FR2945670A1 - Dispositif photovoltaique et procede de fabrication - Google Patents
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Abstract
Un dispositif photovoltaïque comprend au moins une cellule photovoltaïque (60) comprenant des couches minces actives (15) déposées sur un substrat (10), lesdites couches actives n'étant pas segmentées, et au moins un convertisseur statique (50) associé à chaque cellule photovoltaïque (60). Chaque cellule photovoltaïque (60) fournit une puissance électrique avec un courant maximal (I ) et une tension nominale (V ), et chaque convertisseur statique (50) est adapté à transmettre la puissance électrique fournie par la cellule photovoltaïque vers une charge (100) en diminuant le courant transmis et en augmentant la tension transmise. Sur un même panneau, les segmentations au laser des cellules photovoltaïques sont ainsi limitées voire totalement supprimées. Le rendement de fabrication du dispositif photovoltaïque est ainsi amélioré et les surfaces mortes sont limitées.
Description
DISPOSITIF PHOTOVOLTAIQUE ET PROCEDE DE FABRICATION
La présente invention concerne le domaine des dispositifs photovoltaïques et plus particulièrement les dispositifs comprenant des cellules photovoltaïques de technologies dites à couches minces. L'invention concerne aussi la fabrication d'un dispositif photovoltaïque à couches minces. De manière connue en soi, un dispositif photovoltaïque comprend une ou plusieurs cellules photovoltaïques (PV) reliées en série et/ou en parallèle. Dans le cas de matériaux inorganiques, une cellule photovoltaïque est essentiellement constituée d'une diode (jonction pn ou pin) composée à partir d'un matériau semi-conducteur. Ce matériau présente la propriété d'absorber de l'énergie lumineuse dont une part significative peut être transférée à des porteurs de charge (électrons et trous). La constitution d'une diode (jonction P-N ou PIN) par dopage de deux zones respectivement de type N et de type P - éventuellement séparées d'une région non dopée (appelée "intrinsèque" et désignée par "I" dans la jonction PIN) - permet de séparer les porteurs de charge pour ensuite les collecter via des électrodes que comporte la cellule photovoltaïque. La différence de potentiel (tension de circuit ouvert, V"~) et le courant maximal (courant de court-circuit, Icc) que peut fournir la cellule photovoltaïque sont fonction à la fois des matériaux constitutifs de l'ensemble de la cellule et des conditions environnant cette cellule (dont l'éclairement au travers de intensité spectrale, la température,...). Dans le cas des matériaux organiques, les modèles sont sensiblement différents - faisant davantage référence à la notion de matériaux donneurs et accepteurs dans lesquels sont créés des paires électron-trou appelées excitons. La finalité demeure la même : séparer les porteurs de charge pour collecter et générer un courant. Il existe plusieurs technologies connues pour fabriquer des cellules photovoltaïques. Les technologies dites à couches minces ont été développées sur un plan industriel dès 1975: ces technologies consistent à déposer différents matériaux en films minces sur un substrat par PVD (Physical Vapor Deposition) ou PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition). D'autres technologies de fabrication sont apparues par la suite, telles que les technologies dites à silicium cristallin qui R? 5f e;e1< 29FCC- 2cSC2--090514-texte dépôt oc,: - 2009-05-121- 1020 -2
représentent aujourd'hui la majorité de la production industrielle ; ces technologies consistent à réaliser des lingots de silicium monocristallin ou polycristallin puis à les découper en tranches (wafers) et à doper la tranche pour réaliser une jonction P-N ou PIN. Des technologies émergentes proposent des cellules organiques ou en matériaux composites. Les technologies de cellules photovoltaïques à couches minces présentent de nombreux avantages. Elles permettent des procédés de fabrication à haut débit pour de grandes surfaces par rapport aux technologies à silicium cristallin. Les cellules photovoltaïques à couches minces présentent aussi un bon rendement énergétique lorsqu'elles sont assemblées en module. On entend par module photovoltaïque l'assemblage d'une pluralité de cellules photovoltaïques. Le module peut en outre être associé à une électronique de gestion comprenant typiquement un convertisseur statique (CS) et éventuellement une commande électronique de recherche du point