FR2988163A1 - Panneau solaire a haut rendement - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un panneau solaire photovoltaïque comprenant un support présentant une face de réception solaire et des cellules photovoltaïques installées, ladite face de réception présentant une surface de réception, tandis que lesdites cellules photovoltaïques présentent des éléments de surfaces activables. Lesdits éléments de surface activables sont inclinés par rapport à ladite face de réception dudit support de manière à ce que la somme desdits éléments de surface activables soit supérieure à ladite surface de réception. Lesdits éléments de surface activables sont en outre noyés sous un matériau transparent comprenant au moins un corps photoluminescent.
Description
Panneau solaire à haut rendement La présente invention se rapporte à la production d'énergie électrique en utilisant le rayonnement solaire et plus précisément, à des panneaux solaires photovoltaïques. Des panneaux solaires photovoltaïques connus permettent de transformer le rayonnement solaire qu'ils reçoivent en énergie électrique. Ces panneaux solaires comportent un support et une pluralité de cellules photovoltaïques installées sur ledit support.
Les cellules photovoltaïques sont usuellement réalisées à base de silicium, qu'il soit sous une forme amorphe, monocristalline ou polycristalline. Ainsi, elles présentent une face active sensiblement plane et avantageusement rectangulaire, destinée à recevoir le rayonnement lumineux. Ce dernier constitué de photons de différentes énergies est apte à provoquer sur la face active la génération de charges électriques, lesquelles sont collectées dans un conducteur et y génèrent un courant électrique. Les cellules photovoltaïques sont agencées côtes à côtes sur le support de manière à ce que les faces actives de toutes les cellules constituent une face de réception du rayonnement lumineux.
Les différents types de cellules photovoltaïques sont plus ou moins coûteux à réaliser. Aussi, le coût de production d'énergie électrique au moyen de panneaux solaires photovoltaïques est-il directement lié aux coûts de fabrication des cellules photovoltaïques. Il a donc été imaginé, depuis l'apparition des panneaux solaires de concentrer les rayonnements lumineux vers une même unité de surface de cellules photovoltaïques. Aussi, il a été imaginé d'installer des cellules photovoltaïques à distance les unes des autres sur un support et d'associer à chacune d'entre elles, des éléments formant lentilles de manière à concentrer les rayons lumineux vers chacune des cellules. De la sorte, l'énergie électrique produite pour une surface donnée de panneaux n'est généralement pas supérieure à celle que l'on obtient avec des panneaux où les cellules sont contiguës, mais en revanche, le coût de l'énergie générée par de tels systèmes à concentration peut, dans certains climats, être avantageux.
Néanmoins, le besoin se fait sentir d'améliorer le rendement énergétique des panneaux solaires, c'est-à-dire d'augmenter la quantité d'énergie électrique produite par unité de surface du panneau solaire. Aussi, un problème qui se pose et que vise à résoudre la présente invention est d'augmenter le rendement des panneaux solaires sans toutefois grever leur coût. Dans ce but, la présente invention propose un panneau solaire photovoltaïque comprenant un support présentant une face de réception solaire et une pluralité de cellules photovoltaïques installée dans ledit support, ladite face de réception présentant une surface de réception, tandis que les cellules photovoltaïques présentent des éléments de surfaces activables, lesdites cellules photovoltaïques étant apte à produire des charges électriques lorsque lesdits éléments de surface activables reçoivent un rayonnement lumineux, les charges électriques produites par lesdites cellules photovoltaïques étant destinées à être collectées pour former un courant électrique dudit panneau solaire. Selon l'invention lesdits éléments de surface activables sont inclinés par rapport à ladite face de réception dudit support de manière à ce que la somme des surfaces desdits éléments de surface activables soit supérieure à ladite surface de réception ; et lesdits éléments de surface activables sont en outre noyés sous un matériau transparent comprenant au moins un corps photoluminescent, ledit corps photoluminescent permettant d'augmenter la production de charges électriques de chacune desdites cellules photovoltaïques lorsque ledit rayonnement lumineux traverse ledit matériau transparent, par quoi le rendement en courant électrique dudit panneau solaire est augmenté. Ainsi, une caractéristique de l'invention réside à la fois dans la mise en oeuvre particulière des cellules photovoltaïques permettant d'incliner les éléments de surface activables et ainsi d'augmenter la surface active par rapport à la surface de réception du panneau, et dans la mise en oeuvre d'un corps photoluminescent inclus à l'intérieur d'un matériau transparent, lequel est appliqué contre les éléments de surface activables, de manière à accroître la production de charges électriques de ces cellules. Grâce à cette mise en oeuvre particulière des cellules photovoltaïques que l'on détaillera ci-après et à la mise en oeuvre du corps photoluminescent, la quantité d'énergie produite par unité de surface de réception est supérieure à celle obtenue avec les panneaux solaires photovoltaïques selon l'art antérieur. Selon un premier mode de mise en oeuvre de l'invention particulièrement 5 avantageux, chacune desdites cellules photovoltaïques présente un seul élément de surface activable sensiblement plan. En outre, de préférence, lesdites cellules photovoltaïques sont agencées dans ledit support de façon que lesdits éléments de surface activables soient inclinés alternativement par rapport à ladite face de réception dudit support. De plus, les cellules sont 10 agencées de manière à porter les éléments de surface activables bord à bord pour augmenter la surface totale active permettant de transformer l'énergie lumineuse en énergie électrique. De la sorte, on peut utiliser des cellules photovoltaïques bon marché, en plus grand nombre, comparativement aux panneaux solaires selon leur antérieur. 15 Cependant, en orientant différemment lesdits éléments de surface activables, et par conséquent les cellules photovoltaïques, sur le support du panneau solaire, la quantité d'énergie du rayonnement lumineux qu'ils reçoivent chacun n'est pas identique, et à l'extrême, elle peut être, sur l'ensemble du panneau, atténuée. Aussi, la mise en oeuvre du matériau 20 transparent incorporant un corps photoluminescent permet, précisément, de surmonter cet inconvénient. Selon un mode de mise en oeuvre de l'invention particulièrement avantageux, lesdites cellules photovoltaïques sont formées de bandes et lesdites bandes sont ajustées bord à bord dans ledit support. Ainsi, les bandes 25 présentant chacune un seul élément de surface activable et deux bords longitudinaux opposés sensiblement parallèles, sont alternativement inclinées dans deux directions distinctes et maintenues ainsi bord à bord, de manière à former une structure plissée en accordéon. Aussi, préférentiellement, lesdites bandes sont respectivement inclinées par rapport à ladite face de réception 30 d'un même angle compris entre 40° et 60° de manière à ce que le quotient de ladite somme desdites surfaces actives et de ladite surface de réception soit compris entre 1,3 et 2. De la sorte, on obtient un bon compromis entre un éclairement suffisant de tous les éléments de surface activables des cellules photovoltaïques, grâce à la limite supérieure d'un angle de 60° par rapport à la surface de réception tout en conservant un gain avantageux au-dessus d'une inclinaison de 40°. Ce compromis est notamment valable, lorsque le panneau solaire photovoltaïque est installé dans des régions d'ensoleillement normal.
