FR3006106A1 - Dispositif photovoltaique en couches minces utilisant une mono cellule - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un module photovoltaïque, notamment pour dispositif électronique pourvu d'un écran d'affichage, comportant un empilement de couches minces disposées sur un substrat électriquement isolant et transparent à la lumière, lesdites couches minces comprenant une couche transparente faisant office d'électrode avant, une couche intermédiaire semi-conductrice de conversion photovoltaïque, appelée absorbeur, et une couche métallique faisant office d'électrode arrière et à travers laquelle sont ménagées des ouvertures pour laisser passer la lumière. Au lieu d'être multicellulaire, ce module photovoltaïque est caractérisé en ce que la couche de conversion photovoltaïque est composée d'une cellule photovoltaïque unique d'un seul tenant, ou mono cellule, dont les dimensions sont sensiblement égales aux dimensions du module photovoltaïque ou d'une image y associée.

Description

Dispositif photovoltaïque en couches minces utilisant une mono cellule La présente invention concerne les modules photovoltaïques semi transparents à base de cellules photovoltaïques en couches minces et destinés à permette à la fois de produire de l'électricité et de voir par transparence, une image associée au module. Par couche mince ou de faible épaisseur, on entend des couches photovoltaïques de nature quelconque (organique, inorganique), dont l'épaisseur de l'absorbeur est comprise dans une fourchette allant de quelques dizaines de nanomètres (cas du matériau photovoltaïque organique) à 300 micromètres (cas du matériau photovoltaïque en silicium monocristallin). De tels modules commencent à révéler leur utilité dans toute une série d'applications commerciales, notamment dans le domaine des écrans photovoltaïques pour des dispositifs électroniques tels que les téléphones portables, les tablettes tactiles, les écrans d'ordinateurs ou d'autres dispositifs pourvus d'un écran photovoltaïque semi-transparent, à savoir un écran qui laisse transparaître une image pour un observateur placé devant lui, tout en captant à travers des zones opaques une partie de la lumière incidente pour la transformer en énergie électrique destinée à alimenter le dispositif pourvu d'un tel écran.

