WO2011083282A1 - Dispositif collecteur de rayonnement - Google Patents

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WO2011083282A1
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fibrous structure
layer
diffusion layer
radiation
fibers
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Arnaud Verger
Samuel Solarski
Emmanuel Valentin
Didier Jousse
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Saint Gobain Technical Fabrics Canada Ltd
Saint Gobain Glass France SAS
Saint Gobain Adfors SAS
Compagnie de Saint Gobain SA
Original Assignee
Saint Gobain Technical Fabrics Canada Ltd
Saint Gobain Glass France SAS
Saint Gobain Technical Fabrics Europe SAS
Compagnie de Saint Gobain SA
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Definitions

  • the present invention relates to a radiation collector device, such as a photovoltaic module.
  • the present invention also relates to a cover for a radiation collecting element, in particular for a photovoltaic cell.
  • a photovoltaic module comprises, as a radiation collection element, at least one photovoltaic cell capable of converting the energy resulting from radiation into electrical energy.
  • a photovoltaic cell conventionally comprises a material capable of ensuring the conversion of energy and two electrically conductive contacts, or electrodes, on either side of this material.
  • the front electrode of a photovoltaic cell intended to be arranged on the side of incidence of the radiation on the cell, may in particular be formed based on a transparent conductive oxide (TCO) layer, or base of a transparent metal layer (Transparent Conductive Coating or TCC).
  • TCO transparent conductive oxide
  • TCC Transparent Conductive Coating
  • the energy conversion efficiency of a photovoltaic module is directly influenced by the amount of radiation that reaches the energy conversion material of each photovoltaic cell. It is therefore necessary, to improve this efficiency, to maximize the percentage of the incident radiation on the module that reaches the energy conversion material.
  • a first known strategy consists in improving the transmission properties of the front substrate, by texturing at least its front face, intended to be arranged on the side of incidence of the radiation on the photovoltaic module, so as to limit the reflection of the incident radiation on the module at the interface between the air and the front substrate.
  • Another known strategy is, when the module comprises photovoltaic cells whose front electrode is formed based on a TCO layer, to provide this TCO layer with a microtexture on its opposite side to the front substrate.
  • the TCO layer provides trapping incident radiation, which increases the probability of radiation absorption by the energy conversion material of the cell.
  • the yields of photovoltaic modules incorporating such textured front substrates or such microtextured TCO layers remain limited.
  • the invention intends to remedy more particularly by proposing a radiation collector device, in particular a photovoltaic module, which has an improved energy conversion efficiency compared to devices of the state of the art.
  • the subject of the invention is a radiation collecting device comprising at least one radiation collecting element, characterized in that it further comprises a diffusion layer arranged, with respect to the collector element, on the side of the collector. incidence of radiation on the device, the diffusion layer comprising a transparent fibrous structure and a transparent fiber encapsulation medium of the fibrous structure, the absolute value of the difference between the refractive index of the fibers of the fibrous structure and the refractive index of the encapsulation medium being greater than or equal to 0.05.
  • the term transparent refers to a transparency at least in the useful wavelength ranges for the radiation collecting elements of the device.
  • each structure or transparent medium is advantageously transparent in the wavelength range between 400 nm and 1200 nm, which are the wavelengths useful for this type of cell.
  • Encapsulation of the fibers of the fibrous structure is also understood to mean the coating of at least a portion of the fibers of the fibrous structure.
  • the diffusion layer is positioned, with respect to the collector element, on the incident side of the radiation on the device, that is to say in front of the collector element.
  • a back-to-front direction of a radiation collecting device is a direction opposite to the direction of propagation of radiation intended to be collected by the device.
  • the radiation collector element is a photovoltaic cell and the diffusion layer is positioned in front of this cell. Due to the relatively large difference between the refractive index of the fibers of the fibrous structure and the refractive index of the encapsulation medium, the diffusion layer is able to improve the guidance of the radiation towards the conversion material of the encapsulation medium.
  • energy of the photovoltaic cell on the one hand by a radiation trapping effect, which increases the probability of absorption of radiation by the energy conversion material of the cell, and on the other hand by a blurring effect angle, which increases the transmission of large angles of incidence of radiation.
  • a photovoltaic module according to the invention and with respect to a module of the state of the art not comprising the diffusion layer defined in the invention, either to increase the energy conversion efficiency of the module for the same thickness of the energy conversion material, either to maintain the same energy conversion efficiency by reducing the thickness of the energy conversion material, that is to say by reducing the cost of the module.
  • the encapsulation medium of the fibers of the fibrous structure is a polymeric material.
  • the encapsulation medium may be formed by a polymeric lamination interlayer, for example based on polyvinyl butyral (PVB), ethylene vinyl acetate (EVA), polyurethane, an ionomer or an adhesive based on polyolefin.
  • the encapsulating medium may be formed by a thermoplastic polymer front substrate of the collection device.
  • suitable transparent thermoplastic polymers include, in particular, polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polycarbonate, polyurethane, polymethylmethacrylate, polyamides, polyimides, fluorinated polymers such as ethylene tetrafluoroethylene (ETFE) and polytetrafluoroethylene (PTFE).
  • PET polyethylene terephthalate
  • PEN polyethylene naphthalate
  • PEN polyethylene naphthalate
  • polycarbonate polyurethane
  • polymethylmethacrylate polyamides
  • polyimides polyimides
  • fluorinated polymers such as ethylene tetrafluoroethylene (ETFE) and polytetrafluoroethylene (PTFE).
  • the fibers of the fibrous structure have a role of mechanical reinforcement of the encapsulation medium.
  • the encapsulation medium is a lamination interlayer or a front substrate of the collecting device, this results in increased rigidity of this interlayer or of this substrate.
  • a photovoltaic module according to the invention thus has improved mechanical properties, especially in terms of permissible load, which allow it to pass mechanical tests that are binding, for example those provided by the IEC standards to check the resistance of the module to loads of wind or snow.
  • the encapsulation medium is a lamination interlayer of the module, intended to be surmounted in the front by a glass substrate
  • the increased rigidity of the interlayer resulting from the mechanical reinforcement by the fibrous structure allows the use of glasses more thin at the front of the spacer, and therefore a decrease in the thickness and weight of the module.
  • the fibrous structure comprises glass fibers and / or polymer fibers.
  • the glass used in the constitution of the fibers may be of any type of fiberglass, in particular glass E.
  • polymer fibers it may be in particular polyester fibers or a polyolefin such as polyethylene and polypropylene.
  • the fibrous structure has a basis weight of between 10 and 500 g / m 2 , preferably between 10 and 100 g / m 2 , and comprises fibers with a diameter of between 1 and 20 microns, preferably between 5 and 15 micrometers.
  • the fibrous structure has a thickness of between 10 micrometers and 1 millimeter.
  • the blurring and light transmission properties of the diffusion layer can be adjusted by adjusting one or more parameters among, among others, the density of the fibrous structure, the fiber diameter of the fibrous structure, the composition of the fibers of the fibrous structure, the composition of the encapsulation medium.
  • the composition of the fibers of the fibrous structure and the composition of the encapsulation medium are adapted so that the absolute value of the difference between the refractive index of the fibers of the fibrous structure and the refractive index encapsulation medium is greater than or equal to 0.05.
  • the diffusion layer has a total light transmission greater than or equal to 80% and a fuzziness value greater than or equal to 40%.
  • the total light transmission of an element which comprises the direct light transmission and the diffuse light transmission, is determined according to the ISO 9050: 2003 standard.
  • a haze value of an element is a quantity representative of the ability of this element to deflect radiation.
  • the blur values are measured at the hazemeter according to ASTM D 1003.
  • the fibrous structure may be a nonwoven structure or a woven structure.
  • the fibers are generally entangled, while for a woven structure the fibers are aligned in the warp and weft directions.
  • the fibrous structure acts as a mechanical reinforcement of the encapsulation medium.
  • the fibrous structure is woven, the mechanical reinforcement is particularly important in the warp and weft directions.
  • the fibrous structure is a web, which ensures a random distribution of the fibers in the diffusion layer.
  • the term "sail” means a non-woven fabric consisting of completely dispersed filaments. With such a haze, the properties of the diffusion layer, particularly in terms of blur and light transmission, are thus globally homogeneous.
  • a non-woven fiberglass web generally contains a binder, which binds the fibers and imparts sufficient rigidity to the web to be easily handled.
  • This binder which conventionally comprises at least one polymer capable of binding the fibers, is chosen to be transparent and may be of any suitable type known to those skilled in the art.
