WO2010084290A1 - Substrat en verre transparent et procede de fabrication d'un tel substrat - Google Patents

Substrat en verre transparent et procede de fabrication d'un tel substrat Download PDF

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Pascal Roemgens
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Saint-Gobain Glass France
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Abstract

Ce substrat (1) en verre transparent comprend au moins une face (3) qui est munie d'une texturation formée par une pluralité de motifs géométriques (5) en relief par rapport à un plan général de cette face (3), cette texturation étant adaptée pour assurer une transmission de rayonnement à travers le substrat supérieure à la transmission de rayonnement à travers un substrat identique mais dépourvu de texturation. La face (3) du substrat est en outre munie d'une couche antireflet (7) d'indice de réfraction compris entre l'indice de réfraction de l'air et l'indice de réfraction du verre. La couche antireflet (7) est une partie superficielle creusée du substrat en verre (1) au niveau de ladite face (3) qui comporte une structure à base de silice et des espaces vides de dimension caractéristique comprise entre 0,5 nanomètres et 50 nanomètres.

Description

SUBSTRAT EN VERRE TRANSPARENT ET PROCEDE DE FABRICATION D'UN TEL SUBSTRAT
La présente invention a trait à un substrat en verre transparent comprenant au moins une face qui est munie d'une pluralité de motifs géométriques en relief par rapport à un plan général de la face. L'invention a également trait à un module de récupération d'énergie issue d'un rayonnement incident sur le module, en particulier du rayonnement solaire, comprenant un tel substrat en tant que substrat avant du module. En outre, l'invention a trait à un procédé de fabrication d'un substrat en verre transparent.
Au sens de l'invention, un module de récupération d'énergie issue d'un rayonnement peut être, notamment, un module solaire photovoltaïque, apte à convertir l'énergie issue du rayonnement solaire en énergie électrique, ou un module solaire thermique, apte à convertir l'énergie issue du rayonnement solaire en énergie thermique, récupérée dans un fluide caloporteur.
De manière classique, un module de récupération d'énergie issue du rayonnement solaire comprend un substrat avant, ou substrat à fonction verrière, qui assure une protection mécanique des éléments de conversion d'énergie, à savoir la ou les cellules photovoltaïques dans le cas d'un module photovoltaïque, tout en permettant une bonne transmission du rayonnement solaire vers ces éléments de conversion d'énergie. Le substrat avant peut notamment être constitué en un verre transparent, de préférence clair ou extra-clair, à très faible teneur en oxydes de fer, tel que les verres commercialisés dans la gamme « DIAMANT » ou « ALBARINO » par Saint- Gobain Glass.
Une stratégie pour augmenter le rendement de conversion énergétique d'un module de récupération d'énergie consiste à améliorer les propriétés de transmission du substrat avant, en limitant la réflexion du rayonnement incident sur le module à l'interface entre l'air et le substrat avant. A cet effet, il est connu de texturer au moins la face avant du substrat, destinée à être disposée du côté d'incidence du rayonnement sur le module, en la munissant d'une pluralité de motifs géométriques en relief, concaves ou convexes par rapport à un plan général de cette face. Au sens de l'invention, le plan général d'une face texturée est le plan contenant les points de cette face qui n'appartiennent pas aux motifs en relief ou, dans le cas de motifs jointifs, les points de jonction entre les motifs en relief. En vue d'obtenir une amélioration effective de ses propriétés de transmission, le substrat est avantageusement muni d'une texturation pentue, en particulier une texturation qui présente un rapport d'aspect élevé, défini comme étant le rapport de l'épaisseur des motifs en relief constituant la texturation sur la largeur de ces motifs, notamment un rapport d'aspect supérieur à 0,1. Les motifs en relief peuvent être des pyramides ou des cônes, ou encore des motifs présentant une direction longitudinale privilégiée, tels que des rainures ou des nervures. Toutefois, les rendements de modules intégrant de tels substrats avant textures restent limités.
C'est à ces inconvénients qu'entend plus particulièrement remédier l'invention en proposant un substrat en verre transparent qui, lorsqu'il est intégré en tant que substrat avant dans un module de récupération d'énergie issue d'un rayonnement, en particulier du rayonnement solaire, présente des propriétés optimisées de transmission du rayonnement incident sur le substrat vers les éléments de conversion d'énergie du module, permettant ainsi une amélioration du rendement de ce module par rapport aux modules de l'état de la technique, tout en ayant de préférence un procédé de fabrication simple et susceptible d'être facilement industrialisé.
A cet effet, l'invention a pour objet un substrat en verre transparent comprenant au moins une face qui est munie d'une texturation formée par une pluralité de motifs géométriques en relief par rapport à un plan général de cette face, cette texturation étant adaptée pour assurer une transmission de rayonnement à travers le substrat, vers un élément sous-jacent accolé au substrat, supérieure à celle obtenue avec un substrat identique ne différant qu'en ce qu'il est dépourvu de texturation, caractérisé en ce que la face précitée du substrat est en outre munie d'une couche antireflet d'indice de réfraction compris entre l'indice de réfraction de l'air et l'indice de réfraction du verre, la couche antireflet étant une partie superficielle creusée du substrat en verre au niveau de la face précitée qui comporte une structure à base de silice et des espaces vides de dimension caractéristique comprise entre 0,5 nanomètres et 50 nanomètres.