Comme cela a été décrit dans la demande de brevet n° FR 11 00506, afin d'améliorer aussi bien leurs performances en matière de transparence qu'en matière de rendement de conversion photovoltaïque, de tels écrans sont de préférence, mais pas nécessairement, associés à une optique, par exemple sous la forme d'un réseau de lentilles superposé avec les couches d'affichage de l'image et les couches photovoltaïques. Cette optique sert d'une part à canaliser vers l'observateur limage émise par l'écran à travers les zones de transparence, et d'autre part à canaliser la lumière incidente, notamment la lumière solaire, vers les zones de l'écran couvertes par des cellules photovoltaïques. Or un module photovoltaïque en couches minces est généralement composé de plusieurs cellules photovoltaïques mises en série. Un tel module a notamment été décrit dans le document EP 0500451 B1. Cette conception de module a l'avantage d'augmenter la tension électrique aux bornes du module et de réduire le courant conduit par les électrodes du module et ainsi de réduire les pertes résistives dans les électrodes, qui sont généralement en TCO (Conducteur Oxyde Transparent) qui est un matériau piètre conducteur de l'électricité. Mais cette conception connue a également des inconvénients. Ainsi, la mise en série des cellules photovoltaïques se fait par une méthode de gravure des différentes couches qui composent le module photovoltaïque à couches minces. La première gravure, typiquement appelée P1, est celle de la première électrode, ou 10 électrode avant, déposée sur le substrat (TCO). La deuxième gravure appelée P2 est celle du silicium qui en général constitue la couche de conversion photovoltaïque, encore appelée absorbeur, puisqu'elle absorbe les photons incidents. La troisième gravure, appelée P3, est celle de la deuxième électrode, ou électrode arrière, qui peut être en métal (Aluminium) ou en TCO. Cette conception 15 de module photovoltaïque ne pose pas de problème particulier dans le cadre de leur usage dans des dispositifs pourvus d'écrans grossiers de grande taille. En revanche, dès que la perception de la qualité d'image de l'écran du dispositif doit être parfaite du point de vue de l'observateur, ce qui est le cas par exemple pour les téléphones portables dits intelligents (« Smartphones » en terminologie anglo- 20 saxonne), plusieurs inconvénients liés à la conception des modules photovoltaïques semi-transparents connus apparaissent. Les inconvénients liés aux décalages de gravure : En vue en plan, par exemple du point de vue d'un observateur placé en face du module, les gravures Pl, P2, P3 sont légèrement décalées les unes par rapport 25 aux autres, du fait des techniques de gravure. Il en résulte que pour chaque mise en série de deux cellules adjacentes, une largeur de matériau photovoltaïque de l'ordre de 0,3 mm devient inactive au niveau de la conversion photovoltaïque, ce qui diminue le rendement de conversion global de l'écran. Par exemple pour des dimensions typiques d'un Smartphone (soit 30 environ 40 x 70 = 2800 mm2), la perte de surface active photovoltaïque peut aller de 5% à 10%, soit jusqu'à 280 mm2. Cette perte est donc non négligeable et réduit les avantages qu'on peut obtenir par ailleurs en adoptant un écran semitransparent photovoltaïque. Les inconvénients liés à l'ombrage d'une cellule : Une autre conséquence de la mise en série de cellules photovoltaïques est la sensibilité à l'ombrage d'un module utilisant des cellules ainsi connectées. En effet, si l'une des cellules est sous un éclairage inférieur à celui des autres cellules (dans le cas d'une ombre portée ou ombrage par exemple), la baisse de production électrique de cette cellule sous ombrage va affecter toutes les autres cellules, car le courant électrique va être réduit de la même manière dans toutes les cellules lo connectées en série. De la même façon, si l'une des cellules est moins performante que les autres à cause de défauts d'homogénéité du dépôt de matière photovoltaïque ou du dopage par exemple, c'est cette cellule déficiente qui va pénaliser les autres et réduire les performances du module photovoltaïque dans son entier. 15 Les inconvénients liés à la visibilité des lignes de gravure : La gravure de la couche de TCO du substrat induit un changement local de l'indice optique de la zone qui est traversée par la lumière émise par un écran retro éclairé. En conséquence, il y aura des déviations locales des rayons lumineux qui passeront dans cette zone, et l'observateur verra la ligne de gravure même si le 20 matériau est lui-même transparent, ce qui crée un effet optique indésirable. De plus dans certaines configurations optiques, les bandes de gravure présentes sur les bandes de matériau photovoltaïque pourront elles aussi être vues. Le changement d'indice entre deux couches successives de l'empilement peut être aussi visible dans chaque zone de gravure, soit en vue directe, soit par 25 réflexion sous certains angles. Compte tenu de la qualité optique exigée en général par l'industrie des écrans, qui vise des taux de transparence de l'ordre de 90 % ou plus, la visibilité des lignes de gravure dues à la mise en série des cellules photovoltaïques est donc également à éviter. 30 Buts de l'invention : L'invention a par conséquent pour objectif général de proposer une structure de module photovoltaïque, notamment pour des écrans pour dispositifs électroniques, qui soit dépourvue des inconvénients précités. En particulier, l'invention a pour but de proposer une structure de module 5 photovoltaïque adaptée pour permettre l'intégration satisfaisante du module dans des écrans de dispositifs électroniques comme notamment des téléphones portables. Et cette structure doit alors résoudre la contradiction entre la qualité de l'image affichée, donc l'exigence d'une transparence élevée à la lumière, de l'ordre de 80-90 %, et celle d'une production électrique supérieure à 1 mW/cm2, non 10 affectée par les problèmes d'ombrage. Principes de l'invention : Afin d'atteindre les buts fixés, l'invention propose un module photovoltaïque 15 de conception améliorée. Un premier principe de l'invention consiste à remplacer la mise en série de plusieurs cellules photovoltaïques, par une cellule unique, dite mono cellule, pour l'ensemble de la zone active de conversion, ayant donc sensiblement la taille du module photovoltaïque, ou d'une image qui y serait associée pour être vue par 20 transparence à travers le module. Comme on le verra dans la description détaillée, cette disposition a pour effet de résoudre au moins partiellement les trois problèmes évoqués ci-dessus. Cependant cette conception à base de mono cellule crée un nouveau problème qui peut être pénalisant au niveau électrique. En effet, la résistance série 25 de l'électrode avant limite le courant produit par la mono cellule. Afin de résoudre cet effet parasite, 'Invention prévoit de faire des reprises de contact arrière, comme cela sera décrit en liaison avec les figures. Dans une autre variante encore plus optimisée, l'invention prévoit d'améliorer la collecte de l'énergie électrique produite par la couche de conversion, 30 par l'ajout d'une ligne de collecte, ou grille, plus conductrice que le TCO habituellement utilisé.

L'invention mettant en oeuvre ces principes a donc en définitive pour objet un module photovoltaïque semi-transparent à la lumière et destiné à être disposé en regard d'une image de taille suffisante pour être visible à l'ceil nu par un observateur, ledit module photovoltaïque comportant un empilement de couches s minces disposées sur un substrat électriquement isolant et transparent à la lumière, caractérisé en ce que lesdites couches minces sont agencées pour former une cellule photovoltaïque unique d'un seul tenant, ayant sensiblement la même surface que ladite image ou ledit module. De cette façon, à la différence des modules photovoltaïques connus ayant so une taille similaire, on n'a pas de mise en série de cellules individuelles de petite taille, typiquement de l'ordre de moins d'un centimètre en largeur. En outre, la mono cellule permet d'éviter la plupart des gravures des couches de la cellule photovoltaïque qui seraient finalement visibles et donc préjudiciables à la qualité de vision d'une image associée au module photovoltaïque. 15 Au contraire la mono cellule forme une zone homogène sensiblement de la taille du module photovoltaïque ou de l'image y associée, cette image pouvant être quelconque. Par exemple il peut s'agir d'une image active d'écran retro éclairé comme dans le cas des téléphones mobiles, tablettes tactiles, ou autres dispositifs avec une image rétro éclairée. Mais il peut aussi s'agir d'une image réflective 20 purement passive, comme dans le cas d'une étiquette électronique, d'un écran bi stable (comme dans le cas du papier électronique dit « e-paper » en terminologie anglo-saxonne), ou même d'une simple feuille de papier portant une image imprimée. Selon un mode de réalisation du module, pour réaliser la mono cellule, 25 l'empilement de couches minces comporte une couche transparente électriquement conductrice constituant une première électrode, une couche intermédiaire de conversion photovoltaïque, dite absorbeur, et une couche électriquement conductrice faisant office de seconde électrode, des zones de transparence étant au besoin (en fonction du matériau utilisé pour l'absorbeur) aménagées dans la couche 30 de conversion pour laisser passer la lumière.