  • the presence of binder in the veil can be advantageous for the industrial manufacture of the radiation collecting device according to the invention, by facilitating the handling of the veil.
  • the binder must cover only a limited surface area of the glass fibers of the veil, such that radiation passing through the diffusion layer actually encounters interfaces between the fibers and the encapsulating medium.
  • the binder preferably represents about 5 to 30% by weight of the fiberglass web, more preferably 5 to 20%.
  • the diffusion layer is arranged against a front electrode of the radiation collector element.
  • the radiation collecting element of the device may be a photovoltaic cell.
  • the device comprises a first photovoltaic cell, whose absorber material has a first absorption spectrum, and a second photovoltaic cell, whose absorber material has a second absorption spectrum at least partially disjoint with respect to the first absorption spectrum, the diffusion layer being interposed between the first photovoltaic cell and the second photovoltaic cell.
  • the invention also relates to a cover for a radiation collector element, in particular for a photovoltaic cell, this cover comprising a transparent substrate and a diffusion layer, where the diffusion layer comprises a transparent fibrous structure and a transparent medium. encapsulation of the fibers of the fibrous structure, the absolute value of the difference between the refractive index of the fibers of the fibrous structure and the refractive index of the encapsulation medium being greater than or equal to 0.05.
  • the diffusion layer of the cover may be arranged against one side of the substrate.
  • the cover diffusion layer may be integrated into the substrate, with at least a portion of the substrate forming the fiber encapsulation medium of the fibrous structure.
  • FIG. 2 is a section similar to Figure 1 for a photovoltaic solar module according to a second embodiment of the invention
  • FIG. 3 is a section similar to FIG. 1 for a photovoltaic solar module according to a third embodiment of the invention.
  • the photovoltaic solar module 20 shown in FIG. 1 comprises a photovoltaic cell 30 made up of "wafers" or polycrystalline silicon wafers forming a p / n junction.
  • the module 20 comprises a front substrate 1 with a glass function and a rear substrate 8 with a support function.
  • the front substrate 1, intended to be arranged on the side of incidence of solar radiation on the module 20, may in particular be made of an extra-clear transparent glass, with a very low content of iron oxides, or a transparent thermoplastic polymer.
  • the rear substrate 8 is made of any suitable material, transparent or not, and carries, on its inwardly facing face of the module 20, that is to say on the side of incidence of solar radiation on the module, a electrically conductive layer 7 which forms a rear electrode of the photovoltaic cell 30.
  • the layer 7 is a metal layer, in particular silver or aluminum.
  • the rear electrode layer 7 is conventionally surmounted by a polycrystalline silicon wafer 6, adapted to ensure the conversion of solar energy into electrical energy.
  • the wafer 6 is itself surmounted by a transparent and electrically conductive layer 5 which forms a front electrode of the cell 30.
  • the photovoltaic cell 30 is thus formed by the stacking of the layers 5, 6 and 7.
  • the The front electrode layer 5 of the cell 30 is an aluminum doped zinc oxide (AZO) layer.
  • the layer 5 may be a layer based on another doped transparent conductive oxide (TCO), or a transparent metal layer (TCC) such as a silver-based stack.
  • a diffusion layer 2 is positioned between the front electrode layer 5 and the front substrate 1.
  • This diffusion layer 2 comprises a transparent web 3 of type E glass fibers, whose refractive index n 3 is of the order of 1, 57, and a transparent matrix 4 of PVB, whose refractive index n is of the order of 1, 48, which encapsulates the web 3.
  • the difference in refractive index between the fibers of the web 3 and the matrix 4 is of the order of 0.09.
  • An example of a fiberglass veil that can be used for the veil 3 is a veil of the U50 type marketed by Saint-Gobain Technical Fabrics, which has a basis weight, or surface weight, of 50 g / m 2 .
  • the polymer matrix 4 encapsulates the web 3 having substantially the same thickness as this one.
  • the polymer matrix 4 may have a thickness greater than the thickness of the web 3, the web 3 then being encapsulated in only a part of the polymer matrix 4.
  • the web 3 mechanically reinforces the matrix 4 with PVB, so that the diffusion layer 2 has an increased rigidity compared to a layer consisting solely of PVB and having the same thickness as the diffusion layer 2.
  • the diffusion layer 2 thus has both a high fuzziness value, greater than 40%, and a total light transmission also high, greater than 80%.
  • the blurring and light transmission properties of the diffusion layer 2 can be adjusted by adjusting one or more parameters among, in particular, the basis weight of the web 3, the fiber diameter of the web 3, the composition of the fibers of the 3, the composition of the polymer matrix 4, so as to obtain a diffusion layer 2 which achieves a compromise between advantageous blur and light transmission.
  • the high blur of the diffusion layer 2 arranged at the front of the photovoltaic cell 30 promotes the absorption of a high percentage of the radiation incident on the module by the energy conversion material 6, according to two main effects.
  • the first effect is a trapping of the radiation, or "light trapping", thanks to the diffusion layer 2.
  • the diffusion layer 2 because of the strong diffusion to the interface between the fibers of the web 3 and the matrix 4, the optical path of the radiation in the layer 2 and the underlying layers 5, 6 is elongated, which increases the probability of absorption of the radiation by the semiconductor material.
  • photovoltaic conductor of the wafer 6 positioned at the rear of the layer 2.
  • the diffusion layer 2 thus functions in a certain way as a guide, which maintains and directs the radiation inside the module 20, until it is absorbed by the energy conversion material 6.
  • the second effect corresponds to a decrease in the reflection, for the large angles of incidence of the radiation, at the interface between the diffusion layer 2 and the underlying layer of the module, which is the front electrode 5 in this first embodiment.
  • angle blur corresponds to a decrease in the reflection, for the large angles of incidence of the radiation, at the interface between the diffusion layer 2 and the underlying layer of the module, which is the front electrode 5 in this first embodiment.
  • the photovoltaic solar module 120 of this second embodiment differs from the module 20 above in that it comprises, instead of cells made from polyc stallin silicon wafers, a thin-film photovoltaic cell 130 whose layer absorber is based on chalcopyrite compound comprising copper, indium and selenium, said absorber layer CIS.
  • a CIS absorber layer may optionally be supplemented with gallium, to provide a CIGS absorber layer, or to be supplemented with aluminum or sulfur.
  • the module 120 comprises a front substrate 101 with a glass function and a rear substrate 108 with a support function.
  • the rear substrate 108 carries, on its face facing the inside of the module 120, an electrically conductive layer 107 forming a rear electrode of the photovoltaic cell 130 of the module.
  • the layer 107 is based on molybdenum.
  • a not shown layer, in particular based on silicon nitride Si 3 N, is advantageously interposed between the rear substrate 108 and the layer 107 to form an alkaline barrier. .
  • the layer 107 is surmounted by a layer 106 of absorber material with chalcopyrite compound, in particular CIS or CIGS, suitable for ensuring the conversion of solar energy into electrical energy.
  • the absorber layer 106 is itself surmounted by a layer of cadmium sulfide CdS, not shown, possibly associated with an undoped intrinsic ZnO zinc oxide layer, also not shown, and then by a transparent and electrically conductive layer 105 which forms a front electrode of the cell 130.
  • the photovoltaic cell 130 of the module 120 is thus formed by the stacking of the layers 105, 106 and 107.
  • the layer 105 forming the front electrode of the cell 130 is a layer based on of zinc oxide doped with aluminum (AZO).
  • the layer 5 may be a layer based on another doped transparent conductive oxide (TCO), or a transparent metal layer (TCC) such as a silver-based stack.
  • a diffusion layer 102 is positioned between the front electrode layer 105 and the front substrate 101.
  • the diffusion layer 102 comprises a transparent E-type glass fiber veil 103 and a PVB encapsulation matrix 104, in a manner identical to the diffusion layer 2 of the first embodiment.
  • the use of a PVB encapsulation matrix, or any other polymeric lamination interlayer, is advantageous for maintaining the functional layers of the module 120 between the front and back substrates 108.
  • the energy conversion efficiency of the module 120 is increased compared to the efficiency of a similar module without a diffusion layer, according to the aforementioned double effect of radiation trapping and angle blur.
  • the photovoltaic solar module 220 of this third embodiment differs from the modules described above in that it comprises a "four-wire tandem cell" formed by the superposition of two photovoltaic cells 230 and 240.
  • the module 220 comprises a front substrate
  • the cell 240 arranged at the front of the module 220 is a thin-film cell whose absorber layer 216 is based on amorphous silicon, which absorbs the high-energy photons of the solar spectrum, in the wavelength range. between about 300 nm and 600 nm.
