FR3009892A1 - Ensemble opto-electronique forme d'une plateforme opto-phonique de traitement de la lumiere, de convertisseurs phoniques, et d'au moins un convertisseur lumiere-electricite pour former un capteur solaire - Google Patents

Abstract

L'ensemble opto-électronique comprend une plateforme opto-photonique (2) de traitement de la lumière qui se présente sous la forme d'au moins un support plan de substrat (8) transparent comportant sur au moins une de ses faces un réseau numérique de diffraction de micro ou nanostructures formé de nervures inclinées modulées (11) permettant de collecter un maximum de lumière solaire quelle que soit son incidence, de la décomposer en plusieurs sous-bandes spectrales, de transposer spectralement certaines d'entre elles, de guider et de concentrer individuellement chacune de ces sous-bandes spectrales vers une sortie séparée de la plateforme opto-photonique (2) en vue de son exploitation par un dispositif de conversion lumière-électricité (3) qui lui est associé. La plateforme opto-photonique (2) comporte également des moyens de conversion photonique des rayonnements ultraviolets en rayonnements visibles et ou bien proche infrarouge et ainsi que des rayonnements infrarouges en rayonnements visibles et ou bien proche infrarouge pour mieux exploiter tout le spectre solaire et augmenter le rendement de conversion lumière-électricité.

Description

TITRE DE L'INVENTION Ensemble opto-électronique formé d'une plateforme opto-photonique de traitement de la lumière, de convertisseurs photoniques, et d'au moins un convertisseur lumière-électricité pour former un capteur solaire DEFINTION DE L'INVENTION L'invention est un ensemble formé d'une plateforme opto-photonique de traitement de la lumière, d'un ou de plusieurs convertisseurs photoniques et d'au moins un convertisseur lumière-électricité. La plateforme opto-photonique présente au moins un support plan de substrat comportant au moins une face micro ou nanostructurée formant un réseau optique de diffraction à nervures inclinées et à caractéristiques modulées pour décomposer la lumière en sous-bandes spectrales quelle que soit son incidente. Les sous-bandes spectrales de la lumière incidente ainsi divisée se trouvent traitées et dirigées chacune sur la surface d'exposition d'un convertisseur spécialisé pour la conversion lumière-électricité avec le meilleur rendement possible. La partie optique de la plateforme opto-photonique est un diffracteur optique micro ou nano structuré à effet de concentration. Il se complète par au moins deux convertisseurs photoniques qui transposent pour l'un le rayonnement ultraviolet et pour l'autre le rayonnement infrarouge en sous-bandes spectrales visibles présentant un bon rendement pour chacun des convertisseurs lumière-électricité aval recevant la sous-bande spectrale émergeante correspondante et exploitant celle-ci.

L'ensemble est constitué ensuite d'une unité de conversion lumière-électricité formée d'un ou de plusieurs convertisseur(s) lumière-électricité pour obtenir un capteur photovolaïque de hautes performances. La partie opto-photonique recueille et concentre pratiquement toutes les composantes spectrales ou sous-bandes spectrales visibles ou invisibles du rayonnement solaire incident, puis les guide vers et sur les convertisseurs lumière-électricité associés pour une plus grande quantité d'énergie photonique incidente et ainsi un meilleur rendement global.

PROBLEME GENERAL POSE La production de l'énergie électrique par les capteurs dits photovoltaïques actuellement disponibles sur le marché est relativement faible en raison notamment de leur modeste rendement mais aussi du positionnement fixe par rapport au soleil qui est en mouvement constant et les pertes ainsi induites par inadaptation angulaire. Le rendement global de ces capteurs dits photovoltaïques est maximal lorsque la face d'exposition de ceux-ci se trouve exactement en face du soleil. Or, l'inclinaison du soleil est constamment variable selon le moment de la journée et la saison. Et même, si l'on choisit un emplacement optimal pour ces capteurs afin qu'ils reçoivent le rayonnement solaire le plus longtemps possible, une grande partie de ce rayonnement ne peut pas être exploitée au cours de la journée en raison de la fixité de ces capteurs et des réflexions des rayons plus ou moins rasants. Le problème se pose également lorsque le rayonnement solaire est faible ou diffus, notamment lorsque le ciel est couvert ou lorsque le rayonnement solaire est atténué par des aérosols ou des nuages diffus ou en strates notamment ceux de haute altitude ou lorsque le rayonnement parvient indirectement à ces capteurs. Dans ce cas, la quantité d'électricité produite est faible car une grande partie de l'énergie photonique du rayonnement solaire n'est pas convertie.

Le faible rendement des convertisseurs dits photovoltaïques actuels est de l'ordre de 10 à 20%. Le caractère modeste de ce rendement peut aussi s'expliquer d'une autre façon. La lumière solaire couvre un spectre étendu, se composant de différentes sous- bandes spectrales présentant des longueurs d'onde variées et donc des photons d'énergie différente qui ne peuvent être tous convertis de la même manière en électricité.

En effet, pour qu'un convertisseur dit photovoltaïque produise de l'électricité, il faut que l'énergie apportée par les photons du rayonnement solaire incident soit suffisante pour libérer des électrons. La condition fondamentale bien connue des scientifiques pour que la conversion existe est que l'énergie incidente des photons soit supérieure à l'énergie de bande interdite de la matière semi-conductrice dont est formé le convertisseur dit photovoltaïque, afin que les électrons puissent être libérés et donner naissance à un courant électrique.

Par conséquent, les composantes spectrales ou sous-bandes spectrales dont l'énergie photonique est inférieure à l'énergie de bande interdite de la matière semi-conductrice formant le convertisseur dit photovoltaïque ne peuvent libérer d'électrons. D'autre part, le rayonnement des sous-bandes spectrales dont l'énergie photonique est supérieure à l'énergie de bande interdite de la matière semi-conductrice du convertisseur photovoltaïque libèrent le même nombre d'électrons que celles dont l'énergie photonique correspond exactement à l'érnergie de bande interdite. L'énergie supplémentaire des photons de ces bandes spectrales n'est donc pas exploitée pour libérer plus d'électrons.