Au sens de l'invention, un substrat en verre transparent est un substrat transparent au moins dans certains domaines de longueurs d'onde du spectre solaire, en particulier dans les domaines de longueurs d'onde utiles pour les éléments de conversion d'énergie du module dans lequel le substrat est destiné à être intégré. A titre d'exemple, dans le cas d'un module photovoltaïque comprenant des cellules photovoltaïques à base de silicium polycristallin, le substrat est avantageusement transparent dans le domaine de longueurs d'onde comprises entre 400 nm et 1200 nm. Par ailleurs, au sens de l'invention, le terme « couche » désigne une couche superficielle du substrat, c'est-à-dire une couche creusée ou « squelettisée » du substrat qui fait partie intégrante du substrat, et non une couche rapportée sur le substrat.
Selon d'autres caractéristiques avantageuses d'un substrat selon l'invention :
- pour chaque motif en relief, le rapport de l'épaisseur sur la largeur du motif est supérieur ou égal à 0,1 , de préférence supérieur ou égal à 0,25 ;
- l'indice de réfraction de la couche antireflet à 600 nm est inférieur à 1 ,3, de préférence de l'ordre de 1 ,22-1 ,23 ; - l'épaisseur de chaque motif en relief est supérieure à 10 micromètres, de préférence supérieure à 100 micromètres ;
- l'épaisseur de la couche antireflet est comprise entre 30 nanomètres et 1 micromètre, de préférence comprise entre 80 nanomètres et 200 nanomètres ; - les motifs en relief sont répartis de manière aléatoire sur la face du substrat ;
- les motifs en relief sont jointifs ;
- les motifs en relief sont des pyramides ou des cônes de demi-angles au sommet non nuls ; - la base de chaque motif en relief est inscrite dans un cercle de diamètre inférieur ou égal à 5 millimètres ;
- les motifs en relief sont des rainures ou des nervures ;
- tout demi-angle au sommet des motifs en relief est inférieur à 70°, de préférence compris entre environ 25° et 50° ;
- la couche antireflet est une partie superficielle du substrat en verre au niveau de la face précitée ayant subi un traitement au moyen d'une solution acide sursaturée en silice ; - la couche antireflet est une partie superficielle du substrat en verre au niveau de face précitée ayant subi un traitement au moyen d'une solution d'acide fluosilicique sursaturée en silice dans une proportion comprise entre environ 0 et 3 millimoles par litre au-delà du seuil de saturation en silice.
L'invention a également pour objet un module de récupération d'énergie issue d'un rayonnement incident sur le module, en particulier du rayonnement solaire, comprenant un substrat tel que décrit ci-dessus en tant que substrat avant du module, la face du substrat qui est munie des motifs en relief et de la couche antireflet étant la face avant du module.
Enfin, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un substrat en verre transparent, comprenant des étapes successives dans lesquelles :
- on forme, sur au moins une face d'une plaque de verre transparent, une texturation comprenant une pluralité de motifs géométriques en relief par rapport à un plan général de cette face, cette texturation étant adaptée pour assurer une transmission de rayonnement à travers la plaque, vers un élément sous-jacent accolé à la plaque, supérieure à celle obtenue avec une plaque identique ne différant qu'en ce qu'elle est dépourvue de texturation ;
- on immerge la plaque de verre, au moins au niveau de la face comportant les motifs en relief, dans une solution acide sursaturée en silice.
De manière avantageuse, on forme les motifs en relief sur la face précitée par laminage de la plaque de verre.
De plus, la solution dans laquelle on immerge la plaque de verre est avantageusement une solution d'acide fluosilicique sursaturée en silice dans une proportion comprise entre environ 0 et 3 millimoles par litre au-delà du seuil de saturation en silice.
Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui va suivre d'un mode de réalisation d'un substrat et d'un module selon l'invention, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une vue en perspective d'un substrat conforme à l'invention ; - la figure 2 est un schéma de principe d'une première étape du procédé de fabrication du substrat de la figure 1 ;
- la figure 3 est un schéma de principe d'une deuxième étape du procédé de fabrication du substrat de la figure 1 ;
- la figure 4 est une coupe transversale, partielle et schématique, d'un module photovoltaïque conforme à l'invention comprenant le substrat de la figure 1 en tant que substrat avant ;
- la figure 5 est une coupe analogue à la figure 4 pour un module photovoltaïque de l'état de la technique comprenant un substrat avant texture, de même épaisseur et même matrice verrière que le substrat de la figure 1 , mais dépourvu de couche antireflet ;
- la figure 6 est une coupe analogue à la figure 4 pour un module photovoltaïque de l'état de la technique comprenant un substrat avant, de même épaisseur et même matrice verrière que le substrat de la figure 1 , mais dépourvu à la fois de texturation et de couche antireflet ; - la figure 7 est un graphe montrant les courbes expérimentales d'augmentation, par rapport au rendement du module photovoltaïque de la figure 6, du rendement du module photovoltaïque de la figure 4, d'une part, et du module photovoltaïque de la figure 5, d'autre part, en fonction de l'angle d'incidence du rayonnement sur le module ; - la figure 8 est un graphe montrant les courbes, obtenues par simulation optique de la structure de surface des substrats avant des modules des figures 4 à 6, d'augmentation, par rapport au rendement du module photovoltaïque de la figure 6, du rendement du module photovoltaïque de la figure 4, d'une part, et du module photovoltaïque de la figure 5, d'autre part, en fonction de l'angle d'incidence du rayonnement sur le module.