  • the cell 230 arranged at the rear of the module 220 is a thin-film cell whose absorber layer 206 is a CIGS absorber layer, which absorbs in the wavelength range between about 500 nm and 1000 nm. .
  • Tandem cell thus allows optimization of the use of solar radiation by the module 220.
  • the front substrate 201 caps the front cell 240, which comprises successively, from the front substrate 201, a transparent and electrically conductive layer 215 forming a front electrode of the cell 240, the absorber layer 216 based on amorphous silicon and another layer 217 transparent and electrically conductive forming a rear electrode of the cell 240.
  • each of the layers 215 and 217 forming the electrodes of the front cell 240 is a layer based on zinc oxide doped with aluminum (AZO).
  • each layer 215 or 217 may be a layer based on another doped transparent conductive oxide (TCO), or a transparent metal layer (TCC) such as a silver-based stack.
  • the rear substrate 208 carries the rear cell 230, which comprises successively, from the rear substrate 208, an electrically conductive layer 207 forming a rear electrode of the cell 230, the CIGS absorber layer 206. thickness of between about 500 nm and 4000 nm, a CdS cadmium sulphide layer not shown, optionally associated with an undoped ZnO zinc oxide layer, also not shown, and a transparent and electrically conductive layer 205 which forms a front electrode of the cell 230.
  • the rear electrode layer 207 is based on molybdenum
  • the front electrode layer 205 is a layer doped with aluminum-doped zinc oxide (AZO).
  • the layer 205 may be a layer based on another doped transparent conductive oxide (TCO), or a transparent metal layer (TCC) such as a silver-based stack.
  • a diffusion layer 202 is positioned at the front of the rear cell 230, between the front electrode layer 205 of the rear cell 230 and the rear electrode layer 217 of the rear cell 230. front cell 240.
  • the diffusion layer 202 comprises a veil 203 of type E glass fibers and a PVB encapsulation matrix 204, identical to the diffusion layer 2 of the first embodiment.
  • the diffusion layer 202 arranged at the front of the rear cell 230 improves the guidance of incident radiation on the module 220 to the absorber layer 206 of the rear cell.
  • the diffusion layer 202 thus increases the percentage of the incident radiation on the module 220 which is absorbed by the absorber layer 206, and therefore the energy conversion efficiency of the module 220.
  • the positioning of the diffusion layer 202 between the two constituent cells of the four-wire tandem cell is all the more critical for the increase in the energy conversion efficiency of the module 220 than the percentage of incident radiation that reaches this zone.
  • the center of the module is limited due to radiation losses in the front of the module. Under these conditions, it is crucial to best guide the amount of radiation that has reached the central zone of the module up to the absorber layer 206 of the rear cell 230, in order to make the optimization of the use effective. solar radiation by the module 220.
  • a not shown variant of a four-wire tandem cell module according to the invention differs from the module 220 described above only in that the rear cell 230 based on chalcopyrite compound is replaced by a cell based on microcrystalline silicon, which absorbs in the near infrared region, in the wavelength range between about 600 nm and 1000 nm.
  • a microcrystalline silicon cell successively comprises, from the rear substrate of the module, an electrically conductive rear electrode layer, a microcrystalline silicon absorber layer and a transparent and electrically conductive front electrode layer.
  • the rear electrode layer is a metal layer, in particular silver or aluminum
  • the front electrode layer is a layer based on a doped transparent conductive oxide (TCO) or a transparent metal layer ( CBT).
  • the absorption spectra of the amorphous silicon-based front cell and the microcrystalline silicon-based back cell are disjoint, and the part of the spectrum not used for the energy conversion by the front cell can be used by the back cell.
  • the diffusion layer interposed between the front and rear cells is critical to obtain optimal use of solar radiation by the tandem module and to guarantee an improved energy conversion efficiency of the module compared to a similar module of the module. state of the technique devoid of diffusion layer.
  • the invention aims not only a radiation collector device incorporating a diffusion layer as described above, positioned in front of at least one collector element of the device, but also a cover for a radiation collector element comprising a substrate and a diffusion layer as described above. Thanks to the fibrous structure which acts as a mechanical reinforcement in the diffusion layer, a cover according to the invention has an increased rigidity compared to a substrate of the state of the art devoid of fibrous structure.
  • a device and a cover according to the invention comprising a composite diffusion layer having both high blur and light transmission, intended to be arranged in front of at least a radiation collecting element.
  • the high blur of the diffusion layer arranged in front of a radiation collecting element promotes the absorption of a high percentage of the radiation incident on the device by this element, which allows an increase in the efficiency of energy conversion of the device integrating this element.
  • the invention thus makes it possible, for a device according to the invention or incorporating a lid according to the invention, with respect to a similar device of the state of the art without a diffusion layer, ie an increase in the efficiency of energy conversion of the device for the same thickness of the energy conversion material, ie a decrease in the thickness of the energy conversion material, and therefore the cost of the device, for the same energy conversion efficiency.
  • a method of manufacturing a photovoltaic module 20, 120 or 220 according to the invention, comprising a diffusion layer as described above, which comprises an E-type fiberglass veil and a PVB encapsulation matrix, involves the formation of the web entering the constitution of the diffusion layer, then the formation of the diffusion layer and its implementation in the structure of the module.
  • the glass fiber web may be formed by a "dry process” or “wet” process. Such glass fiber web manufacturing processes are well known to those skilled in the art, they are not described in more detail here.
  • the web is embedded in a PVB layer by compressing the web against the PVB layer.
  • the assembly comprising the PVB layer and the veil embedded in the PVB layer is then put into place in the laminated structure of the module, in the same way as for a conventional laminating interlayer, and this laminated structure is passed to the drying oven so as to obtain good cohesion between the various constituent layers of the module.
  • a photovoltaic module according to the invention can be manufactured in superstrate mode, that is to say by successive deposition of the constituent layers of the device from the front substrate, which is particularly the case of layered photovoltaic modules. thin whose absorber is based on silicon or cadmium telluride, or in substrate mode, that is to say by successive deposition of the constituent layers of the cell on the rear substrate, which is particularly the case of modules thin-film photovoltaic cells whose absorber is based on chalcopyrite compound.
  • the diffusion layer makes it possible at the same time to improve the guidance of the radiation in the module and to ensure the mechanical cohesion of the module.
  • the encapsulation medium is formed by a transparent thermoplastic polymer, and in particular by part of the glass-front front substrate of the module according to the invention, the encapsulation of the fibers of the fibrous structure in the thermoplastic substrate can be performed during molding, positioning the fibrous structure in a mold and then injecting the thermoplastic polymer into the mold.
  • the use of a fibrous structure, woven or non-woven , the fibers of which are bonded together prior to the incorporation of the fibrous structure into the medium encapsulation, entanglement and / or with a binder facilitates handling and manufacturing.
  • the invention is not limited to the examples described and shown.
  • the above-mentioned advantages in terms of radiation trapping by the diffusion and angle blur layer can be obtained by means of any layer having a transparent fibrous structure and a transparent encapsulation medium, which has properties suitable for presenting at the same time high blur and light transmission.
  • a condition for obtaining high blur is, according to the invention, that the absolute value of the difference between the refractive index of the fibers of the fibrous structure and the refractive index of the encapsulation medium is greater than or equal to 0.05.
  • this polymer matrix may have a thickness greater than or equal to the thickness of the fibrous structure.
  • this matrix may protrude from one side or both sides of the fibrous structure.
  • the fibrous structure may be a woven or non-woven structure.
  • the fibrous structure may be formed by non-bonded fibers prior to the formation of the diffusion layer, for example fibers which are deposited, or sprinkled, into a polymer matrix forming the encapsulation medium by becoming entangled with the in the manner of a veil, this veil then being devoid of binder other than the polymer matrix.
  • the encapsulating medium may be formed by air or a liquid of appropriate refractive index, instead of a polymer matrix.
  • the invention has been described from examples in which the diffusion layer is arranged against the front electrode of a photovoltaic cell.
  • the diffusion layer can be arranged in front of a photovoltaic cell by being separated from the front electrode of this cell by transparent intermediate layers.
  • a device according to the invention may comprise several radiation collecting elements.
  • the device can integrate several diffusion layers comprising a transparent fibrous structure and a transparent encapsulation medium, each arranged at the front of a collector element of the device.
