FR3136891A1 - Procédé d’amélioration du rendement de conversion d’une cellule photovoltaïque et équipement associé - Google Patents
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Abstract
PROCÉDÉ D’AMÉLIORATION DU RENDEMENT DE CONVERSION D’UNE CELLULE PHOTOVOLTAÏQUE ET ÉQUIPEMENT ASSOCIÉ L’invention concerne un procédé (1) d’amélioration du rendement de conversion d’une cellule photovoltaïque comprenant les étapes de : traiter (12) la cellule en l’exposant à un rayonnement électromagnétique présentant une irradiance de traitement (IT) ; etrefroidir (13) la cellule jusqu’à ce que sa température (T) atteigne une température seuil (TS), l’exposition de la cellule au rayonnement électromagnétique étant maintenue et l’irradiance de refroidissement du rayonnement électromagnétique (IR) étant supérieure ou égale à l’irradiance de traitement (IT). Figure à publier avec l’abrégé : Figure 2
Description
Le domaine technique de l’invention est celui de l’amélioration du rendement de conversion d’une cellule photovoltaïque, que cette dernière soit isolée ou en groupe dans un module photovoltaïque (ou une guirlande photovoltaïque).
La présente invention concerne plus particulièrement un procédé d’amélioration du rendement de conversion d’une cellule photovoltaïque et un équipement associé. Elle concerne également un procédé d’amélioration du rendement de conversion d’une pluralité de cellules photovoltaïques interconnectées entre elles.
Les cellules photovoltaïques à haut rendement de conversion sont connues pour voir leur rendement de conversion énergétique s’améliorer sous l’action conjuguée d’un éclairement et d’une exposition à haute température. Ces traitements seront regroupés sous l’appellation « traitements de bonification ». Ces effets peuvent être de natures très diverses et peuvent trouver leur origine dans une amélioration du substrat de la cellule photovoltaïque et/ou de l’amélioration des interfaces entre les couches composants ladite cellule photovoltaïque.
Malgré la diversité des mécanismes physiques à l’origine de ces effets, il est remarquable de noter que les développements récents des traitements de bonification permettent aujourd’hui d’envisager des traitements de l’ordre de la dizaine de secondes, permettant d’atteindre une cadence de traitement industrielle. Néanmoins, le gain de bonification offert par ces traitements de bonification courts est généralement incomplet, c’est-à-dire en deçà d’un gain maximum atteignable avec des traitements de bonification plus longs.
Dans ce contexte, il existe un besoin d’améliorer le gain de bonification tout en maintenant une cadence industrielle.
Une des raisons de cette réduction de gain de bonification est la création de défauts dans le substrat et/ou les couches d’une cellule lorsque celle-ci est maintenue à haute température « dans le noir », c’est à dire sans illumination de traitement. C’est notamment le cas à la fin du traitement de bonification, lorsque l’illumination est arrêtée mais que la cellule traitée reste chaude.
Parmi les solutions offertes, il est connu de réduire le temps nécessaire au refroidissement de la cellule en l’absence d’illumination. Le document WO 2020/082131 divulgue par exemple un procédé de bonification d’un substrat de silicium dans lequel le refroidissement est réalisé de manière active à une vitesse comprise entre 10 °C/s et 20 °C/s, tout en réduisant l’illumination du substrat. Le refroidissement est conservé jusqu’à ce que le substrat atteigne une température inférieure à 150 °C.
Toutefois, cette solution n’offre pas les résultats escomptés. En effet, même un bref temps de séjour à une température élevée (comprise entre 150 °C et 200 °C), sans illumination ou avec une illumination trop faible, peut impacter le gain acquis.
Il existe donc un besoin de figer efficacement l’effet de la bonification en fin de procédé.
Pour cela, l’invention concerne un procédé d’amélioration du rendement de conversion d’une cellule photovoltaïque, ledit procédé comprenant les étapes suivantes :
- chauffer la cellule photovoltaïque de sorte que sa température atteigne une gamme de températures [Tm, TM] dite « gamme de températures de traitement », ladite gamme de températures de traitement s’étendant entre une température minimale de traitement Tmet une température maximale de traitement TM, la différence entre la température maximale de traitement TMet la température minimale de traitement Tmétant inférieure à 30 °C ;
- traiter la cellule photovoltaïque de manière à augmenter son rendement de conversion en l’exposant à un rayonnement électromagnétique, la température de la cellule photovoltaïque étant maintenue dans une la gamme de températures de traitement [Tm, TM], l’irradiance du rayonnement électromagnétique présentant une première valeur sensiblement constante, dite « irradiance de traitement » ;
- refroidir la cellule photovoltaïque au moyen d’un dispositif de refroidissement actif jusqu’à ce que la température de la cellule photovoltaïque atteigne une température, dite « température seuil », à laquelle l’absence d’exposition n’a plus d’effet sur le rendement de conversion de la cellule photovoltaïque ;
Par rendement de conversion, on entend le rapport entre la puissance électrique délivrée par la cellule photovoltaïque soumise à un rayonnement et la puissance dudit rayonnement. Le rayonnement est par exemple le rayonnement solaire, présentant une certaine irradiance.
Par irradiance, on entend la densité surfacique de puissance lumineuse. Elle représente la puissance du rayonnement électromagnétique reçue par une unité de surface. Le rayonnement électromagnétique est de préférence dirigé perpendiculairement à la surface de la cellule photovoltaïque.
Par irradiance, on entend d’ailleurs l’irradiance totale du rayonnement. Il s’agit par exemple de l’intégrale de l’irradiance spectrale du rayonnement électromagnétique sur une gamme spectrale, s’étendant par exemple entre 300 nm et 1200 nm.
Par valeur d’irradiance sensiblement constante, on entend que l’irradiance en question varie de moins de 10 % en fonction du temps et avantageusement de moins de 5 % en fonction du temps.
Par augmentation ou amélioration du rendement de conversion, on entend augmenter la puissance électrique délivrée par la cellule photovoltaïque pour une irradiance reçue et une température donnée (l’irradiance reçue dépend d’une l’irradiance spectrale). L’augmentation ou l’amélioration du rendement de conversion revient à augmenter les paramètres de sorties de la cellule photovoltaïque tels que la tension en circuit ouvert et/ou le courant de court-circuit de la cellule photovoltaïque et/ou le facteur de forme de la cellule photovoltaïque.
Par effet sur le rendement de conversion, on entend l’exposition ou non de la cellule photovoltaïque à un rayonnement électromagnétique n’influence pas le rendement de conversion de la cellule photovoltaïque, que ce soit positivement ou négativement. En d’autres termes, l’arrêt de l’exposition de la cellule photovoltaïque à un rayonnement électromagnétique ne modifie pas les paramètres de sorties de la cellule photovoltaïque telle que sa tension en circuit ouvert et/ou son courant de court-circuit.
Par température de la cellule photovoltaïque, on entend sa température moyenne.
Le maintien de l’exposition à un rayonnement électromagnétique lors du refroidissement, avec une irradiance au moins égale à l’irradiance de traitement, permet de conserver l’augmentation du rendement de conversion, dit « gain de bonification », offert par le traitement de la cellule. Dès lors que la cellule photovoltaïque atteint la température seuil, l’exposition au rayonnement électromagnétique peut être arrêtée, permettant de conserver le gain de bonification. En effet, pour une température inférieure à la température seuil, le gain de bonification est figé. Le dispositif de refroidissement actif permet de réduire la température de la cellule photovoltaïque malgré l’augmentation de l’irradiance du rayonnement électromagnétique.
Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, le procédé d’amélioration du rendement de conversion d’une cellule photovoltaïque selon l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- la température seuil est strictement inférieure à la gamme de températures de traitement [Tm, TM] et préférentiellement distante d’au moins 10 °C de cette gamme, voire distante d’au moins 20 °C de cette gamme, voire de manière encore préférée, distante d’au moins 30 °C de cette gamme ; autrement dit, la température seuil est strictement inférieure à la température minimale de traitement Tmet inférieure d’au moins 10 °C de cette température minimale de traitement Tm(c’est à dire que la température seuil Tsvérifie Ts< Tm– 10 °C), voire inférieure d’au moins 20 °C de cette température minimale de traitement Tm, voire de manière encore préférée, inférieure d’au moins 30 °C de cette température minimale de traitement Tm;
- la gamme de températures de traitement [Tm, TM] s’étend sur moins de 20 °C, voire sur moins de 10 °C ; autrement dit la différence entre la température maximale de traitement TMet la température minimale de traitement Tmest inférieure à 20 °C, voire inférieure à 10 °C ;
- l’irradiance de refroidissement est supérieure à 1 kW/m2, préférentiellement supérieure à 3 kW/m2, et encore préférentiellement supérieure à 5 kW/m2;
- l’irradiance de refroidissement est strictement supérieure à l’irradiance de traitement ;
- l’irradiance de refroidissement est constante ;
- le rayonnement électromagnétique présente, lors de l’étape de refroidissement, au moins une composante comprise dans [300 nm ; 1200 nm] et avantageusement au moins une première composante comprise dans [300 nm ; 550 nm] et au moins une deuxième composante comprise dans [800 nm ; 1200 nm] ;
- le procédé comprend une étape d’estimation de la température seuil, déterminée au moyen de mesures de rendements de conversion obtenues sur au moins une cellule photovoltaïque, dite « cellule témoin », ayant subie une étape de traitement et une étape de refroidissement durant laquelle l’exposition au rayonnement électromagnétique est interrompue lorsque ladite cellule photovoltaïque atteint une température arbitraire ;
- le procédé comprend une étape d’estimation de la température seuil, déterminée au moyen de mesures de rendements de conversion obtenues sur au moins une cellule photovoltaïque, dite « cellule témoin », en fonction d’une vitesse de refroidissement sans illumination ;
- la durée totale de l’étape de traitement et de l’étape de refroidissement est inférieure à 60 s, voire inférieure à 15 s ;
- le dispositif de refroidissement actif est basé sur le transfert de chaleur par convection et/ou par conduction ;
- le dispositif de refroidissement actif est basé sur la convection d’un écoulement d’air ;
- le maintien de la température de la cellule photovoltaïque dans la gamme de températures de traitement [Tm, TM], par exemple pendant l’étape de traitement, est obtenue au moyen du rayonnement électromagnétique et du dispositif de refroidissement actif ;
- en l’absence du dispositif de refroidissement actif lors de l’étape de traitement, l’irradiance de traitement est inférieure à 100 kW/m2et préférentiellement inférieure à 50 kW/m2, préférentiellement comprise dans [3 kW/m2; 5 kW/m2] lorsque la cellule photovoltaïque est une cellule photovoltaïque de type « tandem à base de pérovskite », préférentiellement comprise dans [7 kW/m2; 10 kW/m2] lorsque la cellule photovoltaïque est une cellule photovoltaïque à hétérojonction de silicium, et inférieure à 100 kW/m2, et préférentiellement inférieure à 50 kW/m2, lorsque la cellule photovoltaïque est une cellule photovoltaïque de type « TOPCon » ;
- le rayonnement électromagnétique présente, lors de l’étape de traitement, au moins une composante comprise dans [300 nm ; 1200 nm] et avantageusement au moins une première composante comprise dans [300 m ; 550 nm] et au moins une deuxième composante comprise dans [800 nm ; 1200 nm] ;
- l’étape de chauffage est avantageusement configurée pour minimiser la quantité suivante :
- lorsque la cellule photovoltaïque est une cellule photovoltaïque de type tandem à base de pérovskite, la gamme de températures de traitement [Tm, TM] est supérieure à 100 °C (c’est à dire Tm> 100 °C) et inférieure à 200 °C (c’est à dire TM< 200 °C) et préférentiellement inférieure à 150 °C (autrement dire TM< 150 °C) ;
- lorsque la cellule photovoltaïque est une cellule photovoltaïque à hétérojonction de silicium, la gamme de températures de traitement est supérieure à 170 °C (c’est à dire Tm> 170 °C) et inférieure à 300 °C (c’est à dire TM< 300 °C) et préférentiellement inférieure à 250 °C (c’est à dire TM< 250 °C) ;
- lorsque la cellule photovoltaïque est une cellule photovoltaïque de type TOPCon, la gamme de températures de traitement est supérieure à 400 °C (c’est à dire Tm> 400 °C) et inférieure à 600 °C (c’est à dire TM< 600 °C) ;
- minimiser la quantité
- lors de l’étape de chauffe, la cellule photovoltaïque est exposée au rayonnement électromagnétique, l’irradiance du rayonnement électromagnétique présentant une troisième valeur, dite « irradiance de chauffe », avantageusement strictement supérieure à l’irradiance de refroidissement et préférentiellement supérieure à 10 kW/m2, avantageusement supérieure à 30 kW/m2et encore plus avantageusement supérieure à 50 kW/m2;
- le rayonnement électromagnétique présente, lors de l’étape de chauffe, au moins une composante comprise dans [300 nm ; 1200 nm] et avantageusement une première composante comprise dans [300 nm ; 550 nm] et une deuxième composante comprise dans [800 nm ; 1200 nm] ;
- la température de la cellule photovoltaïque lors de l’étape de chauffe est contrôlée de sorte qu’elle soit supérieure à la gamme de températures de traitement [Tm; TM] moins d’une durée limite ; la durée limite satisfaisant
L’invention concerne en outre un équipement d’amélioration du rendement de conversion d’une cellule photovoltaïque, comprenant au moins une source lumineuse, un dispositif de refroidissement actif et des moyens configurés pour réaliser le procédé d’amélioration du rendement de conversion d’une cellule photovoltaïque selon l’invention.
Avantageusement, l’équipement comprend également un contrôleur permettant de piloter chaque source lumineuse et le dispositif de refroidissement en fonction d’un profil prédéterminé.
Avantageusement, la source de rayonnement est dimensionnée pour irradier entièrement le module photovoltaïque.
Encore avantageusement, l’équipement comprend un support mobile en translation par rapport à la source lumineuse et configuré pour transporter un groupe de cellules photovoltaïques simultanément.
L’invention concerne également un procédé d’amélioration du rendement de conversion d’un groupe de cellules photovoltaïques interconnectées, ledit procédé comprenant l’étape d’améliorer le rendement de conversion de chaque cellule photovoltaïque du groupe de cellules photovoltaïques au moyen du procédé d’amélioration du rendement de conversion d’une cellule photovoltaïque selon l’invention.
Avantageusement, l’étape d’amélioration du rendement de conversion de chaque cellule photovoltaïque est réalisée simultanément sur toutes les cellules photovoltaïques du groupe de cellules photovoltaïques.