En outre, si la partie visible du rayonnement solaire incident est utilisée au moins partiellement par les convertisseurs dits photovoltaïques de l'art antérieur, l'énergie des sous-bandes spectrales infrarouges n'est pas du tout convertie, alors que l'énergie des sous-bandes du rayonnement ultraviolet n'est que peu transformée en électricité et de ce fait elles apportent beaucoup de chaleur ce qui est néfaste pour le capteur et l'installation.

Ainsi, une partie importante de l'énergie photonique apportée par le rayonnement solaire incident est perdue expliquant le modeste rendement des capteurs actuels dits photovoltaïques. La plateforme opto-photonique selon cette invention transpose spectralement les rayonnements des ultraviolets et des infrarouges, divise spectralement tout le rayonnement solaire incident et le dirige par sous-bandes spectrales vers des convertisseurs lumière- électricité optimisés pour chacune de ces sous-bandes spectrales ce qui confère au capteur dit photovoltaïque un rendement global bien supérieur. ETAT DE L'ART ANTERIEUR Pour tenter de remédier à cette situation, on a imaginé dans l'art antérieur d'équiper ces convertisseurs dits photovoltaïques de systèmes de poursuite du soleil qui permettent de les orienter au cours de la journée pour qu'ils soient le plus longtemps possible exposés pleinement au soleil quelle que soit la position de ce dernier.

Ces systèmes de poursuite permettent en effet d'augmenter la quantité d'énergie produite par les convertisseurs dits photovoltaïques, mais au prix de nombreux inconvénients. Il s'agit de dispositifs mécaniques mobiles qui sont complexes, délicats à installer et à entretenir, fragiles et assez onéreux.

Il existe également des dispositifs statiques qui ont pour but de concentrer l'énergie solaire. Mais ceux-ci, sont encombrants car il faut développer les surfaces de captage ce qui limite les possibilités d'implantation notamment chez les particuliers. On a aussi utilisé des lentilles qui focalisent le rayonnement solaire sur un convertisseur dit photovoltaïque par exemple des ensembles à plusieurs lentilles convergentes juxtaposées. On ne récupère pas plus d'énergie par rapport à la surface nécessaire car l'énergie solaire est uniformément diluée et ces ensembles servent surtout à chauffer de l'eau car ils permettent de monter en température. La présente invention utilise pour le réseau de concentration-diffraction un composant optimisé d'optique diffractive numérique. L'optique diffractive a d'abord été réalisée par des moyens analogiques, en exploitant les ressources de l'holographie, selon les principes d'enregistrements qui ont valu un prix Nobel à Denis Gabor en 1971. Mais, si cette approche analogique, constituant une validation de principe d'exploitation de l'optique diffractive pour conformer des fronts d'ondes, notamment pour les applications solaires, les performances étaient limitées, et, de plus, les composants diffractifs ainsi obtenus n'étaient pas reproductibles en grandes séries. L'optique diffractive devenue numérique, dès le milieu des années 80, a permis d'élargir le champ d'applicabilité de l'optique diffractive à l'énergie solaire, mais avec deux inconvénients : la modélisation scalaire, la seule que l'on savait mettre en oeuvre, imposait des approches axiales, c'est-à-dire avec très peu de possibilités de s'éloigner d'un axe de symétrie optique, la duplication ne pouvait être faite qu'avec des matières plastiques. L'apparition des techniques diffractives à franges a permis d'augmenter les performances dans le domaine de la lumière solaire en se rapprochant des possibilités théoriques. Les difficultés de réalisation des composants diffractifs à franges, nécessitant des moyens techniques spécifiques et des machines spéciales onéreuses, limitaient les avantages. Si bien que cette technologie n'a jamais pu être vraiment mise au point à grande échelle.30 EXPOSE SOMMAIRE DE L'INVENTION L'ensemble opto-électronique se compose d'une plateforme opto-photonique de traitement de la lumière qui se présente sous forme d'un substrat transparent pouvant être un 5 support plan de matériau diélectrique transparent comportant un réseau concentrateurdiffractif d'optique numérique à nervures ou franges inclinées et modulées permettant de collecter un maximum de lumière solaire quelle que soit son incidence, de la décomposer en plusieurs sous-bandes spectrales, de transposer les sous-bandes spectrales peu efficaces ou thermiquement nuisibles, en sous-bandes spectrales à efficacité optimale, de guider et de 10 concentrer individuellement chacune des sous-bandes spectrales vers une zone réceptrice qui est la surface d'exposition d'un convertisseur lumière-électricité associé et optimisé pour cette sous-bande spectrale, le tout formant un capteur photovoltaïque de hautes performances. La plateforme opto-photonique comporte des moyens de conversion photonique des rayonnements ultraviolets en rayonnements visibles et des rayonnements infrarouges en 15 rayonnements visibles et au moins un convertisseur ou un ensemble de convertisseurs lumière-électricité pour mieux exploiter le spectre solaire et augmenter le rendement global de la conversion lumière-électricité. Ainsi, la plateforme opto-photonique est d'abord un concentrateur-diffracteur d'optique numérique associé à au moins deux convertisseurs photoniques qui transposent pour l'un, le 20 rayonnement ultraviolet et pour l'autre, le rayonnement infrarouge en sous-bandes spectrales visibles à efficacité optimale par exemple en infrarouge proche, pour que chacun des convertisseurs lumière-électricité recevant une sous-bande spectrale de rayonnement converti présente un bon rendement de conversion en électricité. Grâce à ses micro ou nanostructures diffractives numériques, la plateforme opto- 25 photonique de traitement de la lumière a également pour fonction de décomposer la lumière incidente solaire en plusieurs sous-bandes spectrales correspondant chacune à une bande spectrale choisie et de largeur limitée, de guider chacune de ces sous-bandes spectrales indépendamment les unes des autres et de les concentrer pour les faire sortir chacune par une zone de sortie spécifique de la plateforme opto-photonique et ensuite être projetée sous la 30 forme d'une tache lumineuse, de forme, de taille et de position correspondant à la surface d'exposition du convertisseur lumière-électricité adapté, affecté à cette sortie et situé sur son trajet lumineux dans le but de produire le maximum d'électricité à partir de l'énergie solaire et ceci avec à chaque fois ; et pour chaque sous-bande spectrale composant le spectre solaire visible et invisible, mais aussi toute lumière incidente arrivant sur le capteur, un rendement intéressant supérieur aux capteurs solaires existant actuellement. AVANTAGES DE L'INVENTION L'ensemble opto-électronique à plateforme opto-photonique est un dispositif d'abord optique, puis photonique, et enfin de conversion lumière-électricité. La transposition spectrale permet de réaliser l'ensemble des fonctions de collecte et de concentration de toutes les composantes spectrales visibles et invisibles du rayonnement solaire et de façon plus générale d'une lumière quelconque, quelle que soit son inclinaison et malgré son éventuel caractère diffus et atténué, sans présenter les inconvénients des capteurs dits photovoltaïques antérieurs. Il s'agit pour la partie réseau de diffraction d'un dispositif plan, statique et peu volumineux, réalisé sous la forme d'un support plan ou d'une ou de plusieurs couches ou films de matériau diélectrique, organique ou minéral, transparent à la lumière, qui présente sur au moins une de ses faces un réseau de micro ou nanostructures diffractives numériques modulées. Ces micro ou nanostructures se présentent sous la forme d'une pluralité de nervures inclinées formant un motif élémentaire. Elles sont calculées par ordinateur et se répètent sur toute la surface d'exposition du convertisseur lumière-électricité.