  • the photovoltaic module 220 could comprise, in addition to the diffusion layer 202 arranged between the rear cell 230 and the front cell 240, a second diffusion layer positioned at the front of the cell before 240. between the front electrode 215 and the front substrate 201.
  • a two-layer diffusion pattern provides improved radiation guidance to both the absorber layer 216 of the front cell and to the absorber layer 206 of the rear cell, further increasing the conversion efficiency. module energy.
  • a radiation collecting device can also incorporate, in addition to one or more diffusion layers, other known means for improving the guidance of the radiation, in particular a textured front substrate, in order to limit the reflection of the radiation at the interface between the air and the front substrate.
  • the invention can be implemented for any type of device comprising a radiation collection element, without being limited to the devices described above.
  • the invention can be applied to photovoltaic modules comprising thin-film photovoltaic cells whose absorber layer is based on silicon, amorphous or microcrystalline, based on chalcopyrite compound, in particular of the CIS or CIGS type, or still based on cadmium telluride.
  • the invention can also be applied to photovoltaic modules, the photovoltaic cells of which are made from polycstallin or monocrystalline silicon wafers forming a p / n junction, or to organic photovoltaic cell modules.
  • the invention is also applicable to radiation collector devices involving collector elements other than photovoltaic cells, for example solar thermal modules.

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Abstract

Ce dispositif collecteur de rayonnement (20) comprend au moins un élément collecteur de rayonnement (30) et une couche de diffusion (2) agencée, par rapport à l'élément (30), du côté d'incidence du rayonnement sur le dispositif. La couche de diffusion (2) comporte une structure fibreuse transparente (3) et un milieu transparent (4) d'encapsulation des fibres de la structure fibreuse, la valeur absolue de la différence entre l'indice de réfraction des fibres de la structure fibreuse et l'indice de réfraction du milieu d'encapsulation étant supérieure ou égale à 0,05.

Description

DISPOSITIF COLLECTEUR DE RAYONNEMENT
La présente invention a trait à un dispositif collecteur de rayonnement, tel qu'un module photovoltaïque. La présente invention a également trait à un couvercle pour un élément collecteur de rayonnement, notamment pour une cellule photovoltaïque.
De manière connue, un module photovoltaïque comprend, en tant qu'élément collecteur de rayonnement, au moins une cellule photovoltaïque propre à convertir l'énergie issue d'un rayonnement en énergie électrique. Une cellule photovoltaïque comprend classiquement un matériau propre à assurer la conversion d'énergie et deux contacts électriquement conducteurs, ou électrodes, de part et d'autre de ce matériau.
L'électrode avant d'une cellule photovoltaïque, destinée à être disposée du côté d'incidence du rayonnement sur la cellule, peut notamment être formée à base d'une couche d'oxyde conducteur transparent (Transparent Conductive Oxyde ou TCO), ou à base d'une couche métallique transparente (Transparent Conductive Coating ou TCC). Cette électrode avant est classiquement associée à un substrat avant du module photovoltaïque, ou substrat à fonction verrière, qui assure une protection mécanique des cellules photovoltaïques, tout en permettant une bonne transmission de rayonnement vers les cellules.
Le rendement de conversion énergétique d'un module photovoltaïque est directement influencé par la quantité de rayonnement qui atteint le matériau de conversion d'énergie de chaque cellule photovoltaïque. Il convient donc, pour améliorer ce rendement, de maximiser le pourcentage du rayonnement incident sur le module qui parvient jusqu'au matériau de conversion d'énergie. Pour ce faire, une première stratégie connue consiste à améliorer les propriétés de transmission du substrat avant, en texturant au moins sa face avant, destinée à être disposée du côté d'incidence du rayonnement sur le module photovoltaïque, de manière à limiter la réflexion du rayonnement incident sur le module à l'interface entre l'air et le substrat avant. Une autre stratégie connue consiste, lorsque le module comprend des cellules photovoltaïques dont l'électrode avant est formée à base d'une couche de TCO, à doter cette couche de TCO d'une m icrotextu ration sur sa face opposée au substrat avant. Grâce à cette microtexturation, la couche de TCO assure un piégeage du rayonnement incident, ce qui augmente la probabilité d'absorption de rayonnement par le matériau de conversion d'énergie de la cellule. Toutefois, les rendements de modules photovoltaïques intégrant de tels substrats avant texturés ou de telles couches de TCO microtexturées restent limités.
C'est à ces inconvénients qu'entend plus particulièrement remédier l'invention en proposant un dispositif collecteur de rayonnement, notamment un module photovoltaïque, qui présente un rendement de conversion énergétique amélioré par rapport aux dispositifs de l'état de la technique.
A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif collecteur de rayonnement comprenant au moins un élément collecteur de rayonnement, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une couche de diffusion agencée, par rapport à l'élément collecteur, du côté d'incidence du rayonnement sur le dispositif, la couche de diffusion comportant une structure fibreuse transparente et un milieu transparent d'encapsulation des fibres de la structure fibreuse, la valeur absolue de la différence entre l'indice de réfraction des fibres de la structure fibreuse et l'indice de réfraction du milieu d'encapsulation étant supérieure ou égale à 0,05.
Dans l'ensemble de cette demande, les valeurs numériques d'indices de réfraction sont données à 550 nm.
Au sens de l'invention, le terme transparent renvoie à une transparence au moins dans les domaines de longueurs d'onde utiles pour les éléments collecteurs de rayonnement du dispositif. A titre d'exemple, dans le cas d'un module photovoltaïque comprenant des cellules photovoltaïques à base de silicium polyc stallin, chaque structure ou milieu transparent est avantageusement transparent dans le domaine de longueurs d'onde comprises entre 400 nm et 1200 nm, qui sont les longueurs d'onde utiles pour ce type de cellule.
On entend également par encapsulation des fibres de la structure fibreuse, le fait d'enrober au moins une partie des fibres de la structure fibreuse. Ainsi, il existe dans la couche de diffusion des interfaces entre le matériau des fibres et le matériau du milieu d'encapsulation. La couche de diffusion est positionnée, par rapport à l'élément collecteur, du côté d'incidence du rayonnement sur le dispositif, c'est-à-dire à l'avant de l'élément collecteur. De manière conventionnelle, dans le cadre de l'invention, un sens arrière-avant d'un dispositif collecteur de rayonnement est un sens opposé au sens de propagation d'un rayonnement destiné à être collecté par le dispositif.
Pour un module photovoltaïque conforme à l'invention, l'élément collecteur de rayonnement est une cellule photovoltaïque et la couche de diffusion est positionnée à l'avant de cette cellule. Grâce à la différence relativement importante entre l'indice de réfraction des fibres de la structure fibreuse et l'indice de réfraction du milieu d'encapsulation, la couche de diffusion est à même d'améliorer le guidage du rayonnement vers le matériau de conversion d'énergie de la cellule photovoltaïque, d'une part par un effet de piégeage du rayonnement, qui augmente la probabilité d'absorption du rayonnement par le matériau de conversion d'énergie de la cellule, et d'autre part par un effet de flou en angle, qui augmente la transmission des grands angles d'incidence du rayonnement.
Il est ainsi possible, pour un module photovoltaïque conforme à l'invention et par rapport à un module de l'état de la technique ne comportant pas la couche de diffusion définie dans l'invention, soit d'augmenter le rendement de conversion énergétique du module pour une même épaisseur du matériau de conversion d'énergie, soit de conserver un même rendement de conversion énergétique en diminuant l'épaisseur du matériau de conversion d'énergie, c'est-à-dire en diminuant le coût du module.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le milieu d'encapsulation des fibres de la structure fibreuse est un matériau polymère. En particulier, le milieu d'encapsulation peut être formé par un intercalaire de feuilletage polymère, par exemple à base de polybutyral de vinyle (PVB), d'éthylène vinylacétate (EVA), de polyuréthane, d'un ionomère ou d'un adhésif à base de polyoléfine. En variante, le milieu d'encapsulation peut être formé par un substrat avant en polymère thermoplastique du dispositif collecteur. Des exemples de polymères thermoplastiques transparents appropriés comprennent, notamment, le polyéthylène téréphtalate (PET), le polyéthylène naphtalate (PEN), le polycarbonate, le polyuréthane, le polyméthacrylate de méthyle, les polyamides, les polyimides, les polymères fluorés tels que l'éthylène tétrafluoroéthylène (ETFE) et le polytétrafluoroéthylène (PTFE).