de puissance maximal (ou MPPT soit Maximum Power Point Tracker en terminologie anglaise). La figure 1 montre les étapes d'un procédé de fabrication classique d'un dispositif de cellules photovoltaïques à couches minces. Les proportions en épaisseur des différentes couches ne sont pas respectées sur le schéma de la figure 1. Dans les technologies à couches minces, les différents matériaux sont déposés en films minces sur un substrat 10 par PVD (Physical Vapor Deposition) ou par PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), ou encore par pulvérisation cathodique ou par LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition). Sont ainsi successivement déposées, une première électrode conductrice 11, des couches dites actives 15 formant une ou plusieurs jonctions et une seconde électrode conductrice 12. Les électrodes Il, 12 sont destinées à collecter le courant produit par les couches actives 15. Dans les technologies à films minces, des étapes de séquençage sont nécessaires pour former une pluralité de cellules photovoltaïques sur un même substrat. On cherche en effet à réaliser plusieurs cellules sur un même substrat pour augmenter le rendement de fabrication des cellules en réalisant les dépôts successifs sur une grande surface, typiquement plusieurs dizaines à plusieurs centaines de cellules sur une plaque de quelques cm2 au stade de laboratoire à plus de 1 m2 au stade industriel, puis en reliant ces cellules en série pour augmenter la tension de R.ABrevetsA29800\29807-090514-texte dépôt doc. - 2009-05-13 - 1020 -3
sortie du dispositif. L'analogie électrique d'un dispositif de cellules photovoltaïques sera décrite plus en détails plus loin en référence aux figures 4 à 6. La figure 1 montre une première étape (a) dans laquelle une première électrode 11 est déposée sur un substrat 10. On entend par substrat 10 la partie qui supporte les éléments actifs de la cellule photovoltaïque. Le substrat peut être rigide telle une plaque de verre ou souple telle une feuille de polymère ou d'acier inoxydable ou de titane ; il peut être transparent ou opaque selon qu'il sera placé sur le trajet de la lumière incidente ou non par rapport aux couches actives. On peut aussi choisir le substrat pour qu'il constitue au moins une des plaques d'encapsulation du produit final, par exemple un substrat verrier dans le cas d'un module photovoltaïque rigide. L'homme du métier saura choisir le substrat (verre, polymère ou métal) le mieux adapté au dépôt des différentes couches actives du dispositif qu'il souhaite fabriquer. La première électrode 11 peut être composée d'une couche d'oxyde transparent à la lumière, telle que de l'Oxyde Indium Etain (ITO pour Indium Tin Oxide) ou des oxydes transparents conducteurs (OTC) tels que de l'oxyde d'indium (In2O3), de l'oxyde de zinc (ZnO) dopé aluminium ou de l'étain (SnO2) dopé fluor par exemple. On peut prévoir de déposer une couche de réflecteur arrière directement sur le substrat 10 avant la première électrode (référencé 20 sur la figure 2), notamment lorsque le substrat 10 est transparent et que la lumière incidente pénètre dans la cellule par la face opposée au substrat. La couche de réflecteur arrière peut être une couche de cuivre, d'argent ou d'aluminium par exemple. La figure 1 montre une deuxième étape (b) dans laquelle la couche de la première électrode 11 est segmentée pour délimiter des bandes qui constitueront autant de diodes individuelles sur un même panneau défini par le substrat 10, la surface des électrodes imposant le courant maximal qui sera délivré par la diode ainsi construite. La segmentation est typiquement réalisée par gravure laser, par exemple avec un laser de type Nd-YAG (acronyme anglais de neodymium-doped yttrium aluminium gamet). La figure 1 montre une troisième étape (c) dans laquelle les couches actives 15 sont déposées. Par exemple, des couches minces de silicium amorphe hydrogéné (a- Si:H), polymorphe (pm-Si:H) ou microcristallin ( c-Si:H) peuvent être déposées pour constituer une ou plusieurs jonctions P-N ou PIN superposées. L'homme du R:ABrevets\29800V298A7ùC90514-texte dépôt doc - 2009-05-13 - 1020 -4
métier saura choisir tout matériau adapté à la fabrication d'une jonction P-N ou PIN selon les équipements industriels disponibles et/ou les besoins en rendement photoélectrique. Les couches actives 15 remplissent les interstices entre les bandes de la première électrode 11, isolant ainsi chaque segment d'électrode.
