FR3107990A1 - Module photovoltaïque léger comportant des couches avant et arrière polymère et des renforts fibrés - Google Patents
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Abstract
L'objet principal de l'invention est un module photovoltaïque (1) obtenu à partir d’un empilement comportant : une première couche (2) transparente; une pluralité de cellules photovoltaïques (4) ; un ensemble encapsulant (3); une deuxième couche (5). Le module se caractérise en ce que la première couche (2) et la deuxième couche (5) comportent chacune au moins un matériau polymère, en ce que l’ensemble encapsulant (3) est constitué par un matériau polymère présentant un module de Young compris entre 2 et 400 MPa à 25°C, et en ce que l’empilement comporte au moins une couche de renforts dite « avant » à base de fibres (9a, 11a, 13a), située entre la première couche (2) et la pluralité de cellules photovoltaïques (4), et au moins une couche de renforts dite « arrière » à base de fibres (9b, 11b, 13b), située entre la deuxième couche (5) et la pluralité de cellules photovoltaïques (4).
Figure pour l’abrégé : Figure 3
Description
La présente invention se rapporte au domaine des modules photovoltaïques, qui comportent un ensemble de cellules photovoltaïques reliées entre elles électriquement, et préférentiellement des cellules photovoltaïques dites «cristallines», c’est-à-dire qui sont à base de silicium monocristallin ou multicristallin.
L’invention peut être mise en œuvre pour de nombreuses applications, notamment civiles et/ou militaires, par exemple des applications autonomes et/ou embarquées, étant particulièrement concernée par les applications qui requièrent l’utilisation de modules photovoltaïques sans verre et légers, en particulier d’un poids par unité de surface inférieur à 5 kg/m², et de faible épaisseur, notamment inférieure à 5 mm. Elle peut ainsi notamment être appliquée pour des bâtiments tels que des habitats ou locaux industriels (tertiaires, commerciaux, …), par exemple pour la réalisation de leurs toitures, pour la conception de mobilier urbain, par exemple pour de l’éclairage public, la signalisation routière ou encore la recharge de voitures électriques, voire également être utilisée pour des applications nomades (mobilité solaire), en particulier pour une intégration sur des véhicules, tels que voitures, bus ou bateaux, des drones, des ballons dirigeables, entre autres.
L’invention propose ainsi un module photovoltaïque léger obtenu par un empilement comportant une première couche polymère formant la face avant du module, une deuxième couche polymère formant la face arrière du module, et des couches de renforts à base de fibres, ainsi qu’un procédé de réalisation d’un tel module photovoltaïque.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Un module photovoltaïque est un assemblage de cellules photovoltaïques disposées côte à côte entre une première couche transparente formant une face avant du module photovoltaïque et une seconde couche formant une face arrière du module photovoltaïque.
La première couche formant la face avant du module photovoltaïque est avantageusement transparente pour permettre aux cellules photovoltaïques de recevoir un flux lumineux. Elle est traditionnellement réalisée en une seule plaque de verre, notamment du verre trempé, présentant une épaisseur typiquement comprise entre 2 et 4 mm, classiquement de l’ordre de 3 mm.
La deuxième couche formant la face arrière du module photovoltaïque peut quant à elle être réalisée à base de verre, de métal ou de plastique, entre autres. Elle est souvent formée par une structure polymérique à base d’un polymère isolant électrique, par exemple du type polytéréphtalate d'éthylène (PET) ou polyamide (PA), pouvant être protégée par une ou des couches à base de polymères fluorés,comme le polyfluorure de vinyle (PVF) ou le polyfluorure de vinylidène (PVDF), et ayant une épaisseur de l’ordre de 400 µm.
Les cellules photovoltaïques peuvent être reliées électriquement entre elles par des éléments de contact électrique avant et arrière, appelés conducteurs de liaison, et formés par exemple par des bandes de cuivre étamé, respectivement disposées contre les faces avant (faces se trouvant en regard de la face avant du module photovoltaïque destinée à recevoir un flux lumineux) et arrière (faces se trouvant en regard de la face arrière du module photovoltaïque) de chacune des cellules photovoltaïques, ou bien encore uniquement en face arrière pour les cellules photovoltaïques de type IBC (pour «Interdigitated Back Contact» en anglais).
Il est à noter que les cellules photovoltaïques de type IBC («Interdigitated Back Contact») sont des structures pour lesquelles les contacts sont réalisés sur la face arrière de la cellule en forme de peignes interdigités. Elles sont par exemple décrites dans le brevet américain US 4,478,879 A.