En outre, ledit matériau transparent présente une surface de contact en contact avec lesdits éléments de surface activables et une surface opposée sensiblement parallèle à ladite face de réception. Ainsi, les rayons lumineux incidents sont réfractés dans le matériau transparent à partir de ladite face opposée et une partie substantielle de ces rayons réfractés s'achemine directement vers la surface de contact et les éléments de surface activables des cellules, tandis qu'une autre partie est absorbée par ledit corps photoluminescent, qui lui-même réémet un rayonnement d'une longueur d'onde différente de celui qui est absorbé, lequel rayonnement est à son tour apte à rejoindre la surface de contact. On expliquera plus en détail dans la suite de la description les avantages de la réémission d'un rayonnement présentant une longueur d'onde différente, et plus précisément avec une plus grande longueur d'onde. De plus, ledit matériau transparent est préférentiellement un matériau polymère. Par exemple, le matériau transparent est un copolymère d'acétate de vinyle, lequel est d'un coût avantageux et est relativement flexible. S'agissant du corps photoluminescent, avantageusement, il absorbe une fraction dudit rayonnement lumineux émettant dans une première portion du spectre électromagnétique pour réémettre de la lumière dans une seconde portion complémentaire de ladite première portion du spectre électromagnétique. Ainsi, puisque le spectre électromagnétique du rayonnement solaire présente une émission maximale dans le visible voisine de 570 nanomètres, alors que les cellules photovoltaïques réalisées à base de silicium par exemple, présentent une efficacité quantique externe maximale située à des longueurs d'onde supérieures, vers l'infrarouge, grâce au corps photoluminescent, une fraction du rayonnement peut être réémise dans cette gamme de longueurs d'onde plus efficace. Cela permet finalement de soumettre les cellules photovoltaïques à une gamme de longueurs d'onde plus étendue et par conséquent, d'accroître la quantité de charges produites et partant, le courant électrique circulant dans le conducteur. Par ailleurs, ledit corps photoluminescent est dispersé de manière homogène à l'intérieur dudit matériau transparent. De la sorte, la fraction du rayonnement lumineux traversant le matériau transparent absorbée par le corps photoluminescent est réémise de manière isotrope et par conséquent, l'ensemble des éléments de surface activables des cellules photovoltaïques reçoit le rayonnement réémis. Avantageusement, ledit corps photoluminescent est un pigment organique, car il présente l'avantage d'être bon marché.
Toutefois, on prévoit la mise en oeuvre d'autre corps photoluminescents, notamment des composés organométalliques luminescents. De plus, ledit corps photoluminescent comprend avantageusement différents types de composés photoluminescents, de manière à pouvoir réémettre un rayonnement dans une gamme de longueurs d'onde encore plus étendue.
Au surplus, ledit matériau transparent est recouvert d'une plaque d'un matériau amorphe transparent, par exemple une plaque de verre. De la sorte, et ainsi qu'on expliquera plus en détail dans la suite de la description, les indices de réfraction du verre, du matériau transparent et de l'air étant différents, les rayons lumineux sont réfractés aux interfaces et par cela, l'ensemble des éléments de surface activables des cellules photovoltaïques est encore mieux atteint par le rayonnement lumineux, car cela permet d'incurver la trajectoire des rayons lumineux. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description faite ci-après de modes de réalisation particuliers de l'invention, donnés à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la Figure 1 et une vue schématique partielle en perspective montrant un panneau solaire photovoltaïque selon l'invention et conformément à une première variante de réalisation ; - la Figure 2 est une vue schématique de détail en coupe droite d'une portion du panneau solaire représenté sur la figure 1 ; et, - la figure 3 est une vue schématique de détail en coupe droite d'une portion de panneau solaire conforme à l'invention selon une seconde variante de réalisation. La Figure 1 illustre, selon une première variante de réalisation, une portion de panneau solaire 10 conforme à l'invention présentant des cellules photovoltaïques 12 en forme de bandes. Ces cellules photovoltaïques présentent respectivement deux bords longitudinaux opposés 11, 13 et un seul élément de surface activable Sa, sensiblement plan, étendu entre les deux bords longitudinaux opposés 11, 13. Les éléments de surface activables Sa sont aptes à recevoir les rayonnements lumineux et à produire conséquemment des charges électriques de manière à transformer ce rayonnement lumineux en courant électrique. Aussi, les cellules photovoltaïques présentent également des contacts électriques, non représentés. Elles sont installées parallèlement entre elles et bord à bord sur un support 14, dénommé également backsheet.