Avantageusement, le groupe de cellules photovoltaïques est encapsulé dans une matrice transparente.
L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent.
Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention. Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique.
La représente schématiquement un exemple de cellule photovoltaïque telle que pouvant être mise en œuvre par l’invention.
La représente une mise en œuvre d’un procédé de l’invention, permettant l’amélioration du rendement de conversion d’une cellule photovoltaïque telle représentée par la .
La représente schématiquement un équipement configuré pour mettre en œuvre le procédé de la .
La représente deux exemples de mise en œuvre d’une étape de chauffe du procédé de la .
La représente schématiquement un exemple de mise en œuvre d’un autre procédé selon l’invention, permettant l’amélioration du rendement de conversion d’un groupe de cellules photovoltaïques.
Un procédé 1 d’amélioration du rendement de conversion d’une cellule photovoltaïque 2 va maintenant être décrit. Ledit procédé 1 s’applique à différents types de cellules photovoltaïques. Il s’applique particulièrement bien à une cellule 2 à hétérojonction de silicium (SHJ), telle que représentée par la . La cellule 2 comprend par exemple un substrat 21 en silicium cristallin dopé et deux couches de silicium amorphe 22, 23 disposées de part et d'autre du substrat 21. L’une des couches de silicium amorphe 22, 23 est dopée du même type de conductivité que le substrat 21, par exemple de type n, et l'autre couche est dopée du type de conductivité opposé, c’est-à-dire de type p.
L'hétérojonction est formée par le substrat 21 en silicium cristallin dopé n et la couche de silicium amorphe dopé p, cette couche formant l'émetteur de la cellule 2. L’émetteur peut être situé en face avant ou en face arrière de la cellule 2.
La cellule 2 à hétérojonction de silicium est particulièrement sensible aux défauts situés à l’interface entre le substrat 21 en silicium cristallin et les couches de silicium amorphe 22-23. Ces défauts peuvent être des liaisons pendantes, également appelées « dangling bonds » en anglais, ou des impuretés telles que des ions métalliques. Ils introduisent des niveaux d’énergie dans la bande interdite du silicium et augmentent le nombre de recombinaisons électron-trou aux interfaces, ce qui détériore le rendement de conversion de la cellule, dont notamment les paramètres de sortie de la cellule photovoltaïque, tels que la tension en circuit ouvert.
La cellule 2 peut également comporter une couche de passivation 24 en silicium amorphe hydrogéné intrinsèque, disposée entre le substrat 21 et chaque couche de silicium amorphe 22, 23. Elle peut également être recouverte d’une couche d’oxyde transparent conducteur 25 (ou TCO, pour « Transparent Conductive Oxyde » en anglais).
Alternativement, la cellule photovoltaïque 2 peut être une cellule photovoltaïque dite « tandem » à base de pérovskite. Elle comprend par exemple une hétérojonction de silicium couplée à une jonction à base de pérovskite.
Selon une autre alternative, la cellule photovoltaïque 2 peut être une cellule photovoltaïque dite « TOPCon » pour « Tunneling Oxide Passivated Contact » en anglais. Il s’agit notamment d’une cellule à hétérojonction de silicium dans laquelle le substrat est séparée d’une couche dopée (et notamment l’émetteur) par une barrière tunnel.
La illustre un exemple de mise en œuvre du procédé 1 d’amélioration du rendement de conversion d’une cellule 2 à hétérojonction de silicium. La illustre plus particulièrement une mesure de la température T (reportée sur l’ordonnée à gauche) de la cellule 2 lors du déroulement du procédé 1. Par température T de la cellule 2, on entend préférentiellement la température moyenne de ladite cellule 2. Dans les faits, cette température T est, par exemple, mesurée en un point de la cellule 2 au moyen d’un thermocouple et ne représente peut-être pas de manière fidèle la température moyenne de la cellule 2. Toutefois, pour simplifier la description du procédé 1, l’hypothèse sera faite que la température varie peu au sein même de la cellule 2.
Le procédé 1 est, par exemple, mis en œuvre au moyen d’un équipement 3 tel qu’illustré à la . Il peut s’agir d’un équipement conventionnel, tel qu’un équipement permettant de réaliser l’interconnexion de cellules, appelé « stringer » en anglais. Ledit équipement 3 est toutefois avantageusement configuré pour pouvoir réaliser le procédé 1 selon l’invention. Il comprend par exemple au moins une source lumineuse 32, un dispositif 34 de refroidissement actif, un support mobile 35 en translation par rapport à la source lumineuse dit « convoyeur » et un contrôleur 36. Ce dernier étant configuré pour piloter les éléments précités, selon un profil prédéterminé. Ledit profil prédéterminé comprend par exemple, en fonction du temps, l’irradiance de chaque source lumineuse 32, la puissance de refroidissement du dispositif 34 de refroidissement actif ou encore la vitesse de translation du convoyeur sous chaque source lumineuse 32. Une cellule 2 peut être disposée sur le convoyeur 35 de l’équipement 3 afin d’être traitée. Le convoyeur 35 est dimensionner pour supporter un groupe de cellules 2, interconnectée ou non, afin qu’elles soient traitées simultanément.
À l’état initial (avant t = 0.0 s), la température T mesurée de la cellule 2 est de 12 °C. Dans le mode de mise en œuvre de la , le procédé 1 comprend dans un premier temps, une étape de chauffe 11 de la cellule 2 de sorte que sa température T atteigne une gamme de températures [Tm; TM] dite de « gamme de températures de traitement » ou de « gamme de températures de bonification ».
La gamme de températures de traitement est particulière en ce qu’elle s’étend sur moins de 30 °C. Elle définit une plage de températures dans laquelle sera maintenue la cellule 2 pendant une étape de traitement. La gamme de températures s’étend avantageusement sur moins de 20 °C, voire même sur moins de 10 °C.
La chauffe 11 est réalisée de sorte que le flux de chaleur net de la cellule 2 soit positif (du point de vue de la cellule 2). Par flux de chaleur net, on entend la somme des flux de chaleur sortants de la cellule 2 et des flux de chaleur entrant dans la cellule 2. Les flux de chaleur sortants comprennent par exemple les flux de chaleur évacués par transfert conductif (avec les éléments en contact avec la cellule) et/ou transfert convectif (par exemple avec l’air ambiant) et/ou par transfert radiatif (suivant, par exemple, la loi de Stefan-Boltzmann). Les flux de chaleur entrants comprennent par exemple les flux de chaleur apportés par transfert conductif (par exemple avec un élément chaud au contact de la cellule) et/ou par transfert radiatif (par exemple au moyen d’un rayonnement électromagnétique E). Un flux de chaleur net positif permet d’augmenter la température de la cellule 2.
La chauffe 11 de la cellule 2 est préférentiellement réalisée par exposition de la cellule 2 à un rayonnement électromagnétique E (transfert de chaleur radiatif). Elle peut être complétée au moyen d’une plaque chauffante (transfert de chaleur conductif). L’irradiance du rayonnement présente, dans cette étape, une valeur IC, dite irradiance de chauffe. Dans l’exemple actuel, l’irradiance de chauffe ICest constante et égale à 50 kW/m2(valeurs d’irradiances reportées sur l’ordonnée à droite sur la ). L’objectif de l’étape de chauffe 11 est d’augmenter, si possible rapidement, la température T de la cellule 2 de sorte qu’elle atteigne la gamme de températures de traitement [Tm; TM]. L’irradiance de chauffe ICest alors relativement élevée, afin que le temps de montée de la température soit court. L’étape de chauffe 11 prend fin dès lors que la température T de la cellule 2 atteint la gamme de températures de traitement [Tm; TM].