La plateforme opto-photonique avec son ou ses convertisseur(s) photoniques est placée devant ou rapportée sur ou solidarisée à une unité de conversion lumière-électricité qui lui est associée. On obtient ainsi un capteur solaire plan et compact, insensible à l'incidence du rayonnement lumineux solaire qu'il soit d'intensité réduite ou de faible inclinaison. La superficie d'une installation de panneaux solaires s'en trouve réduite pour une même puissance installée. L'idée d'un concentrateur solaire qui décompose le flux lumineux solaire incident visible et invisible et toute lumière incidente, en sous-bandes spectrales et surtout la transposition spectrale de celles-ci apporte de nombreux avantages. Les convertisseurs lumière-électricité placés sous la plateforme recevant un flux 30 lumineux correspondant à une sous-bande spectrale spécifique sont chacun adapté et optimisé pour la conversion à haut rendement de la sous-bande spectrale qui lui est destinée.

Surtout, au sein de la même plateforme opto-photonique, les sous-bandes spectrales correspondant aux rayonnements infrarouge et ultraviolet sont séparées du reste du rayonnement solaire et transposées spectralement. Cette caractéristique apporte une amélioration considérable, car les ultraviolets sont 5 normalement très vite absorbés tout près de la surface du convertisseur et de ce fait ne peuvent être convertis. Les électrons ainsi libérés se recombinent immédiatement avec les trous à travers les états de surface sans pouvoir être extraits pour induire le courant. Les conversions spectrales du rayonnement ultraviolet et infrarouge en rayonnement visible et en proche infrarouge apportent une amélioration considérable en augmentant 10 fortement le rendement global de la conversion. Avec la plateforme opto-photonique, l'énergie contenue et apportée par les rayonnements infrarouge et ultraviolet est convertie majoritairement en électricité au lieu de traverser sans aucune interaction lumière-matière et de chauffer inutilement voire dangereusement le ou les convertisseur(s) lumière-électricité avec les inconvénients qui en 15 découlent. La plateforme opto-photonique selon l'invention intègre dans un même système optique unitaire et statique l'ensemble des fonctions de traitement optique et photonique du rayonnement solaire nécessaires à une exploitation complète et efficace de celui-ci par le ou les convertisseurs lumière-électricité en aval pour une augmentation sensible du rendement 20 global du capteur solaire. Malgré le nombre important de fonctions réalisées, la plateforme opto-photonique selon l'invention reste plane et peu volumineuse et son coût de fabrication industrielle reste raisonnable. Elle est mise en interaction directe avec l'unité de conversion lumière-électricité qui lui 25 est associée. Le capteur solaire complet, formé de la combinaison de la plateforme opto-photonique et du ou des convertisseurs lumière-électricité associés placés en dessous présente un rendement global optimal largement supérieur à celui du ou des convertisseurs lumière-électricité fonctionnant seuls et surtout à celui des capteurs dits photovoltaïques de l'art 30 antérieur.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES La compréhension de la description ci-dessous est facilitée par les figures dont la liste est détaillée ci-après ; - la figure 1 est une vue schématique en coupe transversale sur une fraction de longueur, d'une première variante de la plateforme opto-photonique de traitement de la lumière, placée sur un convertisseur lumière-électricité pour former un ensemble de capteur solaire de haut rendement selon l'invention ; - la figure 2 est une vue en coupe transversale sur une fraction de longueur, d'une 10 deuxième variante de la plateforme opto-photonique de traitement de la lumière, placée sur un convertisseur lumière-électricité pour former un ensemble de capteur solaire de haut rendement selon l'invention ; - la figure 3 est une vue schématique en coupe transversale sur une fraction de longueur, d'une troisième variante de la plateforme opto-photonique avec des micro ou nano structures 15 diffractives en double face c'est-à-dire regardant vers le haut et vers le bas pour former un ensemble de capteur solaire de haut rendement selon l'invention ; - la figure 4 est une vue schématique en coupe transversale sur une fraction de longueur, d'une quatrième variante de la plateforme opto-photonique de traitement de la lumière à deux micro ou nanostructures diffractives formant deux réseaux de diffraction superposés regardant 20 vers le bas, cette plateforme étant placée sur une unité de conversion lumière-électricité pour former un ensemble de capteur solaire de haut rendement selon l'invention ; - la figure 5 est un agrandissement qui montre sur une fraction de longueur des micro ou nanostructures diffractives numériques non modulées de la plateforme opto-photonique formant avec un ou des convertisseurs lumière-électricité le capteur solaire selon l'invention ; 25 - les figures 6 à 9 sont des vues de différentes structures diffractives de la plateforme opto-photonique correspondant à plusieurs variantes de modulation ; - les figures 10 à 12 sont des vues partielles de dessus de trois exemples de structures diffractives numériques pouvant être utilisées pour la plateforme opto-photonique formant avec un ou des convertisseurs le capteur solaire selon l'invention ; 30 - la figure 13 est une vue schématique de base illustrant de façon simple, le captage, la décomposition, le guidage et la concentration du rayonnement solaire dans le capteur solaire.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Sur la figure 1, on a représenté schématiquement un capteur solaire 1 dans sa composante de photoconversion. Celui-ci est formé d'une plateforme opto-photonique 2 5 montée, placée ou autrement posée ou solidarisée sur une unité de conversion lumière-électricité 3 ou à une distance appropriée de celle-ci. L'unité de conversion lumière-électricité 3 reçoit tout le rayonnement solaire incident à travers la plateforme opto-photonique 2 directement ou après traitement par exemple par transposition spectrale. Cette unité de conversion est constituée d'un ou d'une pluralité de convertisseurs lumière-électricité 4 qui 10 présentent chacun une surface d'exposition 5 sur laquelle arrive un flux lumineux incident 6 dans une sous-bande spectrale limitée qui lui est destinée et provenant d'une sortie spécifique de la plateforme opto-photonique 2 vers ce convertisseur. Chaque convertisseur lumière-électricité 4 est adapté et optimisé pour les caractéristiques de la sous bande spectrale de flux lumineux qu'il reçoit. 15 La plateforme opto-photonique 2 constitue la partie supérieure du capteur solaire 1. Elle forme un ensemble compact avec l'unité de conversion lumière-électricité 3 ou se trouve en tant que composant avant du capteur solaire 1 proche ou contre l'unité de conversion lumière-électricité 3. Le capteur solaire 1 est plat et compact. Les épaisseurs des supports, des nappes, des 20 films et des différentes couches ainsi que les grilles des électrodes sont faibles. Selon une caractéristique de l'invention, des microstructures ou nanostructures diffractives 7 sont conformées dans un support plan transparent ou une nappe ou un film ou une couche ou plusieurs couche(s) transparentes de substrat 8 souple ou rigide permettant une diffraction optimisée du rayonnement solaire. Ces microstructures ou nanostructures 25 diffractives 7 sont conformées dans l'une ou l'autre ou dans les deux faces du support plan ou couche(s) de substrat 8. Pour des raisons de simplification, on utilisera ci-après le terme unique de substrat 8 pour désigner à la fois le support plan transparent, la nappe transparente et le film et la ou les couches superposées de substrat 8. 30 Dans le cas d'un support plan ou substrat 8 transparent, souple ou rigide, celui-ci est réalisé à partir d'un matériau diélectrique organique ou minéral transparent à la lumière, tel que du verre ou une matière plastique adaptée.