Le substrat 1 conforme à l'invention, représenté sur la figure 1 , est une plaque de verre transparent extra-clair laminé et imprimé, comprenant sur une de ses faces 3 une texturation convexe formée par un assemblage de motifs pyramidaux 5. Un exemple d'un tel verre est le verre commercialisé dans la gamme « ALBARINO P » par Saint-Gobain Glass. La texturation du substrat 1 présente un rapport d'aspect élevé, défini comme étant le rapport de l'épaisseur e5 des motifs 5 sur la largeur I5 des motifs 5, de manière à conférer au substrat 1 des propriétés de transmission de rayonnement améliorées par rapport à une plaque en verre de même composition verrière que le substrat 1 , mais non texturée. Dans l'exemple représenté sur la figure 1 , la face 3 du substrat 1 comprend une pluralité de motifs pyramidaux 5 jointifs, à base parallélogramme de 2 mm de côté et de demi-angle au sommet de 45°. La largeur de chaque motif pyramidal 5 est définie comme le diamètre du plus petit cercle dans lequel est inscrite la base du motif 5. Chaque motif 5 a une épaisseur e5 de 1 mm en saillie par rapport à un plan général π de la face 3, de telle sorte que l'épaisseur totale ei du substrat 1 avec sa texturation est de 4 mm. Le rapport d'aspect de la texturation formée par les motifs 5 a une valeur de 0,5.
Comme bien visible sur la figure 1 , les motifs pyramidaux 5 de la face 3 sont alignés selon des lignes L ondulées. Au sens de l'invention, les lignes d'alignement L des motifs 5 sont les lignes formées par les côtés identiques successifs de motifs pyramidaux disposés de manière adjacente les uns par rapport aux autres, en rangées. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1 , les directions longitudinales des côtés des motifs pyramidaux 5 successifs le long de chaque ligne d'alignement L sont modifiées par pas. Ainsi, on superpose à la direction générale ou globale des lignes d'alignement L une variation de la direction des côtés des motifs pyramidaux individuels, ce qui produit l'ondulation des lignes d'alignement L. Comme explicité dans la demande WO-A-2006134301, une telle répartition aléatoire des motifs pyramidaux 5 sur la face 3 permet de diminuer l'intensité moyenne absolue de la réflexion sur le substrat 1 dans chaque angle de réflexion individuel et d'éviter des transitions marquées entre des directions réfléchissantes et des directions non réfléchissantes. Il en résulte un aspect plus uniforme du substrat 1 et une minimisation des risques d'éblouissement.
De manière avantageuse, la texturation de la face 3 est réalisée par laminage de la surface plane d'une plaque de verre, chauffé à une température à laquelle il est possible de déformer sa surface, à l'aide d'un objet solide comme un rouleau métallique ayant à sa surface la forme inverse de la texturation à former. En fonction de la forme de la texturation visée, les motifs formés par laminage ne présentent pas forcément des formes géométriques parfaites. Notamment, dans le cas des motifs pyramidaux 5, le sommet et les arêtes de chaque motif sont arrondis, comme montré de manière schématique sur la figure 4.
Selon une variante non représentée, la texturation d'un substrat conforme à l'invention peut être formée par un assemblage de motifs autres que des motifs pyramidaux. Les motifs d'un substrat selon l'invention peuvent notamment être des cônes, ou des motifs allongés de type rainures ou nervures. Lorsque la texturation du substrat est formée par des motifs pyramidaux ou coniques, ces motifs sont avantageusement à base polygonale, notamment triangulaire, carrée, rectangulaire, parallélogramme, hexagonale ou octogonale.
De manière préférée, les motifs sont jointifs. Des motifs sont dit jointifs lorsqu'ils se touchent en au moins une partie de leur surface. Des cônes peuvent être jointifs si les cercles qui constituent leur base se touchent. On préfère que les motifs soient jointifs car ainsi la surface de la plaque est plus texturée et la transmission de rayonnement est encore améliorée. Certains motifs ne permettent pas une jonction totale entre les motifs. C'est notamment le cas lorsque le motif est un cône, puisque même si les cercles des bases des cônes se touchent, il reste une certaine surface entre les cercles n'appartenant pas aux motifs. Par jonction totale, on entend le fait que le contour de la base d'un motif fait également entièrement partie des contours de ses motifs voisins. Certains motifs peuvent être totalement jointifs, de sorte que l'intégralité de la surface de la plaque fasse partie d'au moins un motif. En particulier, des pyramides à base quadrilatère ou hexagonale peuvent être totalement jointives si elles sont identiques. La face 3 texturée du substrat 1 comprend également une couche antireflet 7, qui est une couche de silice poreuse ayant une épaisseur e7 d'environ 100 nm et un indice de réfraction, à 600 nm, inférieur à 1 ,3, de préférence de l'ordre de 1 ,22-1 ,23. Comme montré schématiquement sur la figure 4, la couche 7 est une partie superficielle du substrat 1 au niveau de la face 3, qui fait partie intégrante du substrat 1. La couche 7 résulte d'un traitement d'etching, ou de squelettisation, du verre constitutif du substrat 1 au moyen d'une solution d'acide fluosilicique H2SiF6 sursaturée en silice. Ainsi, la couche antireflet 7 est une partie superficielle poreuse, creusée dans la structure de verre du substrat 1 au niveau de la face 3, qui comporte un squelette de silice et des espaces vides, ou pores, de dimension caractéristique moyenne de l'ordre de 0,5 nm à 50 nm.
La préparation du substrat 1 muni de la couche 7 met en jeu l'immersion d'une plaque de verre 2, texturée sur une de ses faces 3 comme décrit précédemment, dans la solution acide précitée au moins au niveau de sa face 3 texturée. En pratique, le traitement d'etching est réalisé par passage de la plaque de verre 2 texturée dans différents bains successifs, dont un bain de la solution acide précitée. Plus précisément, un procédé de fabrication du substrat 1 conforme à l'invention, illustré sur les schémas de principe des figures 2 et 3, comprend des étapes telles que décrites ci-dessous.