Dans l’exemple de la , la gamme de températures de traitement s’étend, dans cet exemple, entre Tm= 210 °C et TM= 220 °C. La température T de la cellule 2 à la fin de l’étape de chauffe 11 est de T = 210 °C.
La montée en température lors de l’étape de chauffe 11 peut être très rapide et peut induire un bref dépassement de la gamme de températures de traitement, aussi appelé « overshoot » en anglais. Cet overshoot doit être préférentiellement limité car il peut impacter fortement le budget thermique de la cellule 2. L’overshoot est donc préférentiellement faible, voire même absent. La présence d’un overshoot peut être acceptable si elle permet de procédé à une étape de chauffe 11 courte, permettant donc de réduire la durée totale du traitement. Pour cela, un critère peut être utilisé pour déterminer si la température de la cellule lors de l’étape de chauffe 11 est contrôlée. Ce critère indique que la température de la cellule 2 ne doit pas dépasser la température de traitement maximale plus d’une durée limite. Au-delà de cette durée limite, on peut considérer que l’étape de chauffe 11 n’est pas suffisamment contrôlée et présente un impact trop important sur le budget thermique de la cellule 2. Plus fort est le dépassement de température par rapport à la température de traitement maximale TMet plus court doit être cette durée limite. La durée limite est avantageusement décrite par où est la borne supérieure de la gamme de températures de traitement.
Ainsi, un overshoot de 50 °C, pendant lequel la température de la cellule 2 atteint 270 °C pour une gamme de températures de traitement s’étendant sur [210 °C ; 220 °C] doit préférentiellement durer moins de deux secondes. Un overshoot à 320 °C considérant la même gamme de températures de traitement (c’est-à-dire un overshoot de 100 °C) doit préférentiellement durer moins d’une seconde. Avantageusement, la durée limite est préférablement décrite par
Dans ce cas-là, un overshoot de 50 °C doit préférentiellement durer moins d’une seconde et un overshoot de 100 °C doit préférentiellement durer moins de 0,5 s. À noter que la durée limite est avantageusement considérée sur la totalité de l’étape de chauffe 11. Elle correspond donc à la somme de durées de plusieurs overshoots.
Dans tous les cas, la température de la cellule 2 ne doit préférentiellement pas dépasser une température critique au-delà de laquelle la cellule subit des dommages rapides et irréversibles. La température critique d’une cellule à hétérojonction de silicium est par exemple de 300 °C. La température critique d’une cellule tandem est par exemple de 200 °C (à priori les cellules tandem ne sont pas en mesure de supporter un overshoot). La température critique d’une cellule TOPCon est par exemple de 600 °C.
Afin d’éviter un éventuel overshoot, l’étape de chauffe 11 peut prendre fin ; un bref instant, avant que la température T de la cellule 2 n’atteigne la gamme de températures de traitement [Tm; TM]. Elle prend toutefois fin de manière anticipée en prenant tout de même en compte l’inertie thermique de la cellule 2 (et avantageusement également l’inertie thermique de l’environnement de la cellule 2) et l’irradiance du rayonnement E lors de l’étape suivante (étape de traitement). De la sorte, la température T de la cellule 2 atteint la gamme de températures de traitement en minimisant la chance d’observer un overshoot.
Le rayonnement électromagnétique E mis en œuvre pendant l’étape de chauffe 11 est émis par la source lumineuse 32. La cellule 2 est avantageusement orientée de sorte qu’elle présente une de ses faces à la source lumineuse 31 et préférentiellement de sorte que le rayonnement électromagnétique E soit perpendiculaire à cette face.
Le procédé 1 comprend, de manière consécutive, une étape de traitement 12 de la cellule 2. Le traitement 12 de la cellule 2 est réalisé par exposition de cette dernière au rayonnement électromagnétique E. Toutefois, ce dernier présente une irradiance IT, dite « irradiance de traitement » ou « irradiance de bonification », préférentiellement inférieure à l’irradiance de chauffe IC. Le rayonnement électromagnétique E utilisé dans cette étape est avantageusement issu de la même source lumineuse 32 que celle utilisée lors de l’étape de chauffe. Il peut toutefois être issu d’une autre source lumineuse. L’irradiance de traitement ITest choisie pour augmenter le rendement de conversion de la cellule 2. Dans l’exemple donné, l’irradiance de traitement ITest sensiblement constante et égale à 9,5 kW/m2.
Les cellules 2 à hétérojonction de silicium sont connues pour voir leur rendement de conversion énergétique s’améliorer d’environ 0,3 % absolu sous l’action conjuguée de l’éclairement et de la température. Ce phénomène dit de « bonification » résulte, par exemple, de l’amélioration d’au moins une des couches de passivation 24 en silicium amorphe hydrogéné et/ou de l’amélioration des interfaces entre les couches de silicium amorphe 22, 23 et les couches de TCO 25. La bonification peut également améliorer la couche de TCO 25 elle-même.
Le même principe est applicable à d’autres types de cellules, telles qu’une cellule tandem ou une cellule TOPCon. La gamme de températures de traitement peut en revanche être différente.
L’irradiance de traitement ITest également choisie de sorte que la température de la cellule 2 soit maintenue dans la gamme de températures [Tm; TM] pendant cette étape. Par exemple, la gamme de températures de traitement pour une cellule à hétérojonction de silicium est avantageusement supérieure à 170 °C. Elle est avantageusement inférieure à 300 °C lorsque la durée de traitement est courte (par exemple bien inférieure à 15 s). En dehors d’une durée de traitement courte, la gamme de températures est, de manière préférée, inférieure à 250 °C.
La gamme de températures de traitement pour une cellule tandem est avantageusement supérieure à 100 °C et avantageusement inférieure à 160. Pour une cellule TOPCon, elle est avantageusement supérieure à 400 °C et avantageusement inférieure à 600 °C.
Dans ces plages étendues de températures, la gamme de températures de traitement considérée est avantageusement réduite et inférieure ou égale à 30 °C (voire moins). De la sorte, la température de la cellule 2 est à peu près constante et le procédé 1 est réalisé de manière contrôlée et reproductible.
Pour que la température de la cellule 2 soit maintenue dans la gamme de températures [Tm; TM], l’irradiance de traitement ITest par exemple choisie de sorte que le flux de chaleur net de la cellule 2 soit faible ou nul pendant la durée de l’étape de traitement 12. Le flux de chaleur entrant dépend au moins de la chaleur apportée par le rayonnement électromagnétique E d’irradiance IT.
Un flux de chaleur net nul permet de conserver l’équilibre thermique de la cellule 2 pendant la durée du traitement. Il peut être difficile de parvenir à équilibre parfait (c’est-à-dire un flux de chaleur parfaitement nul). Le flux de chaleur net est alors avantageusement suffisamment faible pour que la température de la cellule 2 reste dans la gamme de traitement [Tm; TM] pendant la durée de l’étape de traitement 12.