La matière plastique a l'avantage d'être peu onéreuse, cependant sa durée de vie est plus faible que celle du verre. Ce substrat 8 lorsqu'il est réalisé en une matière plastique doit donc être choisi de manière à pouvoir être facilement remplacé en cas de besoin. En outre, afin de résister à la chaleur produite par l'énergie collectée, cette matière doit être prévue plus grande afin de pouvoir répartir cette énergie sur une plus grande surface. On comprendra qu'une plateforme optique en verre sera plus durable et plus avantageuse sur de nombreux points notamment sur sa capacité à résister à l'échauffement. Afin de limiter l'épaisseur et le volume global de la plateforme opto-photonique 2, le substrat 8 peut être d'épaisseur relativement faible mais doit être mécaniquement résistant.

Dans une des variantes, la plateforme opto-photonique 2 est séparée de l'unité de conversion lumière-électricité 3 par un moyen intercalaire transparent en couche, nappe, film ou autre support continu et transparent ou un moyen intercalaire ponctuel de soutien, (non représenté) créant un lit de support sur lequel elle repose. Le moyen intercalaire transparent continu ou les microéléments assurent la création 15 d'un espace intermédiaire pour éviter le fléchissement du substrat 8 dans lequel sont conformées les micro ou nanostructures diffractives 7. Dans tous les cas, les micro ou nanostructures diffractives 7 sont recouvertes d'une couche transparente de protection 9 sur la ou les deux faces du substrat 8 dans lequel elles sont conformées. 20 On comprendra que dans le cas où ces micro ou nanostructures diffractives 7 sont présentes sur la face avant du capteur solaire 1, il y a lieu de les protéger plus particulièrement par une couche spéciale de protection en une matière transparente 10. La présence de cette couche de protection 10 sur la face incidente de la plateforme est souhaitable dans tous les cas. 25 L'unité de conversion lumière-électricité 3 peut être un dispositif classique à un seul convertisseur comme dans le cas de capteurs solaires classiques par exemple ceux connus sous la terminologie de capteurs photovoltaïques ou comporte un convertisseur spécial à haut rendement ou se compose d'une pluralité de convertisseurs, chacun d'entre eux étant spécialement conçu, adapté et optimisé pour être combiné et coopérer avec la plateforme 30 opto-photonique 2. Le capteur solaire 1 utilisant la plateforme opto-photonique 2 peut donc ne comporter qu'un seul et unique convertisseur lumière-électricité soit classique, soit spécifique.