Tout d'abord, on forme la texturation pyramidale aléatoire décrite précédemment sur une face 3 d'une plaque 2 de verre transparent extra-clair. A titre d'exemple et comme montré sur la figure 2, cette texturation peut notamment être formée par laminage de la surface plane de la plaque 2, en chauffant le verre à une température à laquelle il est possible de déformer sa surface et en déformant cette surface au moyen de rouleaux métalliques 6 portant à leur périphérie une texturation pyramidale complémentaire de la texturation à imprimer sur la plaque de verre 2. En variante, la texturation peut être réalisée par des techniques autres que le laminage, telles que le thermoformage ou la gravure.
De manière optionnelle, on peut réaliser une trempe chimique ou thermique de la plaque de verre 2 suite à la réalisation de la texturation. En particulier, le traitement ultérieur d'etching de la plaque 2 texturée peut être appliqué indifféremment sur du verre trempé ou non trempé.
Simultanément, préalablement ou postérieurement à la texturation de la plaque de verre 2, on prépare une solution d'acide fluosilicique H2SiF6, sursaturée en silice dans une proportion allant de 0 à 3 millimoles par litre au- delà du seuil de saturation en silice.
On immerge alors la plaque de verre 2, au moins au niveau de sa face 3 texturée, dans un bain de la solution d'acide fluosilicique sursaturée en silice préalablement préparée. La solution acide agit sur la plaque de verre 2 de manière à produire au niveau de la face 3 texturée une couche creusée ou « squelettisée », qui est la couche antireflet 7, comprenant un réseau de silice et des espaces vides entre les molécules du réseau, de dimension caractéristique de l'ordre de 0,5 nm à 50 nm. L'épaisseur e7 de la couche 7 est déterminée par la durée d'immersion de la plaque de verre 2 dans le bain d'acide fluosilicique sursaturé en silice.
De préférence, le traitement d'etching est réalisé à une température de la solution d'acide fluosilicique comprise entre environ 25°C et 800C. La vitesse du traitement par etching de la plaque de verre 2 augmente avec la température. Il est également avantageux de prévoir un moyen d'agitation de la solution d'acide fluosilicique, de manière à obtenir une couche creusée antireflet 7 la plus uniforme possible.
De manière optionnelle, préalablement à son immersion dans le bain d'acide fluosilicique sursaturé en silice, la plaque de verre 2 texturée peut être nettoyée, au moins au niveau de sa face 3 texturée, notamment au moyen d'une poudre de décontamination et/ou par immersion dans un bain de prénettoyage comprenant un matériau propre à agir comme solvant pour la silice, tel qu'un bain d'hydroxyde de sodium ou d'acide fluorhydrique. Ce prétraitement permet de retirer des éléments polluants superficiels, susceptibles d'être présents sur la face 3 texturée du fait d'une exposition prolongée de la plaque de verre 2 à l'air libre. Ce pré-nettoyage contribue à la formation d'une couche creusée antireflet 7 la plus uniforme possible.
A titre d'exemple et comme montré sur la figure 3, le procédé global de traitement de la plaque de verre 2 texturée pour la formation de la couche antireflet 7 peut mettre en jeu, après le nettoyage de la plaque 2 texturée dans un appareil de lavage 12, le passage de la plaque 2 texturée dans au moins six bains successifs. Tels que représentés sur la figure 3, ces bains comprennent un bain B1 d'hydroxyde de sodium ou d'acide fluorhydrique pour le pré-nettoyage de la plaque 2, au moins deux bains B2 et B3 de rinçage, un bain B4 d'acide fluosilicique sursaturé en silice pour le traitement par etching de la plaque 2, puis à nouveau au moins deux bains B5 et B6 de rinçage. A titre d'exemple, le rinçage de la plaque avant et après le traitement d'etching peut être réalisé dans de l'eau déminéralisée. Le substrat 1 ainsi obtenu est ensuite passé dans un appareil de séchage 14, visible sur la partie droite de la figure 3.
De manière avantageuse, le procédé de traitement de la plaque de verre 2 pour la formation de la couche antireflet 7 est entièrement automatisé, de même que le procédé de texturation préalable de la plaque 2. Une telle automatisation garantit une bonne qualité et une bonne reproductibilité des propriétés de surface de la face 3 du substrat 1 conforme à l'invention. En outre, grâce à cette automatisation, il est possible de mettre en place un procédé de fabrication en continu de substrats 1 selon l'invention. En particulier, le procédé de texturation et le procédé de traitement pour la formation de la couche antireflet 7 peuvent être facilement intégrés en bout de chaînes existantes de fabrication de substrat verriers, de sorte que le procédé de traitement pour la formation de la couche antireflet 7 est réalisé directement à la suite du procédé de texturation. Dans le cadre d'un procédé de fabrication en continu, le taux de silice dans le bain B4 d'acide fluosilicique sursaturé en silice doit être contrôlé et ajusté régulièrement, afin de garantir la formation effective de la couche creusée antireflet 7. En effet, comme exposé dans le brevet américain 2 490 662, la formation de la couche superficielle 7 dépend de la quantité de silice présente dans la solution d'acide fluosilicique au-delà du seuil de saturation en silice de cette solution. En particulier, la capacité d'une solution d'acide fluosilicique sursaturée en silice à « squelettiser » la surface d'un verre spécifique est déterminée par un facteur dit « potentiel de solution », lié à la quantité de silice en excès présente dans la solution. Ainsi, une solution ayant un potentiel de solution trop élevé tend à dissoudre de manière uniforme une couche du verre constitutif de la plaque de verre, alors qu'une solution ayant un potentiel de solution trop faible tend à déposer un film de silice sur la plaque de verre sans attaquer sa surface. Une solution d'acide fluosilicique