Les fibres de la structure fibreuse, qu'il s'agisse d'une structure tissée ou non tissée, ont un rôle de renforcement mécanique du milieu d'encapsulation. En particulier, lorsque le milieu d'encapsulation est un intercalaire de feuilletage ou un substrat avant du dispositif collecteur, il en résulte une rigidité accrue de cet intercalaire ou de ce substrat. Un module photovoltaïque conforme à l'invention présente ainsi des propriétés mécaniques améliorées, notamment en termes de charge admissible, qui lui permettent de passer des tests mécaniques contraignants, par exemple ceux prévus par les normes IEC pour vérifier la résistance du module à des charges de vent ou de neige. Lorsque le milieu d'encapsulation est un intercalaire de feuilletage du module, destiné à être surmonté à l'avant par un substrat en verre, la rigidité accrue de l'intercalaire résultant du renforcement mécanique par la structure fibreuse permet l'utilisation de verres plus minces à l'avant de l'intercalaire, et donc une diminution de l'épaisseur et du poids du module.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la structure fibreuse comprend des fibres de verre et/ou des fibres polymères. Dans le cas de fibres de verre, le verre entrant dans la constitution des fibres peut être de tout type de verre fibrable, notamment le verre E. Dans le cas de fibres polymères, il peut s'agir notamment de fibres de polyester ou d'une polyoléfine telle que le polyéthylène et le polypropylène. De manière avantageuse, la structure fibreuse a une masse surfacique comprise entre 10 et 500 g/m2, de préférence entre 10 et 100 g/m2, et comprend des fibres de diamètre compris entre 1 et 20 micromètres, de préférence entre 5 et 15 micromètres. De préférence, la structure fibreuse a une épaisseur comprise entre 10 micromètres et 1 millimètre.
En pratique, les propriétés de flou et de transmission lumineuse de la couche de diffusion peuvent être ajustées en jouant sur un ou plusieurs paramètres parmi, notamment, la masse surfacique de la structure fibreuse, le diamètre des fibres de la structure fibreuse, la composition des fibres de la structure fibreuse, la composition du milieu d'encapsulation. Conformément à l'invention, la composition des fibres de la structure fibreuse et la composition du milieu d'encapsulation sont adaptées de telle sorte que la valeur absolue de la différence entre l'indice de réfraction des fibres de la structure fibreuse et l'indice de réfraction du milieu d'encapsulation est supérieure ou égale à 0,05. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la couche de diffusion a une transmission lumineuse totale supérieure ou égale à 80% et une valeur de flou supérieure ou égale à 40%. Dans cette demande, la transmission lumineuse totale d'un élément, qui comprend la transmission lumineuse directe et la transmission lumineuse diffuse, est déterminée selon la norme ISO 9050:2003. De plus, on entend par valeur de flou ("haze" en anglais) d'un élément, exprimée en pourcentage, une grandeur représentative de l'aptitude de cet élément à dévier un rayonnement. Dans cette demande, les valeurs de flou sont mesurées au hazemeter selon la norme ASTM D 1003.
La structure fibreuse peut être une structure non tissée ou une structure tissée. Pour une structure non tissée les fibres sont généralement emmêlées, tandis que pour une structure tissée les fibres sont alignées dans le sens de la chaîne et de la trame. Dans ces deux cas, la structure fibreuse joue le rôle d'un renfort mécanique du milieu d'encapsulation. Lorsque la structure fibreuse est tissée, le renforcement mécanique est particulièrement important dans les sens de la chaîne et de la trame. Dans un mode de réalisation avantageux, la structure fibreuse est un voile, ce qui assure une distribution aléatoire des fibres dans la couche de diffusion. De manière classique, on entend par voile un non- tissé constitué de filaments complètement dispersés. Avec un tel voile, les propriétés de la couche de diffusion, notamment en termes de flou et de transmission lumineuse, sont ainsi globalement homogènes.
Un voile non tissé de fibres de verre contient généralement un liant, qui lie les fibres et confère au voile une rigidité suffisante pour pouvoir être manipulé facilement. Ce liant, qui comprend classiquement au moins un polymère apte à lier les fibres, est choisi transparent et peut être de tout type approprié connu de l'homme du métier. La présence de liant dans le voile peut être avantageuse pour la fabrication industrielle du dispositif collecteur de rayonnement selon l'invention, en facilitant la manipulation du voile. Toutefois, le liant ne doit recouvrir qu'une surface limitée des fibres de verre du voile, de telle sorte qu'un rayonnement traversant la couche de diffusion rencontre effectivement des interfaces entre les fibres et le milieu d'encapsulation. Pour une bonne mise en œuvre de l'invention, le liant représente de préférence environ 5 à 30% en poids du voile de fibres de verre, encore de préférence 5 à 20%.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la couche de diffusion est agencée contre une électrode avant de l'élément collecteur de rayonnement. L'élément collecteur de rayonnement du dispositif peut être une cellule photovoltaïque.
Dans un mode de réalisation avantageux d'un dispositif collecteur de rayonnement selon l'invention, le dispositif comprend une première cellule photovoltaïque, dont le matériau absorbeur a un premier spectre d'absorption, et une deuxième cellule photovoltaïque, dont le matériau absorbeur a un deuxième spectre d'absorption au moins partiellement disjoint par rapport au premier spectre d'absorption, la couche de diffusion étant intercalée entre la première cellule photovoltaïque et la deuxième cellule photovoltaïque.
L'invention a également pour objet un couvercle pour un élément collecteur de rayonnement, notamment pour une cellule photovoltaïque, ce couvercle comprenant un substrat transparent et une couche de diffusion, où la couche de diffusion comporte une structure fibreuse transparente et un milieu transparent d'encapsulation des fibres de la structure fibreuse, la valeur absolue de la différence entre l'indice de réfraction des fibres de la structure fibreuse et l'indice de réfraction du milieu d'encapsulation étant supérieure ou égale à 0,05.
La couche de diffusion du couvercle peut être agencée contre une face du substrat. En variante, lorsque le substrat est en polymère thermoplastique, la couche de diffusion du couvercle peut être intégrée dans le substrat, avec au moins une partie du substrat qui forme le milieu d'encapsulation des fibres de la structure fibreuse.
Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui va suivre de trois modes de réalisation d'un dispositif collecteur de rayonnement selon l'invention, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une coupe transversale schématique d'un module solaire photovoltaïque conforme à un premier mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 est une coupe analogue à la figure 1 pour un module solaire photovoltaïque conforme à un deuxième mode de réalisation de l'invention ; et - la figure 3 est une coupe analogue à la figure 1 pour un module solaire photovoltaïque conforme à un troisième mode de réalisation de l'invention.
Le module solaire photovoltaïque 20 représenté sur la figure 1 comprend une cellule photovoltaïque 30 constituée à partir de "wafers" ou galettes de silicium polycristallin formant une jonction p/n. Comme visible sur la figure 1 , le module 20 comprend un substrat avant 1 à fonction verrière et un substrat arrière 8 à fonction support. Le substrat avant 1 , destiné à être agencé du côté d'incidence du rayonnement solaire sur le module 20, peut notamment être constitué en un verre transparent extra-clair, à très faible teneur en oxydes de fer, ou en un polymère thermoplastique transparent.
Le substrat arrière 8 est constitué en tout matériau approprié, transparent ou non, et porte, sur sa face dirigée vers l'intérieur du module 20, c'est-à-dire du côté d'incidence du rayonnement solaire sur le module, une couche 7 électriquement conductrice qui forme une électrode arrière de la cellule photovoltaïque 30. A titre d'exemple, la couche 7 est une couche métallique, notamment en argent ou en aluminium.
La couche 7 formant électrode arrière est surmontée, de manière classique, par un wafer 6 en silicium polycristallin, propre à assurer la conversion de l'énergie solaire en énergie électrique. Le wafer 6 est lui-même surmonté par une couche 5 transparente et électriquement conductrice qui forme une électrode avant de la cellule 30. La cellule photovoltaïque 30 est ainsi formée par l'empilement des couches 5, 6 et 7. Dans cet exemple, la couche 5 formant électrode avant de la cellule 30 est une couche à base d'oxyde de zinc dopé à l'aluminium (AZO). En variante, la couche 5 peut être une couche à base d'un autre oxyde conducteur transparent (TCO) dopé, ou une couche métallique transparente (TCC) telle qu'un empilement à base d'argent.