La figure 1 montre une quatrième étape (d) dans laquelle les couches actives 15 sont segmentées jusqu'à mise à nu de la première électrode 11. La segmentation des couches actives 15 est décalée par rapport à la segmentation de la première électrode 11 pour permettre un contact entre la deuxième électrode qui sera déposée à l'étape (e) et la première électrode 11, assurant ainsi la mise en série des diodes formées par les bandes adjacentes. Comme cela sera détaillé plus loin, la mise en série des diodes sur un même panneau permet d'atteindre une tension plus élevée égale à la somme des tensions élémentaires de chaque diode mise en série. La segmentation des couches actives 15 est typiquement réalisée par gravure laser, par exemple avec un laser de type Nd-YAG.
La figure 1 montre une cinquième étape (e) dans laquelle une deuxième électrode 12 est déposée pour encadrer, avec la première électrode Il, les couches actives 15 de la cellule. La deuxième électrode 12 peut être de la même composition que la première électrode 11 ou d'une composition différente ; elle peut être composée d'Oxyde Indium Etain (ITO) ou de tout Oxyde Transparent Conducteur (OTC) par exemple. La deuxième électrode 12 peut encore être recouverte d'un réflecteur arrière si la lumière incidente pénètre dans la cellule par le substrat 10 ; la deuxième électrode 12 peut aussi servir de réflecteur arrière avec une composition adaptée, par exemple si elle est composée d'un alliage d'ITO, d'argent et de Nickel. La deuxième électrode 12 remplit les interstices de segmentation des couches actives 15, assurant la mise en série de bandes adjacentes. La figure 1 montre enfin une sixième étape (f) dans laquelle la deuxième électrode 12 est segmentée jusqu'à mise à nu des couches actives. La segmentation de la deuxième électrode 12 est encore décalée par rapport à la segmentation des couches actives 15 et par rapport à la segmentation de la première électrode 11 pour délimiter, avec la première segmentation de l'étape (b), les zones actives des bandes de diodes individuelles. La segmentation de la deuxième électrode 12 est R.VBrevets\29800\29807- 090514-texte dépôt.doc - 2009-05-13 - 1020 -5
typiquement réalisée par gravure laser, par exemple avec un laser de type Nd-YAG, ou par gravure mécanique. La figure 2 résume dans un organigramme les étapes de fabrication décrites en référence à la figure 1. Le substrat 10 est tout d'abord lavé et contrôlé pour vérifier qu'il n'y ait ni fissure ni poussière ou défaut à la surface du substrat ou bien même vérifier que le substrat n'est pas cassé tout simplement. Un réflecteur 20 peut ensuite être déposé ; puis la première électrode 11. La première électrode 11 est ensuite texturée, par exemple par un recuit pour obtenir une même orientation cristalline des molécules déposées, et segmentée. La qualité de la segmentation ù finesse, rectitude, profondeur, ... ù est contrôlée et le substrat doit une nouvelle fois être lavé pour éliminer les résidus métalliques de la gravure. Les couches actives 15 ù jonctions PIN ou autres ù sont déposées et segmentées puis la deuxième électrode 12 est déposée et segmentée. Un contrôle final est alors effectué. Il existe d'autres procédés de fabrication de dispositifs de cellules photovoltaïque à couches minces présentant un ordonnancement différent de celui décrit en référence aux figures 1 et 2. Par exemple, les couches actives et la couche de la première électrode peuvent être segmentées ensembles et une encre isolante peut être sérigraphiée. Puis la deuxième électrode est déposée et segmentée. Enfin une grille de contact, en argent par exemple, est sérigraphiée sur la deuxième électrode et une étape de refusion de cette grille assure la mise en série de deux bandes photovoltaïques adjacentes. La refusion de la couche métallique est assurée par laser. On a donc typiquement trois étapes de segmentation au laser dans un procédé de fabrication classique d'un dispositif de cellules photovoltaïques à couches minces, quel que soit le procédé mis en oeuvre et la nature ou l'épaisseur des couches déposées. Chaque étape de segmentation doit être réalisée avec un laser différent, c'est-à-dire avec un réglage différent en termes de longueur d'onde, de résolution et d'angle d'attaque, afin de segmenter la ou les couches nécessaires. Ces étapes de segmentation représentent un coût important du procédé de fabrication d'un dispositif de cellules photovoltaïques à couches minces et constituent les points de limitation de la capacité de production. De plus, ces étapes de segmentation sont R:ABrevetsV29800V29807--090' 14-texte aé0ct doc - 7029-0-i3 - 10:20 -6
délicates et réduisent le rendement de production en étant responsables de nombreux défauts qui conduisent à des mises au rebut de dispositifs entiers. En outre, la segmentation réduit la surface utile du dispositif. En effet, toutes les zones qui sont détruites par une rayure de segmentation sont inexploitables pour la production d'une énergie photovoltaïque. La zone active d'une cellule photovoltaïque est délimitée par les première et troisième rayures de segmentation. Ainsi, par exemple, pour des bandes de 12 mm de large, une perte d'environ 5 à 6 % de surface, et donc d'intensité délivrée par la cellule, est due à la segmentation. La figure 3 montre une vue schématique en coupe d'un morceau de dispositif photovoltaïque à couches minces avec une interconnexion série de cellules photovoltaïques adjacentes. Les dimensions des différentes couches et des rayures de segmentation ne sont pas à l'échelle sur la figure 3. La figure 3 montre le substrat 10, la première électrode 11, les couches photovoltaïques actives 15 et la deuxième électrode 12.