sursaturée en silice de potentiel approprié pour le traitement par etching d'une plaque de verre a un excès en silice compris entre environ 0 et 3 millimoles par litre au-delà du seuil de saturation en silice, la valeur exacte dépendant de la composition du verre constitutif de la plaque à traiter. Or, le potentiel de solution d'une solution d'acide fluosilicique sursaturée en silice tend à augmenter avec le temps. De manière avantageuse, il est possible de diminuer le potentiel de solution par l'ajout d'acide borique H3BO3 dans la solution d'acide fluosilicique. Dès lors, il est aisé, par exemple dans le cadre d'un procédé de fabrication en continu du substrat 1 selon l'invention, de mettre en place un contrôle régulier de la valeur du potentiel de solution du bain B4 d'acide fluosilicique sursaturé en silice destiné au traitement par etching, et d'ajuster cette valeur par l'ajout d'acide borique dans le bain B4 chaque fois que la valeur du potentiel de solution dévie par rapport à sa valeur appropriée. Sur la figure 4 est représenté partiellement et schématiquement un module photovoltaïque 10 conforme à l'invention, comprenant le substrat 1 en tant que substrat avant. Comme montré sur cette figure, la face 3 du substrat 1 , qui est munie de la texturation 5 et de la couche antireflet 7, est dirigée du côté d'incidence du rayonnement sur le module 10. Dans ce mode de réalisation, la face 4 du substrat 1 opposée à la face avant 3 est globalement plane, dépourvue de couche antireflet et disposée en regard d'une ou plusieurs cellules photovoltaïques 9. En variante, la face arrière 4 du substrat 1 peut comprendre une couche antireflet creusée par etching, analogue à la couche 7, la présence d'une telle couche sur la face 4 étant sans incidence sur le rendement du module 10 dans la mesure où le matériau constitutif de la couche sous-jacente au substrat 1 , formée par l'électrode avant de la ou des cellules 9 ou par un éventuel intercalaire de feuilletage, remplit les espaces vides de la couche creusée par etching.
La couche d'absorbeur de la ou chaque cellule 9, propre à assurer la conversion de l'énergie issue du rayonnement incident sur la cellule en énergie électrique, peut notamment être une couche mince à base de silicium, amorphe ou microcristallin, ou à base de tellurure de cadmium. Dans ce cas, de manière connue, la ou chaque cellule 9 à couches minces comprend un empilement successif, à partir de la face 4 du substrat 1 :
- d'une couche transparente électriquement conductrice, notamment à base d'oxyde conducteur transparent (Transparent Conductive Oxide ou TCO), qui forme une électrode avant de la cellule,
- de la couche d'absorbeur,
- d'une couche électriquement conductrice qui forme une électrode arrière de la cellule.
En pratique, la ou chaque cellule 9 est immobilisée entre le substrat avant 1 et un substrat arrière non représenté du module 10.
En variante, la couche d'absorbeur de la ou chaque cellule 9 peut être une couche mince de composé chalcopyrite comportant du cuivre, de l'indium et du sélénium, dite couche d'absorbeur CIS, éventuellement additionnée de gallium (couche d'absorbeur CIGS), d'aluminium ou de soufre. Dans ce cas, la ou chaque cellule 9 à couches minces comprend un empilement analogue à celui décrit ci-dessus, un intercalaire de feuilletage polymère non représenté étant en outre positionné entre l'électrode avant de la cellule 9 et la face 4 du substrat 1 , afin de garantir une bonne cohésion du module 10 lors de son assemblage. L'intercalaire de feuilletage peut notamment être constitué en polybutyral de vinyle (PVB) ou en éthylène vinylacétate (EVA).
Selon encore une autre variante, la ou chaque cellule 9 peut être constituée à partir de « wafers » ou galettes de silicium polycristallin ou monocristallin formant une jonction p/n.
Sur les figures 5 et 6 sont représentés respectivement un module photovoltaïque 110 et un module photovoltaïque 210 de l'état de la technique. Chaque module 110 ou 210 comprend, de manière analogue au module 10 conforme à l'invention, un substrat avant 101 ou 201 , en verre extra-clair de même composition que le verre constitutif du substrat 1 et de même épaisseur que le substrat 1 , qui surmonte une ou plusieurs cellules photovoltaïques 109 ou 209 analogues aux cellules photovoltaïques 9 du module 10. Le substrat 101 du module 110 comprend une face avant 103, destinée à être dirigée du côté d'incidence du rayonnement sur le module 110, qui est munie d'une texturation pyramidale 105 analogue à celle du substrat 1. Toutefois, le substrat 101 diffère du substrat 1 conforme à l'invention en ce que la face avant 103 est dépourvue de couche antireflet. Le substrat 201 du module 210 est quant à lui un substrat dépourvu à la fois de texturation et de couche antireflet. Les figures 7 et 8 illustrent l'augmentation εio du rendement du module
10 et l'augmentation εno du rendement du module 110 par rapport au rendement du module 210, en fonction de l'angle d'incidence du rayonnement sur le module, exprimées en densité de courant intégrée et déterminées de manière expérimentale pour la figure 7 et par simulation pour la figure 8. Comme il ressort des données expérimentales de la figure 7, l'augmentation εno du rendement du module 110 par rapport au rendement du module 210 est comprise entre 3% pour un angle d'incidence de 0° et 5% pour un angle d'incidence de 60°, alors que l'augmentation εio du rendement du module 10 conforme à l'invention par rapport au rendement du module 210 est comprise entre 5% pour un angle d'incidence de 0° et 8% pour un angle d'incidence de 60°. Ainsi, le module 10, qui comprend le substrat 1 conforme à l'invention en tant que substrat avant, présente une augmentation de rendement supérieure d'au moins 2% à l'augmentation de rendement du module 110 de l'état de la technique comprenant un substrat 101 avant texture mais dépourvu de couche antireflet.