Le support 14 définit une face de réception correspondant à la projection droite de ce support 14 et à laquelle correspond une surface de réception. Il présente des rainures triangulaires parallèles de sections transversales triangulaires et ménagées bord à bord. Ainsi, les cellules photovoltaïques sont alternativement et successivement inclinées dans le support 14 par rapport à un plan horizontal, de façon à former une structure rigide plissée en accordéon. Cette dernière forme ainsi des rainures en V successives présentant chacune un creux 18 à la jonction de deux bords 11, 13, de deux bandes de silicium 12 en appui sur le support 14, et une crête 20 à la jonction des deux bords opposés 11, 13, de deux bandes de silicium 12.
Les bandes ici représentées sur la figure 1 présentent une largeur I voisine de 10 mm, et une longueur L de l'ordre de 150 mm ou plus, alors que sur la figure elles sont représentées avec une longueur de 60 mm. Toutes les cellules photovoltaïques 12 sont raccordées électriquement entre elles, en parallèle ou en série, de manière à former un générateur de courant et de la tension nominale recherchée. Outre la structure plissée formée par les cellules photovoltaïques 12, dont on détaillera l'architecture ci-après, celles-ci sont recouvertes et noyées sous une couche 16 d'un matériau transparent à la lumière visible et incluant au moins un corps photoluminescent. La couche 16 est de préférence recouverte d'un matériau 24 transparent et résistant permettant d'apporter au besoin protection, résistance, étanchéité et isolation aux cellules photovoltaïques. Les composés photoluminescents ici mis en oeuvre sont de préférence des pigments organiques (« laser dyes ») avec pour exemple non exhaustif les molécules suivantes : anthraquinones, coumarines, benzocoumarines, xanthènes, benzo[a]xanthènes, benzo[b]xanthènes, benzo[c]xanthènes, phenoxazines, benzo[a]phenoxazines, benzo[b]phenoxazines, benzo[c]phenoxazines, napthalimides, naphtholactams, azlactones, methines, oxazines , thiazines, dicetopyrrolopyrroles, perylènes, quinacridones, benzoxanthenes, thio-epindolines, lactamimides, diphenylmaleimides, acetoacetamides, imidazothiazines, benzanthrones, perylenmonoimides, perylenes, phthalimides, benzotriazoles, pyrimidines, pyrazines, triazoles, dibenzofurans, triazines, acide barbiturique et dérivés, utilisés seuls ou greffés sur ou au sein de nanoparticules. Ces composés dopants peuvent également être des composés organométalliques luminescents, des terres rares, des cristaux photoniques ou des quantum dots. De préférence, ils présentent des rendements quantiques de conversion élevés, supérieurs à 0.6 et avantageusement supérieurs à 0.9, ont des coûts relativement faibles et une bonne stabilité à la chaleur, l'humidité et le rayonnement UV-visible de l'ordre de plusieurs mois ou années. Ces composés luminescents sont destinés à absorber une fraction dudit rayonnement lumineux dans certaines portions du spectre électromagnétique et à réémettre de la lumière dans d'autres portions du spectre électromagnétique. Ainsi par exemple, on choisit un composé photoluminescent apte à absorber un rayonnement d'une longueur d'onde inférieure à 400 nanomètres, dans l'ultraviolet, et réémettant un rayonnement présentant une longueur d'onde dans le visible comprise entre 400 nanomètres et 450 nanomètres, dans le bleu. On peut également choisir un composé photoluminescent apte à absorber un rayonnement d'une longueur d'onde visible comprise entre 400 nanomètres et 500 nanomètres et réémettant un rayonnement d'une longueur d'onde visible supérieure à 500 nanomètres ou bien encore absorbant un rayonnement d'une longueur d'onde visible comprise entre 500 nanomètres et 600 nanomètres pour réémettre un rayonnement d'une longueur d'onde visible supérieure à 600 nanomètres. Les différents composés peuvent être choisis et mélangés de manière à ce que les spectres d'absorption des uns se recouvrent au moins partiellement avec les spectres d'émission des autres de manière à obtenir des décalages de longueur d'onde encore plus importants en bénéficiant de phénomènes d'absorptions, réémissions multiples. Par exemple, le mélange peut être effectué en sélectionnant certains composés luminescents parmi chacun des groupes suivants. Un premier exemple de groupe inclut des composés organiques luminescents présentant une longueur d'onde d'émission voisine de 340 nm. Ce premier groupe comporte, par exemple, le 1,4-Di[2-(5- phenyloxazoly1)]benzene ; le 2,5-Diphenyloxazol ; le 4,4'-Diphenylstilbene ; et, le 3,5,3"",5""-Tetra-t-buthyl-p-quinquephenyl. Certains de ces composés sont commercialisés sous la marque Lambdachrome® de la société Lamda Physik AG. Un deuxième groupe inclut par exemple des composés organiques luminescents présentant une longueur d'onde d'émission comprise entre 400 nm et 460 nm. Ce deuxième groupe inclus, par exemple, le thiophenediylbis benzoxazole ; la coumarine ; ou certains dérivés de perylene, commercialisés sous les marques Lambdachrome® de la société Lamda Physik AG ou Lumogen® de la société BASF. Un troisième groupe peut inclure des composés organiques luminescents présentant une longueur d'onde d'émission voisine de 560 nm. Ce troisième groupe comporte, par exemple, un naphtalimide, des dérivés de perylene ou l'acide o-(6-Amino-3-imino-3h-xanthen-9-yl)-benzoïque, commercialisés sous les marques Hostasole®, Lumogen®, Lambdachrome® respectivement des sociétés Clariant, BASF et Lambda Physik AG.