Par ailleurs, les cellules photovoltaïques, situées entre les première et deuxième couches formant respectivement les faces avant et arrière du module photovoltaïque, peuvent être encapsulées. De façon classique, l’encapsulant choisi correspond à un polymère du type élastomère (ou caoutchouc), et peut par exemple consister en l’utilisation de deux couches (ou films) de poly(éthylène-acétate de vinyle) (EVA) entre lesquelles sont disposées les cellules photovoltaïques et les conducteurs de liaison des cellules. Chaque couche d’encapsulant peut présenter une épaisseur d’au moins 0,2 mm et un module de Young typiquement compris entre 2 et 400 MPa à température ambiante.
On a ainsi représenté partiellement et schématiquement, respectivement en coupe sur la figure 1 et en vue éclatée sur la figure 2, un exemple classique de module photovoltaïque 1 comportant des cellules photovoltaïques 4 cristallines.
Comme décrit précédemment, le module photovoltaïque 1 comporte une face avant 2, généralement réalisée en verre trempé transparent d’épaisseur d’environ 3 mm, et une face arrière 5, par exemple constituée par une feuille polymère, opaque ou transparente, monocouche ou multicouche, ayant un module de Young supérieur à 400 MPa à température ambiante.
Entre les faces avant 2 et arrière 5 du module photovoltaïque 1 se situent les cellules photovoltaïques 4, reliées électriquement entre elles par des conducteurs de liaison 6 et immergées entre deux couches avant 3a et arrière 3b de matériau d’encapsulation formant toutes les deux un ensemble encapsulant 3.
La figure 1A représente en outre une variante de réalisation de l’exemple de la figure 1 dans laquelle les cellules photovoltaïques 4 sont de type IBC, les conducteurs de liaison 6 étant uniquement disposés contre les faces arrières des cellules photovoltaïques 4.
Par ailleurs, les figures 1 et 2 représentent également la boîte de jonction 7 du module photovoltaïque 1, destinée à recevoir le câblage nécessaire à l’exploitation du module. Classiquement, cette boîte de jonction 7 est réalisée en plastique ou en caoutchouc, et présente une étanchéité complète.
De façon habituelle, le procédé de réalisation du module photovoltaïque 1 comporte une étape dite de lamination sous vide des différentes couches décrites précédemment, à une température supérieure ou égale à 120°C, voire 140°C, voire encore 150°C, et inférieure ou égale à 170°C, typiquement comprise entre 145 et 165°C, et pendant une durée du cycle de lamination d’au moins 10 minutes, voire 15 minutes.
Pendant cette étape de lamination, les couches de matériau d’encapsulation 3a et 3b fondent et viennent englober les cellules photovoltaïques 4, en même temps que l’adhérence se crée à toutes les interfaces entre les couches, à savoir entre la face avant 2 et la couche avant de matériau d’encapsulation 3a, la couche avant de matériau d’encapsulation 3a et les faces avant 4a des cellules photovoltaïques 4, les faces arrière 4b des cellules photovoltaïques 4 et la couche arrière de matériau d’encapsulation 3b, et la couche arrière de matériau d’encapsulation 3b et la face arrière 5 du module photovoltaïque 1. Le module photovoltaïque 1 obtenu est ensuite encadré, typiquement par le biais d’un profilé en aluminium.
Une telle structure est maintenant devenue un standard qui possède une résistance mécanique importante grâce à l’utilisation d’une face avant 2 en verre épais et du cadre aluminium, lui permettant, notamment et dans la majorité des cas, de respecter les normes IEC 61215 et IEC 61730.
Néanmoins, un tel module photovoltaïque 1 selon la conception classique de l’art antérieur présente l’inconvénient d’avoir un poids élevé, en particulier un poids par unité de surface d’environ 10 à 12 kg/m², et n’est ainsi pas adapté pour certaines applications pour lesquelles la légèreté est une priorité.
Ce poids élevé du module photovoltaïque 1 provient principalement de la présence du verre épais, avec une épaisseur d’environ 3 mm, pour former la face avant 2, la densité du verre étant en effet élevée, de l’ordre de 2,5 kg/m²/mm d’épaisseur, et du cadre aluminium. Pour pouvoir résister aux contraintes lors de la fabrication et également pour des raisons de sécurité, par exemple du fait du risque de coupure, le verre est trempé. Or, l’infrastructure industrielle de la trempe thermique est configurée pour traiter du verre d’au moins 3 mm d’épaisseur. En outre, le choix d’avoir une épaisseur de verre d’environ 3 mm est également lié à une résistance mécanique à la pression normée de 5,4 kPa. En définitif, le verre représente ainsi à lui seul pratiquement 70 % du poids du module photovoltaïque 1, et plus de 80 % avec le cadre en aluminium autour du module photovoltaïque 1.