Dans un mode de réalisation avantageux du module photovoltaïque, ladite première électrode constitue l'électrode avant et est en matériau TCO, l'absorbeur est en Silicium dopé ou en un autre matériau semi-conducteur adapté pour former une diode photovoltaïque, et l'électrode arrière est en métal ou un autre matériau électriquement conducteur. De préférence, afin d'assurer un bon degré de transparence au module photovoltaïque, celui-ci comporte des zones de transparence, notamment des bandes de transparence, aménagées dans les couches de l'absorbeur et de l'électrode arrière, de manière qu'un observateur situé devant le substrat puisse voir une image affichée derrière le module photovoltaïque, ces bandes de transparence étant configurées pour laisser subsister entre elles des zones de collecte constituées par des empilements de bandes d'absorbeur et de bandes de l'électrode arrière. Dans plusieurs modes de réalisation avantageux, le module photovoltaïque comporte en outre une grille de collecte métallique disposée au voisinage de l'absorbeur, destinée à réduire la résistance série de l'électrode avant et à faciliter la collecte du courant électrique généré par le module. Cette grille peut être réalisée de multiples façons. Selon un premier mode de réalisation, ladite grille de collecte est réalisée par le remplacement de certaines zones de collecte de courant, par des bandes métalliques disposées sur l'électrode avant entre deux zones de collecte adjacentes (cf. figure 8), l'ensemble des bandes métalliques de la grille étant reliées électriquement par un bus de collecte. Avantageusement, pour minimiser l'impact visuel de la grille de collecte, les bandes métalliques de la grille ont la forme d'un T renversé disposé sur certaines des bandes de la grille de collecte, de façon que seule une petite surface de grille correspondant à la base du T renversé n'entre en contact avec l'électrode avant en TCO (cf. figure 9). Cela réduit l'impact visuel de la grille, mais on perd la surface de zone de collecte correspondante, puisque la zone de production de courant est alors shuntée. Afin de remédier à cela, il peut être prévu que les zones d'interface entre les bandes métalliques en forme de T renversé et les zones de collecte soient passivées à l'aide d'un isolant électrique, le métal de la grille étant alors déposé sur la couche de passivation. On obtient la même réduction de l'impact visuel de la grille qu'auparavant, mais on garde la zone de collecte correspondante en état de fonctionner. s Selon un autre mode de réalisation avantageux, les zones de collectes sont réalisées par des empilements de bandes d'électrode avant, d'absorbeur et d'électrode arrière, séparés par des zones de transparence, les bandes d'absorbeur et d'électrode arrière étant moins larges que les bandes de l'électrode avant, et la grille étant constituée par de fines bandelettes métalliques disposées sur les bandes 10 de l'électrode avant, situées au droit des bandes d'absorbeur (cf. figure 10). Ces bandelettes de métal peuvent être très fines et invisibles à l'oeil nu, ce qui permet d'augmenter l'homogénéité de l'aspect de la surface du module. Selon une autre variante de réalisation, la grille est réalisée sous la forme de capots métalliques disposés sur un matériau isolant entourant les zones de collecte 15 et constitués par des empilements de bandes d'absorbeur et de bandes d'électrode arrière disposées sur l'électrode avant (cf. figure 11). Selon une variante de réalisation supplémentaire, la grille de collecte est constituée par des bandes métalliques disposées sur le verre du substrat avant la réalisation de l'électrode avant, de sorte que la grille se trouve enterrée dans 20 l'électrode avant à l'interface avec le substrat en verre (cf. figure 12). Dans ce cas on peut avoir intérêt à ce que qu'une couche d'antireflet soit interposée entre le verre du substrat et les bandes métalliques de la grille de collecte enterrée, de façon à réduire encore l'impact visuel de la grille enterrée. Il est également possible que la grille de collecte soit constituée par des 25 bandes métalliques disposées complètement à l'intérieur de la couche d'électrode avant en TCO, en retrait par rapport à l'interface avec le substrat en verre (cf._ figure 13). Dans ce cas, selon une variante avantageuse, les bandes métalliques de la grille ont une largeur inférieure à la largeur des zones de collecte, de sorte que . les bandes de la grille soient invisibles pour un observateur placé devant le substrat 30 du module (cf. figure 14). Par exemple, les bandes métalliques de la grille ont une largeur de l'ordre du micromètre et sont situées dans l'électrode avant sous les zones formées par la superposition de bandes d'absorbeur et de bandes de l'électrode arrière, de sorte que les bandes de la grille soient invisibles pour un observateur placé devant le substrat du module. s Alternativement, la grille de collecte est constituée par des bandes métalliques disposées directement à l'intérieur de la couche d'absorbeur. L'invention a encore pour objet un dispositif photovoltaïque semi-transparent utilisant ou intégrant le module photovoltaïque tel que décrit ci-dessus. Un tel dispositif comporte d'autre part un support d'image, actif ou passif, disposé en 10 regard du module photovoltaïque, le support d'image et le module photovoltaïque étant agencés et disposés l'un par rapport à l'autre de manière que d'une part l'image soit visible pour un observateur regardant le dispositif, et que d'autre part le module photovoltaïque soit frappé par la lumière ambiante de manière à assurer la production de courant électrique. De façon avantageuse, ce dispositif peut 15 comporter en outre une optique agencée pour d'une part focaliser la lumière ambiante vers l'absorbeur du module photovoltaïque et d'autre part diriger la lumière émise ou réfléchie par l'image, vers une face du dispositif orientée vers l'observateur. Dans cette réalisation préférée, on obtient un dispositif photovoltaïque capable de produire de l'électricité avec un bon rendement, tout en 20 laissant voir par transparence une image de toute nature, du fait du double rôle joué par l'optique associée au module photovoltaïque et à l'image. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description détaillée qui suit, et des dessins, dans lesquels : la figure 1 est une vue en coupe transversale de deux cellules 25 photovoltaïques adjacentes connectées en série dans un module photovoltaïque multicellulaire classique, tel que décrit dans le document EP 0 500 451 B1 faisant partie de l'état de la technique ; la figure 2 est une vue schématique de dessus d'un module photovoltaïque connu de la figure 1 ; 30 la figure 3 est une vue schématique de détail du module selon la figure 1 et la figure 2, à savoir une vue en coupe transversale de la zone de connexion E entre deux cellules adjacentes du module photovoltaïque ; la figure 4 est une vue schématique en plan d'un module photovoltaïque multicellulaire et semi transparent selon l'état de la technique; la figure 5 est une vue en plan d'un module photovoltaïque selon l'invention, utilisant une cellule photovoltaïque unique, ou mono cellule, représentée avant la réalisation de zones de transparence ; la figure 6 est une vue en plan du module photovoltaïque selon la figure 5, pourvu de ses zones de transparence ; la figure 7 est une vue en plan du module photovoltaïque de la figure 6, lo pourvu en outre d'une grille de collecte ; les figures 8 à 11 sont des vues en coupe transversale montrant quatre modes de réalisation de la grille de collecte du module photovoltaïque selon l'invention ; les figures 12 à 15 sont des vues en coupe transversale montre d'autres 15 modes de réalisation, dans lesquels la grille de collecte est enterrée soit dans la couche d'électrode avant du module photovoltaïque, soit dans la couche d'absorbeur photovoltaïque. La figure 16 est une vue en coupe transversale d'un mode de réalisation utilisant un autre type de diode photovoltaïque avec un empilement de couches 20 minces différent de ceux des figures 8 à 15. On se réfère à la figure 1, qui est une reproduction de la figure 7 du document de brevet EP 0 500 451 B1 mentionné précédemment. Les références numériques de cette figure sont telles qu'elles apparaissent dans ledit document. Le module photovoltaïque comporte deux cellules photovoltaïques adjacentes 10, 20 25 reliées entre elles par une zone d'interconnexion 19 constituée de trois zones parallèles et sensiblement adjacentes : une zone 21 d'interruption de l'électrode avant 5, qui correspond à la gravure dite P1, où la couche de conversion photovoltaïque 7 d'une cellule vient directement au contact du substrat 3 ; une zone-de percement ou d'interruption 23 qui correspond à la gravure dite P2 de cette 30 même couche semi-conductrice, où l'électrode arrière 9 vient directement au contact de l'électrode avant 5 de la cellule voisine 10, puis une autre zone d'interruption 25 de l'électrode arrière, qui correspond à la gravure dite P3.