Sur la figure 13 qui n'est pas réalisée à l'échelle, on a représenté' un ensemble de plusieurs convertisseurs lumière-électricité 4 par exemple quatre, chacun étant spécialement adaptés à chaque sous-bande spectrale propre et individuelle de largeur limitée provenant de la plateforme opto-photonique 2 selon un flux lumineux de lumière visible illuminant sa surface d'exposition 5. Ces convertisseurs lumière-électricité 4 peuvent être indépendants les uns des autres ou constituer un ensemble technique compact sur un même support mécanique ou noyés dans celui-ci. Chaque convertisseur lumière-électricité 4 spécifique à une sous-bande spectrale 10 donnée de largeur limitée est optimisé pour les longueurs d'onde des radiations lumineuses contenues dans cette sous-bande spectrale de manière à augmenter encore le rendement global. A titre d'exemple, on peut citer une sous-bande spectrale qui concerne le rouge, une deuxième sous-bande spectrale qui concerne le vert et ainsi de suite. 15 Si une seule étendue de micro ou nanostructures 7 est insuffisante pour obtenir la totalité des fonctions que l'on souhaite pour la plateforme opto-photonique 2, celle-ci peut comporter plusieurs substrats 8 présentant chacun des micro ou nanostructures diffractives numériques 7 sur une ou deux de ses faces. Ces substrats 8 sont superposés et au nombre de deux comme représenté sur la figure 4. Bien entendu, un nombre plus important par exemple 20 trois ou quatre est possible. Comme précédemment, ces substrats 8 successifs peuvent être rapportés ou solidarisés entre eux c'est-à-dire directement en contact les uns avec les autres ou être légèrement espacés par exemple par un moyen intercalaire ou par toute autre couche ou moyen de protection mécanique des micro ou nanostructures 7. 25 Les micro ou nanostructures diffractives numériques 7 sont composées d'une pluralité de nervures ou franges inclinées 11 dont plusieurs exemples sont représentés sur les figures 5 à 12. Ces nervures inclinées 11 constituent une micro ou une nanostructuration de la surface du substrat 8. Elles présentent des dimensions très faibles, à l'échelle du micromètre ou d'une 30 fraction de micromètre par exemple un dixième de micromètre, ce qui correspond à l'ordre de grandeur de la longueur d'onde du rayonnement lumineux incident. Ainsi par exemple, ces nervures ou franges inclinées 11 présentent de préférence une hauteur comprise entre 0,3 et 3 lam et un écartement entre deux nervures consécutives compris entre 100 et 600 nm. Cette dernière dimension correspond au pas du réseau de diffraction. Vues en coupe, ces nervures inclinées 11 ressemblent à des bandes allongées en forme de parallélogrammes, avec des arêtes et des bords nets pour éviter les « bruits » parasites liés à leur petite taille. Ces bandes sont inclinées selon un angle compris entre 10° et 15° et préférentiellement voisin de 15°ou égal à 15°. La valeur de cet angle d'inclinaison résulte de plusieurs contraintes, non seulement optiques mais également liées à la fabrication des microstructures, notamment de leur microgravure et ou bien de leur démoulage.

Ces nervures inclinées 11 sont arrangées en réseaux de forme complexe et généralement sans axe de symétrie. Elles peuvent former des motifs élémentaires qui se répètent sur toute la surface du support plan ou couche de substrat 8. Les nervures inclinées 11 provoquent la diffraction de la lumière. Elles créent des micro-perturbations optiques qui dévient la trajectoire des photons. Il se crée ainsi des interférences entre la lumière réfléchie par les nervures et celle réfléchie par les creux ou plats entre les nervures. Ces micro ou nanostructures 7 sont dénommées numériques car elles sont calculées numériquement par ordinateur. Elles correspondent à des solutions particulières des équations de Maxwell déterminées en fonction des différentes fonctions optiques que l'on souhaite 20 réaliser sur la face avant du capteur solaire 1. Leur caractère numérique permet de réaliser ces micro ou nanostructures 7 beaucoup plus petites et fines que des structures analogiques. On peut ainsi travailler avec des variations d'indices de réfraction beaucoup plus faibles. Le découpage du spectre lumineux en sous-bandes spectrales peut être plus fin et le substrat 8 supportant ces micro ou nanostructures 7 25 peut également être réalisé moins épais et placé plus proche de l'ensemble de conversion lumière-électricité 3 pour obtenir un capteur solaire 1 plus compact. Les nervures inclinées 11 sont des structures diffractives résonnantes. Pour arriver à ce résultat, le pas du réseau de diffraction, c'est-à-dire l'espacement existant entre deux nervures consécutives (en anglais « minimum feature size ») doit être inférieur à la longueur d'onde 30 minimale de la lumière à traiter. Les nervures inclinées 11 doivent donc être réalisées avec une précision de gravure inférieure à la longueur d'onde minimale du rayonnement incident. Les nervures inclinées 11 permettent d'améliorer l'efficacité de diffraction et corrigent les défauts d'astigmatisme. Elles constituent avec le substrat 8 un réseau optique concentrateur-diffracteur 12 dont les fonctions optiques et photoniques sont exposées ci-de ssus . Il s'agit de préférence d'un réseau diffractif 12 sous longueur d'onde mettant en oeuvre l'optique dite résonante.

