoltaïque 30. A titre d'exemple, la couche 7 est une couche métallique, notamment en argent ou en aluminium. La couche 7 formant électrode arrière est surmontée, de manière classique, par un wafer 6 en silicium polycristallin, propre à assurer la conversion de l'énergie solaire en énergie électrique. Le wafer 6 est lui-même surmonté par une couche 5 transparente et électriquement conductrice qui forme une électrode avant de la cellule 30. La cellule photovoltaïque 30 est ainsi formée par l'empilement des couches 5, 6 et 7. Dans cet exemple, la couche 5 formant électrode avant de la cellule 30 est une couche à base d'oxyde de zinc dopé à l'aluminium (AZO). En variante, la couche 5 peut être une couche à base d'un autre oxyde conducteur transparent (TCO) dopé, ou une couche métallique transparente (TCC) telle qu'un empilement à base d'argent. Une couche de diffusion 2 est positionnée entre la couche 5 formant électrode avant et le substrat avant 1. Cette couche de diffusion 2 comporte un voile transparent 3 de fibres de verre de type E, dont l'indice de réfraction n3 est de l'ordre de 1,57, et une matrice transparente 4 en PVB, dont l'indice de réfraction n4 est de l'ordre de 1,48, qui encapsule le voile 3. Ainsi, la différence d'indice de réfraction entre les fibres du voile 3 et la matrice 4 est de l'ordre de 0,09. Un exemple de voile de fibres de verre susceptible d'être utilisé pour le voile 3 est un voile du type U50 commercialisé par Saint-Gobain Technical Fabrics, qui présente un grammage, ou masse surfacique, de 50 g/m2. Tel que représenté schématiquement sur la figure 1, la matrice polymère 4 encapsule le voile 3 en ayant sensiblement la même épaisseur que celui-ci.
Toutefois, la matrice polymère 4 peut présenter une épaisseur supérieure à l'épaisseur du voile 3, le voile 3 étant alors encapsulé dans une partie seulement de la matrice polymère 4. Grâce à la différence d'indice de réfraction relativement importante entre les fibres du voile 3 et la matrice d'encapsulation 4, il se produit une forte diffusion de rayonnement à l'interface entre les fibres du voile et la matrice, ce qui se traduit par une valeur de flou élevée de la couche de diffusion 2. La couche de diffusion 2 présente ainsi à la fois une valeur de flou élevée, supérieure à 40%, et une transmission lumineuse totale également élevée, supérieure à 80%. En pratique, les propriétés de flou et de transmission lumineuse de la couche de diffusion 2 peuvent être ajustées en jouant sur un ou plusieurs paramètres parmi, notamment, le grammage du voile 3, le diamètre des fibres du voile 3, la composition des fibres du voile 3, la composition de la matrice polymère 4, de manière à obtenir une couche de diffusion 2 qui réalise un compromis avantageux entre flou et transmission lumineuse. Le flou élevé de la couche de diffusion 2 agencée à l'avant de la cellule photovoltaïque 30 favorise l'absorption d'un pourcentage élevé du rayonnement incident sur le module par le matériau de conversion d'énergie 6, selon deux effets principaux. Le premier effet est un piégeage du rayonnement, ou "light trapping", grâce à la couche de diffusion 2. En effet, du fait de la forte diffusion à l'interface entre les fibres du voile 3 et la matrice 4, le trajet optique du rayonnement dans la couche 2 et les couches sous-jacentes 5, 6 est allongé, ce qui augmente la probabilité d'absorption du rayonnement par le matériau semi-conducteur photovoltaïque du wafer 6 positionné à l'arrière de la couche 2. La couche de diffusion 2 fonctionne ainsi d'une certaine manière comme un guide, qui maintient et dirige le rayonnement à l'intérieur du module 20, jusqu'à ce qu'il soit absorbé par le matériau de conversion d'énergie 6.