Un quatrième groupe inclut par exemple des composés organiques luminescents présentant une longueur d'onde d'émission comprise entre 580 nm et 640 nm. Ce quatrième groupe comporte, par exemple, un thioxanthene benzanthione, des dérivés de perylene, une Rhodamine et l'ethylaminoxanthene-4,4-difluoro-1,3,5,7-tetrapheny1-4-bora-3a, 4a-diaza-sindacene, commercialisés par les sociétés précitées. Un cinquième groupe peut inclure des composés organiques luminescents présentant une longueur d'onde d'émission comprise entre 640 nm et 680 nm. Ce quatrième groupe comporte, par exemple le Cretsyl violet diaminobenzole, la Sulforhodamine B ou le difluoro(1-((3-(4-methyloxyphenyI)- 2H-isoindo1-1-yl)methylene)-3-(4-methoxyphenyl) -1H-isoindolato-N1,N2)boron, commercialisés par les sociétés précitées. Un sixième groupe peut inclure des composés organiques luminescents présentant une longueur d'onde d'émission comprise entre 700 nm et 1000 nm. Ce quatrième groupe comporte, par exemple la Rhodamine 800, la Pyridine 2 (Lambdachrome LC7300), la 3,3'-Dimethyloxatricarbocyanine, le Perchlorate de 2-(6-(4-DimethylaminophenyI)-2,4-neopentylene-1,3,5-hexatrieny1)-3-methyl- benzothiamzolium, ou le difluoro(5-methoxy-1-((5-methoxy-3-(4- methoxypheny1)-2H-isoindo1-1-yl)methylene)-3-(4-ethoxypheny1) -1H-isoindolatoN1,N2)boron, commercialisés par les sociétés précitées. De préférence, le mélange comprend un ou deux composés du groupe 1 ainsi que des composés de un à trois des autres groupes. On se reportera à la figure 2 montrant en détail et en coupe droite perpendiculaire aux cellules photovoltaïques 12, une portion du panneau solaire représenté sur la figure 1. On y retrouve quatre cellules photovoltaïques installées sur une couche d'EVA déposée sur le support structuré 14. Les cellules photovoltaïques sont disposées sur les faces latérales des rainures triangulaires. Ces quatre cellules sont recouvertes de la couche d'éthylène- acétate de vinyle dopée 16, elle-même recouverte de la plaque de verre 24. S'agissant de l'architecture de la structure plissée formée par les cellules photovoltaïques 12, on observera que ces dernières de largeur I sont respectivement inclinées par rapport au plan du panneau, et également par rapport à la plaque de verre 24, ou frontsheet, qui lui est parallèle, d'un angle a 30 de 40°. Par conséquent, la somme des éléments de surface activables Sa des cellules photovoltaïques 12 est égale à 1/cos(40°) fois, soit 1,3, la surface totale de réception Sr de plaque de verre 24 qui s'étend au droit de ces cellules photovoltaïques 12. L'angle a choisi ici n'est pas limitatif et il peut être inférieur. Il est toutefois avantageusement compris entre 30° et 60°. De la sorte, selon une approche géométrique, un rayon incident i est tout d'abord soit réfléchi soit réfracté en un premier rayon réfracté i' à l'interface de l'air et du frontsheet, et celui-ci est à son tour soit réfléchi soit réfracté en un deuxième rayon réfracté i" à l'interface entre le frontsheet et la couche d'éthylène-acétate de vinyle dopée 16. Ce deuxième rayon réfracté i", est susceptible de rencontrer sur sa trajectoire en un point I, au moins une molécule d'un des composés photoluminescents qu'il peut exciter. La molécule réémet alors un troisième rayon i"', dans une direction aléatoire, d'une longueur d'onde décalée par rapport à la longueur d'onde du rayon incident i, et qui peut soit ressortir du module photovoltaïque par le frontsheet, soit être à nouveau absorbé et réémis par un autre composé luminescent, soit venir frapper l'élément de surface activable Sa de l'une des cellules photovoltaïques 12 en un point R. Alternativement, des rayons du rayonnement solaire par exemple, peuvent ne rencontrer aucune molécule d'un des composés photoluminescents et venir frapper directement la surface active Sa. Le photon qui atteint finalement l'élément de surface activable Sa, peut soit être réfléchi à la surface de la cellule photovoltaïque, soit être absorbé et provoquer alors le mouvement d'une charge électrique, en l'espèce un électron, à l'intérieur de la cellule photovoltaïque 12, ce qui permet de générer un courant électrique. La multitude des rayons incidents permet de générer un courant électrique total significatif. Les rayons non absorbés et réfléchis à la surface de la cellule photovoltaïque peuvent soit ressortir du panneau photovoltaïque par le frontsheet, soit être à nouveau absorbé et réémis par un autre composé luminescent, soit venir frapper directement l'élément de surface activable Sa d'une autre des cellules photovoltaïques 12 en un point R'. La réémission des rayons lumineux absorbés par les composés photoluminescents, est statistiquement isotrope. Aussi, toute l'étendue des surfaces actives reçoit de manière homogène des photons réémis par les molécules des composés photoluminescents. La structure en dents de scie de la section transversal des éléments de surface activables et la présence des composés photoluminescents permets donc de multiplier les chances qu'un même rayon soit absorbé par l'élément de surface activable des cellules photovoltaïques grâce à la rectification des angles d'incidence et la multiplication des évènements d'incidence sur les éléments de surface activables des cellules photovoltaïques. De plus, grâce aux composés photoluminescents, l'efficacité de la transformation des rayons incidents en charge électrique, soit l'équivalent du rendement quantique