La semi-transparence de ce module connu est assurée par des bandes transparentes perpendiculaires aux zones d'interconnexion série 19, découpées par gravure, puis reconnectées entre elles par des reprises de contact. On a représenté en figure 3 une vue plus schématique de cette structure 5 connue de la figure 1, avec des références numériques qui seront reprises dans la suite de la description. La structure est composée d'un substrat en verre référencé 1, et d'un empilement de couches minces 2, 3, 4. L'indice 2 représente une couche de TCO constituant l'électrode avant. L'indice 3 représente la couche d'absorbeur photovoltaïque, typiquement en silicium dopé, comme connu en soi. L'indice 4 10 représente une couche conductrice, typiquement métallique, constituant l'électrode arrière. En 5 on a représenté une ligne d'isolation de l'électrode avant 2. Elle est obtenue par la gravure PI et permet d'isoler électriquement les électrodes avant de deux cellules adjacentes. En 6 on a représenté la ligne d'isolation de l'absorbeur. 15 Elle est obtenue par la gravure P2 et permet d'isoler électriquement les absorbeurs de deux cellules adjacentes. En 7 on a représenté la ligne d'isolation de l'électrode arrière 4. Elle est obtenue par la gravure P3 et permet d'isoler électriquement les électrodes arrière de deux cellules adjacentes. On a représenté en figure 2 une vue schématique en plan d'un module 20 photovoltaïque selon la figure 3. Les différentes lignes de gravure correspondant aux gravures Pl, P2 et P3 sont visibles, à de degrés divers, en fonction de la profondeur à laquelle elles sont réalisées par rapport à la surface du substrat. Ainsi, la référence B indique les bus de connexion, l'un des bus étant connecté à l'anode et l'autre à la cathode. La référence C indique plusieurs cellules photovoltaïques 25 mises en série, D E et F indiquent les traces de découpe laser ou chimique qui sont visibles du dessus par transparence, et qui correspondent respectivement aux lignes de gravure réalisées dans les différentes couches. Les zones les plus visibles dans la réalité sont constituées par les gravures correspondant aux zones E de la figure 3, qui correspondent aux zones de mise en 30 série de cellules photovoltaïques élémentaires. Mais on voit également les gravures D,F correspondant aux bus de connexion des anodes et des cathodes du module.

