FR3016238A1 - Module photovoltaique a concentration a isolation par couche d'oxyde - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un module photovoltaïque à concentration (1) comprenant : - un récepteur (2) comprenant un substrat (3) sur lequel sont montés des composants électroniques dont une cellule photovoltaïque (4), - un dissipateur (6) à la surface (5) duquel est disposé le récepteur (2), ledit récepteur (2) couvrant une partie de la surface (5) du dissipateur (6), - une couche de colle entre le récepteur (2) et le dissipateur (6), caractérisé par une couche isolante d'oxyde métallique (8) déposée à la surface (5) du dissipateur (6) et couvrant au moins une zone en périphérie du récepteur (2), la portion de couche isolante d'oxyde métallique (8) au niveau de ladite zone isolant électriquement le récepteur (2) du dissipateur (6) et empêchant un claquage entre le dissipateur (6) et le rebord de périphérie du récepteur (2). L'invention concerne également son procédé de fabrication.
Description
162 3 8 1 MODULE PHOTOVOLTAÏQUE A CONCENTRATION A ISOLATION PAR COUCHE D'OXYDE DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne la technologie solaire à concentration photovoltaïque, et plus précisément des modules photovoltaïques à concentration avec un récepteur comprenant un substrat sur lequel sont montés des composants électroniques dont une cellule photovoltaïque, et un dissipateur à la surface duquel est monté le récepteur. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE Un panneau à concentration photovoltaïque est un dispositif permettant de convertir une énergie lumineuse en une énergie électrique. Il comprend notamment une série de récepteurs photovoltaïques, comprenant chacun un substrat sur lequel sont fixés des composants électroniques, dont notamment une cellule photovoltaïque adaptée pour générer un courant électrique lors de son exposition à de la lumière transmise par un système de concentration de lumière, généralement une lentille ou un miroir. Afin d'optimiser le flux lumineux transmis par les systèmes de concentration, les récepteurs photovoltaïques doivent être positionnés de manière très précise dans le centre focal desdits systèmes.
Il a donc été proposé d'utiliser des caissons afin de positionner précisément les récepteurs photovoltaïques par rapport aux systèmes de concentration. La figure 1 présente un exemple de caisson 10. De tels caissons 10 comprennent généralement une tôle de fond 11, adaptée pour recevoir au moins un récepteur photovoltaïque 2 et une face avant 12, adaptée pour recevoir au moins un système de concentration d'énergie lumineuse 13. La face avant et la face arrière sont reliées entre elles par des parois latérales 14 de manière à définir une enceinte. On fixe alors sur la face avant 12 et la tôle de fond 11 les systèmes de concentration 13 et les récepteurs photovoltaïques 2 de sorte que chaque récepteur 2 soit positionné dans le centre focal du système de concentration qui lui est associé. Ces récepteurs 2, reliés par câbles, sont souvent fixés sur des dissipateurs en aluminium, comme illustré sur les figures 2 et 3, quand le flux thermique à dissiper nécessite de valoriser les mouvements d'air à l'arrière du module. La cellule photovoltaïque est polarisée à un potentiel de plusieurs volts voire plusieurs centaine ou milliers de volts quand elle est en série d'une longue 10 chaîne de générateurs. L'isolation électrique entre cette chaîne de cellules photovoltaïque et l'enveloppe mécanique extérieure du caisson dont fait partie le dissipateur 6 doit tenir des tensions de claquage allant de 500 à 5000V suivant l'architecture électrique. 15 Le récepteur photovoltaïque 2 est couramment composé d'un substrat 3 qui peut être ou bien à base de céramique qui fait alors office d'isolant électrique, ou bien à base de métal épais de type cuivre ou aluminium, dont les propriétés de conduction thermique permettent un bon étalement des calories sous la cellule photovoltaïque. 