externe, est accrue car certains rayons dont la longueur d'onde initiale se situait dans une gamme de moindre sensibilité de la cellule, sont transformés en rayons de longueurs d'onde supérieures où les cellules photovoltaïques sont plus sensibles. De la sorte, c'est à la fois en augmentant la surface active par rapport à la surface de réception, en augmentant le rendement quantique, et en multipliant les évènements d'incidence sur les éléments de surface activables des cellules photovoltaïques que l'on améliore le rendement total en courant électrique du module photovoltaïque. Certaines pertes sont aussi induites par la présence des composés photoluminescents puisque certains rayons absorbés puis réémis peuvent ressortir du panneau photovoltaïque par le frontsheet sans même avoir atteint un élément de surface activable. Ces pertes sont cependant plus que compensées par les gains expliqué ci-avant On décrira en référence à la figure 3 une seconde variante de réalisation de l'invention. Les éléments identiques ou équivalents à la première variante présentent la même référence affectée un signe prime : « ' », et les autres éléments présentent de nouvelles références dans la suite de la première série de références. Ainsi on retrouve sur la figure 3 un support 14', des cellules photovoltaïques 12' agencées de manière analogue à la précédente variante de réalisation, une couche 16' que l'on détaillera ci-après et une plaque de verre 24' sur la couche 16'. A la différence de la précédente variante, la couche 16' se décompose en deux parties : une première couche mince d'éthylène-acétate de vinyle comprenant des composés photoluminescents 26, d'épaisseur constante et recouvrant les cellules photovoltaïques 12', et une seconde couche transparente 28 d'éthylène-acétate de vinyle comprenant également des composés photoluminescents. La première couche peut également être une résine, du silicone ou un autre matériau. La seconde couche peut aussi être réalisée dans un autre matériau transparent comme du polyméthyl méthacrylate ou du silicone par exemple.. De la sorte, les rayons incidents sont successivement réfractés à travers la plaque de verre 24', la seconde couche transparente 28 puis la première couche mince 26. Dans cette première couche mince 26, les rayons incidents triplement réfractés sont alors susceptibles d'exciter des molécules des corps photoluminescents qui réémettent alors des photons aptes à venir sur l'élément de surface activable Sa' des cellules photovoltaïques 12' afin de générer la production de charges. Selon une première variante d'exécution, le support, dénommé aussi couche arrière, est constitué d'un polymère fluoré telle que le Tedlar®, avec une face supérieure structurée en forme de rainures parallèles de section transversales triangulaires. Les rainures triangulaires ont une profondeur typiquement comprise entre 1 et 20 mm avec un angle d'inclinaison compris entre 30 et 60Q. Le support est recouvert d'une première couche d'éthylène-acétate de vinyle (EVA) d'épaisseur comprise entre 100 et 500 micromètres. L'EVA est employé sous forme de film qui est laminé de part et d'autre des cellules, entre les couches inférieures et supérieures du panneau avec des programmes de vide/pression et température, jusqu'à 145°C, connus de l'homme de métier. Selon la présente invention, l'EVA intègre, en plus des additifs classiques pour ces applications, par exemple, et sans que cette liste puisse être considérée comme limitative, des agents de réticulation comme des peroxydes, des agents d'adhésion comme le silane, anti-oxydants, des stabilisateurs lumière comme des HALS acronyme de « hindered amine light stabilisers » et des composants anti-UV. Il intègre également un ou plusieurs additifs photoluminescents, par exemple des composés organiques photoluminescents dans une proportion massique comprise entre 0.1 et 3 %.
D'une manière générale, les additifs photoluminescents sont incorporés dans des proportions permettant d'obtenir pour chacun d'eux une densité optique d'absorption comprise entre 0.1 et 10 dans la direction de l'épaisseur de la couche d'EVA, voir plus avantageusement une densité optique comprise entre 0.5 et 2. Les additifs photoluminescents sont ajoutés aux granulés d'EVA avant l'extrusion ou extrusion-calandrage du film d'EVA. Alternativement, des terres rares, des organométalliques, des quantum dots ou d'autres composés photoluminescents connus de l'homme de métier sont ajoutés avec ou en substitution des composés photoluminescents organiques. Les critères de sélection des composés photoluminescents sont les suivants. Ils doivent présenter un bon rendement quantique de photoluminescente, une bonne stabilité, et un recouvrement limité des spectres d'absorption et d'émission de chaque composé, lequel spectre d'émission doit correspondre à des énergies inférieures à la bande interdite du semi-conducteur utilisé dans les cellules. Des cellules photovoltaïques, en forme de bandes réalisées à partir de cellules photovoltaïques polycristallines découpées aux dimensions des faces inclinées des rainures de la face supérieure du support, sont ensuite disposées par dessus la première couche d'éthylène-acétate de vinyle. Les dimensions longitudinales des cellules photovoltaïques, ainsi que le schéma des connexions entre les cellules elles-mêmes est déterminé en fonction des besoins en courant et en intensité pour l'ensemble du panneau photovoltaïque.