Ce qui se voit le plus dans la zone E de mise en série de cellules élémentaires, c'est le contact métallique 6 (figure 2) qui correspond à la mise en série de deux cellules voisines (métal sur TCO). On voit également la ligne 5 correspondant à la gravure du TCO, à cause du 5 saut d'indice dans l'empilement, puisqu'on passe directement d'un indice de 1,5 du verre, à un indice de 3,5 pour le silicium de l'absorbeur, de ce fait la réflexion lumineuse sur la ligne de gravure 5 sera plus forte et visible. Pour la ligne d'isolation 7 de l'électrode arrière 4, il y a une rupture dans la continuité optique, puisque le trou dans le métal opaque de l'électrode arrière 4 10 laisse passer la lumière résiduelle non guidée par le système optique du module, dans le cas où le module photovoltaïque utilise un tel système optique pour guider la lumière. La figure 4 est une vue similaire à celle de la figure 2, mais on y a ajouté des zones de transparence T, réalisées ici sous la forme de bandes de transparence 15 découpées, par exemple par gravure laser, dans les couches d'électrodes et d'absorbeur. La présence des bandes de transparence laisse subsister la visibilité des plans de gravure Pl, P2, P3 comme expliqué plus haut, mais on voit maintenant des lignes de gravure en trait interrompu. L'ensemble de ces traces de gravure 5,6,7 de 20 la zone de mise en série E est visible et perturbe la qualité de vision d'une image qui serait disposée sous le module photovoltaïque, de sorte que ce type de module connu ne peut pas être valablement intégré dans un dispositif électronique du type téléphone portable, car l'incidence négative de ces traces sur la visibilité de l'image sur l'écran serait trop néfaste. 25 On se réfère maintenant aux figures 5 et 6 pour décrire le principe de l'invention faisant appel à une cellule photovoltaïque unique, dite mono cellule, pour réaliser un module photovoltaïque susceptible de couvrir toute la surface utile du module, ou de l'image y associée par exemple l'image apparaissant sur l'écran d'un dispositif électronique, comme par exemple un téléphone portable.

En figure 5 on a représenté une mono cellule en vue de dessus, avant la réalisation des zones de transparence. Comme on le voit, une seule cellule photovoltaïque unique 30 d'un seul tenant est utilisée pour réaliser le module. Elle est délimitée sur ses côtés par des bus de connexion B, (qui sont en contact avec l'électrode avant pour l'un et avec l'électrode arrière pour l'autre), dont on aperçoit en vue en plan, les rayures de gravure laser D,F. Dans cette configuration, à la différence des modules photovoltaïques connus décrits en référence aux figures 1 à 4, il n'y a plus aucune zone de connexion pour la mise en série de cellules multiples, puisqu'il n'y a plus qu'une seule cellule photovoltaïque de grande taille, à la place d'une multitude de petites cellules élémentaires connectées en série. En figure 6 on a représenté la même vue en plan du module photovoltaïque de la figure 5, mais après réalisation dans la mono cellule, typiquement opaque, d'un ensemble de zones de transparence T. Ces zones de transparence T sont par exemple réalisées par découpe de bandes régulières, notamment à l'aide d'un procédé de gravure par faisceau laser. Les zones ou bandes de transparence T sont de préférence régulièrement espacées. Pour une image dont l'observateur est proche, les bandes de transparence et/ou les bandes de PV sont typiquement espacées d'une distance inférieure à une centaine de microns. Pour une image dont l'observateur est plus éloigné, les bandes de transparence et/ou de PV sont de préférence espacées d'une distance inférieure au millimètre. Selon un mode de réalisation avantageux du module photovoltaïque selon l'invention, certaines des bandes de transparence T peuvent être remplacées, à intervalles de préférence réguliers, par une grille conductrice 26, comme représenté 25 en vue en plan en figure 7, et en vue en coupe en figure 8. Elle est beaucoup plus conductrice que le TCO et permet de réduire la résistance série du TCO qui constitue l'électrode avant. La grille fonctionne comme un shunt électrique placé sur l'électrode avant en TCO. Elle est réalisée par exemple en Aluminium, en Silicium dopé n ou p, en Argent ou autre matière très conductrice de l'électricité.