Aussi, afin d’obtenir une réduction significative du poids d’un module photovoltaïque pour permettre son utilisation dans de nouvelles applications exigeantes en termes de légèreté et de mise en forme, il existe un besoin pour trouver une solution alternative à l’utilisation d’un verre épais en face avant du module. Une des problématiques consiste donc à remplacer la face avant en verre par de nouveaux matériaux plastiques ou composites tout en conservant l’architecture et la méthode de mise en œuvre habituelles avec pour but premier la diminution importante du poids surfacique.
Ainsi, des feuilles de polymères, comme le polycarbonate (PC), le polyméthacrylate de méthyle (PMMA), le polyfluorure de vinylidène (PVDF), l’éthylène tétrafluoroéthylène (ETFE), l’éthylène chlorotrifluoroéthylène (ECTFE), ou l’éthylène propylène fluoré (FEP), peuvent représenter une alternative au verre. Cependant, lorsque seul le remplacement du verre par une telle feuille mince de polymères est envisagé, la cellule photovoltaïque devient très vulnérable au choc, à la charge mécanique et aux dilatations différentielles.
Une alternative est l’utilisation de renforts, notamment de type fibres de verre, fibres de carbone ou fibres naturelles telles que lin, chanvre, entre autres, qui viennent en complément de l’encapsulant standard pour former un composite de type polymère/fibres associé à un film de protection polymère en face avant. Le gain de poids peut être significativement important en dépit d’une moins bonne transparence.
La suppression du verre en face avant des modules photovoltaïques a fait l’objet de plusieurs brevets ou demandes de brevet dans l’art antérieur. On peut ainsi citer à ce titre la demande de brevet FR 2955051 A1, la demande de brevet américain US 2005/0178428 A1 ou encore les demandes internationales WO 2008/019229 A2 et WO 2012/140585 A1.
D’autres brevets ou demandes de brevet ont décrit l’utilisation de renforts seuls ou en composites, comme par exemple la demande de brevet européen EP 2863443 A1, ou encore les demandes internationales WO 2018/076525 A1, WO 2019/006764 A1 et WO 2019/006765 A1.
Par ailleurs, on connait également la demande internationale WO 2018/060611 A1 qui décrit l’utilisation d’une couche de cellules photovoltaïques entre deux couches de tissu de fibres de verre pré-imprégnées de résine époxy, elles-mêmes entre deux couches de tissu sec de fibres de verre. Aucun encapsulant autour des cellules photovoltaïques n’est prévu car les pré-imprégnés servent de liant.
Il existe ainsi un besoin pour concevoir une solution alternative de module photovoltaïque prévu pour être léger afin de s’adapter à certaines applications, tout en présentant des propriétés mécaniques suffisantes lui permettant d’être résistant aux chocs et à la charge mécanique, et en particulier aux normes IEC 61215 et IEC 61730. Il existe en outre un besoin pour réduire l’épaisseur des composants constitutifs du module photovoltaïque et optimiser le grammage de renforts de manière à réduire le poids surfacique tout en conservant de bonnes propriétés mécaniques. De plus, il existe un besoin pour identifier et intégrer des renforts, notamment des renforts fibrés, permettant de conserver le procédé standard par lamination à chaud des modules photovoltaïques et de conserver également les propriétés électriques et la transparence en face avant.
L’invention a donc pour but de remédier au moins partiellement aux besoins mentionnés précédemment et aux inconvénients relatifs aux réalisations de l’art antérieur.