L'inclinaison des nervures 11, ainsi que leur caractère résonnant leur confèrent des propriétés se rapprochant de celles des cristaux photoniques, mais qui peuvent avantageusement s'appliquer à une lumière polychromatique telle que celle du soleil et non plus uniquement à une bande étroite de longueurs d'onde. On obtient ainsi une efficacité nettement supérieure dans le traitement de la lumière 10 avec beaucoup moins de pertes et un traitement compatible à une lumière polychromatique comme celle du rayonnement solaire. Les nervures inclinées 11 forment un gradient d'indice de réfraction intermédiaire entre l'indice de l'air qui est voisin de 1 et celui du matériau composant l'ensemble de conversion lumière-électricité 3 qui est par exemple compris entre 3 et 6 pour le silicium. Ces nervures 15 inclinées 11 procurent ainsi une transition douce entre les deux matériaux qui fait que la totalité du rayonnement solaire incident, même de faible inclinaison, est absorbée par la plateforme opto-photonique 2 et que le phénomène de réflexion est extrêmement réduit. La plateforme opto-photonique 2 peut ainsi remplir de cette façon sa fonction de collecte du maximum de flux lumineux indépendamment de son inclinaison et de son 20 intensité. En outre, il n'y a avantageusement pas besoin de couche antireflets supplémentaire pour limiter la réflexion de la lumière solaire car les nervures inclinées 11 remplissent simultanément cette fonction comme expliqué ci-dessus. Les nervures inclinées 11 sont modulées afin de pouvoir traiter un rayonnement polychromatique comme celui de la lumière du soleil. Par ces modulations, on crée des zones 25 locales spécifiquement adaptées à chaque longueur d'onde du rayonnement incident. Plusieurs modulations sont possibles et divers exemples non limitatifs de telles modulations sont représentés et illustrés à titre d'exemple par les figures 6 à 9. Sur la figure 6, on a représenté une modulation de la hauteur des nervures inclinées 11. Une telle modulation est assez difficile à réaliser d'un point de vue technique, mais elle 30 apporte des avantages supplémentaires concernant les propriétés antireflets de la plateforme opto-phonique 2. La figure 7 correspond à une modulation en épaisseur des nervures inclinées 11.

Sur la figure 8, les nervures inclinées 11 sont modulées en écartement ou en position. Cet écartement doit toutefois rester inférieur à la longueur d'onde minimale du rayonnement pour conserver le caractère résonnant du réseau. La figure 9 représente une modulation de l'angle des nervures inclinées 11. Ces différents angles présentent des valeurs préférentiellement comprises entre 10 et 15°. On peut imaginer toutes sortes de modulations dont les variantes simples et combinées à partir des modulations de phase et ou bien d'amplitude. Bien d'autres types de modulations pourront être imaginées par l'homme du métier sans sortir du cadre de l'invention. De plus, selon les modes de réalisation de l'invention, ces modulations peuvent être ou ne pas être répétitives, croissantes, croissantes puis décroissantes, etc. En outre, deux ou plus de ces modulations peuvent être alternées ou combinées entre elles. Ces nervures inclinées 11 modulées induisent des micro-modulations de l'indice de réfraction à la surface de la plateforme opto-photonique 2, et différents chemins optiques pour les différentes longueurs d'onde du rayonnement solaire. On peut ainsi séparer les composantes spectrales du rayonnement en sous-bandes spectrales et les guider indépendamment les unes des autres, avec peu d'écart géométrique même si l'angle d'incidence change avec le déplacement du soleil. Une fois séparées, les différentes sous-bandes spectrales composant le rayonnement solaire visible et non visible, sont concentrées et guidées chacune vers une sortie indépendante de la plateforme optique 2, d'emplacement, de taille et de forme choisis, afin de projeter vers l'extérieur des tâches lumineuses d'un flux lumineux correspondant à des sous-bandes spectrales spécifiques de largeur limitée, chacune d'entre elles étant dirigée séparément sur la surface d'exposition 5 de l'un des convertisseurs lumière-électricité 4 de l'ensemble de conversion 3.

Ces tâches lumineuses résultantes peuvent présenter des formes quelconques, différentes de celles d'un point par exemple des formes géométriques simples et régulières. On évite ainsi la formation de zones chaudes à l'intérieur du ou des convertisseurs lumière-électricité de l'unité de conversion 3 lumière-électricité, ce qui a pour effet d'augmenter leur durée de vie.

Selon un exemple préférentiel de réalisation de la plateforme opto-photonique 2, le rayonnement solaire incident peut être par exemple divisé en trois, quatre, cinq ou plus de sous-bandes spectrales correspondant au rouge, au jaune, au vert, au bleu etc..

Pour la fabrication de ces micro ou nanostructures diffractives 7, on' peut utiliser par exemple, les techniques connues de micro-lithographie ou nano-lithographie, duplication sur du verre ou du plastique. Pour cela, on commence par graver les motifs formés par les nervures inclinées 11 sur 5 un support maître ou master en silicium ou en quartz. On réalise ensuite un contre moule dans un matériau dur tel que du nickel par exemple et on s'en sert de matrice de moulage pour dupliquer les motifs sur du verre ou de la matière plastique formant le substrat 8 de la plateforme opto-photonique 2. Cette dernière étape de duplication peut être réalisée industriellement de façon 10 économique et à grande échelle, par une technique classique de moulage par injection ou de pressage au moyen de rouleaux. La plateforme opto-photonique 2 comprend également un moyen ou plusieurs moyens de conversion photonique 13 des rayonnements ultraviolets en rayonnements appartenant au domaine du visible qui sont exploités alors beaucoup plus efficacement par l'unité de 15 conversion lumière-électricité 3 qui lui est associée. Les ultraviolets étant par nature très rapidement absorbés, ce moyen de conversion photonique 13 des ultraviolets est obligatoirement placé et couché au-dessus du substrat 8 présentant les micro ou nanostructures diffractives 7 pour être traversé en premier par le rayonnement solaire après la couche de protection. 20 Il s'agit d'une couche de conversion photonique dont l'épaisseur varie de préférence entre une dizaine de micromètres et un millimètre. Il peut également être directement implanté en partie supérieure du substrat 8, ou dans une ou plusieurs couches de substrat appelé substrat 8 pour des raisons de simplification. Il peut être aussi uniformément réparti dans toute l'épaisseur du substrat 8 ou de la ou 25 des couche(s) de substrat 8, mais il est alors localisé principalement dans la zone supérieure de ce substrat 8 ou de cette ou de ces couche(s) de substrat 8. La conversion ou transposition spectrale concerne notamment les ultraviolets comme ci-dessus, mais on prévoit aussi un deuxième convertisseur photonique 14 des rayons infrarouges dont l'énergie est classiquement majoritairement perdue par transmission 30 signifiant le manque d'interaction lumière-matière dans les capteurs solaires. La conversion spectrale peut être réalisée au moyen de nanoobjets tels que par exemple, des nanocristaux de silicium qui absorbent les photons de longueur d'onde caractéristique par rapport à leur taille et en réémettent le même nombre ou plus, mais avec unè longueur d'onde différente, mieux adaptée aux convertisseurs lumière-électricité. Le terme nanocristaux désigne tous les nanoobjets qui conviennent pour cette utilisation.