Ces données expérimentales sont en accord avec les résultats, montrés sur la figure 8, obtenus par simulation optique des structures de surface des substrats 1 , 101 et 201.
Les hypothèses pour la mise en place de cette simulation sont les suivantes :
- substrats 1 , 101 , 201 constitués en un même verre de composition ALBARINO tel que commercialisé par Saint-Gobain Glass et présentant une même épaisseur de 4 mm ;
- distribution énergétique du rayonnement incident sur le module 10, 110, 210 correspondant à un spectre solaire standard ;
- évaluation de l'efficacité des cellules photovoltaïques 9, 109, 209 en fonction de la longueur d'onde du rayonnement incident, qui correspond au rapport du nombre d'électrons collectés sur le nombre de photons qui atteint la cellule, en prenant comme référence une cellule photovoltaïque à base de silicium polycristallin ; toutefois, les résultats sont transposables à d'autres types de cellules photovoltaïques, dans la mesure où l'amélioration des propriétés de transmission d'un substrat associée à la texturation de ce substrat et à la présence d'une couche antireflet sur le substrat ne dépendent pas de manière significative de la longueur d'onde du rayonnement incident sur le substrat.
Les courbes de la figure 8 confirment les résultats expérimentaux de la figure 7, à savoir le fait que l'augmentation εio du rendement du module 10 conforme à l'invention par rapport au rendement du module 210 est supérieure, dans une proportion de l'ordre de 2% pour un angle d'incidence de 0° et de l'ordre de 3% pour un angle d'incidence de 60°, à l'augmentation εno du rendement du module 110 à substrat texture mais dépourvu de couche antireflet.
Une analyse des principes à la base de l'augmentation de la transmission de rayonnement à travers un substrat texture, par rapport à un substrat non texture, vers un élément sous-jacent accolé au substrat tel qu'une cellule photovoltaïque 9 ou un intercalaire de feuilletage, permet d'expliquer théoriquement pourquoi il est possible de cumuler les effets de la texturation de la face avant du substrat, d'une part, et de la couche antireflet présente sur la face avant du substrat, d'autre part, pour améliorer les propriétés de transmission de ce substrat.
Le premier principe à la base de l'augmentation de la transmission pour un substrat texture est le piégeage du rayonnement incident du fait de réflexions multiples sur les motifs en relief du substrat. Comme il ressort d'une comparaison de la figure 4 ou 5, d'une part, et de la figure 6, d'autre part, pour des rayons incidents E1 sur le substrat 1 , 101 d'angles d'incidence faibles, il se produit des réflexions multiples sur les motifs 5, 105 en relief de la face texturée 3, 103, qui offrent au rayonnement un nombre de possibilités En, E^ plus important de rentrer dans le substrat, d'où une réduction de la réflexion sur la face texturée 3, 103 du substrat 1 , 101 par rapport à la face plane 203 du substrat 201. Ces réflexions multiples sont d'autant plus importantes que les motifs 5, 105 sont jointifs et pentus, c'est-à-dire que la texturation du substrat 1 , 101 présente un rapport d'aspect élevé.
Toutefois, dans la mesure où les motifs 5, 105 de la face texturée 3, 103 ne sont pas de forme parfaitement pyramidale, mais au contraire arrondis, ce phénomène de réflexion multiple n'intervient pas dans toutes les régions de la face 3, 103. En particulier, dans les régions extrêmes correspondant aux sommets 51 , 151 et aux creux 52, 152 de la texture 5, 105, le phénomène précité de piégeage du rayonnement incident ne peut pas avoir lieu, comme illustré par les flèches EM et EM' situées sur la gauche des figures 4 et 5. Dès lors, dans ces régions extrêmes 51 , 151 et 52, 152, la présence d'une couche antireflet telle que la couche 7 augmente la transmission du rayonnement incident à l'interface air/verre. L'effet de la couche antireflet est toutefois moindre pour un substrat texture, par rapport à un substrat plan, car dans les régions où se produit le piégeage du rayonnement incident, l'effet de la couche antireflet est négligeable.
Une évaluation de la surface des régions dans lesquelles la couche antireflet 7 a un effet pour augmenter la transmission des rayons incidents d'angles d'incidence faibles est de l'ordre des deux tiers de la surface totale du substrat 1 , ce qui correspond au résultat, à la fois expérimental et modélisé, selon lequel la différence (2%) entre l'augmentation εio du rendement du module 10 pour un angle d'incidence de 0° (5%) et l'augmentation εno du rendement du module 110 pour un angle d'incidence de 0° (3%) vaut environ les deux tiers de l'augmentation εno du rendement du module 110 pour un angle d'incidence de 0° (3%). Par ailleurs, le rayonnement réfléchi après son entrée dans le substrat
1 , 101 , à l'interface entre le substrat et la couche sous-jacente formée par l'électrode avant des cellules 9, 109 ou un éventuel intercalaire de feuilletage, est piégé par réflexion sur les faces des motifs 5, 105, de sorte qu'une plus grande partie du rayonnement est transmise à travers le substrat. Les pertes en réflexion sont ainsi encore réduites grâce à ce second piégeage du rayonnement. Dans la mesure où ce second piégeage est basé sur un phénomène de réflexion interne totale, l'augmentation de transmission correspondante n'est toutefois pas influencée par la présence ou non d'une couche antireflet au niveau de la face avant 3, 103 du substrat.