L’invention a ainsi pour objet, selon l’un de ses aspects, un module photovoltaïque obtenu à partir d’un empilement comportant :
- une première couche transparente formant la face avant du module photovoltaïque, destinée à recevoir un flux lumineux,
- une pluralité de cellules photovoltaïques disposées côte à côte et reliées électriquement entre elles,
- un ensemble encapsulant la pluralité de cellules photovoltaïques,
- une deuxième couche, l’ensemble encapsulant et la pluralité de cellules photovoltaïques étant situés entre les première et deuxième couches,
caractérisé en ce que la première couche comporte au moinsun matériau polymère,
en ce que la deuxième couche comporte au moins un matériau polymère,
en ce que l’ensemble encapsulant est constitué par un matériau polymère présentant un module de Young compris entre 2 et 400 MPa à 25°C, voire entre 2 et 300 MPa à 25°C,
- une première couche transparente formant la face avant du module photovoltaïque, destinée à recevoir un flux lumineux,
- une pluralité de cellules photovoltaïques disposées côte à côte et reliées électriquement entre elles,
- un ensemble encapsulant la pluralité de cellules photovoltaïques,
- une deuxième couche, l’ensemble encapsulant et la pluralité de cellules photovoltaïques étant situés entre les première et deuxième couches,
caractérisé en ce que la première couche comporte au moinsun matériau polymère,
en ce que la deuxième couche comporte au moins un matériau polymère,
en ce que l’ensemble encapsulant est constitué par un matériau polymère présentant un module de Young compris entre 2 et 400 MPa à 25°C, voire entre 2 et 300 MPa à 25°C,
et en ce que l’empilement comporte au moins une couche de renforts dite «avant» à base de fibres, située entre la première couche et la pluralité de cellules photovoltaïques, et au moins une couche de renforts dite «arrière» à base de fibres, située entre la deuxième couche et la pluralité de cellules photovoltaïques.
Par «couche de renfortsà base de fibres », on entend une couche comportant majoritairement des fibres organiques et/ou inorganiques, et de préférence une couche constituée de fibres organiques et/ou inorganiques. Avantageusement, une couche de renforts à base de fibres selon l’invention permet un renfort mécanique à l’empilement de couches destinées à former le module photovoltaïque. Avant lamination, les fibres d’une couche de renforts à base de fibres selon l’invention sont préférentiellement non imprégnées, notamment par un matériau polymère. Une telle couche de renforts peut être dite fibrée, tissée ou non «sec». En particulier, une telle couche de renforts n’est pas une couche de pré-imprégné, ni une couche composite.
De façon avantageuse, le principe de l’invention consiste notamment à la fois à remplacer le verre épais standard d’une épaisseur d’environ 3 mm, habituellement utilisé dans un module photovoltaïque classique, par une première couche sous forme de monocouche ou de multicouche comprenant un matériau polymère, et à modifier la face arrière du module photovoltaïque par une deuxième couche sous forme de monocouche ou de multicouche comprenant un matériau polymère, et à prévoir également la présence de renforts fibrés, tissés ou non tissés.
Il est à noter que la première couche peut être monocouche, à savoir formée en une partie, ou multicouche, à savoir formée en plusieurs parties. De même, la deuxième couche peut être monocouche ou multicouche.
Le terme «transparent» signifie que la première couche formant la face avant du module photovoltaïque est au moins partiellement transparente à la lumière visible, laissant passer au moins environ 80 % de cette lumière.
En particulier, la transparence optique, entre 300 et 1200 nm, de la première couche formant la face avant du module photovoltaïque peut être supérieure à 80 %. De même, la transparence optique, entre 300 et 1200 nm, de l’ensemble encapsulant peut être supérieure à 90 %.
En outre, par le terme «encapsulant» ou «encapsulé», il faut comprendre que la pluralité de cellules photovoltaïques est disposée dans un volume, par exemple hermétiquement clos vis-à-vis des liquides, au moins en partie formé par au moins deux couches de matériau(x) d’encapsulation, réunies entre elles après lamination pour former l’ensemble encapsulant.
En effet, initialement, c’est-à-dire avant toute opération de lamination, l’ensemble encapsulant est constitué par au moins deux couches de matériau(x) d’encapsulation, dites couches de cœur, entre lesquelles la pluralité de cellules photovoltaïques est encapsulée. Toutefois, pendant l’opération de lamination des couches, les couches de matériau d’encapsulation fondent pour ne former, après l’opération de lamination, qu’une seule couche (ou ensemble) solidifiée dans laquelle sont noyées les cellules photovoltaïques.
Par ailleurs, grâce à l’invention, il peut être possible d’obtenir un nouveau type de module photovoltaïque léger qui, par l’utilisation de matériau, peut présenter un poids surfacique inférieur à 5 kg/m². De plus, par l’utilisation de renforts tissés ou non en face avant et en face arrière, le module photovoltaïque selon l’invention conserve d’excellentes propriétés de résistance à la dilatation différentielle, de transparence en face avant et de résistance mécanique.
Le module photovoltaïque selon l’invention peut en outre comporter l’une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises isolément ou suivant toutes combinaisons techniques possibles.
L’ensemble encapsulant peut être obtenu par la réunion d’une couche avant de matériau d’encapsulation et d’une couche arrière de matériau d’encapsulation de part et d’autre des cellules photovoltaïques. Selon un mode de réalisation de l’invention, ladite au moins une couche de renforts dite «avant» à base de fibres peut être située entre la première couche et la couche avant de matériau d’encapsulation, et ladite au moins une couche de renforts dite «arrière» à base de fibres peut être située entre la deuxième couche et la couche arrière de matériau d’encapsulation.