20 Ce substrat peut être muni sur sa partie supérieure ou inférieure d'un film isolant type FR-4, abréviation de l'anglais Flame Resistant 4, qui est un composite de résine époxy renforcé de fibre de verre. Cependant, ce type de film isolant constitue une barrière thermique. Mais dans ces dernières configurations, la cellule photovoltaïque 4, qui 25 est polarisée, reste à proximité du dissipateur 6 en aluminium, et la tranche du substrat 3 peut claquer avec la semelle du dissipateur. Par conséquent il est fréquent que l'on remplace ce film isolant par une interface collée qui dépasse de plusieurs millimètres le bord du substrat. Les figures 2 et 3 présentent un exemple d'une telle configuration. Sur 30 ces figures sont représentés un module photovoltaïque à concentration comprenant : - un récepteur 2 comprenant un substrat 3 sur lequel sont montés des composants électroniques dont une cellule photovoltaïque 4, - un dissipateur 6 à la surface duquel est monté le récepteur 2, - une couche de colle 7 entre le récepteur 2 et le dissipateur 6, - une optique secondaire 9 réflective fixée sur le récepteur photovoltaïque 2. La couche de colle 7 s'étend à la surface du dissipateur sous l'ensemble du récepteur 2 et au-delà de celui-ci, afin d'isoler électriquement le récepteur du dissipateur 6 à la fois au niveau de la surface 5 du dissipateur couverte par le récepteur 2 et au niveau de la périphérie du récepteur 2, afin d'éviter tout claquage entre la tranche du substrat 3 et la surface du dissipateur 6. Ainsi, la couche de colle 7 est souvent constituée de silicone potentiellement chargé en céramique pour assurer une bonne conduction thermique, typiquement supérieure à 0,5W/mK et une isolation électrique convenable, avec typiquement une rigidité diélectrique supérieure à 10kV/mm. Toutefois la zone de colle qui dépasse de la surface du dissipateur couverte par le récepteur peut être soumise au flux lumineux concentré en cas de désalignement du module. Ce flux lumineux concentré étant très concentré, avec une densité de puissance typiquement supérieure à 10W/cm2, voire 20 supérieure à 100W/cm2, et le flux lumineux brûle alors les polymères constituant la colle, détruisant alors la couche de colle exposée et altérant la fonction d'isolation électrique remplie par cette couche de colle. De plus, cette brûlure provoque une pulvérisation de matière carbonisée qui pollue le récepteur photovoltaïque et risque de dégrader la performance de 25 celui-ci, et à moyen terme de provoquer des défaillances du module photovoltaïque. Il est classique de protéger cette zone par un "protecteur de dépointage" aussi appelé tôle de protection 15 telle que représentée en figure 4. La tôle de protection 15 est disposée entre les modules photovoltaïques 1 et le système 30 de concentration de lumière constitué par une lentille ou un miroir (non représenté), avec des ouvertures en regard des modules photovoltaïques par lesquelles passe le flux lumineux concentré à destination des modules photovoltaïques 1, ainsi qu'éventuellement les optiques secondaires 9 dont ils sont munis.. Cependant, cette tôle est coûteuse à l'achat, à la dépose, avec en outre des risques de choc avec les modules photovoltaïques équipés d'une optique secondaire souvent fragile la proximité entre cette tôle métallique qui doit être reliée à la masse et le récepteur photovoltaïque, surtout lorsqu'il est pourvu d'une optique secondaire réflective, augmente les risques de court-circuit ou de claquage entre ces éléments.
RESUME DE L'INVENTION Un objectif de l'invention est de proposer un module photovoltaïque à concentration qui soit simple à réaliser à moindre coût, et qui assure une bonne isolation électrique, ainsi qu'une bonne conductivité thermique, entre le récepteur photovoltaïque et le dissipateur même en cas de désalignement du flux lumineux concentré, sans nécessiter la présence d'une tôle de protection. Pour cela, l'invention propose un module photovoltaïque à concentration comprenant : - un récepteur comprenant un substrat sur lequel sont montés des composants électroniques dont une cellule photovoltaïque, - un dissipateur à la surface duquel est disposé le récepteur, ledit récepteur couvrant une partie de la surface du dissipateur, - une couche de colle entre le récepteur et le dissipateur, caractérisé par une couche isolante d'oxyde métallique déposée à la surface du dissipateur et couvrant au moins une zone en périphérie du récepteur, la portion de couche isolante d'oxyde métallique au niveau de ladite zone isolant électriquement le récepteur du dissipateur et empêchant un claquage entre le dissipateur et le rebord de périphérie du récepteur.