Comme on le voit sur la figure 8, la grille conductrice 26 est positionnée sur la couche de TCO après enlèvement de la zone d'absorbeur 3 qui s'y trouvait. Entre la grille 26 et les zones d'absorbeur 3 adjacentes se trouvent les zones de transparence T, qui correspondent aux zones dans lesquelles la couche de matériau photovoltaïque 3 et celle de l'électrode arrière a été enlevée, notamment par gravure laser. Les zones de collecte de courant sont constituées par le reste des empilements de zones d'absorbeur et des restes d'électrode arrière qui les surmontent. En liaison avec les figures subséquentes, on va décrire plusieurs variantes possibles pour la réalisation d'une telle grille de collecte 26. En figure 8, l'interface entre la grille 26 et la couche de TCO 2, qui est métallique et brillante, peut être visible par l'observateur en vue de dessus, ce qui peut nuire à l'aspect visuel du dispositif dans lequel le module photovoltaïque est susceptible d'être incorporé. Une façon de résoudre ce problème consiste à 15 interposer entre la grille 26 et l'électrode avant 2, un élément non réfléchissant (non représenté). Une autre solution consiste à minimiser la taille visible de la grille 26, comme représenté en figure 9, dans laquelle la grille 26 possède une forme de T renversé, de sorte que la base du T soit située à l'interface avec la couche de TCO. Ainsi, la 20 surface métallique de la grille qui est visible en vue de dessus, est réduite, bien que le volume de la grille, et donc sa capacité de conduction électrique, soit inchangée par rapport à la figure 8. La figure 10 représente encore une autre variante de réalisation de la grille 26, dans laquelle l'optimisation optique de la visibilité de la grille est obtenue par un 25 autre moyen. Plutôt que de créer une grille assez large à la place de certaines bandes de matériau photovoltaïque 3, on réalise une grille 26 plus fine sur la couche de TCO, au droit de chacune des zones d'absorbeur photovoltaïque 3. Bien entendu, l'homme du métier saura adapter la densité de lignes de grille- 26 en fonction de la résistance intrinsèque du TCO et en fonction du courant 30 électrique que le module photovoltaïque doit fournir dans l'application visée.

Une autre variante de grille 26 est représentée en figure 11. Cette structure présente des bandes BD1 de matériau réalisées dans une cellule photovoltaïque, et reposant sur un substrat transparent. Les bandes BD1 sont composées du matériau M1 qui représente l'électrode avant de la cellule, du matériau M2 qui représente 5 l'absorbeur de la cellule et du matériau M3 qui représente l'électrode arrière et le réflecteur de la cellule. Le matériau M4 est un matériau isolant (oxyde, nitrure, polymère...) qui enrobe les matériaux M2 et M3 à la manière d'un capot, sur toute la longueur des bandes. Un matériau conducteur M5, idéalement métallique (cuivre, aluminium, argent ...), est déposé au-dessus du matériau M4, également sur toute 10 la longueur des bandes BD1. Il existe ainsi un contact électrique entre le matériau métallique M5 et l'électrode avant M1 de la cellule photovoltaïque. Il n'existe cependant aucun contact électrique entre ce même matériau métallique M5 et les autres matériaux M2 et M3 qui composent la cellule photovoltaïque. Dans cette variante de grille, le matériau M5 joue le rôle d'une grille 15 métallique 26 qui collecte les électrons circulant dans l'électrode avant M1 de la cellule photovoltaïque. Cette structure présente l'avantage de diminuer la résistance électrique série de la cellule grâce à la réduction du chemin électrique parcouru par les électrons dans l'électrode avant, composée du matériau M1 généralement plus résistif. La couche M5 peut également jouer le rôle d'un réflecteur de lumière qui 20 augmente l'efficacité énergétique de la cellule. Il est à noter que le matériau M1 (TCO) peut être commun à toutes les bandes (BD1). On obtient alors une électrode avant M1 mutualisée pour l'ensemble des bandes de matériau photovoltaïque. Une autre façon de procéder consiste à réaliser une grille non plus disposée 25 en relief sur la couche de TCO de l'électrode avant, mais d'enterrer la grille à l'intérieur de la couche de TCO de l'électrode avant, comme représenté dans les variantes des figures 12 à 15. En figure 12, une grille 26 est enterrée dans la couche de TCO, entre deux bandes d'absorbeur photovoltaïque adjacentes. Mais compte tenu de la 30 transparence du substrat en verre 1 et de la couche de TCO 2, si la grille 26 est un peu trop large, il se peut que son reflet métallique soit encore visible en transparence à travers le verre et le TCO. On peut atténuer cela en interposant une couche antireflets entre le verre et la grille 26. Une autre variante représentée en figure 14 consiste à réaliser la grille 26 5 sous la forme d'un ensemble de fines lignes conductrices, chaque ligne ayant une largeur inférieure à la largeur de la zone de collecte constituée par l'empilement 3,4, et étant disposée dans la couche de TCO, en regard d'une ligne correspondante d'absorbeur photovoltaïque. Comme l'absorbeur 3 et la grille 26 ont une brillance semblable, la grille n'ajoutera pas de perturbation visuelle supplémentaire. En outre, 10 les lignes d'absorbeur 3 seront très peu visibles, du fait qu'elles constituent un réseau de lignes régulièrement espacées. Bien que la ligne conductrice formée par la grille 26 créera une perte de surface de collecte photovoltaïque en comparaison avec une solution sans grille, la perte sera dans certains cas suffisamment faible pour que cela soit intéressant par 15 rapport à la perte induite par le TCO. En effet, à faible illumination (-1000 lux), l'influence de la résistance série n'est pas notable donc l'intérêt de la grille est faible voire nul. En revanche, dans le cas d'une forte illumination (-0,5 SUN soit environ 50 000 lux), la résistance série de l'électrode avant est fortement pénalisante (soit une perte de puissance de 20 l'ordre de 50%). Ainsi la grille fait perdre une petite partie de la surface active photovoltaïque soit par ombrage, soit par diminution de la surface active, mais en revanche elle permet d'exploiter tout le potentiel de la diode photovoltaïque. Donc, à forte illumination la grille 26 fait en définitive gagner de la puissance électrique produite. 25 Un autre avantage de cette variante est que l'on garde un approvisionnement standard du matériau absorbeur et qu'il n'y a pas besoin de graver l'électrode en TCO. De plus l'électrode TCO peut être très fine de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres, ce qui permet de conserver une grande transparence du module entre les zones de collecte. 30 Il est à noter que les variantes à grille enterrée dans le TCO ont des avantages supplémentaires du point de vue du rendement de fabrication.