Il est également avantageux de refroidir activement la cellule 2 pendant l’étape de traitement 12 afin d’augmenter le flux de chaleur sortant de la cellule 2. De la sorte, l’irradiance de traitement IT peut être augmentée pour compenser le flux de chaleur sortant. Une irradiance de traitement ITplus élevée permet notamment d’augmenter la cinétique de traitement et également d’augmenter davantage le rendement de conversion énergétique. Le refroidissement actif la cellule 2 lors de l’étape de traitement 12 peut être réalisé au moyen du dispositif de refroidissement actif 34.
Le procédé 1 comprend ensuite une étape de refroidissement 13 de la cellule 2. Le refroidissement 13 de la cellule 2 est réalisé de manière à figer l’augmentation du rendement de conversion de la cellule 2 obtenue lors de l’étape de traitement 12. Il est notamment réalisé jusqu’à ce que la température de la cellule 2 soit inférieure ou égale à une température TS, dite « température seuil ». À une température inférieure à la température seuil TS, l’absence d’exposition à un rayonnement électromagnétique n’a plus d’effet sur le rendement de conversion de la cellule 2. La température seuil TSest, dans cet exemple de cellule à hétérojonction de silicium, égale à 150 °C (soit distant de 60 °C par rapport à la gamme de traitement).
Lors de l’étape de refroidissement 13, l’exposition de la cellule 2 au rayonnement électromagnétique E est maintenue. Le rayonnement électromagnétique E présente alors une irradiance IR, lors de cette étape, dite « irradiance de refroidissement ».
Au démarrage de l’étape de refroidissement 13 (lorsque l’irradiance passe de 9,5 kW/m2à 20 kW/m2) une inertie thermique peut être observable, pendant laquelle la cellule 2 conserve une température T sensiblement constante et comprise dans la gamme de températures de traitement. L’inertie thermique observable peut comprendre l’inertie thermique propre à la cellule 2 et/ou une inertie thermique du dispositif 34 de refroidissement (qui peut présenter un temps de démarrage non négligeable). La fin de l’étape de traitement 12 et le début de l’étape de refroidissement 13 coïncident alors avantageusement avec l’instant où les consignes de pilotage sont envoyées aux différents instruments (tels que la source lumineuse 32 ou le dispositif 34 de refroidissement). Dans les faits, l’inertie de démarrage de la source lumineuse 32 est généralement nulle et le changement brut d’irradiance peut alors matérialiser le changement d’étape.
Le rayonnement E peut être émis par une source lumineuse différente dès lors que l’irradiance de refroidissement satisfait les conditions précitées (irradiance et orientation notamment). Toutefois, il est plus avantageux que le rayonnement E soit issu de la même source que celle utilisée lors du traitement 12. En effet, il est préférable que l’exposition audit rayonnement E soit maintenue, sans baisse d’exposition (qui peut être observée lorsque l’on passe d’une source à l’autre) au risque d’observer une réduction du rendement de conversion.
L’irradiance de refroidissement IRest choisie de sorte qu’elle ne compense pas le flux de chaleur sortant de la cellule 2 pendant l’étape de refroidissement. Le flux de chaleur net est alors négatif (du point de vue de la cellule 2, autrement dit, les flux de chaleur sortants excèdent les flux de chaleur entrants). Ainsi, même en présence du rayonnement électromagnétique E, la température de la cellule 2 décroit. Le refroidissement 13 (c’est-à-dire le flux de chaleur net négatif) est par exemple rendu possible par la mise en œuvre du dispositif 34 de refroidissement actif qui permet, malgré la chaleur apportée par l’irradiance de refroidissement IR, d’abaisser la température de la cellule 2 jusqu’à la température seuil TS. Le dispositif 34 de refroidissement actif peut mettre en œuvre le transfert de chaleur par conduction et/ou par convection. Il peut s’agir, dans le premier cas, d’une plaque (dite « chuck » en anglais), régulée en température. Il peut également s’agir, dans le deuxième cas, d’une soufflerie configurée pour créer un écoulement d’air 340 balayant une face de la cellule 2 (préférentiellement la face exposée au rayonnement E). Le débit de l’écoulement d’air est alors ajusté (par exemple au moyen du contrôleur 36) pour évacuer la chaleur nécessaire au refroidissement.
Une autre façon de définir la fin de l’étape de traitement 12 et le début de l’étape de refroidissement 13 est d’observer le changement de signe du flux de chaleur net. Le début de l’étape de refroidissement 13 correspond à l’instant où le flux de chaleur net devient négatif.
De manière contre-intuitive, l’irradiance de refroidissement IRest supérieure ou égale à l’irradiance de traitement IT. Dans l’exemple de la , l’irradiance de refroidissement IRest en l’occurrence constante et strictement supérieure à l’irradiance de traitement ITet égale à 20 kW/m2. L’irradiance de refroidissement IRpourrait, selon un mode de mise en œuvre, présenter une irradiance non-constante, par exemple croissante ou décroissante, tout en étant supérieure ou égale à l’irradiance de traitement IT.
Lorsque la température de la cellule 2 atteint la température seuil TS, l’exposition de la cellule 2 au rayonnement électromagnétique E est avantageusement interrompue. Le dispositif 34 de refroidissement peut alors également être interrompu. Il est toutefois préférable que le dispositif 34 de refroidissement actif continue de fonctionner jusqu’à ce que la température de la cellule 2 atteigne une température bien inférieure à la température seuil TS, par exemple la température ambiante.
Dans l’exemple illustré par la , le maintien de l’exposition de la cellule 2 au rayonnement électromagnétique E lors de l’étape de refroidissement 13 permet de conserver une action de bonification de la cellule 2 jusqu’à ce que la température T de la cellule 2 soit suffisamment basse pour figer l’arrangement des couches et des interfaces entre ces couches. La température seuil TScorrespond ainsi à une température pour laquelle l’arrangement de ces couches et/ou de ces interfaces n’évolue plus en fonction de temps. L’exposition au rayonnement électromagnétique E peut donc être stoppée sans risque de dégradation de ces structures et donc sans risque de dégradation du rendement de conversion.
La température seuil TSvarie toutefois en fonction des types de cellules.. Par exemple, la température seuil TSd’une cellule tandem est inférieure ou égale à 70 °C. Dans le cas d’une cellule TOPCon, la température seuil TSest inférieure ou égale à 400 °C. Dans le cas d’une cellule à hétérojonction de silicium (cas de la ), la température seuil TSest inférieure ou égale à 160 °C.
Dans l’exemple de la , la durée du procédé (étapes de chauffe 11, de traitement 12 et de refroidissement 13) est de 7,5 s. Le procédé permet donc d’améliorer le rendement de conversion de la cellule 2 et figer ladite amélioration dans un temps très inférieur à 60 s voire inférieure à 15 s. Le procédé d’amélioration en tant que tel est donc compatible avec une cadence industrielle (une durée inférieure à 60 s étant une limite haute et une durée comprise entre 15 s et 20 s étant une limite haute fréquente).
Si le procédé 1 permet de bonifier rapidement une cellule 2, la vitesse de refroidissement n’est en revanche pas une contrainte du procédé 1. En effet, les procédés de l’art antérieur proposent des solutions pour refroidir rapidement la cellule à bonifier, minimisant ainsi la perte de gain. À l’inverse, le procédé 1 selon l’invention propose de continuer le traitement thermique de la cellule 2 jusqu’à ce que la température de la cellule 2 fige son état (et donc l’amélioration du rendement de conversion). L’étape de refroidissement 13 peut donc être réalisée lentement, tant qu’elle conserve l’exposition de la cellule 2 au rayonnement électromagnétique lorsque sa température est supérieure à sa température seuil TS. Un refroidissement lent peut s’avérer nécessaire lorsque les contraintes thermiques dans la cellule 2 lors d’un refroidissement rapide sont trop importantes. C’est par exemple le cas pour une cellule dans un module photovoltaïque ou une chaîne photovoltaïque.