La figure 3 montre aussi une première rayure de segmentation 1 permettant d'isoler électriquement deux cellules photovoltaïques adjacentes ; cette première rayure 1 est creusée dans la première électrode 11 et les couches actives 15 et remplie d'encre isolante. Une deuxième rayure de segmentation 2 est creusée dans les couches actives 15 et remplie par le matériau de la deuxième électrode 12 lors du dépôt de cette dernière. Une troisième rayure de segmentation 3 segmente en bandes la deuxième électrode 12. On peut voir sur la figure 3 (flèche noire) que le courant I d'une cellule photovoltaïque est conduit à la suivante par la deuxième électrode, la deuxième rayure et la première électrode. Chaque cellule photovoltaïque, délimitée par les première et troisième rayures 1, 3, est ainsi connectée en série avec la cellule adjacente au moyen de la deuxième rayure 2. La mise en série des cellules d'un dispositif photovoltaïque est nécessaire pour augmenter la tension de sortie du dispositif à des valeurs de tension compatibles avec les charges extérieures continues ou alternatives auxquelles le dispositif est destiné à être relié.
La segmentation des couches minces d'un dispositif photovoltaïque constitue cependant une étape coûteuse en temps et en matériel et qui réduit la surface utile du dispositif. R'V Breve l s\ 29800\2980'ù09051 6. texte depct èc.c - 2&09-05-I3 - 10:20 - 7
Il existe donc un besoin pour un procédé de fabrication d'un dispositif photovoltaïque à couches minces qui permette un rendement de fabrication amélioré et qui limite les surfaces mortes du dispositif. A cet effet, l'invention propose de limiter, voire de supprimer, l'étape de segmentation au laser dans le procédé de fabrication d'un dispositif photovoltaïque à couches minces ; une ou quelques grandes cellules occupent toute la surface du dispositif et fournissent un courant important mais avec une tension limitée. Au moins un convertisseur statique est placé aux bornes de chaque cellule pour diminuer le courant et augmenter proportionnellement la tension. On peut ainsi éliminer une étape contraignante du procédé de fabrication du dispositif photovoltaïque en ajoutant une électronique de conversion adaptée. L'invention concerne plus spécifiquement un dispositif photovoltaïque comprenant : - au moins une cellule photovoltaïque comprenant des couches minces 15 actives déposées sur un substrat, lesdites couches actives n'étant pas segmentées ; et - au moins un convertisseur statique associé à chaque cellule photovoltaïque, dans lequel 20 - chaque cellule photovoltaïque fournit une puissance électrique avec un courant maximal et une tension nominale, et - chaque convertisseur statique est adapté à transmettre la puissance électrique fournie par la cellule photovoltaïque vers une charge en diminuant le courant transmis et en augmentant la tension transmise. 2.5 Selon les modes de réalisation, le convertisseur statique est un convertisseur courant continu û courant continu (DC/DC) et/ou un convertisseur courant continu û courant alternatif (DC/AC). Selon un mode de réalisation, le convertisseur statique est associé à une électronique de gestion adaptée à contrôler la diminution du courant transmis et 30 l'augmentation de la tension transmise. L'électronique de gestion associée au convertisseur statique peut comprendre une commande de recherche du point de Erex eto.298C0 2980; -090514-texte dér àt doc.. - 2009-05-13 - 10:20 -
fonctionnement maximal (MPPT). L'électronique de gestion peut communiquer avec la charge. Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend une pluralité de convertisseurs statiques agencés en série entre chaque cellule photovoltaïque et la 5 charge. Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend une unique cellule photovoltaïque. Les couches actives de la cellule photovoltaïque peuvent couvrir plus de 95 % de la surface du substrat. Selon un autre mode de réalisation, le dispositif comprend une pluralité de 10 cellules photovoltaïques reliées en parallèle à la charge chacune par au moins un convertisseur statique. L'invention concerne aussi un générateur photovoltaïque comprenant une pluralité de dispositifs photovoltaïques selon l'invention reliés en série et/ou en parallèle. 