Ce module est avantageusement complété par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : - la couche d'oxyde métallique s'étend sous l'ensemble du récepteur et isole électriquement le récepteur du dissipateur à la fois au niveau de la surface (5) du dissipateur couverte par le récepteur et au niveau de la zone en périphérie du récepteur ; -la couche de colle s'étend sous le récepteur sans s'étendre à la zone en périphérie du récepteur ; - la zone couverte par la couche d'oxyde métallique s'étend à la surface du dissipateur au moins sur une distance de 2 mm à partir dudit récepteur ; - la couche d'oxyde métallique est composée d'un alliage comprenant de l'oxyde d'aluminium ; - la colle de la couche de colle est transparente pour les longueurs d'onde d'un flux concentré de lumière solaire. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un module photovoltaïque selon l'invention, comprenant les étapes de - dépôt de la couche isolante d'oxyde métallique à la surface du dissipateur, - dépôt de la couche de colle destinée à recevoir le récepteur, - positionnement du récepteur sur la couche de colle.
De préférence, la couche d'oxyde métallique est déposée par projection par plasma atmosphérique. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et au regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : - la figure 1 est une vue en perspective d'un exemple d'un panneau photovoltaïque à concentration comprenant un caisson et des modules photovoltaïques, - la figure 2 est une vue en perspective d'un module photovoltaïque muni d'une optique secondaire, dans une configuration dans laquelle la couche de colle dépasse de la surface du dissipateur couverte par le récepteur, - la figure 3 est un schéma simplifié d'une vue en coupe d'un module photovoltaïque dans la configuration de la figure 2, - la figure 4 est une vue en perspective d'une série de modules photovoltaïques pourvue d'une tôle de protection, - la figure 5 est une vue en perspective d'un module photovoltaïque muni d'une optique secondaire, selon un mode de réalisation possible de l'invention - la figure 6 est schéma simplifié d'une vue en coupe d'un module photovoltaïque dans la configuration de la figure 5 ; - la figure 7 est un schéma de principe illustrant des étapes d'un procédé de fabrication selon un mode de réalisation possible de l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE En référence aux figures 5 et 6, qui représentent un mode de réalisation possible de l'invention, le module photovoltaïque à concentration 1 comprend un récepteur 2 comprenant un substrat 3 sur lequel sont montés des composants électroniques dont une cellule photovoltaïque 4 adaptée pour générer de l'électricité à partir de son exposition à la lumière transmise par un système de concentration. De préférence, le substrat 3 est composé essentiellement de cuivre ou d'aluminium, d'une épaisseur de quelques millimètres, et est surmonté d'un routage électrique pourvu d'un isolant de type FR-4 et de cuivre additionnel dont la finition permet de braser les composants électroniques tels que la cellule photovoltaïque.
La cellule photovoltaïque 4 peut être connectée à des plages du substrat 3 par l'intermédiaire de contacts électriques, par exemple plusieurs fils de connexion, s'étendant entre sa partie périphérique (busbar) et lesdites plages.
Une optique secondaire 9, ici de type réflective mais qui peut également être réfractive, est fixée sur le récepteur 2. L'optique secondaire 9 est adaptée pour compenser un éventuel défaut d'alignement de l'axe focal du système de concentration 14 associé avec l'axe du soleil et/ou une erreur de positionnement de la cellule 22 par rapport au centre focal de ce système de concentration 14. La cellule photovoltaïque 4 est protégée à l'aide d'un encapsulant (non visible sur les figures), qui s'étend sur la cellule photovoltaïque et recouvre au moins partiellement les contacts électriques voire les plages du substrat.