Pour que l’irradiance de refroidissement IRait un impact suffisant sur le rendement de conversion, elle est avantageusement choisie supérieure à 1 kW/m2. Plus l’irradiance de refroidissement IRest élevée et meilleure est la conservation (voire l’amélioration) du rendement de conversion lors du refroidissement. L’irradiance de refroidissement IRest donc préférentiellement supérieure à 3 kW/m2et de manière encore préférée, supérieure à 5 kW/m2.
Le dispositif 34 de refroidissement actif est dimensionné en fonction de l’irradiance de refroidissement IRde sorte que le flux de chaleur net pour la cellule 2 soit sortant. Le dispositif de refroidissement actif est d’autant plus important que l’irradiance de refroidissement IRest élevée, que la différence entre la gamme de températures de traitement et la température seuil est élevée et que la durée de refroidissement ciblée est courte.
Toutefois, grâce au dispositif 34 de refroidissement actif, l’irradiance de refroidissement IRpeut être choisie strictement supérieure à l’irradiance de traitement ITsans que cela n’ait d’impact négatif sur la cellule 2 (puisque sa température diminue et s’éloigne des températures critiques à laquelle elle peut subir un endommagement). De la sorte, l’irradiance de refroidissement IRpeut être élevée, permettant de conserver, voire améliorer davantage, l’augmentation du rendement de conversion.
La [Table 1] illustre un exemple de l’amélioration (nommé « gain » dans le tableau) du rendement de conversion obtenu avec cinq cellules à hétérojonction de silicium, après la mise en œuvre du procédé 1 selon l’invention et après la mise en œuvre d’un procédé de l’art antérieur. La gamme de températures de traitement considérée s’étend entre Tm= 210 °C et TM= 220 °C. La température seuil considérée est TS= 160 °C. L’irradiance de traitement ITconsidérée est de 9,5 kW/m2. L’irradiance de chauffe ICconsidérée est de 50 kW/m2. Selon les deux procédés, les cellules sont chauffées pendant 1,5 s et ensuite traitée pendant 1 s. Les deux procédés diffèrent en ce que le procédé selon l’invention comprend une étape de refroidissement 13 telle que décrite précédemment (irradiance de refroidissement de 20 kW/m2jusqu’à ce que la température de la cellule atteigne 160 °C au bout d’environ 5 s) et en ce que le procédé selon l’art antérieur comprend une étape de refroidissement sans illumination et à une vitesse de refroidissement de 10 °C/s (c’est à dire un refroidissement rapide dans le noir tel que suggéré par le document WO 2020/082131). Chaque procédé est mis en œuvre sur un groupe de cinq cellules à hétérojonction de silicium. Chaque groupe de cinq cellules montre un rendement de conversion initial presque identique (à moins de 0,1 % près). Le premier groupe, ayant subi le procédé selon l’art antérieur, voit un gain de son rendement de conversion inférieur à 0,3 % absolu. En revanche, le second groupe, ayant subi le procédé selon l’invention, voit un gain de son rendement de conversion supérieur à 0,4 % absolu.
| Procédé selon l’art antérieur |
Procédé selon l’invention |
|
| Rendement de conversion initial (% absolu) |
21,891 | 21,899 |
| Rendement de conversion final (% absolu) | 22,158 | 22,302 |
| Gain (% absolu) | 0,267 | 0,404 |
Lors de l’étape de refroidissement 13, le rayonnement électromagnétique E peut présenter au moins une composante comprise dans [300 nm ; 1200 nm]. En effet, cette fenêtre spectrale offre la meilleure efficacité de bonification. En deçà de 300 nm, le rayonnement E est trop énergétique et peut endommager la cellule 2. De plus, l’absorption est principalement réalisée en surface et ne permet donc pas un traitement efficace dans l’épaisseur de la cellule 2. Au-delà de 1200 nm, l’absorption du rayonnement électromagnétique E est faible et allonge considérablement le temps de refroidissement minimal. Il est donc avantageux que le rayonnement électromagnétique E comprenne au moins une composante entre [300 nm ; 1200 nm], voire s’étende de manière substantielle sur cette gamme spectrale.
De manière encore plus avantageuse, le rayonnement électromagnétique E comprend au moins deux composantes. Au moins une première composante comprise dans la gamme [300 m ; 550 nm], dite gamme « bleue » et au moins une deuxième composante comprise dans la gamme [800 nm ; 1200 nm], dite gamme « infrarouge » ou « IR » pour « infrared » en anglais. La combinaison de ces deux gammes permet de profiter des avantages de chaque gamme. Chaque composante dans la gamme bleue est absorbée efficacement en surface et permet donc d’améliorer efficacement le rendement de conversion (notamment via l’amélioration de l’empilement des couches en surface de la cellule 2). Chaque composante dans la gamme IR est absorbée sur toute l’épaisseur de la cellule 2 et permet d’homogénéiser l’amélioration du rendement dans la cellule 2.
Dans l’exemple de la , le rayonnement électromagnétique E utilisé comprend une première composante à 455 nm et une deuxième composante à 940 nm. L’irradiance de la deuxième composante représente 70 % de l’irradiance totale du rayonnement électromagnétique. L’irradiance de la première composante représente 30 % de cette irradiance totale.
La température seuil TSjoue un rôle important dans la bonne réalisation du procédé 1. En effet, une mauvaise évaluation de cette température peut impliquer un arrêt prématuré du rayonnement électromagnétique E et donc une réduction de l’amélioration du rendement de conversion. Pour cela, le procédé 1 peut avantageusement comprendre une étape préliminaire d’estimation de la température seuil TSde la cellule 2. Par estimer, on entend que la température seuil TSn’est pas mesurée directement sur la cellule 2 mais déterminée au moyen de mesures obtenues sur des cellules présentant des caractéristiques équivalentes.
Une façon de procéder peut être de réaliser une mesure du rendement de conversion sur une pluralité de cellules, dites « cellules témoins », présentant des propriétés proches de la cellule 2 qui doit être améliorée (que l’on nommera « cellule à bonifier »). Les propriétés pouvant influencer la température seuil TSd’une cellule sont généralement l’état des couches composant ladite cellule ainsi que l’état des interfaces entre ces couches. Il est donc judicieux que les cellules témoins soient obtenues suivant le même procédé que celui utilisé pour obtenir la cellule 2 à bonifier. Les procédés de dépôt ou croissance des différentes couches sont par exemple réalisés dans les mêmes conditions et à partir des mêmes matériaux.