15 L'invention concerne en outre un procédé de fabrication d'un dispositif photovoltaïque comprenant les étapes consistant à : - fabriquer au moins une cellule photovoltaïque par dépôts successifs de couches minces sur un substrat ; - connecter au moins un convertisseur statique aux bornes de chaque 20 cellule, le procédé ne comprenant aucune étape de segmentation des couches minces mettant en série plusieurs cellules photovoltaïques élémentaires.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de 25 la description qui suit des modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés, qui montrent figure 1, déjà décrite, un schéma des étapes de fabrication d'un dispositif de cellules photovoltaïques selon l'art antérieur ; figure 2, déjà décrite, un organigramme des étapes de fabrication d'un 30 dispositif de cellules photovoltaïques selon l'art antérieur ; - figure 3, déjà décrite, un schéma d'un dispositif de cellules photovoltaïques selon l'art antérieur ; R',[3revets\29800\29807- 090514-texte dépôtdoc - 2009-05-13 - 1020 - 9
- figure 4, un schéma d'un dispositif photovoltaïque selon l'invention ; - figure 5, un schéma illustrant l'analogie électrique d'une unique cellule photovoltaïque couvrant toute la surface d'un dispositif ; - figure 6, un schéma illustrant l'analogie électrique d'une cellule photovoltaïque 5 de surface réduite par rapport à la cellule de la figure 4 ; - figure 7, un schéma illustrant l'analogie électrique d'une pluralité de cellules photovoltaïques mises en série ; - figure 8, un schéma illustrant l'analogie électrique d'un dispositif photovoltaïque selon l'invention. 10 L'invention propose un dispositif photovoltaïque à couches minces comprenant au moins une cellule photovoltaïque associée à un au moins un convertisseur statique. Chaque cellule photovoltaïque du dispositif selon l'invention est électriquement reliée à une charge par au moins un convertisseur statique. On appelle 15 charge l'application électrique à laquelle est destinée le dispositif photovoltaïque sans préjuger de sa nature (continue ou alternative). Le dispositif photovoltaïque selon l'invention peut comprendre une unique cellule photovoltaïque ou plusieurs grandes cellules associée chacune à une électronique de gestion et reliées en parallèle à la charge. Sur un même panneau, les 20 segmentations au laser sont ainsi limitées voire totalement supprimées. On entend par grande cellule photovoltaïque, une cellule sans segmentation des couches actives mettant en série plusieurs cellules élémentaires. Le rendement de fabrication du dispositif photovoltaïque est ainsi amélioré et les surfaces mortes sont limitées. Une telle grande cellule délivre alors un courant important, généralement 25 supérieur aux besoins de la charge, avec une tension limitée, généralement inférieure aux besoins de la charge. Chaque convertisseur statique est alors adapté à diminuer le courant fourni par la cellule photovoltaïque à laquelle il est associé d'un facteur N et à augmenter la tension fournie à la charge d'un facteur N au maximum. La puissance reçue en entrée du convertisseur, par la cellule du dispositif photovoltaïque, est 30 sensiblement égale à la puissance fournie en sortie par le convertisseur à la charge ; la puissance de sortie peut être légèrement inférieure à la puissance d'entrée du fait de pertes thermiques et de pertes dans le convertisseur (dues à la commutation par RABrevets\29800\29807--090514-texte dépôt doc - 2009-05-13 - 10:20 - 10-