Une couche de diffusion 2 est positionnée entre la couche 5 formant électrode avant et le substrat avant 1 . Cette couche de diffusion 2 comporte un voile transparent 3 de fibres de verre de type E, dont l'indice de réfraction n3 est de l'ordre de 1 ,57, et une matrice transparente 4 en PVB, dont l'indice de réfraction n est de l'ordre de 1 ,48, qui encapsule le voile 3. Ainsi, la différence d'indice de réfraction entre les fibres du voile 3 et la matrice 4 est de l'ordre de 0,09. Un exemple de voile de fibres de verre susceptible d'être utilisé pour le voile 3 est un voile du type U50 commercialisé par Saint-Gobain Technical Fabrics, qui présente un grammage, ou masse surfacique, de 50 g/m2.
Tel que représenté schématiquement sur la figure 1 , la matrice polymère 4 encapsule le voile 3 en ayant sensiblement la même épaisseur que celui-ci. Toutefois, la matrice polymère 4 peut présenter une épaisseur supérieure à l'épaisseur du voile 3, le voile 3 étant alors encapsulé dans une partie seulement de la matrice polymère 4. Le voile 3 renforce mécaniquement la matrice 4 en PVB, de sorte que la couche de diffusion 2 présente une rigidité accrue par rapport à une couche constituée uniquement en PVB et ayant la même épaisseur que la couche de diffusion 2.
Grâce à la différence d'indice de réfraction relativement importante entre les fibres du voile 3 et la matrice d'encapsulation 4, il se produit une forte diffusion de rayonnement à l'interface entre les fibres du voile et la matrice, ce qui se traduit par une valeur de flou élevée de la couche de diffusion 2. La couche de diffusion 2 présente ainsi à la fois une valeur de flou élevée, supérieure à 40%, et une transmission lumineuse totale également élevée, supérieure à 80%. En pratique, les propriétés de flou et de transmission lumineuse de la couche de diffusion 2 peuvent être ajustées en jouant sur un ou plusieurs paramètres parmi, notamment, le grammage du voile 3, le diamètre des fibres du voile 3, la composition des fibres du voile 3, la composition de la matrice polymère 4, de manière à obtenir une couche de diffusion 2 qui réalise un compromis avantageux entre flou et transmission lumineuse.
Le flou élevé de la couche de diffusion 2 agencée à l'avant de la cellule photovoltaïque 30 favorise l'absorption d'un pourcentage élevé du rayonnement incident sur le module par le matériau de conversion d'énergie 6, selon deux effets principaux.
Le premier effet est un piégeage du rayonnement, ou "light trapping", grâce à la couche de diffusion 2. En effet, du fait de la forte diffusion à l'interface entre les fibres du voile 3 et la matrice 4, le trajet optique du rayonnement dans la couche 2 et les couches sous-jacentes 5, 6 est allongé, ce qui augmente la probabilité d'absorption du rayonnement par le matériau semi-conducteur photovoltaïque du wafer 6 positionné à l'arrière de la couche 2. La couche de diffusion 2 fonctionne ainsi d'une certaine manière comme un guide, qui maintient et dirige le rayonnement à l'intérieur du module 20, jusqu'à ce qu'il soit absorbé par le matériau de conversion d'énergie 6.
Le deuxième effet, dit de "flou en angle", correspond à une diminution de la réflexion, pour les grands angles d'incidence du rayonnement, à l'interface entre la couche de diffusion 2 et la couche sous-jacente du module, qui est l'électrode avant 5 dans ce premier mode de réalisation. Par diffusion à l'interface entre les fibres du voile 3 et la matrice 4, les rayons d'angles d'incidence élevés sur le module 20 sont "redressés" à l'intérieur de la couche de diffusion 2, de sorte qu'ils rencontrent la couche sous-jacente 5 du module avec des angles d'incidence plus faibles. Comme le domaine des angles d'incidence élevés, proches de 90°, favorise la réflexion à l'interface entre la couche de diffusion 2 et la couche sous-jacente 5, le redressement des rayons par diffusion dans la couche 2 s'accompagne d'une diminution sensible de la réflexion. Ainsi, une gamme plus large d'angles d'incidence du rayonnement est transmise jusqu'au matériau de conversion d'énergie 6, ce qui augmente le pourcentage du rayonnement incident sur le module 20 qui est absorbé par le matériau de conversion d'énergie 6.
Ces deux effets, associés à la transmission lumineuse totale élevée de la couche de diffusion, permettent d'augmenter le rendement de conversion énergétique du module photovoltaïque 20 par rapport à un module photovoltaïque analogue de l'état de la technique dépourvu de couche de diffusion.
Dans le deuxième mode de réalisation représenté sur la figure 2, les éléments analogues à ceux du premier mode de réalisation portent des références identiques augmentées de 100. Le module solaire photovoltaïque 120 de ce deuxième mode de réalisation diffère du module 20 ci-dessus en ce qu'il comprend, au lieu de cellules constituées à partir de wafers de silicium polyc stallin, une cellule photovoltaïque 130 à couches minces dont la couche d'absorbeur est à base de composé chalcopyrite comportant du cuivre, de l'indium et du sélénium, dite couche d'absorbeur CIS. Une telle couche d'absorbeur CIS peut éventuellement être additionnée de gallium, pour fournir une couche d'absorbeur CIGS, ou encore être additionnée d'aluminium ou de soufre.
Le module 120 conforme au deuxième mode de réalisation comprend un substrat avant 101 à fonction verrière et un substrat arrière 108 à fonction support. Le substrat arrière 108 porte, sur sa face dirigée vers l'intérieur du module 120, une couche 107 électriquement conductrice formant une électrode arrière de la cellule photovoltaïque 130 du module. A titre d'exemple, la couche 107 est à base de molybdène. Lorsque le substrat arrière 108 est en verre et l'électrode arrière 107 est en molybdène, une couche non représentée, notamment à base de nitrure de silicium Si3N , est avantageusement intercalée entre le substrat arrière 108 et la couche 107 pour former une barrière aux alcalins.
La couche 107 est surmontée par une couche 106 de matériau absorbeur à composé chalcopyrite, notamment CIS ou CIGS, propre à assurer la conversion de l'énergie solaire en énergie électrique. La couche d'absorbeur 106 est elle-même surmontée par une couche de sulfure de cadmium CdS non représentée, éventuellement associée à une couche d'oxyde de zinc ZnO intrinsèque non dopé également non représentée, puis par une couche 105 transparente et électriquement conductrice qui forme une électrode avant de la cellule 130. La cellule photovoltaïque 130 du module 120 est ainsi formée par l'empilement des couches 105, 106 et 107. Dans cet exemple, la couche 105 formant électrode avant de la cellule 130 est une couche à base d'oxyde de zinc dopé à l'aluminium (AZO). En variante, la couche 5 peut être une couche à base d'un autre oxyde conducteur transparent (TCO) dopé, ou une couche métallique transparente (TCC) telle qu'un empilement à base d'argent.
De manière analogue au premier mode de réalisation, une couche de diffusion 102 est positionnée entre la couche 105 formant électrode avant et le substrat avant 101 . La couche de diffusion 102 comporte un voile transparent 103 en fibres de verre de type E et une matrice d'encapsulation 104 en PVB, de manière identique à la couche de diffusion 2 du premier mode de réalisation . L'utilisation d'une matrice d'encapsulation en PVB, ou en tout autre intercalaire de feuilletage polymère, est avantageuse pour assurer le maintien des couches fonctionnelles du module 120 entre les substrats avant 101 et arrière 108.
Comme précédemment, grâce au flou élevé de la couche de diffusion 102 agencée à l'avant de la cellule photovoltaïque 130, le rendement de conversion énergétique du module 120 est augmenté par rapport au rendement d'un module analogue dépourvu de couche de diffusion, selon le double effet précité de piégeage du rayonnement et de flou en angle.
Dans le troisième mode de réalisation représenté sur la figure 3, les éléments analogues à ceux du premier mode de réalisation portent des références identiques augmentées de 200. Le module solaire photovoltaïque 220 de ce troisième mode de réalisation diffère des modules décrits précédemment en ce qu'il comprend une "cellule tandem quatre fils", formée par la superposition de deux cellules photovoltaïques 230 et 240.