Le deuxième effet, dit de "flou en angle", correspond à une diminution de la réflexion, pour les grands angles d'incidence du rayonnement, à l'interface entre la couche de diffusion 2 et la couche sous-jacente du module, qui est l'électrode avant 5 dans ce premier mode de réalisation. Par diffusion à l'interface entre les fibres du voile 3 et la matrice 4, les rayons d'angles d'incidence élevés sur le module 20 sont "redressés" à l'intérieur de la couche de diffusion 2, de sorte qu'ils rencontrent la couche sous-jacente 5 du module avec des angles d'incidence plus faibles. Comme le domaine des angles d'incidence élevés, proches de 90°, favorise la réflexion à l'interface entre la couche de diffusion 2 et la couche sous-jacente 5, le redressement des rayons par diffusion dans la couche 2 s'accompagne d'une diminution sensible de la réflexion. Ainsi, une gamme plus large d'angles d'incidence du rayonnement est transmise jusqu'au matériau de conversion d'énergie 6, ce qui augmente le pourcentage du rayonnement incident sur le module 20 qui est absorbé par le matériau de conversion d'énergie 6. Ces deux effets, associés à la transmission lumineuse totale élevée de la couche de diffusion, permettent d'augmenter le rendement de conversion énergétique du module photovoltaïque 20 par rapport à un module photovoltaïque analogue de l'état de la technique dépourvu de couche de diffusion. Dans le deuxième mode de réalisation représenté sur la figure 2, les éléments analogues à ceux du premier mode de réalisation portent des références identiques augmentées de 100. Le module solaire photovoltaïque 120 de ce deuxième mode de réalisation diffère du module 20 ci-dessus en ce qu'il comprend, au lieu de cellules constituées à partir de wafers de silicium polycristallin, une cellule photovoltaïque 130 à couches minces dont la couche d'absorbeur est à base de composé chalcopyrite comportant du cuivre, de l'indium et du sélénium, dite couche d'absorbeur CIS. Une telle couche d'absorbeur CIS peut éventuellement être additionnée de gallium, pour fournir une couche d'absorbeur CIGS, ou encore être additionnée d'aluminium ou de soufre. Le module 120 conforme au deuxième mode de réalisation comprend un substrat avant 101 à fonction verrière et un substrat arrière 108 à fonction support. Le substrat arrière 108 porte, sur sa face dirigée vers l'intérieur du module 120, une couche 107 électriquement conductrice formant une électrode arrière de la cellule photovoltaïque 130 du module. A titre d'exemple, la couche 107 est à base de molybdène. Lorsque le substrat arrière 108 est en verre et l'électrode arrière 107 est en molybdène, une couche non représentée, notamment à base de nitrure de silicium Si3N4, est avantageusement intercalée entre le substrat arrière 108 et la couche 107 pour former une barrière aux alcalins. La couche 107 est surmontée par une couche 106 de matériau absorbeur à composé chalcopyrite, notamment CIS ou CIGS, propre à assurer la conversion de l'énergie solaire en énergie électrique. La couche d'absorbeur 106 est elle-même surmontée par une couche de sulfure de cadmium CdS non représentée, éventuellement associée à une couche d'oxyde de zinc ZnO intrinsèque non dopé également non représentée, puis par une couche 105 transparente et électriquement conductrice qui forme une électrode avant de la cellule 130. La cellule photovoltaïque 130 du module 120 est ainsi formée par l'empilement des couches 105, 106 et 107. Dans cet exemple, la couche 105 formant électrode avant de la cellule 130 est une couche à base d'oxyde de zinc dopé à l'aluminium (AZO). En variante, la couche 5 peut être une couche à base d'un autre oxyde conducteur transparent (TCO) dopé, ou une couche métallique transparente (TCC) telle qu'un empilement à base d'argent. De manière analogue au premier mode de réalisation, une couche de diffusion 102 est positionnée entre la couche 105 formant électrode avant et le substrat avant 101. La couche de diffusion 102 comporte un voile transparent 103 en fibres de verre de type E et une matrice d'encapsulation 104 en PVB, de manière identique à la couche de diffusion 2 du premier mode de réalisation. L'utilisation d'une matrice d'encapsulation en PVB, ou en tout autre intercalaire de feuilletage polymère, est avantageuse pour assurer le maintien des couches fonctionnelles du module 120 entre les substrats avant 101 et arrière 108. Comme précédemment, grâce au flou élevé de la couche de diffusion 102 agencée à l'avant de la cellule photovoltaïque 130, le rendement de conversion énergétique du module 120 est augmenté par rapport au rendement d'un module analogue dépourvu de couche de diffusion, selon le double effet précité de piégeage du rayonnement et de flou en angle. Dans le troisième mode de réalisation représenté sur la figure 3, les éléments analogues à ceux du premier mode de réalisation portent des références identiques augmentées de 200. Le module solaire photovoltaïque 220 de ce troisième mode de réalisation diffère des modules décrits précédemment en ce qu'il comprend une "cellule tandem quatre fils", formée par la superposition de deux cellules photovoltaïques 230 et 240. Comme visible sur la figure 3, le module 220 comprend un substrat avant 201 à fonction verrière et un substrat arrière 208 à fonction support, entre lesquels est agencé l'empilement de couches fonctionnelles du module. La cellule 240 agencée à l'avant du module 220 est une cellule à couches minces dont la couche d'absorbeur 216 est à base de silicium amorphe, qui absorbe les photons à haute énergie du spectre solaire, dans le domaine de longueurs d'onde comprises entre environ 300 nm et 600 nm. La cellule 230 agencée à l'arrière du module 220 est une cellule à couches minces dont la couche d'absorbeur 206 est une couche d'absorbeur CIGS, qui absorbe dans le domaine de longueurs d'onde comprises entre environ 500 nm et 1000 nm.