exemple). Le convertisseur transforme l'énergie reçue de la cellule photovoltaïque pour adapter la tension de sortie à des valeurs compatibles avec les applications de la charge. La figure 4 illustre un dispositif photovoltaïque selon l'invention. Dans la suite de la description, on décrit le dispositif photovoltaïque selon l'invention par rapport à une unique cellule photovoltaïque. Il est cependant entendu que le dispositif décrit peut être dupliqué avec plusieurs cellules photovoltaïques et convertisseurs statiques agencés en module et reliés en parallèle à la charge. Sur la figure 4, le dispositif de l'invention comprend une unique cellule photovoltaïque 60. Cette unique cellule photovoltaïque à couches minces comprend un substrat 10, une première électrode 11, des couches actives 15 constituant au moins une jonction, et une deuxième électrode 12. Cette cellule photovoltaïque 60 est fabriquée selon l'un des procédés décrits précédemment à l'exception des étapes de segmentation des couches déposées. La cellule 60 du dispositif selon l'invention ne présente aucune rayure de segmentation ; c'est-à-dire que ses couches actives et électrodes ne sont pas segmentées pour constituer plusieurs cellules élémentaires reliées en série comme c'est typiquement le cas dans l'art antérieur. Les couches actives 15 de la cellule couvrent donc la quasi totalité de la surface du substrat 10, plus de 95 % environ. On peut néanmoins envisager de réaliser des segmentations pour délimiter les bords de la cellule et fixer un courant maximal. Le dispositif de l'invention comprend en outre au moins un convertisseur statique 50 aux bornes de la cellule 60. Selon les applications, le convertisseur statique 50 peut être un convertisseur courant continu û courant alternatif (DC/AC selon l'acronyme utilisé en anglais) et/ou un convertisseur courant continu û courant continu (DC/DC selon l'acronyme utilisé en anglais). Le convertisseur statique 50 est adapté à transmettre la puissance électrique fournie par la cellule photovoltaïque 60 vers une charge 100 d'une application extérieure û batterie, réseau électrique ou autre. Le convertisseur 50 du dispositif selon l'invention est adapté à diminuer le courant transmis et à augmenter la tension transmise.
La figure 4 montre qu'une pluralité de convertisseurs 50 peuvent être agencés en série. La cellule 60 fournit une puissance électrique avec un courant fonction de l'ensoleillement et une tension nominale égale à la tension de seuil de la jonction. Un R:ABrevetr,.298CC\29807--090514-texte dér ctdce -X009-C -13- 10 20 -11-
premier convertisseur peut transformer cette puissance en diminuant le courant d'un premier facteur N et en augmentant la tension au maximum d'un premier facteur N ; un deuxième convertisseur peut alors transformer cette puissance en diminuant encore le courant d'un deuxième facteur N' et en augmentant encore la tension au maximum d'un deuxième facteur N'. Cette mise en cascade permet d'atteindre des valeurs importantes de tension avec des convertisseurs de taille restreinte. Chaque convertisseur 50 peut être associé à une électronique de gestion qui contrôle le facteur de diminution du courant et d'augmentation de la tension. L'électronique de gestion peut être commune à l'ensemble de convertisseurs d'une cellule. Une telle électronique peut également intégrer une commande de recherche du point de fonctionnement maximal (MPPT) de la cellule. L'électronique de gestion permet notamment une reprogrammation du fonctionnement de chaque convertisseur 50, par exemple si les besoins de la charge 100 évoluent ou si une loi de commande plus performante est proposée. Une telle électronique peut aussi détecter des défauts de fonctionnement, tant au niveau de la cellule 60 qu'au niveau des convertisseurs 50, et interrompre la transmission de puissance et/ou alerter la charge 100 et/ou un observateur extérieur, tel un superviseur réseau. La transmission d'informations entre l'électronique de gestion et la charge 100 peut se faire par courants porteur de ligne (CPL) ou par liaison radio par exemple.
L'électronique de gestion des convertisseurs 50 n'est cependant pas indispensable à la mise en oeuvre de l'invention ; si les besoins en tension de la charge sont fixes, le convertisseur 50 peut être directement conçu pour fournir une tension dans une plage de fonctionnement adaptée à la capacité de production énergétique de la cellule 60.