Comme visible sur la figure 3, le module 220 comprend un substrat avant
201 à fonction verrière et un substrat arrière 208 à fonction support, entre lesquels est agencé l'empilement de couches fonctionnelles du module. La cellule 240 agencée à l'avant du module 220 est une cellule à couches minces dont la couche d'absorbeur 216 est à base de silicium amorphe, qui absorbe les photons à haute énergie du spectre solaire, dans le domaine de longueurs d'onde comprises entre environ 300 nm et 600 nm. La cellule 230 agencée à l'arrière du module 220 est une cellule à couches minces dont la couche d'absorbeur 206 est une couche d'absorbeur CIGS, qui absorbe dans le domaine de longueurs d'onde comprises entre environ 500 nm et 1000 nm. Comme les spectres d'absorption de la cellule avant 240 et de la cellule arrière 230 sont au moins partiellement disjoints, la partie du spectre non utilisée pour la conversion d'énergie par la cellule avant 240 peut être utilisée par la cellule arrière 230. La cellule tandem permet ainsi une optimisation de l'utilisation du rayonnement solaire par le module 220.
A l'avant du module 220, le substrat avant 201 coiffe la cellule avant 240, qui comprend successivement, à partir du substrat avant 201 , une couche 215 transparente et électriquement conductrice formant une électrode avant de la cellule 240, la couche d'absorbeur 216 à base de silicium amorphe et une autre couche 217 transparente et électriquement conductrice formant une électrode arrière de la cellule 240. A titre d'exemple, chacune des couches 215 et 217 formant les électrodes de la cellule avant 240 est une couche à base d'oxyde de zinc dopé à l'aluminium (AZO). En variante, chaque couche 215 ou 217 peut être une couche à base d'un autre oxyde conducteur transparent (TCO) dopé, ou une couche métallique transparente (TCC) telle qu'un empilement à base d'argent.
A l'arrière du module 220, le substrat arrière 208 porte la cellule arrière 230, qui comprend successivement, à partir du substrat arrière 208, une couche 207 électriquement conductrice formant une électrode arrière de la cellule 230, la couche 206 d'absorbeur CIGS d'épaisseur comprise entre environ 500 nm et 4000 nm, une couche de sulfure de cadmium CdS non représentée, éventuellement associée à une couche d'oxyde de zinc ZnO intrinsèque non dopé également non représentée, et une couche 205 transparente et électriquement conductrice qui forme une électrode avant de la cellule 230. A titre d'exemple, la couche 207 formant électrode arrière est à base de molybdène, et la couche 205 formant électrode avant est une couche à base d'oxyde de zinc dopé à l'aluminium (AZO). En variante, la couche 205 peut être une couche à base d'un autre oxyde conducteur transparent (TCO) dopé, ou une couche métallique transparente (TCC) telle qu'un empilement à base d'argent.
Dans ce mode de réalisation, conformément à l'invention, une couche de diffusion 202 est positionnée à l'avant de la cellule arrière 230, entre la couche 205 formant électrode avant de la cellule arrière 230 et la couche 217 formant électrode arrière de la cellule avant 240. La couche de diffusion 202 comporte un voile 203 en fibres de verre de type E et une matrice d'encapsulation 204 en PVB, de manière identique à la couche de diffusion 2 du premier mode de réalisation.
Comme précédemment, par le double effet de piégeage du rayonnement et de flou en angle, la couche de diffusion 202 agencée à l'avant de la cellule arrière 230 améliore le guidage du rayonnement incident sur le module 220 jusqu'à la couche d'absorbeur 206 de la cellule arrière. La couche de diffusion 202 augmente ainsi le pourcentage du rayonnement incident sur le module 220 qui est absorbé par la couche d'absorbeur 206, et donc le rendement de conversion énergétique du module 220.
Le positionnement de la couche de diffusion 202 entre les deux cellules constitutives de la cellule tandem quatre fils est d'autant plus critique pour l'augmentation du rendement de conversion énergétique du module 220 que le pourcentage du rayonnement incident qui parvient jusqu'à cette zone centrale du module est limitée, du fait de pertes de rayonnement dans la partie avant du module. Dans ces conditions, il est crucial de guider au mieux la part de rayonnement qui est parvenue dans la zone centrale du module jusqu'à la couche d'absorbeur 206 de la cellule arrière 230, afin de rendre effective l'optimisation de l'utilisation du rayonnement solaire par le module 220.
Une variante non représentée de module à cellule tandem quatre fils conforme à l'invention diffère du module 220 décrit ci-dessus uniquement en ce que la cellule arrière 230 à base de composé chalcopyrite est remplacée par une cellule à base de silicium microcristallin, qui absorbe dans la zone du proche infrarouge, dans le domaine de longueurs d'onde comprises entre environ 600 nm et 1000 nm. Une telle cellule à base de silicium microcristallin comprend successivement, à partir du substrat arrière du module, une couche électriquement conductrice formant électrode arrière, une couche d'absorbeur à base de silicium microcristallin et une couche transparente et électriquement conductrice formant électrode avant. A titre d'exemple, la couche formant électrode arrière est une couche métallique, notamment en argent ou en aluminium, et la couche formant électrode avant est une couche à base d'un oxyde conducteur transparent (TCO) dopé ou une couche métallique transparente (TCC).
Comme précédemment, les spectres d'absorption de la cellule avant à base de silicium amorphe et de la cellule arrière à base de silicium microcristallin sont disjoints, et la partie du spectre non utilisée pour la conversion d'énergie par la cellule avant peut être utilisée par la cellule arrière. Comme pour le module 220, la couche de diffusion intercalée entre les cellules avant et arrière est critique pour obtenir une utilisation optimale du rayonnement solaire par le module tandem et garantir un rendement de conversion énergétique amélioré du module par rapport à un module analogue de l'état de la technique dépourvu de couche de diffusion.
L'invention vise non seulement un dispositif collecteur de rayonnement intégrant une couche de diffusion telle que décrite précédemment, positionnée à l'avant d'au moins un élément collecteur du dispositif, mais également un couvercle pour un élément collecteur de rayonnement comprenant un substrat et une couche de diffusion telle que décrite précédemment. Grâce à la structure fibreuse qui joue le rôle d'un renfort mécanique dans la couche de diffusion, un couvercle selon l'invention présente une rigidité accrue par rapport à un substrat de l'état de la technique dépourvu de structure fibreuse.
Les exemples précédents illustrent les avantages d'un dispositif et d'un couvercle conformes à l'invention comprenant une couche de diffusion composite ayant à la fois un flou et une transmission lumineuse élevés, destinée à être agencée à l'avant d'au moins un élément collecteur de rayonnement. Comme expliqué précédemment, le flou élevé de la couche de diffusion agencée à l'avant d'un élément collecteur de rayonnement favorise l'absorption d'un pourcentage élevé du rayonnement incident sur le dispositif par cet élément, ce qui permet une augmentation du rendement de conversion énergétique du dispositif intégrant cet élément.
L'invention rend ainsi possible, pour un dispositif conforme à l'invention ou intégrant un couvercle conforme à l'invention, par rapport à un dispositif analogue de l'état de la technique dépourvu de couche de diffusion, soit une augmentation du rendement de conversion énergétique du dispositif pour une même épaisseur du matériau de conversion d'énergie, soit une diminution de l'épaisseur du matériau de conversion d'énergie, et donc du coût du dispositif, pour un même rendement de conversion énergétique.
Un procédé de fabrication d'un module photovoltaïque 20, 120 ou 220 conforme à l'invention, comprenant une couche de diffusion telle que décrite précédemment, qui comporte un voile de fibres de verre de type E et une matrice d'encapsulation en PVB, met en jeu la formation du voile entrant dans la constitution de la couche de diffusion, puis la formation de la couche de diffusion et sa mise en place dans la structure du module.
Le voile de fibres de verre peut être formé selon un procédé opérant par « voie sèche », ou selon un procédé opérant par « voie humide ». De tels procédés de fabrication de voiles de fibres de verre étant bien connus de l'homme du métier, ils ne sont pas décrits plus en détails ici. Une fois préparé, le voile est encastré dans une couche de PVB, par compression du voile contre la couche de PVB. L'ensemble comprenant la couche de PVB et le voile encastré dans la couche de PVB est ensuite mis en place dans la structure laminée du module, de la même manière que pour un intercalaire de feuilletage classique, et cette structure laminée est passée à l'étuve de manière à obtenir une bonne cohésion entre les différentes couches constitutives du module.
De manière connue, un module photovoltaïque selon l'invention peut être fabriqué en mode superstrat, c'est-à-dire par dépôt successif des couches constitutives du dispositif à partir du substrat avant, ce qui est notamment le cas des modules photovoltaïques à couches minces dont l'absorbeur est à base de silicium ou de tellurure de cadmium, ou en mode substrat, c'est-à-dire par dépôt successif des couches constitutives de la cellule sur le substrat arrière, ce qui est notamment le cas des modules photovoltaïques à couches minces dont l'absorbeur est à base de composé chalcopyrite.