Avantageusement, les cellules photovoltaïques disposées de part et d'autre d'une même rainure triangulaire sont connectées en parallèles et celles disposées sur la même face d'une rainure ou sur la face de même orientation d'une autre rainure sont connectées en série. Cela permet de minimiser les pertes de courant dues aux degrés d'éclairement différents entre deux faces d'orientation différentes. Une seconde couche d'éthylène-acétate de vinyle dopé par le mélange de composés photoluminescents est ensuite déposée par dessus les cellules connectées entre elles. Cette seconde couche présente, selon une première variante telle que représentée sur la figure 3, une épaisseur typiquement comprise entre 100 et 500 micromètres de façon à épouser et conserver la forme de la structure triangulaire sous-jacente, soit selon une seconde variante, une épaisseur de l'ordre de 1 à 30 mm de façon à épouser la forme de la structure triangulaire sous-jacente tout en la nivelant de manière à obtenir une surface supérieure plane. L'ensemble est ensuite recouvert d'une plaque de verre structurée en face inférieure aux formes et dimensions triangulaires complémentaires de celle de la face supérieur du système dans la première variante ou d'une plaque de verre plate dans la seconde variante. La couche de verre permet de protéger, renforcer, et étanchéifier le système et constitue la face avant ou frontsheet du module photovoltaïque décrit dans l'invention. Selon une deuxième variante d'exécution, une couche arrière, ou support, constituée d'un polymère fluoré comme le Tedlar®, avec une face supérieure présentant des rainures triangulaires parallèles est mise en oeuvre. Les rainures triangulaires présentent une profondeur typiquement comprise entre 1 et 20 mm avec un angle d'inclinaison compris entre 30 et 60Q. Le support est recouvert d'une première couche de résine acrylique ou de silicone ou d'époxy d'épaisseur comprise entre 100 et 500 micromètres. Des cellules photovoltaïques, en forme de bandes réalisées à partir de cellules photovoltaïques polycristallines découpées aux dimensions des faces supérieures inclinées des rainures de la face supérieure du support en dessous, sont ensuite disposées par dessus la première couche de résine acrylique, de silicone ou d'époxy. Les dimensions longitudinales des cellules photovoltaïques, ainsi que le schéma des connexions entre les cellules elles même sont déterminés en fonction des besoins en courant et en intensité pour l'ensemble du panneau photovoltaïque. Avantageusement, les cellules photovoltaïques disposées de part et d'autre d'une même rainure sont connectées en parallèles et celles disposées sur la même face d'une rainure ou sur la face de même orientation d'une autre rainure sont connectées en série.
Cela permet de minimiser les pertes de courant dues aux degrés d'éclairement différents entre deux faces d'orientation différentes. Une seconde couche de résine acrylique, de silicone ou d'époxy est ensuite déposée par dessus les cellules connectées entre elles. Cette seconde couche présente une épaisseur typiquement comprise entre 100 et 500 micromètres de façon à épouser et conserver la forme de la structure triangulaire sous-jacente. L'ensemble est ensuite recouvert d'une plaque de polyméthacrylate de méthyle rainurée en face inférieure aux formes et dimensions triangulaires complémentaires de celles de la face supérieure du système. Cette plaque d'une épaisseur typiquement comprise entre 1 et 30 mm, pour ce qui est de la distance séparant la surface supérieure au sommet d'un des triangles inférieurs, est formulée d'une composition de polyméthacrylate de méthyle comprenant une proportion massique comprise entre 0.01 et 1% d'un mélange de composés photoluminescents tel que décrit dans la première variante de réalisation et dispersé de manière homogène. Le mélange de composés photoluminescents utilisé est similaire et obtenu par les mêmes raisonnements que celui déjà décrit dans le cas d'utilisation d'EVA. Le polyméthacrylate de méthyle est ainsi dopé par le mélange de composés photoluminescents et constitue la face avant ou frontsheet du module photovoltaïque décrit dans l'invention. Selon une variante de ce deuxième mode de réalisation, les couches de résine acrylique, de silicone ou d'époxy sont elles aussi dopées par des composés photoluminescents. Selon une variante de ce mode de réalisation, les faces arrière et les 15 faces avant du panneau sont toutes deux constituées de PMMA et l'ensemble peut être thermoformé, par exemple sous forme d'une structure en arc de cercle, après fabrication. Selon une troisième variante de réalisation, un support rainuré de verre, de métal ou d'un polymère avec une face supérieure présentant des rainures 20 triangulaires parallèles est mis en oeuvre. Les rainures triangulaires présente une profondeur typiquement comprise entre 1 et 20 mm avec un angle d'inclinaison compris entre 30 et 60Q. Le support ou backsheet ainsi réalisé sert ensuite de substrat pour la déposition de cellules photovoltaïques en couches minces comprenant notamment une couche conductrice de type Molybdenum 25 (Mo), Tantalum (Ta), Tungsten (W) ou Titane (Ti), une couche « absorbeur » de quelques micromètres d'épaisseur d'un mélange de cuivre, indium, gallium et sélénium déposée par électrodéposition, par co-évaporation ou par copulvérisation cathodique, une couche tampon de cadmium Sélénium (CdS) et une couche électrode avant d'oxyde de zinc (ZnO/ZnO :Al). Une couche 30 d'éthylène-acétate de vinyle dopé par un mélange de composés photoluminescents tel que décrit dans la première variante de réalisation est ensuite déposée par dessus les cellules connectées entre elles. Cette seconde couche a une épaisseur typiquement comprise entre 100 et 500 micromètres, selon un premier mode de réalisation, de façon à épouser et conserver la forme de la structure triangulaire sous-jacente et selon un second mode de réalisation, une épaisseur de l'ordre de 1 à 30 mm de façon à épouser la forme de la structure triangulaire sous-jacente tout en la nivelant de manière à obtenir une surface supérieure plane. L'ensemble est ensuite recouvert d'une plaque de verre structurée en face inférieure aux formes et dimensions triangulaires complémentaires de celle de la face supérieur du système dans le premier mode de réalisation et d'une plaque de verre plate dans le second mode de réalisation. La couche de verre permet de protéger, renforcer, et étanchéifier le système et constitue la face avant ou frontsheet du module photovoltaïque décrit dans l'invention. Selon d'autres modes de réalisation et conformément à cette variante, le matériau transparent dopé par les composés photoluminescents compris entre les cellules photovoltaïques et le verre est un silicone, un polyamide, un ionomère, ou un