L'encapsulant peut par exemple comprendre du silicone. Le récepteur 2 est fixé sur un dissipateur 6 thermique présentant une conductivité thermique élevée. Le dissipateur 6 est par exemple en aluminium extrudé ou injecté. Le récepteur 2 est disposé à la surface 5 du dissipateur 6. Le récepteur 2 couvre donc une partie de la surface 5 du dissipateur 6. Le récepteur 2 est maintenu en position sur le dissipateur 6 par une couche de colle 7 entre le récepteur 2 et le dissipateur 6. Une couche isolante d'oxyde métallique 8 est déposée à la surface du dissipateur 6. La couche isolante d'oxyde métallique 8 s'étend à la surface du dissipateur 6 couvre au moins une zone en périphérie de du récepteur 2. La portion de couche d'oxyde métallique 8 au niveau de la zone en périphérie isole électriquement le récepteur 2 du dissipateur 6 et empêche ainsi un claquage entre le dissipateur 6 et le rebord de périphérie du récepteur 2. De préférence, la portion de couche d'oxyde métallique 8 au niveau de la zone en périphérie s'étend à la surface 5 du dissipateur au moins autour du récepteur 2, de sorte que la surface 5 du dissipateur 6 est entièrement entourée par ladite portion de couche isolante d'oxyde métallique 8. Il en résulte que c'est cette couche isolante d'oxyde métallique 8 qui remplit la fonction d'isolation électrique à la périphérie du récepteur 2 afin d'éviter les claquages entre la surface du dissipateur 5 non couverte par le récepteur 2 et ledit récepteur 2.
Par conséquent, il n'est pas nécessaire que la couche de colle 7 recouvre la surface 5 du dissipateur 6 en périphérie du récepteur 2 afin d'assurer l'isolation électrique au niveau de la périphérie du récepteur 6. Ainsi, la couche de colle 6 peut s'étendre sous l'ensemble du récepteur 2 sans s'étendre au-delà de la partie de la surface 5 du dissipateur 6 couverte par le récepteur 2, c'est-à-dire que la couche de colle 7 ne s'étend pas à la zone en périphérie du récepteur 2. De cette manière, en cas de déviation du flux lumineux concentré, celui-ci ne pourrait venir bruler la colle puisqu'celle-ci est protégée par le récepteur 2. Il n'y a donc pas de contraintes quant au choix de la colle concernant une éventuellement résistance à ce flux lumineux concentré. De préférence, la couche d'oxyde métallique 8 s'étend sous l'ensemble du récepteur 2 et isole électriquement le récepteur 2 du dissipateur 6 à la fois au niveau de la surface 5 du dissipateur couverte par le récepteur 2 et au niveau de la zone de la surface 5 du dissipateur 6 en périphérie du récepteur 2.
Dans la mesure où la couche d'oxyde métallique 8 remplit la fonction d'isolation électrique, il est possible de choisir une colle avec des propriétés d'isolation électrique dégradées, mais présentant d'autres avantages, par exemple de transfert thermique ou de transparence. Ainsi, dans le cas où la colle s'étend au-delà de la partie de la surface 5 du dissipateur 6 couverte par le récepteur 2, c'est-à-dire au niveau de la zone en périphérie du récepteur 2, la colle de la couche de colle peut être transparente pour les longueurs d'onde du flux concentré de lumière solaire. De cette manière, même en cas de déviation du flux lumineux concentré qui viendrait alors à rencontrer la colle, celle-ci ne serai pas brûlée.
La colle est par exemple une pâte thermique à base de silicone, mais d'autres types de colle peuvent être employés, comme par exemple de la pâte d'argent. La zone couverte par la couche d'oxyde métallique 8 s'étend à la surface 5 du dissipateur 6 au moins sur une distance de 2 mm à partir dudit récepteur 2.