Comme les spectres d'absorption de la cellule avant 240 et de la cellule arrière 230 sont au moins partiellement disjoints, la partie du spectre non utilisée pour la conversion d'énergie par la cellule avant 240 peut être utilisée par la cellule arrière 230. La cellule tandem permet ainsi une optimisation de l'utilisation du rayonnement solaire par le module 220.
A l'avant du module 220, le substrat avant 201 coiffe la cellule avant 240, qui comprend successivement, à partir du substrat avant 201, une couche 215 transparente et électriquement conductrice formant une électrode avant de la cellule 240, la couche d'absorbeur 216 à base de silicium amorphe et une autre couche 217 transparente et électriquement conductrice formant une électrode arrière de la cellule 240. A titre d'exemple, chacune des couches 215 et 217 formant les électrodes de la cellule avant 240 est une couche à base d'oxyde de zinc dopé à l'aluminium (AZO). En variante, chaque couche 215 ou 217 peut être une couche à base d'un autre oxyde conducteur transparent (TCO) dopé, ou une couche métallique transparente (TCC) telle qu'un empilement à base d'argent. A l'arrière du module 220, le substrat arrière 208 porte la cellule arrière 230, qui comprend successivement, à partir du substrat arrière 208, une couche 207 électriquement conductrice formant une électrode arrière de la cellule 230, la couche 206 d'absorbeur CIGS d'épaisseur comprise entre environ 500 nm et 4000 nm, une couche de sulfure de cadmium CdS non représentée, éventuellement associée à une couche d'oxyde de zinc ZnO intrinsèque non dopé également non représentée, et une couche 205 transparente et électriquement conductrice qui forme une électrode avant de la cellule 230. A titre d'exemple, la couche 207 formant électrode arrière est à base de molybdène, et la couche 205 formant électrode avant est une couche à base d'oxyde de zinc dopé à l'aluminium (AZO). En variante, la couche 205 peut être une couche à base d'un autre oxyde conducteur transparent (TCO) dopé, ou une couche métallique transparente (TCC) telle qu'un empilement à base d'argent. Dans ce mode de réalisation, conformément à l'invention, une couche de diffusion 202 est positionnée à l'avant de la cellule arrière 230, entre la couche 205 formant électrode avant de la cellule arrière 230 et la couche 217 formant électrode arrière de la cellule avant 240. La couche de diffusion 202 comporte un voile 203 en fibres de verre de type E et une matrice d'encapsulation 204 en PVB, de manière identique à la couche de diffusion 2 du premier mode de réalisation. Comme précédemment, par le double effet de piégeage du rayonnement et de flou en angle, la couche de diffusion 202 agencée à l'avant de la cellule arrière 230 améliore le guidage du rayonnement incident sur le module 220 jusqu'à la couche d'absorbeur 206 de la cellule arrière. La couche de diffusion 202 augmente ainsi le pourcentage du rayonnement incident sur le module 220 qui est absorbé par la couche d'absorbeur 206, et donc le rendement de conversion énergétique du module 220. Le positionnement de la couche de diffusion 202 entre les deux cellules constitutives de la cellule tandem quatre fils est d'autant plus critique pour l'augmentation du rendement de conversion énergétique du module 220 que le pourcentage du rayonnement incident qui parvient jusqu'à cette zone centrale du module est limitée, du fait de pertes de rayonnement dans la partie avant du module. Dans ces conditions, il est crucial de guider au mieux la part de rayonnement qui est parvenue dans la zone centrale du module jusqu'à la couche d'absorbeur 206 de la cellule arrière 230, afin de rendre effective l'optimisation de l'utilisation du rayonnement solaire par le module 220.