Pour absorber les ultraviolets, les nanoobjets, par exemple les nanocristaux de silicium doivent avoir une caractéristique géométrique active telle que le diamètre d'environ 2 à 5 nm. Pour convertir l'ensemble du rayonnement ultraviolet présent dans le spectre solaire, le moyen de conversion photonique 13 des ultraviolets est donc préférentiellement constitué d'un mélange de nanocristaux de silicium dont le diamètre varie de 2 à 5 nm environ.

Selon les variantes, ces nanocristaux peuvent être utilisés en mélange ou en couches successives avec de préférence, une disposition vers le haut des nanocristaux de plus petits diamètres qui absorbent les longueurs d'onde les plus petites et vers le bas des nanocristaux de plus grands diamètres absorbant les longueurs d'onde les plus grandes. Le moyen de conversion photonique 13 des rayonnements ultraviolets en rayonnements visibles dans une sous-bande spectrale adaptée peut également être constitué de centres photoluminescents excités par exemple de type ions de terre rare et plus particulièrement d'ions qui absorbent les photons du rayonnement ultraviolet qui réémettent plusieurs photons du domaine visible pour chaque photon ultraviolet absorbé créant ainsi une véritable photomultiplication.

Ces centres photoluminescents excités sont donc plus efficaces que les nanocristaux de silicium mais sont malheureusement beaucoup plus onéreux. Ils peuvent être mis en place par implantation à la profondeur voulue et avec la densité souhaitée soit directement dans la masse du substrat 8 ou dans celle de l'une des couches ou les couches de substrat 8, soit dans une couche spéciale supérieure de conversion photonique 25 placée au-dessus du support plan de substrat 8 ou de la ou des couche(s) de base 8. Selon une variante préférentielle de l'invention, le moyen de conversion photonique 13 du rayonnement ultraviolet en une sous-bande spectrale du rayonnement visible peut également être formé d'un mélange de nanocristaux de silicium et de centres photoluminescents excités afin de combiner les avantages des deux. 30 Pour cela, on implante préférentiellement les centres photoluminescents excités directement dans les nanocristaux de silicium, cette implantation pouvant être réalisée avant (pré-implantation) ou après la formation des nanocristaux de silicium, puis on les ajoute à la couche supérieure de conversion photonique ou au substrat 8 ou à la ou aux couche(s) de substrat 8 de la plateforme opto-photonique 2. Lorsque cette couche supérieure de conversion photonique ou ce substrat 8 est ou sont réalisé(s) à partir de verre, les nanocristaux de silicium seuls ou dopés par les centres photoluminescents excités peuvent avantageusement être directement mélangés à la couche de silice fondue ou solidifiée utilisée pour fabriquer ces couches de conversion photonique en tant que couche(s) de substrat 8 en verre. Pour le rayonnement infrarouge, le convertisseur photonique 14 peut être placé au-dessus ou en-dessous du substrat 8 ou de la ou des couche(s) de substrat 8.

De manière évidente, l'invention ne se limite pas aux modes de réalisation préférentiels décrits précédemment et représentés sur les différentes figures, l'homme du métier pouvant y apporter de nombreuses modifications et imaginer d'autres variantes sans sortir ni de la portée, ni du cadre de l'invention.15

Claims (28)