La couche d'oxyde métallique 8 présente une épaisseur comprise typiquement entre 40 et 400 pm, en fonction notamment de sa composition. De fait, l'épaisseur de la couche d'oxyde métallique 8 résulte d'un compromis entre d'une part une isolation électrique qui augmente avec l'épaisseur, et d'autre par une conduction thermique qui diminue avec celle-ci. La couche d'oxyde métallique 8 est composée d'un alliage comprenant de l'oxyde d'aluminium. Dans un mode de réalisation préférentiel, il s'agit de l'oxyde d'aluminium de formule A1203 sous forme de poudre, fine de préférence. Une poudre fine est constituée de grains présentant un diamètre inférieur à 25 pm, typiquement comprise entre 5 et 25 pm, tandis qu'une poudre grossière est constituée de grains présentant un diamètre compris entre 10 et 40 pm.
D'autres métaux peuvent intervenir dans la composition en combinaison avec l'oxyde d'aluminium A1203, avec par exemple du dioxyde de titane (TiO2), par exemple jusqu'à 3%, du dioxyde de silicium SiO2, par exemple jusqu'à hauteur de 30%, de l'oxyde de magnésium Mg02, par exemple jusqu'à hauteur de 30%, ou bien encore de l'oxyde chrome (III) de formule Cr2O3, par exemple jusqu'à 70%. Ci-dessous dans le tableau 1, quelques exemples de composition avec leur isolation électrique et leur conductivité thermique. Matériau Epaisseur (pm) Rigidité Conductivité diélectrique thermique à 20°C (kV/mm) (W/m.K) A1203 (poudre grossière) 260 25,4 25-30 A1203 (poudre fine) 220 36,4 25-30 A1203 + 3% TiO2 260 27,7 24-29 A1203 +30% SiO2 290 25,9 17-22 A1203 +30% MgO 380 27,3 30-35 A1203 + 70% Cr2O3 300 29,2 11-13 Tableau 1 Pour comparaison, une couche de colle silicone d'une épaisseur de 220 pm présente une rigidité diélectrique de 22 kV/mm pour une conductivité thermique de 2 W/m.K. La présence de la couche d'oxyde métallique 8 permet de diminuer l'épaisseur de la couche de colle 7 sous le récepteur 2, et donc d'améliorer significativement la conduction thermique entre le récepteur 2 et le dissipateur 6. Les rigidités diélectriques sont déterminées par la mesure de la tension de claquage en positionnant deux électrodes de part et d'autre de la couche dont on cherche à mesurer la rigidité diélectrique. Les conductivités thermiques sont mesurée par la méthode du fil chaud, dans laquelle on dispose un fil résistif en vis-à-vis d'un échantillon, qui est ainsi soumis à un flux thermique dû à l'effet joule par le fil résistif. On identifie alors la conductivité thermique à partir de l'évolution de la température en un point donné. En référence à la figure 7, un procédé de fabrication va maintenant être décrit pour la fabrication d'un module photovoltaïque à concentration selon l'invention, comprenant les étapes de : dépôt de la couche isolante d'oxyde métallique 8 à la surface 5 du dissipateur 6 (étape S1), dépôt de la couche de colle (7) destinée à recevoir le récepteur 2 (étape S2), positionnement du récepteur 2 sur la couche de colle 7 (étape S3). De préférence, la couche d'oxyde métallique 8 est déposée par projection par plasma atmosphérique sur la surface 5 du dissipateur 6. La projection par plasma atmosphérique présente comme principal avantage son faible coût pour l'application photovoltaïque à concentration du fait des faibles contraintes d'environnement de travail (condition ambiantes de température et pression), et de sa compatibilité avec de forts volumes pour des investissements réduits. D'autres procédés de dépôt peuvent être mis en oeuvre. Par exemple, les procédés suivants peuvent être utilisés : - Dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (ou PECVD, pour Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition en anglais) ; Dépôt physique en phase vapeur assisté par plasma (ou PEPVD, pour Plasma-Enhanced Physical Vapor Deposition en anglais) ; anodisation.