Une variante non représentée de module à cellule tandem quatre fils conforme à l'invention diffère du module 220 décrit ci-dessus uniquement en ce que la cellule arrière 230 à base de composé chalcopyrite est remplacée par une cellule à base de silicium microcristallin, qui absorbe dans la zone du proche infrarouge, dans le domaine de longueurs d'onde comprises entre environ 600 nm et 1000 nm. Une telle cellule à base de silicium microcristallin comprend successivement, à partir du substrat arrière du module, une couche électriquement conductrice formant électrode arrière, une couche d'absorbeur à base de silicium microcristallin et une couche transparente et électriquement conductrice formant électrode avant. A titre d'exemple, la couche formant électrode arrière est une couche métallique, notamment en argent ou en aluminium, et la couche formant électrode avant est une couche à base d'un oxyde conducteur transparent (TCO) dopé ou une couche métallique transparente (TOC). Comme précédemment, les spectres d'absorption de la cellule avant à base de silicium amorphe et de la cellule arrière à base de silicium microcristallin sont disjoints, et la partie du spectre non utilisée pour la conversion d'énergie par la cellule avant peut être utilisée par la cellule arrière.
Comme pour le module 220, la couche de diffusion intercalée entre les cellules avant et arrière est critique pour obtenir une utilisation optimale du rayonnement solaire par le module tandem et garantir un rendement de conversion énergétique amélioré du module par rapport à un module analogue de l'état de la technique dépourvu de couche de diffusion.
L'invention vise non seulement un dispositif collecteur de rayonnement intégrant une couche de diffusion telle que décrite précédemment, positionnée à l'avant d'au moins un élément collecteur du dispositif, mais également un couvercle pour un élément collecteur de rayonnement comprenant un substrat et une couche de diffusion telle que décrite précédemment.
Les exemples précédents illustrent les avantages d'un dispositif et d'un couvercle conformes à l'invention comprenant une couche de diffusion composite ayant à la fois un flou et une transmission lumineuse élevés, destinée à être agencée à l'avant d'au moins un élément collecteur de rayonnement. Comme expliqué précédemment, le flou élevé de la couche de diffusion agencée à l'avant d'un élément collecteur de rayonnement favorise l'absorption d'un pourcentage élevé du rayonnement incident sur le dispositif par cet élément, ce qui permet une augmentation du rendement de conversion énergétique du dispositif intégrant cet élément. L'invention rend ainsi possible, pour un dispositif conforme à l'invention ou intégrant un couvercle conforme à l'invention, par rapport à un dispositif analogue de l'état de la technique dépourvu de couche de diffusion, soit une augmentation du rendement de conversion énergétique du dispositif pour une même épaisseur du matériau de conversion d'énergie, soit une diminution de l'épaisseur du matériau de conversion d'énergie, et donc du coût du dispositif, pour un même rendement de conversion énergétique. Un procédé de fabrication d'un module photovoltaïque 20, 120 ou 220 conforme à l'invention, comprenant une couche de diffusion telle que décrite précédemment, qui comporte un voile de fibres de verre de type E et une matrice d'encapsulation en PVB, met en jeu la formation du voile entrant dans la constitution de la couche de diffusion, puis la formation de la couche de diffusion et sa mise en place dans la structure du module. Le voile de fibres de verre peut être formé selon un procédé opérant par « voie sèche », ou selon un procédé opérant par « voie humide ». De tels procédés de fabrication de voiles de fibres de verre étant bien connus de l'homme du métier, ils ne sont pas décrits plus en détails ici. Une fois préparé, le voile est encastré dans une couche de PVB, par compression du voile contre la couche de PVB. L'ensemble comprenant la couche de PVB et le voile encastré dans la couche de PVB est ensuite mis en place dans la structure laminée du module, de la même manière que pour un intercalaire de feuilletage classique, et cette structure laminée est passée à l'étuve de manière à obtenir une bonne cohésion entre les différentes couches constitutives du module. De manière connue, un module photovoltaïque selon l'invention peut être fabriqué en mode superstrat, c'est-à-dire par dépôt successif des couches constitutives du dispositif à partir du substrat avant, ce qui est notamment le cas des modules photovoltaïques à couches minces dont l'absorbeur est à base de silicium ou de tellurure de cadmium, ou en mode substrat, c'est-à-dire par dépôt successif des couches constitutives de la cellule sur le substrat arrière, ce qui est notamment le cas des modules photovoltaïques à couches minces dont l'absorbeur est à base de composé chalcopyrite. De manière particulièrement avantageuse, lorsque le module est fabriqué en mode substrat et la matrice polymère de la couche de diffusion est un intercalaire de feuilletage polymère, la couche de diffusion permet à la fois d'améliorer le guidage du rayonnement dans le module et d'assurer la cohésion mécanique du module. Dans le cas où le milieu d'encapsulation est formé par un polymère thermoplastique transparent, et notamment par une partie du substrat avant à fonction verrière du module selon l'invention, l'encapsulation des fibres de la structure fibreuse dans le substrat thermoplastique peut être réalisée au cours du moulage, en positionnant la structure fibreuse dans un moule puis en injectant le polymère thermoplastique dans le moule.