Le deuxième principe à la base de l'augmentation de la transmission pour un substrat texture est le fait que, pour des rayons F1 incidents sur le substrat d'angles d'incidence élevés, proches de 90°, le rayonnement a des angles d'incidence plus faibles sur les faces des motifs 5, 105 que sur une surface plane. Par exemple, avec les motifs pyramidaux 5, 105 de demi- angles au sommet de 45°, même arrondis, les rayons incidents F1 d'angle d'incidence variant entre 0 et 90° sur une surface plane rencontrent la surface de la texture 5, 105 avec un angle d'incidence compris entre -45° et +45°. Comme le domaine des angles d'incidence élevés, proches de 90°, favorise la réflexion à l'interface air/verre, le remplacement du domaine d'angles d'incidence 0 à 90° par le domaine -45 à +45° s'accompagne d'une diminution sensible de la réflexion. Cet effet de diminution de la réflexion pour les angles d'incidence élevés est d'autant plus prononcé que les motifs 5, 105 sont pentus, c'est-à-dire que la texturation du substrat 1 , 101 présente un rapport d'aspect élevé. La présence de la couche antireflet 7 joue également un rôle pour l'amélioration de la transmission de ces rayons d'angles d'incidence élevés, dans la mesure où le phénomène de piégeage du rayonnement n'intervient pas pour ces rayons. En effet, comme montré par les flèches FM et FM' situées sur la droite des figures 4 et 5, un rayon d'angle d'incidence élevé, une fois réfléchi, est définitivement perdu.
A partir de ce constat théorique selon lequel il est possible de cumuler les effets d'une texturation et d'une couche antireflet présentes sur la face avant d'un substrat pour optimiser les propriétés de transmission de ce substrat, alors même que ces effets peuvent de prime abord paraître antagonistes ou du moins non conciliables, notamment pour des angles d'incidence faibles si l'on ne considère pas la forme arrondie des motifs constitutifs de la texturation, l'invention fournit un substrat associant, sur une de ses faces, une texturation et une couche antireflet formée par un traitement d'etching. Comme il ressort des exemples précédents, un tel substrat, lorsqu'il est intégré dans un module photovoltaïque en tant que substrat avant, améliore sensiblement le rendement de ce module par rapport aux modules de l'état de la technique.
Les motifs 5 constitutifs de la texturation d'un substrat selon l'invention présentent une épaisseur e5, en saillie ou en creux par rapport au plan général π de la face du substrat, supérieure à 10 micromètres, de préférence supérieure à 100 micromètres, encore de préférence de l'ordre du millimètre. La couche antireflet 7 d'un substrat selon l'invention présente quant à elle une épaisseur e7 comprise entre 30 nanomètres et 1 micromètre, de préférence comprise entre 80 nanomètres et 200 nanomètres. La sélection du traitement d'etching pour la formation de la couche antireflet d'un substrat selon l'invention est particulièrement avantageuse, dans la mesure où l'attaque acide de la structure du verre constitutif du substrat, caractéristique du traitement d'etching, s'opère aussi bien sur une surface de verre plane que sur une surface de verre texturée, en particulier fortement texturée. Il en résulte un procédé de fabrication simple, fiable et facilement automatisable d'un substrat conforme à l'invention, ce procédé pouvant être facilement adapté pour fonctionner en continu dans un cadre industriel.
De plus, la couche antireflet produite par le traitement d'etching, combinée à la texturation, confère au substrat selon l'invention des propriétés de transmission améliorées d'un rayonnement incident sur le substrat quelle que soit l'orientation de ce rayonnement incident, c'est-à-dire pour une large gamme d'angles d'incidence du rayonnement incident.
En outre, comme la couche antireflet produite par le traitement d'etching fait partie intégrante du substrat selon l'invention, elle ne peut pas être retirée de la surface du substrat, à la différence d'autres types de couches antireflet connues de l'état de la technique. Dès lors, la couche antireflet d'un substrat conforme à l'invention présente une excellente résistance mécanique, thermique et chimique, et en particulier, une bonne résistance à long terme aux conditions climatiques extérieures, ce qui est avantageux lorsque le substrat est intégré dans un module de récupération d'énergie solaire. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés. En particulier, comme mentionné précédemment, la texturation d'un substrat conforme à l'invention peut être formée par un assemblage de motifs autres que des motifs pyramidaux, notamment par un assemblage de motifs coniques, ou de motifs allongés de type rainures ou nervures. Dans tous les cas, la texturation d'un substrat conforme à l'invention est suffisamment profonde et pentue. En particulier, quel que soit le profil des motifs en relief de la texturation, le demi-angle au sommet de chaque motif est avantageusement inférieur à 70°, de préférence compris entre environ 25° et 50°, et le rapport d'aspect de la texturation, c'est-à-dire le rapport de l'épaisseur sur la largeur de chaque motif, qui est avantageusement supérieur ou égal à 0,1. Une telle texturation pentue est adaptée pour conférer au substrat des propriétés améliorées de transmission de rayonnement. Lorsque les motifs sont pyramidaux ou coniques, la largeur de chaque motif est définie comme le diamètre du plus petit cercle dans lequel est inscrite la base du motif. Lorsque les motifs sont des motifs allongés de type rainures ou nervures, la largeur de chaque motif est définie comme la dimension transversale du motif, perpendiculairement à la direction longitudinale du motif. La texturation d'un substrat selon l'invention peut également être une texturation concave, au lieu d'une texturation convexe, les motifs en relief étant alors en creux par rapport au plan général de la face texturée du substrat. De plus, les motifs en relief d'un substrat selon l'invention sont indifféremment jointifs ou non jointifs. Une distribution aléatoire des motifs sur la face texturée du substrat, si elle est avantageuse, n'est également pas obligatoire. En particulier, les verres textures commercialisés dans les gammes « ALBARINO P » et « ALBARINO G » par Saint-Gobain Glass sont appropriés pour la fabrication d'un substrat selon l'invention par un traitement d'etching. Par ailleurs, un substrat conforme à l'invention peut être constitué en un verre transparent extra-clair de composition autre que le verre « ALBARINO », par exemple en un verre float transparent extra-clair tel que le verre commercialisé dans la gamme « DIAMANT » par Saint-Gobain Glass. De plus, comme évoqué précédemment, la texturation d'un substrat en verre selon l'invention peut être obtenue par tout procédé approprié, par exemple par laminage, thermoformage ou gravure.