1. REVENDICATIONS1. Ensemble opto-électronique de plateforme opto-photonique (2) associée à au moins un convertisseur lumière-électricité pour capteur solaire (1) du type photovoltaïque caractérisé en ce que la plateforme opto-électronique présente sur sa face avant recevant la lumière incidente, un réseau optique concentrateur-diffracteur (12) de micro ou nanostructures numériques (7) modulées inclinées, dont l'inclinaison, la hauteur et l'espacement et la modulation sont calculés par ordinateur à partir des équations de Maxwell et conformées dans la matière d'un support plan de substrat (8) ou d'une ou de plusieurs couche(s) de substrat appelées substrat (8) et en ce que sous ou sur ces micro ou nanostructures (7) sont intégrés des convertisseurs photoniques (13) et (14) émettant à partir d'un rayonnement incident d'une partie du spectre lumineux visible et invisible une autre sous-bande spectrale dii flux lumineux visible notamment respectivement à partir des rayonnements ultraviolets et infrarouges pour illuminer une unité de conversion lumière-électricité (3) ou plusieurs convertisseur(s) lumière-électricité (4) avec le ou lesquels la plateforme opto-photonique (2) est associée pour former ensemble une unité fonctionnelle constituant la partie essentielle d'un capteur photovoltaïque en vue d'obtenir un meilleur rendement global de la conversion lumière-électricité.
2. 2. Ensemble selon la revendication 1 caractérisé en ce que les micro ou nanostructures du réseau optique concentrateur-diffracteur (12) sont formées de nervures inclinées (11).
3. 3. Ensemble selon la revendication précédente caractérisé en ce que les bandes sont inclinées sous un angle compris entre 10 et 15°.
4. 4. Ensemble selon la revendication précédente caractérisé en ce que les bandes sont inclinées sous un angle de 15°.
5. 5. Ensemble selon la revendication précédente caractérisé en ce que les nervures inclinées (11) ont la forme de bandes allongées en forme de parallélogrammes avec des arêtes et des bords nets.
6. 6. Ensemble selon la revendication 1 caractérisé en ce que les micro ou nanostructures sont modulées en hauteur, en inclinaison et en espacement.
7. 7. Ensemble selon la revendication précédente caractérisé en ce que les micro ou nanostructures se répètent selon un motif de base.
8. 8. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que pour la formation des micro ou nanostructures modulées on utilise les techniques de micro-lithographie ou nano-lithographie ou de duplication sur du verre ou de la matière plastique.
9. 9. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que l'on grave les motifs qui formeront les nervures par les nervures inclinées (11) sur un master silicium ou en quartz et en ce que l'on réalise un moule dans un matériau dur dont on se sert comme matrice de moulage.
10. 10. Ensemble selon la revendication 9 caractérisé en ce que le moulage est réalisé par injection ou par pressage au moyen de rouleaux.
11. 11. Ensemble selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'au moins le substrat (8) est une couche de silice fondue ou de verre.
12. 12. Ensemble selon la revendication 1 caractérisé en ce que le convertisseur photonique (13) pour les ultraviolets et le convertisseur photonique (14) pour les infrarouges sont placés tous les deux avant le réseau de diffraction (12) par rapport au flux lumineux incident.
13. 13. Ensemble selon la revendication 1 caractérisé en ce que le convertisseur photonique (13) pour les ultraviolets est placé coté flux lumineux par rapport au réseau de diffraction (12) alors que le convertisseur photonique (14) pour les infrarouges est placé après le réseau de diffraction (12).
14. 14. Ensemble selon la revendication 1 caractérisé en ce que les sous-bandes spectrales provenant de la conversion photonique du rayonnement infrarouge d'une part et du rayonnement ultraviolet d'autre part sont les deux sous-bandes spectrales d'extrémité.
15. 15. Ensemble selon la revendication 1 caractérisé en ce que les convertisseurs photoniques sont implantés dans le substrat (8) pour former ainsi une couche de conversion photonique.
16. 16. Ensemble selon la revendication 1 caractérisé en ce que la conversion spectrale est réalisée au moyen de nanoobjets dont au moins une caractéristique géométrique active est déterminée par l'application.
17. 17. Ensemble selon la revendication précédente caractérisé en ce que les nanoobjets sont des nanocristaux de silicium.
18. 18. Ensemble selon les revendications 16 ou 17 caractérisé en ce que les nanoobjets en particulier les nanocristaux de silicium sont de tailles différentes selon le rayonnement lumineux à absorber.
19. 19. Ensemble selon la revendication précédente caractérisé en ce que les nanoobjets tels que les nanocristaux de silicium ont un diamètre de 2 à 5 nm pour absorber le rayonnement ultraviolet.
20. 20. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 16 à 19 caractérisé en ce que les nanoobjets tels que les nanocristaux de tailles différentes sont utilisés en couches successives.
21. 21. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 16 ou 20 caractérisé en ce que les nanoobjets tels que les nanocristaux de tailles différentes sont utilisés en mélange.
22. 22. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 16 à 21 caractérisé en ce que pour les ultraviolets, le mélange est un mélange de nanoobjets tels que des nanocristaux dont le diamètre varie entre 2 et 5 nm.
23. 23. Ensemble selon la revendication 1 caractérisé en ce que le moyen de conversion photonique (13) est constitué de centres photoluminescents excités qui absorbent les photons du domaine des ultraviolets et réémettent plusieurs photons du domaine visible ou infrarouge proche pour chaque photon ultraviolet absorbé.
24. 24. Ensemble selon la revendication précédente caractérisé en ce que les centres photoluminescents sont mis en place par implantation dans la masse d'une couche supérieure de conversion photonique.
25. 25. Ensemble selon la revendication 1 caractérisé en ce que le moyen de conversion photonique (13) ou (14) est constitué d'un mélange de nanoobjets tels que les nanocritaux de silicium et de centres photoluminescents excités.
26. 26. Ensemble selon la revendication 25 caractérisé en ce que l'on implante les centres photoluminescents excités directement dans les nanoobjets tels que les nanocristaux de silicium puis on les ajoute à la couche supérieure de conversion photonique ou au substrat (8) de la plateforme opto-photonique (2).
27. 27. Ensemble selon la revendication précédente caractérisé en ce que l'implantation est réalisée avant la formation des nanoobjets tels que les nanocristaux de silicium.
28. 28. Ensemble selon la revendication 26 caractérisé en ce que l'implantation est réalisée après la formation des nanoobjets comme des nanocristaux de silicium.Ensemble selon la revendication 23 caractérisé en ce que les nanoobjets tels que les nanocristaux de silicium seuls ou dopés par les centres photoluminescents excités sont directement mélangés à la couche de silice fondue ou solidifiée utilisée pour former la couche supérieure de conversion ou le substrat (8). Ensemble selon la revendication 1 caractérisé en ce que la plateforme opto-photonique (2) repose sur un moyen intercalaire de support la séparant de l'ensemble (3) convertisseur lumière-électricité. Ensemble selon la revendication 1 caractérisé en ce que les microstructures ou nanostructures diffractives numériques s'étendent sur la surface incidente de l'ensemble (3) convertisseur lumière-électricité et sont protégées par une couche transparente (10). Ensemble selon l'une quelconque des revendication 2 à 7 caractérisé en ce que les nervures inclinées (11) formant les micro ou nanostructures diffractives (7) sont d'une hauteur comprise entre 0,3 et 3µm et présentent un écartement entre deux nervures (11) voisines compris entre 100 et 600 mn constituant le pas du réseau de diffraction (12). Ensemble selon la revendication 1 caractérisé en ce que le réseau de diffraction (12) est constitué de motifs élémentaires qui se répètent, la forme d'alternance des nervures et des creux entre ces nervures créant des interférences entre la lumière réfléchie par ces nervures et celle réfléchie par ces creux. Ensemble selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'unité de conversion lumière-électricité (3) comporte plusieurs convertisseurs lumière-électricité (4) dont chacun est adapté et optimisé à une sous-bande spectrale donnée visible du spectre de la lumière solaire provenant de la plateforme opto-photonique (2) directement ou transposée 25 spectralement par un convertisseur photonique de cette plateforme opto-photonique (2).29. 30. 31. 32. 33. 34.