poly(éthylène-co-tétrafluoroéthyléne) commercialisé sous la marque Téflon®. Selon une quatrième variante de réalisation, on met en oeuvre un support identique à celui mis en oeuvre selon le troisième mode de réalisation. Le support sert ensuite de substrat pour la déposition de cellules photovoltaïques en couches minces comprenant notamment une couche d'oxyde conducteur, une couche de cadmium Sélénium (CdS), une couche « absorbeur » d'un mélange de cadmium et Tellure déposée par électrodéposition, par coévaporation ou par co-pulvérisation cathodique, et une couche électrode avant d'oxyde conducteur type ITO. Une couche d'éthylène-acétate de vinyle dopé par un mélange de composés photoluminescents tel que décrit dans la première variante de réalisation est ensuite déposée par dessus les cellules connectées entre elles, selon l'un ou l'autre des modes de réalisation décrit ci-dessus selon la troisième variante de réalisation. Selon une cinquième variante de réalisation, on met en oeuvre le support obtenu selon la première variante de réalisation. Des cellules photovoltaïques, en forme de bandes réalisées à partir de cellules photovoltaïques monocristallines découpées aux dimensions des faces inclinées des rainures de la face supérieure du support, sont ensuite disposées par dessus la première couche d'éthylène-acétate de vinyle. Les dimensions longitudinales des cellules photovoltaïques, ainsi que le schéma des connexions entre les cellules elles même sont déterminés en fonction des besoins en courant et en intensité pour l'ensemble du module photovoltaïque. Avantageusement, les cellules photovoltaïques disposées de part et d'autre d'une même rainure triangulaire sont connectées en parallèles et celles disposées sur la même face d'une rainure ou sur la face de même orientation d'une autre rainure sont connectées en série. Ceci permet de minimiser les pertes de courant dues aux degrés d'éclairement différents entre deux faces d'orientation différentes.
L'ensemble est ensuite recouvert d'un frontsheet de PMMA adapté aux formes et dimensions triangulaires complémentaires de celles de la face supérieure du système ou bien d'une résine ou d'un silicone remplissant et nivelant les rainures triangulaires, le PMMA, la résine ou le silicone en question contenant une proportion massique comprise entre 0.001 et 1% du mélange de composés photoluminescents dispersés de manière homogène. Selon une sixième variante de réalisation de l'invention, analogue à la première variante, les cellules photovoltaïques, en forme de bandes, sont déposées par une méthode d'impression aux dimensions des faces inclinées des rainures de la face supérieure du backsheet, et sont ensuite disposées par dessus la première couche d'éthylène-acétate de vinyle. Selon une septième variante de réalisation de l'invention, analogue à la troisième variante, le support en verre, en métal ou bien en polymère est non plus rainuré, mais il présente des structures de surface pyramidales tétraédriques. Les pyramides présentent une profondeur typiquement comprise entre 1 et 20 mm avec un angle d'inclinaison compris entre 30 et 60Q. Selon une huitième variante de réalisation, un support de verre ou en polymère aux surfaces planes est utilisé. Il est recouvert d'une première couche d'éthylène-acétate de vinyle (EVA) dopé par un mélange de composés photoluminescents, tel que décrit dans la première variante de réalisation, et d'épaisseur comprise entre 100 et 500 micromètres. Des cellules photovoltaïques en silicium monocristallin, en forme de carrés et d'une épaisseur comprise entre 100 et 500 micromètres sont déposées par dessus la première couche d'éthylène-acétate de vinyle. Ces cellules photovoltaïques, comprennent une surface supérieure présentant soit, des rainures triangulaires bord à bord de section triangulaire, soit des pyramides octaédriques inversées dont les dimensions caractéristiques sont comprises entre 20 et 400 micromètres, avantageusement entre 200 et 400 microns. On obtient ainsi, pour les pyramides octaédriques inversées, huit éléments de surface activables pour une même cellule photovoltaïque, ou bien deux éléments de surface activables par rainure, dans le cas des rainures triangulaires. La texturisation de surface des cellules photovoltaïques est obtenue par une méthode de gravure en milieu humide connue de l'homme de métier notamment faisant l'utilisation d'un masque de photolithographie et d'une solution d'hydroxyde de potassium sur des substrats de silicium monocristallins d'orientation (100) ou (110) de préférence. La gravure s'effectuant à des vitesses très inférieure dans les directions perpendiculaires aux plans (111) que dans celles perpendiculaires aux plans (100) et (110) du silicium, les pyramides inversées ou les rainures se forment automatiquement le long des plans (111) du silicium. Les ouvertures dans le masque de gravure obtenu pas photolithographie sont de formes carrées ou rectangulaires et dimensionnées de manière à obtenir des rainures ou pyramides inversées aux dimensions et profondeurs souhaitées. L'angle d'inclinaison des rainures ou pyramides inversées par rapport au plan de la cellule est alors déterminé par ceux entre les différents plans du cristal de silicium. Il correspond à un angle de 54.74 degrés pour une gravure à partir d'un substrat orienté (100). Dans une variante préférée, plusieurs texturations sont utilisées de façon à obtenir une structure fractale avec des reliefs à plusieurs échelles, par exemple des creux de 1 à 20 micromètres au sein de creux de 100 à 400 micromètres. La fabrication des cellules photovoltaïques est ensuite complétée par les étapes traditionnelles connues de l'homme de métier telles que : dopage, isolation de bords, dépôt de couche antireflets et formation des contacts électriques. La structure du masque de gravure contrôlée par celle du masque de photolithographie peut être adaptée afin de faciliter certaines de ces étapes complémentaires en conservant par exemple certaines portions de surfaces planes sur la surface de la cellule. Les cellules photovoltaïques sont ensuite raccordées entre elles en série et en parallèle selon un schéma permettant d'obtenir le générateur de tension et courant recherché. Une seconde couche d'éthylène-acétate de vinyle dopé par le mélange de composés photoluminescents est ensuite déposée par dessus les cellules connectées entre elles. Cette seconde couche a une épaisseur typiquement comprise entre 100 et 500 micromètres de façon à épouser et recouvrir la forme de la structure des cellules sous-jacentes et d'obtenir une surface supérieure plane. L'ensemble est ensuite recouvert d'une plaque de verre, la couche de verre permettant de protéger, renforcer, et étanchéifier le système et de constituer la face avant ou frontsheet du module photovoltaïque décrit dans l'invention.