En effet, lorsque la grille est intercalée sous le TCO et entre les bandes d'absorbeur comme représenté en figures 8 à 11, elle est réalisée en dernière étape. Or il s'agit d'une étape ayant un taux de perte très élevée pouvant aller jusqu'à 90% de déchet. Pour limiter les pertes il est possible de réaliser la grille soit directement sur le substrat en verre avant le dépôt des couches constituant l'absorbeur (figures 12,14), soit même à l'intérieur du TCO (figure 13), ou même sans TCO (figure 15). La première option semble être la plus économiquement intéressante. En effet, si, lors de la réalisation de la grille des défauts de fabrication apparaissent, il 10 est très simple de retravailler les plaques à très faible coût. De plus la grille enterrée offre une grande plage de procédés de fabrication possibles pour la réalisation de la prise de contact métallique de la grille sur la couche de TCO 2, notamment en ce qui concerne les gammes de températures, sans risque de détérioration des couches actives de l'absorbeur 3 puisque celles-ci 15 ne sont pas encore déposées lors de la réalisation de la prise de contact grille/TCO. La figure 15 est similaire à la figure 14, mais on y a enlevé le TCO : les bandes de collecte sont suffisamment fines pour que la conductivité du silicium de l'absorbeur 3 suffit à collecter les électrons directement vers la grille 26, sans l'aide du TCO.

20 En figure 16, on a représenté une structure qui est une variante de celles des figures 8, 14 ou 15, dans laquelle la mono cellule comporte un absorbeur 3 qui n'est plus du silicium, mais un matériau de type CIGS (Cuivre, Indium, Gallium, Sélénium), et l'empilement des couches minces est alors inversé et forme une jonction P-N. Dans ce cas il est nécessaire d'interposer un isolant électrique 25 transparent, noté IT, entre les bandes ou zones de matériau absorbeur 3. Mais cela montre en particulier que l'invention, utilisant une mono cellule pour le module photovoltaïque, peut aisément être adaptée à différents matériaux absorbeurs, et est en définitive indépendante de la technique de capture de photons utilisée.

30 Avantages de l'invention : Le module photovoltaïque selon l'invention permet d'atteindre les buts visés. Grâce à la conception utilisant une mono cellule, il n'y a plus de gravure de mise en série dans la zone active, ni de problème d'ombrage d'une cellule élémentaire, ni de 5 perte de surface liée aux gravures de mise en série. Le module photovoltaïque selon l'invention permet donc d'obtenir à la fois une bonne homogénéité optique, une performance électrique améliorée, et une surface utile de production optimale. Les techniques de fabrication d'un tel module restent standard, par dépôt de io couches et lithographie et gravure, sur du matériel standard.

Claims (4)