Chaque cellule témoin de la pluralité de cellules témoins subit un procédé de traitement pouvant s’apparenter aux étapes de chauffe 11, de traitement 12 et de refroidissement 13 telles que décrites précédemment. Toutefois, le procédé de traitement diffère du procédé selon l’invention en ce que l’exposition au rayonnement électromagnétique est stoppée de manière arbitraire, lors du refroidissement, pour différentes températures, dites températures d’arrêt. Le rendement de conversion de chaque cellule témoin est ensuite déterminé, par exemple, en mesurant la tension de circuit ouvert de chaque cellule témoin. Les rendements de conversion obtenus avant et après le traitement sont comparés en fonction des températures d’arrêt. Une première partie des cellules témoins peut montrer une amélioration du rendement de conversion sensiblement égal (par exemple à 20 % près) et maximale. En revanche, une autre partie des cellules témoins peut montrer une amélioration du rendement plus faible, voire nulle, voire même négative. Les cellules témoins dont l’exposition au rayonnement électromagnétique a été stoppée alors que leurs températures étaient encore supérieures à la température seuil TS(qui est à déterminer) sont celles montrant les moins bons gains de rendement de conversion. Les cellules témoins dont l’exposition au rayonnement électromagnétique a été stoppée alors que leurs températures étaient inférieures à la température seuil TS(qui est à déterminer) sont celles montrant les meilleurs gains de rendement de conversion. Une température d’arrêt associée à un gain de rendement élevé peut être considéré comme la température seuil TSestimée pour bonifier la cellule 2. La température seuil TSpeut également être estimée par une interpolation entre les gains de rendement de conversion mesurés et les températures d’arrêt associées.
Selon une autre manière de procéder, chaque cellule témoin de la pluralité de cellules témoins subit une exposition à une forte irradiance, par exemple 10 kW/m2, pendant environ une minute, tout en maintenant la température de chaque cellule à 200 °C. Lorsque l’exposition au rayonnement est coupée, les cellules témoins sont stockées à des températures constantes différentes, par exemple comprise entre 100 °C et 300 °C. Cela peut par exemple être réalisé en déposant les cellules sur des supports chauffés aux températures souhaitées pendant au moins 30 s. Une mesure du rendement de conversion de chaque cellule permet de déterminer la ou les cellules pour lesquelles le gain de rendement est acceptable ainsi que les températures de stockage souhaitée. La température seuil est alors la température de stockage la plus basse.
Le dispositif 34 de refroidissement actif peut également être mis en œuvre lors de l’étape de traitement 12 (dès lors que le flux de chaleur net soit faible voire nul). Ledit dispositif 34 permet ainsi de contribuer à la régulation de la température de la cellule 2 lors de son exposition au rayonnement électromagnétique E. De la sorte, la température T de la cellule 2 peut être maintenue de manière plus robuste dans la gamme de températures de traitement. L’intérêt est de pouvoir utiliser une irradiance de traitement ITplus élevée qu’en l’absence de régulation thermique, permettant accélérer ou augmenter l’amélioration du rendement de conversion.
En l’absence du dispositif 34 de refroidissement actif lors de l’étape de traitement 12, l’irradiance de traitement ITest avantageusement choisie de sorte que la température T de la cellule 2 reste dans la gamme de températures de traitement [Tm; TM]. L’irradiance de traitement ITest avantageusement inférieure à 100 kW/m2et encore plus avantageusement inférieure à 50 kW/m2. L’irradiance de traitement ITpeut dépendre fortement du type de cellule 2 à bonifier.
Par exemple, lorsque cette dernière est une cellule photovoltaïque à hétérojonction de silicium, telle que présentée dans la , alors l’irradiance de traitement ITest préférentiellement comprise dans [7 kW/m2; 10 kW/m2]. En effet, une cellule 2 à hétérojonction de silicium doit préférentiellement conserver une température inférieure à 300 °C voire inférieure à 250 °C.
Selon un autre exemple, lorsque la cellule 2 est une cellule photovoltaïque tandem, l’irradiance de traitement ITest préférentiellement comprise dans [3 kW/m2; 5 kW/m2].
La gamme de températures de traitement pour une cellule TOPCon doit être inférieure à 600 °C. L’irradiance de traitement ITpeut donc, dans ce cas, être inférieure à 100 kW/m2et par exemple voisine de 50 kW/m2.
Le rayonnement électromagnétique E peut également présenter, lors de l’étape de traitement 12, au moins une composante comprise dans la gamme [300 nm ; 1200 nm] et avantageusement au moins une composante dans la gamme bleue et au moins une composante dans la gamme IR. Ça peut également être le cas lors de l’étape de chauffe 11.
Afin de réduire la durée totale du procédé 1, il est avantageux que l’étape de chauffe soit réalisée rapidement. Il est donc avantageux de chauffer rapidement la cellule 2 de sorte que sa température T atteigne rapidement la gamme de températures de traitement. La illustre, par exemple, une mesure de la température T d’une cellule 2 à hétérojonction de silicium en fonction du temps t, lors de deux réalisations de l’étape de chauffe 11. Les deux réalisations diffèrent l’une de l’autre par l’irradiance de chauffe ICutilisée. Dans un premier cas (carrés dans la ), l’irradiance de chauffe ICest de 48 kW/m2. Dans un deuxième cas (cercles dans la ), l’irradiance de chauffe ICest réduite de moitié et égale à 24 kW/m2.
Dans le premier cas, la montée en température de la cellule 2 jusqu’à une température finale Tfde 180 °C est réalisée en = 2 s. L’étape de chauffe 11 prend alors avantageusement fin au bout de cette durée . Dans le deuxième cas, la montée en température de la cellule 2 jusqu’à la température finale Tfde 180 °C est réalisée en 7 s.
Réduire la durée de l’étape de chauffe 11 revient à minimiser l’aire entre l’ordonnée sur la et la courbe de température T. Autrement dit, la réduction de la durée revient à minimiser la quantité suivante où est la température finale de la cellule 2 à la fin de l’étape de chauffe 11, est la température initiale de la cellule 2 et est la durée de l’étape de chauffe 11 (dans la , est illustré pour une irradiance associée égale à 48 kW/m2). Minimiser cette quantité revient, de manière approchée à minimiser l’aire du triangle formé par l’ordonnée de la et le front montant de la courbe de température. En d’autres termes, la quantité à minimiser peut être approchée par où est la vitesse de chauffe en °C/s. L’aire du triangle associée à la première chauffe (IC= 48 kW/m2) est doublement hachuré. L’aire du triangle associée à la deuxième chauffe (IC= 24 kW/m2) est égale à l’aire du triangle doublement hachurée et l’aire du triangle simplement hachuré. Afin de réduire la durée de l’étape de chauffe 11, l’irradiance de chauffe ICest alors avantageusement supérieure à 10 kW/m2. Une irradiance de chauffe ICsupérieure à 30 kW/m2permet de réaliser la montée en température d’une cellule à hétérojonction de silicium en moins de 4 s. Une irradiance de chauffe ICsupérieure à 50 kW/m2permet de réaliser la montée en température d’une même cellule en moins de 2 s.
L’irradiance de chauffe ICest avantageusement sensiblement constante afin de fournir le maximum d’énergie en un minimum de temps.
L’invention concerne également un procédé 4 d’amélioration du rendement de conversion d’un groupe de cellules 2. Le groupe est particulier en ce que les cellules 2 sont interconnectées deux à deux. Il s’agit par exemple de cellules 2 au sein d’une guirlande photovoltaïque (dite « string » en anglais) ou au sein d’un module photovoltaïque. Dans ce dernier cas, les cellules 2 peuvent être encapsulées dans une matrice transparente, destinée à protéger les cellules de l’environnement extérieur (tel que l’air ou l’humidité) et/ou disposées entre deux plaques de protection, par exemple en verre, destinée à assurer une tenue mécanique de l’ensemble. Le groupe de cellules 2 peuvent également comprendre une feuille de fond, dite « backsheet ».