L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés. Les avantages précités en termes de piégeage du rayonnement par la couche de diffusion et de flou en angle peuvent être obtenus au moyen de toute couche comportant une structure fibreuse transparente et un milieu d'encapsulation transparent, qui a des propriétés adaptées pour présenter à la fois un flou et une transmission lumineuse élevés. Une condition d'obtention d'un flou élevé est, conformément à l'invention, que la valeur absolue de la différence entre l'indice de réfraction des fibres de la structure fibreuse et l'indice de réfraction du milieu d'encapsulation est supérieure ou égale à 0,05. Lorsque le milieu d'encapsulation est une matrice polymère, notamment formée par un intercalaire de feuilletage ou un substrat thermoplastique, cette matrice polymère peut présenter une épaisseur supérieure ou égale à l'épaisseur de la structure fibreuse. En particulier, lorsque la matrice polymère présente une épaisseur supérieure à celle de la structure fibreuse, cette matrice peut dépasser d'un côté ou des deux côtés de la structure fibreuse.
Comme mentionné précédemment, la structure fibreuse peut être une structure tissée ou non tissée. La structure fibreuse peut également être formée par des fibres non liées entre elles préalablement à la formation de la couche de diffusion, par exemple des fibres qui sont déposées, ou saupoudrées, dans une matrice polymère formant le milieu d'encapsulation en s'emmêlant à la manière d'un voile, ce voile étant alors dépourvu de liant autre que la matrice polymère. Selon une variante, le milieu d'encapsulation peut être formé par de l'air ou par un liquide d'indice de réfraction approprié, au lieu d'une matrice polymère. Par ailleurs, l'invention a été décrite à partir d'exemples dans lesquels la couche de diffusion est agencée contre l'électrode avant d'une cellule photovoltaïque. En variante, la couche de diffusion peut être agencée à l'avant d'une cellule photovoltaïque en étant séparée de l'électrode avant de cette cellule par des couches intermédiaires transparentes.
Comme illustré dans le troisième mode de réalisation, un dispositif selon l'invention peut comprendre plusieurs éléments collecteurs de rayonnement. Dans ce cas, le dispositif peut intégrer plusieurs couches de diffusion comportant une structure fibreuse transparente et un milieu d'encapsulation transparent, agencées chacune à l'avant d'un élément collecteur du dispositif. En particulier, dans le troisième mode de réalisation, le module photovoltaïque 220 pourrait comprendre, outre la couche de diffusion 202 agencée entre la cellule arrière 230 et la cellule avant 240, une deuxième couche de diffusion positionnée à l'avant de la cellule avant 240, entre l'électrode avant 215 et le substrat avant 201. Une telle configuration à deux couches de diffusion assure un guidage amélioré du rayonnement à la fois vers la couche d'absorbeur 216 de la cellule avant et vers la couche d'absorbeur 206 de la cellule arrière, permettant d'augmenter encore le rendement de conversion énergétique du module.