La couche d'oxyde métallique 8 couvre au moins une zone en périphérie de la surface 5 du dissipateur 6 destinée à être couverte par le récepteur 2, et de préférence, s'étend également à l'ensemble de la surface 5 du dissipateur 6 destinée à être couverte par le récepteur 2. Plus en détail, selon un mode de réalisation possible, un module photovoltaïque peut être fabriqué de la façon suivante. La couche isolante d'oxyde métallique est déposée à la surface 5 du dissipateur 6, puis l'usinage du dissipateur 6 est réalisé, avec par exemple le tronçonnage ou le perçage de celui-ci, notamment en prévision des besoins de connexion. L'ensemble est alors nettoyé pour retirer les résidus de ces opérations.
La couche de colle 7 est ensuite déposée sur une zone destinée à recevoir le récepteur 2. La colle peut être déposée par sérigraphie ou par dépose à la pompe. Le récepteur 6 est alors positionné sur cette couche de colle 7. Suit alors une étape de polymérisation du module photovoltaïque ainsi assemblé, c'est-à-dire muni de son récepteur 2.
Le dissipateur 6 est alors fixé sur une tôle de fond du caisson à concentration. Une mise à la terre du caisson et du dissipateur 6 est alors effectuée, par exemple au moyen des trous précédemment réalisés dans le dissipateur 6, lesdits trous n'étant pas couverts par la couche d'oxyde métallique 8, ou bien encore en écrouissant le métal de la tôle de fond sur le dissipateur 6. Enfin, le récepteur 2 est branché en série avec d'autres récepteurs photovoltaïques. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés aux figures annexées. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention.
Claims (8)
- REVENDICATIONS1. Module photovoltaïque à concentration (1) comprenant : - un récepteur (2) comprenant un substrat (3) sur lequel sont montés des 5 composants électroniques dont une cellule photovoltaïque (4), - un dissipateur (6) à la surface (5) duquel est disposé le récepteur (2), ledit récepteur (2) couvrant une partie de la surface (5) du dissipateur (6), - une couche de colle (7) entre le récepteur (2) et le dissipateur (6), caractérisé par une couche isolante d'oxyde métallique (8) déposée à la surface (5) 10 du dissipateur (6) et couvrant au moins une zone en périphérie du récepteur (2), la portion de couche isolante d'oxyde métallique (8) au niveau de ladite zone isolant électriquement le récepteur (2) du dissipateur (6) et empêchant un claquage entre le dissipateur (6) et le rebord de périphérie du récepteur (2). 15
- 2. Module selon la revendication 1, dans lequel la couche d'oxyde métallique (8) s'étend sous l'ensemble du récepteur (2) et isole électriquement le récepteur (2) du dissipateur (6) à la fois au niveau de la surface (5) du dissipateur couverte par le récepteur (2) et au niveau de la zone en périphérie du récepteur (2). 20
- 3. Module selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la couche de colle (7) s'étend sous le récepteur (2) sans s'étendre à la zone en périphérie du récepteur (2).
- 4. Module selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la zone couverte 25 par la couche d'oxyde métallique (8) s'étend à la surface (5) du dissipateur (6) au moins sur une distance de 2 mm à partir dudit récepteur (2).
- 5. Module selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la couche -d'oxyde métallique (8) est composée d'un alliage comprenant de l'oxyde d'aluminium. 30
- 6. Module selon l'une des revendications précédentes dans lequel la colle de la couche de colle (7) est transparente pour les longueurs d'onde d'un flux concentré de lumière solaire.
- 7. Procédé de fabrication d'un module photovoltaïque selon l'une des revendications précédentes, comprenant les étapes de dépôt de la couche isolante d'oxyde métallique (8) à la surface du dissipateur, dépôt de la couche de colle (7) destinée à recevoir le récepteur (2), positionnement du récepteur (2) sur la couche de colle (7).
- 8. Procédé de fabrication selon la revendication précédente, dans lequel la couche d'oxyde métallique (8) est déposée par projection par plasma atmosphérique.
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