De manière particulièrement avantageuse, lorsque le module est fabriqué en mode substrat et la matrice polymère de la couche de diffusion est un intercalaire de feuilletage polymère, la couche de diffusion permet à la fois d'améliorer le guidage du rayonnement dans le module et d'assurer la cohésion mécanique du module.
Dans le cas où le milieu d'encapsulation est formé par un polymère thermoplastique transparent, et notamment par une partie du substrat avant à fonction verrière du module selon l'invention, l'encapsulation des fibres de la structure fibreuse dans le substrat thermoplastique peut être réalisée au cours du moulage, en positionnant la structure fibreuse dans un moule puis en injectant le polymère thermoplastique dans le moule.
Quelle que soit la technique choisie pour la mise en place de la structure fibreuse dans le milieu d'encapsulation, par exemple par encastrement ou par moulage par injection comme décrit ci-dessus, l'utilisation d'une structure fibreuse, tissée ou non tissée, dont les fibres sont liées entre elles préalablement à l'incorporation de la structure fibreuse dans le milieu d'encapsulation, par enchevêtrement et/ou à l'aide d'un liant, facilite la manipulation et la fabrication.
L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés. Les avantages précités en termes de piégeage du rayonnement par la couche de diffusion et de flou en angle peuvent être obtenus au moyen de toute couche comportant une structure fibreuse transparente et un milieu d'encapsulation transparent, qui a des propriétés adaptées pour présenter à la fois un flou et une transmission lumineuse élevés. Une condition d'obtention d'un flou élevé est, conformément à l'invention, que la valeur absolue de la différence entre l'indice de réfraction des fibres de la structure fibreuse et l'indice de réfraction du milieu d'encapsulation est supérieure ou égale à 0,05.
Lorsque le milieu d'encapsulation est une matrice polymère, notamment formée par un intercalaire de feuilletage ou un substrat thermoplastique, cette matrice polymère peut présenter une épaisseur supérieure ou égale à l'épaisseur de la structure fibreuse. En particulier, lorsque la matrice polymère présente une épaisseur supérieure à celle de la structure fibreuse, cette matrice peut dépasser d'un côté ou des deux côtés de la structure fibreuse.
Comme mentionné précédemment, la structure fibreuse peut être une structure tissée ou non tissée. La structure fibreuse peut être formée par des fibres non liées entre elles préalablement à la formation de la couche de diffusion, par exemple des fibres qui sont déposées, ou saupoudrées, dans une matrice polymère formant le milieu d'encapsulation en s'emmêlant à la manière d'un voile, ce voile étant alors dépourvu de liant autre que la matrice polymère. Selon une variante, le milieu d'encapsulation peut être formé par de l'air ou par un liquide d'indice de réfraction approprié, au lieu d'une matrice polymère.
Par ailleurs, l'invention a été décrite à partir d'exemples dans lesquels la couche de diffusion est agencée contre l'électrode avant d'une cellule photovoltaïque. En variante, la couche de diffusion peut être agencée à l'avant d'une cellule photovoltaïque en étant séparée de l'électrode avant de cette cellule par des couches intermédiaires transparentes.
Comme illustré dans le troisième mode de réalisation, un dispositif selon l'invention peut comprendre plusieurs éléments collecteurs de rayonnement. Dans ce cas, le dispositif peut intégrer plusieurs couches de diffusion comportant une structure fibreuse transparente et un milieu d'encapsulation transparent, agencées chacune à l'avant d'un élément collecteur du dispositif.
En particulier, dans le troisième mode de réalisation, le module photovoltaïque 220 pourrait comprendre, outre la couche de diffusion 202 agencée entre la cellule arrière 230 et la cellule avant 240, une deuxième couche de diffusion positionnée à l'avant de la cellule avant 240, entre l'électrode avant 215 et le substrat avant 201 . Une telle configuration à deux couches de diffusion assure un guidage amélioré du rayonnement à la fois vers la couche d'absorbeur 216 de la cellule avant et vers la couche d'absorbeur 206 de la cellule arrière, permettant d'augmenter encore le rendement de conversion énergétique du module.
Toujours en vue d'augmenter le rendement de conversion énergétique, un dispositif collecteur de rayonnement conforme à l'invention peut également intégrer, en plus d'une ou plusieurs couches de diffusion, d'autres moyens connus d'amélioration du guidage du rayonnement, notamment un substrat avant texturé, afin de limiter la réflexion du rayonnement à l'interface entre l'air et le substrat avant.
Enfin, l'invention peut être mise en œuvre pour tout type de dispositif comprenant un élément collecteur de rayonnement, sans se limiter aux dispositifs décrits précédemment. En particulier, l'invention peut s'appliquer aux modules photovoltaïques comprenant des cellules photovoltaïques à couches minces dont la couche d'absorbeur est à base de silicium, amorphe ou microcristallin, à base de composé chalcopyrite, notamment de type CIS ou CIGS, ou encore à base de tellurure de cadmium. L'invention peut également s'appliquer aux modules photovoltaïques dont les cellules photovoltaïques sont constituées à partir de wafers de silicium polyc stallin ou monocristallin formant une jonction p/n, ou aux modules à cellules photovoltaïques organiques. L'invention est également applicable à des dispositifs collecteurs de rayonnement mettant en jeu des éléments collecteurs autres que des cellules photovoltaïques, par exemple aux modules solaires thermiques.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif collecteur de rayonnement (20 ; 120 ; 220) comprenant au moins un élément collecteur de rayonnement (30 ; 130 ; 230, 240), caractérisé en ce qu'il comprend en outre une couche de diffusion (2 ; 102 ; 202) agencée, par rapport à l'élément collecteur (30 ; 130 ; 230), du côté d'incidence du rayonnement sur le dispositif, la couche de diffusion (2 ; 102 ; 202) comportant une structure fibreuse transparente (3 ; 103 ; 203) et un milieu transparent (4 ; 104 ; 204) d'encapsulation des fibres de la structure fibreuse, la valeur absolue de la différence entre l'indice de réfraction (n3) des fibres de la structure fibreuse et l'indice de réfraction (n ) du milieu d'encapsulation étant supérieure ou égale à 0,05.
2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le milieu d'encapsulation (4 ; 104 ; 204) est un matériau polymère.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le milieu d'encapsulation (4 ; 104 ; 204) est formé par un intercalaire de feuilletage polymère.
4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le milieu d'encapsulation est formé par un substrat avant (1 ; 101 ) du dispositif (20 ; 120).
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure fibreuse (3 ; 103 ; 203) comprend des fibres de verre.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure fibreuse (3 ; 103 ; 203) comprend des fibres polymères.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure fibreuse (3 ; 103 ; 203) a une masse surfacique comprise entre 10 et 500 g/m2, de préférence entre 10 et 100 g/m2.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure fibreuse (3 ; 103 ; 203) comprend des fibres de diamètre compris entre 1 et 20 micromètres, de préférence entre 5 et 15 micromètres.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche de diffusion (2 ; 102 ; 202) a une transmission lumineuse totale supérieure ou égale à 80% et une valeur de flou supérieure ou égale à 40%.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure fibreuse (3 ; 103 ; 203) est un voile non tissé.
1 1 . Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche de diffusion (2 ; 102 ; 202) est agencée contre une électrode avant (5 ; 105 ; 205) de l'élément collecteur de rayonnement (30 ; 130 ; 230).
12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément collecteur de rayonnement du dispositif est une cellule photovoltaïque (30 ; 130 ; 230, 240).
13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une première cellule photovoltaïque (230), dont le matériau absorbeur a un premier spectre d'absorption, et une deuxième cellule photovoltaïque (240), dont le matériau absorbeur a un deuxième spectre d'absorption au moins partiellement disjoint par rapport au premier spectre d'absorption, la couche de diffusion (202) étant intercalée entre la première cellule photovoltaïque (230) et la deuxième cellule photovoltaïque (240).
14. Couvercle pour un élément collecteur de rayonnement (30 ; 130), notamment pour une cellule photovoltaïque, ce couvercle comprenant un substrat transparent (1 ; 101 ), caractérisé en ce qu'il comprend une couche de diffusion (2 ; 102) comportant une structure fibreuse transparente (3 ; 103) et un milieu transparent (4 ; 104) d'encapsulation des fibres de la structure fibreuse, la valeur absolue de la différence entre l'indice de réfraction (n3) des fibres de la structure fibreuse et l'indice de réfraction (n ) du milieu d'encapsulation étant supérieure ou égale à 0,05.
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