La matrice transparente et/ou les plaques de protection peuvent augmenter l’inertie thermique des cellules 2, car elles peuvent également contribuer à l’isolation thermique de ces dernières. Il peut en résulter une réduction du rendement de conversion lorsque ces cellules sont traitées selon un procédé de l’art antérieur. En effet, les cellules sont susceptibles de rester plus longtemps à une température élevée sans être exposées à un rayonnement électromagnétique (ou pas suffisamment exposées) en fin d’illumination.
Le procédé 4 offre une solution à ce problème en ce qu’il comprend une étape d’amélioration 40 du rendement de conversion de chaque cellule 1 du groupe de cellules. Pour cela, l’étape d’amélioration comprend la réalisation du procédé 1 d’amélioration du rendement de conversion d’une cellule 2 tel que décrit précédemment sur chaque cellule 2 du groupe de cellules. Grâce au dispositif 34 de refroidissement actif, l’exposition au rayonnement électromagnétique peut être maintenue jusqu’à ce que les cellules 2 atteignent la température seuil TS. Ce mode de mise en œuvre fait écho au refroidissement lent discuté précédemment.
Le procédé d’amélioration 1 s’applique avantageusement simultanément à toutes les cellules 2 du groupe. De la sorte, même si le refroidissement est lent (par exemple à cause de l’inertie thermique causée par la matrice transparente et/ou les plaques de protection et/ou la feuille de fond), le nombre de cellules traité en parallèle rend compatible le procédé 4 avec une cadence industrielle.
L’équipement 3 illustré par la peut avantageusement être configuré pour réaliser le procédé d’amélioration sur le groupe de cellule 2. Il suffit, par exemple, que le groupe entier puisse être placé sous la source lumineuse 32 et sous la soufflerie 34.
Claims (14)
- Procédé (1) d’amélioration du rendement de conversion d’une cellule photovoltaïque (2), ledit procédé (1) comprenant les étapes suivantes :
- chauffer (11) la cellule photovoltaïque (2) de sorte que sa température (T) atteigne une gamme de températures [Tm, TM] dite « gamme de températures de traitement », ladite gamme de températures de traitement s’étendant entre une température minimale de traitement Tmet une température maximale de traitement TM, la différence entre la température maximale de traitement TMet la température minimale de traitement Tmétant inférieure à 30 °C ;
- traiter (12) la cellule photovoltaïque (2) de manière à augmenter son rendement de conversion en l’exposant à un rayonnement électromagnétique (E), la température (T) de la cellule photovoltaïque (2) étant maintenue dans la gamme de températures de traitement [Tm, TM], l’irradiance du rayonnement électromagnétique (E) présentant une première valeur (IT) sensiblement constante, dite « irradiance de traitement » ;
- refroidir (13) la cellule photovoltaïque (2) au moyen d’un dispositif (34) de refroidissement actif jusqu’à ce que la température (T) de la cellule photovoltaïque (2) atteigne une température (TS), dite « température seuil », à laquelle l’absence d’exposition au rayonnement électromagnétique (E) n’a plus d’effet sur le rendement de conversion de la cellule photovoltaïque (2) ;
- Procédé (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la température seuil (TS) est strictement inférieure à température minimale de traitement Tm.
- Procédé (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’irradiance de refroidissement (IR) est strictement supérieure à l’irradiance de traitement (IT).
- Procédé (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rayonnement électromagnétique (E) présente, lors de l’étape de refroidissement (13), au moins une première composante comprise dans [300 nm ; 550 nm] et au moins une deuxième composante comprise dans [800 nm ; 1200 nm].
- Procédé (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la durée totale du procédé (1) est inférieure à 60 s.
- Procédé (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif (34) de refroidissement actif est basé sur le transfert de chaleur par convection et/ou par conduction.
- Procédé (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le maintien de la température (T) de la cellule photovoltaïque (2) dans la gamme de températures de traitement [Tm, TM] est obtenue au moyen du rayonnement électromagnétique (E) et du dispositif (34) de refroidissement actif.
- Procédé (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’en l’absence du dispositif (34) de refroidissement actif lors de l’étape de traitement (12), l’irradiance de traitement (IT) est inférieure à 100 kW/m2.
- Procédé (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, lors de l’étape de chauffe (11), la cellule photovoltaïque (2) est exposée au rayonnement électromagnétique (E), l’irradiance du rayonnement électromagnétique présentant une troisième valeur (IC), dite « irradiance de chauffe », strictement supérieure à l’irradiance de refroidissement (IR).
- Équipement (3) d’amélioration du rendement de conversion d’une cellule photovoltaïque, comprenant au moins une source lumineuse (32), un dispositif (34) de refroidissement actif et des moyens (35, 36) configurés pour réaliser le procédé (1) d’amélioration du rendement de conversion d’une cellule photovoltaïque (2) selon l’une des revendications précédentes.
- Équipement (3) selon la revendication précédente, comprenant également un contrôleur (36) permettant de piloter chaque source lumineuse (32) et le dispositif (34) de refroidissement en fonction d’un profil prédéterminé.
- Procédé (4) d’amélioration du rendement de conversion d’un groupe de cellules photovoltaïques (2) interconnectées, ledit procédé (4) étant caractérisé en ce qu’il comprend l’étape d’améliorer (40) le rendement de conversion de chaque cellule photovoltaïque (2) du groupe de cellules photovoltaïques (2) au moyen du procédé (1) d’amélioration du rendement de conversion d’une cellule photovoltaïque (2) selon l’une des revendications 1 à 9.
- Procédé (4) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’étape d’amélioration (40) du rendement de conversion de chaque cellule photovoltaïque (2) du groupe de cellules photovoltaïques (2) est réalisée simultanément sur toutes les cellules photovoltaïques (2) du groupe de cellules photovoltaïques (2).
- Procédé (4) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le groupe de cellules photovoltaïques (2) est encapsulé dans une matrice transparente et/ou disposé entre deux plaques de protection.
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| FR2206001A FR3136891A1 (fr) | 2022-06-20 | 2022-06-20 | Procédé d’amélioration du rendement de conversion d’une cellule photovoltaïque et équipement associé |
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| FR2206001A FR3136891A1 (fr) | 2022-06-20 | 2022-06-20 | Procédé d’amélioration du rendement de conversion d’une cellule photovoltaïque et équipement associé |
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| FR3136891A1 true FR3136891A1 (fr) | 2023-12-22 |
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| US10505069B2 (en) * | 2015-03-13 | 2019-12-10 | Newsouth Innovations Pty Limited | Method for processing silicon material |
| WO2020082131A1 (fr) | 2018-10-24 | 2020-04-30 | Newsouth Innovations Pty Ltd | Procédé d'amélioration de la performance d'une cellule photovoltaïque à hétérojonction |
| FR3113190A1 (fr) * | 2020-07-29 | 2022-02-04 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Procédé de traitement d'un précurseur de cellule photovoltaïque à hétérojonction |
-
2022
- 2022-06-20 FR FR2206001A patent/FR3136891A1/fr active Pending
-
2023
- 2023-06-15 WO PCT/EP2023/066148 patent/WO2023247326A1/fr unknown
Patent Citations (3)
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| US10505069B2 (en) * | 2015-03-13 | 2019-12-10 | Newsouth Innovations Pty Limited | Method for processing silicon material |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2023247326A1 (fr) | 2023-12-28 |
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