Un substrat conforme à l'invention peut présenter une épaisseur globale différente de celle décrite précédemment. Selon une variante non représentée de l'invention, un substrat conforme à l'invention peut également comporter une texturation et/ou une couche antireflet de type etching sur ses deux faces, et pas seulement sur une de ses faces. En pratique, dans la mesure où la couche antireflet de type etching d'un substrat selon l'invention est formée par immersion d'une plaque de verre dans un bain, il peut être plus aisé de tremper toute la plaque dans le bain, plutôt qu'uniquement une de ses faces, le substrat comportant dès lors une couche antireflet de type etching sur chacune de ses faces, avant et arrière. Dans ce cas, lorsque le substrat est intégré en tant que substrat avant dans un module photovoltaïque, le matériau constitutif de la couche sous-jacente au substrat, formée par l'électrode avant de la ou des cellules du module ou par un intercalaire de feuilletage, remplit les espaces vides de la couche antireflet de type etching présente sur la face arrière du substrat, de sorte que la couche antireflet de la face arrière ne modifie pas le rendement du module. Enfin, un substrat conforme à l'invention présentant des propriétés optimisées de transmission d'un rayonnement incident peut être intégré dans tout type de module de récupération d'énergie issue d'un rayonnement, les modules solaires photovoltaïques étant un exemple d'application avantageux.

Claims

REVENDICATIONS
1. Substrat (1 ) en verre transparent comprenant au moins une face (3) qui est munie d'une texturation formée par une pluralité de motifs géométriques (5) en relief par rapport à un plan général (π) de ladite face (3), cette texturation étant adaptée pour assurer une transmission de rayonnement à travers le substrat supérieure à la transmission de rayonnement à travers un substrat identique mais dépourvu de texturation, caractérisé en ce que ladite face (3) est en outre munie d'une couche antireflet (7) d'indice de réfraction compris entre l'indice de réfraction de l'air et l'indice de réfraction du verre, la couche antireflet (7) étant une partie superficielle creusée du substrat en verre (1 ) au niveau de ladite face (3), qui comporte une structure à base de silice et des espaces vides de dimension caractéristique comprise entre 0,5 nanomètres et 50 nanomètres.
2. Substrat selon la revendication 1 , caractérisé en ce que, pour chaque motif en relief (5), le rapport de l'épaisseur (e5) sur la largeur (I5) du motif (5) est supérieur ou égal à 0,1 , de préférence supérieur ou égal à 0,25.
3. Substrat selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'indice de réfraction de la couche antireflet (7) à 600 nm est inférieur à 1 ,3, de préférence de l'ordre de 1 ,22-1 ,23.
4. Substrat selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur (e5) de chaque motif en relief (5) est supérieure à 10 micromètres, de préférence supérieure à 100 micromètres.
5. Substrat selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur (e7) de la couche antireflet (7) est comprise entre 30 nanomètres et 1 micromètre, de préférence comprise entre 80 nanomètres et 200 nanomètres.
6. Substrat selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les motifs en relief (5) sont jointifs.
7. Substrat selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les motifs en relief (5) sont des pyramides ou des cônes de demi-angles au sommet non nuls.
8. Substrat selon la revendication 7, caractérisé en ce que la base de chaque motif en relief (5) est inscrite dans un cercle de diamètre inférieur ou égal à 5 millimètres.
9. Substrat selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les motifs en relief sont des rainures ou des nervures.
10. Substrat selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que tout demi-angle au sommet des motifs en relief (5) est inférieur à 70°, de préférence compris entre environ 25° et 50°.
11. Substrat selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche antireflet (7) est une partie superficielle du substrat en verre (1 ) au niveau de ladite face (3) ayant subi un traitement au moyen d'une solution acide sursaturée en silice.
12. Module (10) de récupération d'énergie issue d'un rayonnement incident sur le module, en particulier du rayonnement solaire, caractérisé en ce qu'il comprend un substrat (1 ) selon l'une quelconque des revendications précédentes en tant que substrat avant du module (10), ladite face (3) du substrat (1 ) qui est munie des motifs en relief (5) et de la couche antireflet (7) étant la face avant du module.
13. Procédé de fabrication d'un substrat (1 ) en verre transparent, comprenant des étapes successives dans lesquelles : - on forme, sur au moins une face (3) d'une plaque (2) de verre transparent, une texturation comprenant une pluralité de motifs géométriques (5) en relief par rapport à un plan général (π) de ladite face (3), cette texturation étant adaptée pour assurer une transmission de rayonnement à travers la plaque supérieure à la transmission de rayonnement à travers une plaque identique mais dépourvue de texturation ;
- on immerge la plaque de verre (2), au moins au niveau de ladite face (3) comportant les motifs en relief (5), dans une solution acide sursaturée en silice.
14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'on forme les motifs en relief (5) sur ladite face (3) par laminage de la plaque de verre (2).
15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 13 ou 14, caractérisé en ce que la solution dans laquelle on immerge la plaque de verre
(2) est une solution d'acide fluosilicique sursaturée en silice dans une proportion comprise entre environ 0 et 3 millimoles par litre au-delà du seuil de saturation en silice.
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