Toujours en vue d'augmenter le rendement de conversion énergétique, un dispositif collecteur de rayonnement conforme à l'invention peut également intégrer, en plus d'une ou plusieurs couches de diffusion, d'autres moyens connus d'amélioration du guidage du rayonnement, notamment un substrat avant texturé, afin de limiter la réflexion du rayonnement à l'interface entre l'air et le substrat avant. Enfin, l'invention peut être mise en oeuvre pour tout type de dispositif comprenant un élément collecteur de rayonnement, sans se limiter aux dispositifs décrits précédemment. En particulier, l'invention peut s'appliquer aux modules photovoltaïques comprenant des cellules photovoltaïques à couches minces dont la couche d'absorbeur est à base de silicium, amorphe ou microcristallin, à base de composé chalcopyrite, notamment de type CIS ou CIGS, ou encore à base de tellurure de cadmium. L'invention peut également s'appliquer aux modules photovoltaïques dont les cellules photovoltaïques sont constituées à partir de wafers de silicium polycristallin ou monocristallin formant une jonction p/n, ou aux modules à cellules photovoltaïques organiques. L'invention est également applicable à des dispositifs collecteurs de rayonnement mettant en jeu des éléments collecteurs autres que des cellules photovoltaïques, par exemple aux modules solaires thermiques.
Claims (14)
- REVENDICATIONS1. Dispositif collecteur de rayonnement (20 ; 120 ; 220) comprenant au moins un élément collecteur de rayonnement (30 ; 130 ; 230, 240), caractérisé en ce qu'il comprend en outre une couche de diffusion (2 ; 102 ; 202) agencée, par rapport à l'élément collecteur (30 ; 130 ; 230), du côté d'incidence du rayonnement sur le dispositif, la couche de diffusion (2 ; 102 ; 202) comportant une structure fibreuse transparente (3 ; 103 ; 203) et un milieu transparent (4 ; 104 ; 204) d'encapsulation des fibres de la structure fibreuse, la valeur absolue de la différence entre l'indice de réfraction (n3) des fibres de la structure fibreuse et l'indice de réfraction (n4) du milieu d'encapsulation étant supérieure ou égale à 0,05.
- 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu d'encapsulation (4 ; 104 ; 204) est un matériau polymère.
- 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le milieu d'encapsulation (4 ; 104 ; 204) est formé par un intercalaire de feuilletage polymère.
- 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le milieu d'encapsulation est formé par un substrat avant (1 ; 101) du dispositif (20 ; 120).
- 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure fibreuse (3 ; 103 ; 203) comprend des fibres de verre.
- 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure fibreuse (3 ; 103 ; 203) comprend des fibres polymères.
- 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure fibreuse (3 ; 103 ; 203) a une masse surfacique comprise entre 10 et 500 g/m2, de préférence entre 10 et 100 g/m2.
- 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure fibreuse (3 ; 103 ; 203) comprend des fibres de diamètre compris entre 1 et 20 micromètres, de préférence entre 5 et 15 micromètres.
- 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche de diffusion (2 ; 102 ; 202) a une transmission lumineuse totale supérieure ou égale à 80% et une valeur de flou supérieure ou égale à 40%.
- 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure fibreuse (3 ; 103 ; 203) est un voile non tissé.
- 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche de diffusion (2 ; 102 ; 202) est agencée contre une électrode avant (5 ; 105 ; 205) de l'élément collecteur de rayonnement (30 ; 130 ; 230).
- 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément collecteur de rayonnement du dispositif est une cellule photovoltaïque (30 ; 130 ; 230, 240).
- 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une première cellule photovoltaïque (230), dont le matériau absorbeur a un premier spectre d'absorption, et une deuxième cellule photovoltaïque (240), dont le matériau absorbeur a un deuxième spectre d'absorption au moins partiellement disjoint par rapport au premier spectre d'absorption, la couche de diffusion (202) étant intercalée entre la première cellule photovoltaïque (230) et la deuxième cellule photovoltaïque (240).
- 14. Couvercle pour un élément collecteur de rayonnement (30 ; 130), notamment pour une cellule photovoltaïque, ce couvercle comprenant un substrat transparent (1 ; 101), caractérisé en ce qu'il comprend une couche de diffusion (2 ; 102) comportant une structure fibreuse transparente (3 ; 103) et un milieu transparent (4 ; 104) d'encapsulation des fibres de la structure fibreuse, la valeur absolue de la différence entre l'indice de réfraction (n3) des fibres de la structure fibreuse et l'indice de réfraction (n4) du milieu d'encapsulation étant supérieure ou égale à 0,05.
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