1. REVENDICATIONS1 - Module photovoltaïque semi-transparent à la lumière et destiné à être disposé en regard d'une image de taille suffisante pour être visible à l'oeil nu par un observateur, ledit module photovoltaïque comportant un empilement de couches minces (2,3,4) disposées sur un substrat (1) électriquement isolant et transparent à la lumière, caractérisé en ce que lesdites couches minces sont agencées pour former une cellule photovoltaïque unique d'un seul tenant, ayant sensiblement la même surface que ladite image ou ledit module. 1.0
2. 2 - Module photovoltaïque selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit empilement de couches minces (2,3,4) comporte une couche transparente (2) électriquement conductrice constituant une première électrode, une couche intermédiaire (3) de conversion photovoltaïque, dite absorbeur, et une couche électriquement conductrice (4) faisant office de seconde électrode, des zones de 15 transparence (T) étant au besoin aménagées dans la couche de conversion pour laisser passer la lumière.
3. 3 - Module photovoltaïque selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite première électrode (2) constitue l'électrode avant et est en matériau TCO, l'absorbeur (3) est en Silicium ou un autre matériau semi-conducteur adapté pour 20 former une diode photovoltaïque, et l'électrode arrière (4) est en métal ou un autre matériau électriquement conducteur.
4. 4 - Module photovoltaïque selon la revendication 3, caractérisé en ce que les zones de transparence (T) sont aménagées dans la couche d'absorbeur (3) et dans l'électrode arrière (4), et en ce qu'elles sont configurées pour laisser subsister 25 des zones de collecte de courant constituées par des empilements de bandes d'absorbeur (3) et de bandes de l'électrode arrière (4). - Module photovoltaïque selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une grille de collecte (26) électriquement conductrice disposée au voisinage de l'absorbeur (3) et apte à réduire la résistance série de l'électrode 30 avant (2) et à faciliter la collecte du courant électrique généré par le module.6 - Module photovoltaïque selon la revendication 4 ou la revendication 5, caractérisé en ce que lesdites zones de transparence (T) sont réalisées par des ouvertures en forme de bandes rectilignes, discontinues ou non, ou selon d'autres formes quelconques, ladite grille de collecte (26) étant alors de forme adaptée pour contourner les zones de transparence (T). 7 - Module photovoltaïque selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite grille de collecte (26) est réalisée par le remplacement de certaines zones de collecte de courant, par des bandes métalliques disposées sur l'électrode avant (2) entre deux zones de collecte adjacentes, l'ensemble des bandes métalliques de la 10 grille (26) étant reliées électriquement par un bus de collecte (B). 8 - Module photovoltaïque selon la revendication 7, caractérisé en ce que, pour minimiser l'impact visuel de la grille de collecte (26), les bandes métalliques de la grille ont la forme d'un T renversé disposé sur certaines des bandes de la grille de collecte, de façon que seule une petite surface de grille correspondant à la base du 15 T renversé n'entre en contact avec l'électrode avant (2). 9 - Module photovoltaïque selon la revendication 8, caractérisé en ce que les zones d'interface entre les bandes métalliques en forme de T renversé et les zones de collecte sont passivées à l'aide d'un isolant électrique, le métal de la grille étant déposé sur la couche de passivation. 20 10 - Module photovoltaïque selon la revendication 6, caractérisé en ce que les zones de collectes sont réalisées par des empilements de bandes d'électrode avant, d'absorbeur et d'électrode arrière, séparés par des zones de transparence, les bandes d'absorbeur et d'électrode arrière étant moins larges que les bandes de l'électrode avant, et la grille étant constituée par de fines bandelettes métalliques 25 disposées sur les bandes de l'électrode avant, situées au droit des bandes d'absorbeur. 11 - Module photovoltaïque selon la revendication 6, caractérisé en ce que la grille est réalisée sous la forme de capots métalliques disposés sur un matériau isolant entourant les zones de collecte constituées par des empilements de bandes 30 d'absorbeur et de bandes d'électrode arrière, disposés sur l'électrode avant. 3006 106 20 12 - Module photovoltaïque selon la revendication 6, caractérisé en ce que la grille de collecte (26) est constituée par des bandes métalliques disposées sur le verre du substrat avant la réalisation de l'électrode avant, de sorte que la grille se trouve enterrée dans l'électrode avant. 13 - Module photovoltaïque selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte une couche d'antireflet interposée entre le verre du substrat et les bandes métalliques de la grille de collecte enterrée. 14 - Module photovoltaïque selon la revendication 12 ou la revendication 13, caractérisé en ce que les bandes métalliques de la grille (26) sont disposées dans la couche d'électrode avant (2) sous les zones de collecte et ont une largeur inférieure à la largeur des zones de collecte, de sorte que les bandes de la grille (26) soient invisibles pour un observateur placé devant le substrat du module. 15 - Module photovoltaïque selon la revendication 6, caractérisé en ce que la grille de collecte (26) est constituée par des bandes métalliques disposées 15 directement à l'intérieur de la couche d'absorbeur (3) . 16 - Dispositif photovoltaïque caractérisé en ce qu'il comporte d'une part un module photovoltaïque semi-transparent selon l'une quelconque des revendications précédentes, et d'autre part un support d'image, actif ou passif, disposé en regard du module photovoltaïque, le support d'image et le module photovoltaïque étant 20 agencés et disposés l'un par rapport à l'autre de manière que d'une part l'image soit visible pour un observateur regardant le dispositif, et que d'autre part le module photovoltaïque soit frappé par la lumière ambiante de manière à assurer la production de courant électrique. 17 - Dispositif photovoltaïque selon la revendication 16, caractérisé en ce 25 qu'il comporte en outre une optique agencée pour d'une part focaliser la lumière ambiante vers l'absorbeur du module photovoltaïque et d'autre part diriger la lumière émise ou réfléchie par l'image, vers une face du dispositif orientée vers l'observateur.