La figure 5 (qui est en dehors de l'invention mais présentée pour des besoins de compréhension) illustre schématiquement l'analogie électrique d'une unique cellule photovoltaïque couvrant toute la surface d'un dispositif. Comme cela a été expliqué plus haut, une cellule photovoltaïque est essentiellement constituée d'une diode ; sa tension de sortie correspond donc à la tension seuil de la diode et le courant de sortie dépend directement de la taille et des matériaux constitutifs de la cellule et des conditions environnantes. Une telle cellule peut donc fournir un courant maximal 1c, important, aux alentours de 150 A par exemple pour des couches actives de type RBrevets\79800\2980,'-09051 4-texte dépôt doc 2&29-05-13 - 10:20 -12-
couche mince de Silicium et une surface de l'ordre de 1m2, avec une tension seuil Vo, typiquement inférieure à 1 V. Une telle tension de sortie n'est généralement pas compatible avec les charges extérieures auxquelles le dispositif photovoltaïque est destiné. Par exemple, dans une application à un chargeur de batterie, la tension de sortie requise est de l'ordre de 12 V. De même, pour une application à un réseau électrique, la tension de sortie requise est de l'ordre de 240V. Ces valeurs de tension sont bien supérieures à ce que peut fournir une unique cellule photovoltaïque couvrant toute la surface du dispositif. En outre, peu d'application nécessite un courant aussi élevé que celui fourni par une unique cellule de grande taille.
C'est pourquoi les dispositifs photovoltaïques de l'art antérieur comprennent une pluralité de cellules reliées en série. Chaque cellule présente une taille réduite par rapport à la surface totale du dispositif ; le courant de sortie est donc diminué, mais la mise en série augmente la tension de sortie. La figure 6 (qui est en dehors de l'invention mais présentée pour des besoins de compréhension) illustre schématiquement l'analogie électrique d'une cellule d'un segment d'un dispositif photovoltaïque. Si le dispositif photovoltaïque comprend N bandes de cellules sur l'ensemble d'une surface identique à celle du dispositif de la figure 5. alors le courant de sortie maximal Ie, sera réduit d'un facteur N moins la surface supprimée par les rayures ; la tension de sortie de la cellule sera toujours égale à la tension seuil de la diode constituant la cellule. La figure 7 (qui est en dehors de l'invention mais présentée pour des besoins de compréhension) illustre schématiquement l'analogie électrique de la mise en série d'une pluralité de cellules photovoltaïques élémentaires de la figure 6. Le courant maximal 1,c reste réduit, du fait de la surface réduite de chaque cellule, mais la tension de sortie est augmentée d'un facteur N par la mise en série des cellules élémentaires. La tension de sortie du dispositif peut alors être compatible avec l'application extérieure. Néanmoins, comme discuté précédemment, la segmentation des couches du dispositif photovoltaïque est longue, coûteuse et constitue le point de limitation de la capacité de production. De plus, la mise en série des cellules photovoltaïques limite le courant de sortie au courant de la cellule la moins éclairée du dispositif. R \Pre: et 2980C'-2Ç8C'ù090514-texte dép5t doc - 2009-05-13 - 1020 -13-
L'invention propose donc, comme décrit en référence à la figure 4, un dispositif photovoltaïque comprenant une unique cellule photovoltaïque 60 associée à au moins un convertisseur statique 50. La figure 8 illustre schématiquement l'analogie électrique d'un dispositif photovoltaïque selon l'invention. Comme cela a été expliqué plus haut, la cellule photovoltaïque du dispositif peut être assimilé électriquement à une diode ; sa caractéristique de puissance sera donc identique à celle décrite en référence à la figure 5 avec une tension de sortie nominal Vp correspondant à la tension seuil de la diode et un courant de sortie maximal I,, dépendant directement de la taille et des matériaux constitutifs de la cellule ainsi que des conditions environnantes. La cellule du dispositif selon l'invention est cependant associée à un convertisseur statique (DC/DC ou DC/AC) qui transforme la puissance fournie par la cellule en diminuant le courant d'un facteur N et en augmentant la tension au maximum d'un facteur N. La puissance de sortie du convertisseur est sensiblement égale à la puissance d'entrée (une conversion de puissance engendre des pertes même si ces dernières sont limitées) mais la tension de sortie a pu être augmentée à des valeurs compatibles avec les besoins de la charge. La cellule photovoltaïque 60 du dispositif selon l'invention fournit ainsi un courant I,, important, qui peut atteindre 150 A, voire davantage, avec une tension nominale Vp faible, typiquement inférieure à 1 V. Le convertisseur 