Selon d'autres variantes de ce mode de réalisation, le matériau transparent dopé par les composés photoluminescents compris entre les cellules photovoltaïques et le verre est un silicone, un polyamide, un ionomère, ou un poly(éthylène-co-tétrafluoroéthyléne) commercialisé sous la marque Téflon®.
Selon encore un autre mode de réalisation de l'invention, on met en oeuvre des cellules photovoltaïques flexibles. Ces cellules sont réalisées dans des éléments en silicium, dits « cellules de silicium cristallin couche mince » d'une épaisseur comprise entre eux 10 um et 50 um par exemple entre 20 um et 30 um. Ces cellules sont non seulement flexibles, mais on peut également y créer un relief pendant ou après la fabrication. Nécessitant moins de matière, elles sont par conséquent moins coûteuses à fabriquer. Ainsi, on met en oeuvre ces cellules flexibles dans une position de fléchissement à l'intérieur du matériau transparent photoluminescent et on obtient ainsi pour chacune d'entre elles une succession d'éléments de surface activables progressivement inclinés les uns par rapport aux autres et aussi par rapport à la surface de réception du support. Partant, la somme des surfaces des éléments de surface activables est supérieure à ladite surface de réception. De la sorte, on améliore la puissance nominale et la production énergétique des systèmes photovoltaïques mettant en oeuvre ce type de cellules photovoltaïques. Parmi les techniques de fabrication de silicium cristallin couche mince qui peuvent être combinées avec l'invention, on peut citer, sans que cette liste doive être considérée comme exhaustive : l'exfoliation induite par des protons ou PIE acronyme de « proton-induced exfoliation » dans laquelle des proton sont accélérés à plus d'un million d'électron-volts et bombardé sur le silicium cristallin ; diverses techniques de déposition dont la déposition chimique par HW-CVD, acronyme de «hot-wire chemical vapor deposition» ; des techniques d'exfoliation d'un wafer de silicum sur un feuillet métallique avec recyclage du wafer ; des techniques de nanostructuration du silicium ou encore des techniques dites « direct wafer » par lesquelles du silicium fondu est directement converti en wafers à partir desquels sont fabriquées des cellules couches minces.10
Claims (10)
- REVENDICATIONS1. Panneau solaire photovoltaïque (10) comprenant un support (14) présentant une face de réception solaire et des cellules photovoltaïques installées dans ledit support (14), ladite face de réception présentant une surface de réception, tandis que lesdites cellules photovoltaïques (12) présentent des éléments de surfaces activables, lesdites cellules photovoltaïques étant aptes à produire des charges électriques lorsque lesdits éléments de surface activables reçoivent un rayonnement lumineux, les charges électriques produites par lesdites cellules photovoltaïques étant destinées à être collectées pour former un courant électrique dudit panneau solaire ; caractérisé en ce que lesdits éléments de surface activables sont inclinés par rapport à ladite face de réception dudit support de manière à ce que la somme des surfaces desdits éléments de surface activables soit supérieure à ladite surface de réception ; et en ce que lesdits éléments de surface activables sont en outre noyés sous un matériau transparent comprenant au moins un corps photoluminescent, ledit corps photoluminescent permettant d'augmenter la production de charges électriques de chacune desdites cellules photovoltaïques lorsque ledit rayonnement lumineux traverse ledit matériau transparent, par quoi le rendement en courant électrique dudit panneau solaire est augmenté.
- 2. Panneau solaire photovoltaïque selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune desdites cellules photovoltaïques présente un seul élément de surface activable sensiblement plan.
- 3. Panneau solaire photovoltaïque selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites cellules photovoltaïques sont agencées dans ledit support de façon que lesdits éléments de surface activables soient inclinés alternativement par rapport à ladite face de réception dudit support.
- 4. Panneau solaire photovoltaïque selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites cellules photovoltaïques sont formées de bandes et en ce que lesdites bandes sont ajustées bord à bord dans ledit support.
- 5. Panneau solaire photovoltaïque selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdites bandes sont respectivement inclinées par rapport à ladite face de réception d'un même angle compris entre 40° et 60° de manière à ce que le quotient de ladite somme desdites surfaces actives et de ladite surface de réception soit compris entre 1,3 et 2.
- 6. Panneau solaire photovoltaïque selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit matériau transparent présente une surface de contact en contact avec lesdits éléments de surface activables et une surface opposée sensiblement parallèle à ladite face de réception.
- 7. Panneau solaire photovoltaïque selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit matériau transparent est un matériau polymère.
- 8. Panneau solaire photovoltaïque selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit corps photoluminescent absorbe une fraction dudit rayonnement lumineux correspondant à une première gamme de longueurs d'onde pour réémettre un rayonnement correspondant à une seconde gamme de longueurs d'onde.
- 9. Panneau solaire photovoltaïque selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que ledit corps photoluminescent est un pigment organique.
- 10. Panneau solaire photovoltaïque selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ledit corps photoluminescent comprend différents types de composés photoluminescents.
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