50 du dispositif selon l'invention assure une augmentation de cette tension, d'un facteur N qui peut être compris entre 10 et 50 selon les applications, avec une diminution correspondante du courant. Si le facteur d'augmentation de la tension ù diminution du courant ù requis par la charge 100 est important, plusieurs convertisseurs 50 (DC/DC et/ou DC/AC) peuvent être placés en cascade comme illustré sur la figure 4. Des convertisseurs dits de type Boost, Buck, Buck-Boost ou Cuck peuvent être utilisés dans le cadre de l'invention. La cellule photovoltaïque 60 du dispositif selon l'invention permet le passage de courants forts sans détérioration des couches de la cellules. Les couches des électrodes 11, 12 peuvent être adaptées en termes de matériaux et d'épaisseurs pour limiter la résistivité et l'échauffement. De même, les bus de connexion électrique 31, 32, prévus pour récolter le courant depuis chaque électrode 11, 12 de la cellule. R.\, Brevets V29800\29807--090514-texte deçôt doc- 2009-05-13 - 10:20 -14-
peuvent être adaptés en termes de matériaux et de sections pour conduire des courants forts. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits à titre d'exemple. En particulier, les matériaux cités pour fabriquer les différentes couches de la cellule ont été donnés à titre illustratif uniquement et dépendent des procédés et des équipements de fabrication utilisés. De même, les valeurs de courant et de tension n'ont été données à titre illustratif et dépendent du type de cellule photovoltaïque et de la charge à laquelle le dispositif est destiné. R.\ Brevets\ 29800',29807-0905 1 4-texte dépôtdoc - 2009-05-13 - 1020
Claims (11)
- REVENDICATIONS1. Dispositif photovoltaïque comprenant : - au moins une cellule photovoltaïque (60) comprenant des couches minces 5 actives (15) déposées sur un substrat (10), lesdites couches actives n'étant pas segmentées ; et - au moins un convertisseur statique (50) associé à chaque cellule photovoltaïque (60), dans lequel 10 - chaque cellule photovoltaïque (60) fournit une puissance électrique avec un courant maximal (I,,) et une tension nominale (Vp), et - chaque convertisseur statique (50) est adapté à transmettre la puissance électrique fournie par la cellule photovoltaïque vers une charge (100) en diminuant le courant transmis et en augmentant la tension transmise. 15
- 2. Le dispositif photovoltaïque selon la revendication 1, dans lequel le convertisseur statique (50) est un convertisseur courant continu û courant continu (DC/DC) et/ou un convertisseur courant continu û courant alternatif (DC/AC).
- 3. Le dispositif photovoltaïque selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le 20 convertisseur statique (50) est associé à une électronique de gestion adapté à contrôler la diminution du courant transmis et l'augmentation de la tension transmise.
- 4. Le dispositif photovoltaïque selon la revendication 3, dans lequel l'électronique de gestion associée au convertisseur statique (50) comprend 25 une commande de recherche du point de fonctionnement maximal (MPPT).
- 5. Le dispositif photovoltaïque selon la revendication 3 ou 4, dans lequel l'électronique de gestion est adaptée à communiquer avec la charge (100). R:ABrevetV29800\29807-090514-texte dépôtdoc - 2009-05-13 - 10:20-16-
- 6. Le dispositif photovoltaïque selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une pluralité de convertisseurs statiques (50) agencés en série entre chaque cellule photovoltaïque (60) et la charge (100).
- 7. Le dispositif photovoltaïque l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant une unique cellule photovoltaïque (60).
- 8. Le dispositif photovoltaïque de la revendication 7, dans lequel les couches actives (15) de la cellule photovoltaïque (60) couvre plus de 95 % de la surface du substrat (10).
- 9. Le dispositif photovoltaïque selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant une pluralité de cellules photovoltaïques (60) reliées en parallèle à la charge (100) chacune par au moins un convertisseur statique (50).
- 10. Générateur photovoltaïque comprenant une pluralité de dispositifs photovoltaïques selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 reliés en 15 série et/ou en parallèle.
- 11. Un procédé de fabrication d'un dispositif photovoltaïque comprenant les étapes consistant à : - fabriquer au moins une cellule photovoltaïque par dépôts successifs de couches minces sur un substrat ; 20 - connecter au moins un convertisseur statique aux bornes de chaque cellule, le procédé ne comprenant aucune étape de segmentation des couches minces mettant en série plusieurs cellules photovoltaïques élémentaires. R:ABrevets\29800'29807--090514-texte dép5td2_ - 7C29-05-13- 10:20
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