Ladite au moins une couche de renforts avant à base de fibres et/ou ladite au moins une couche de renforts arrière à base de fibres peuvent comporter des fibres tissées ou non tissées.
Ladite au moins une couche de renforts avant à base de fibres et/ou ladite au moins une couche de renforts arrière à base de fibres peuvent présenter chacune un poids surfacique compris entre 20 et 200 g/m², et de préférence entre 80 et 150 g/m².
De plus, ladite au moins une couche de renforts avant à base de fibres et/ou ladite au moins une couche de renforts arrière à base de fibres peuvent comporter des fibres de verre, de carbone, d’aramide et/ou des fibres naturelles, notamment de chanvre, de lin et/ou de soie, entre autres.
Selon une première variante, l’ensemble encapsulant peut être au contact direct de la pluralité de cellules photovoltaïques. Alors, l’empilement formant le module photovoltaïque peut comporter une couche d’encapsulant dite «avant» au contact direct de la première couche et une couche d’encapsulant dite «arrière» au contact direct de la deuxième couche.
Selon une deuxième variante, une couche de renforts avant à base de fibres et une couche de renforts arrière à base de fibres peuvent être au contact direct de la pluralité de cellules photovoltaïques. Alors, l’ensemble encapsulant peut être au contact direct des première et deuxième couches ou l’empilement formant le module photovoltaïque peut comporter une couche d’encapsulant dite «avant» au contact direct de la première couche et une couche d’encapsulant dite «arrière» au contact direct de la deuxième couche.
Par ailleurs, l’empilement formant le module photovoltaïque peut comporter, entre la première couche et la pluralité de cellules photovoltaïques, une pluralité de couches de renforts avant à base de fibres en alternance avec une pluralité de couches d’encapsulant avant, et peut comporter, entre la deuxième couche et la pluralité de cellules photovoltaïques, une pluralité de couches de renforts arrière à base de fibres en alternance avec une pluralité de couches d’encapsulant arrière.
En outre, l’épaisseur de la première couche et/ou l’épaisseur de la deuxième couche peut être comprise entre 15 et 300 µm, et de préférence entre 200 et 300 µm.
Avantageusement, ladite au moins une couche de renfortsavant à base de fibres et ladite au moins une couche de renforts arrière à base de fibres peuvent être identiques.
Par ailleurs, le matériau polymère de la première couche et/ou de la deuxième couche peut être choisi parmi : le polycarbonate (PC), le polyméthacrylate de méthyle (PMMA), le polytéréphtalate d'éthylène (PET), le polyamide (PA), un polymère fluoré, notamment le polyfluorure de vinyle (PVF) ou le polyfluorure de vinylidène (PVDF), l’éthylène tétrafluoroéthylène (ETFE), l’éthylène chlorotrifluoroéthylène (ECTFE), le polytétrafluoroéthylène (PTFE), le polychlorotrifluoroéthylène (PCTFE), l’éthylène propylène fluoré (FEP) et/ou un film multicouche comprenant un ou plusieurs des polymères précités, entre autres.
En outre, la première couche formant la face avant peut présenter un filtre de coupure UV («UV cutoff» en anglais) compris entre 320 et 450 nm, ce qui correspond à la longueur d’onde pour laquelle le taux de transmission est égale à 50%. De cette façon, la ou les couches de renforts à base de fibres peuvent être protégées du vieillissement aux rayonnements ultraviolets (UV) et éventuellement de l’hydrolyse, ce qui procure au module photovoltaïque une durée de vie allongée.
En outre, l’ensemble encapsulant, et la ou les éventuelles couches d’encapsulant avant ou arrière peuvent être formés par au moins une couche comportant au moins un matériau d’encapsulation de type polymère choisi parmi: les copolymères d’acides, les ionomères, le poly(éthylène-acétate de vinyle) (EVA), les acétals de vinyle, tels que les polyvinylbutyrals (PVB), les polyuréthanes, les chlorures de polyvinyle, les polyéthylènes, tels que les polyéthylènes linéaires basse densité, les polyoléfines élastomères de copolymères, les copolymères d’α-oléfines et des α-, β- esters d’acide carboxylique à éthylénique, tels que les copolymères éthylène-acrylate de méthyle et les copolymères éthylène-acrylate de butyle, les élastomères de silicone et/ou les élastomères à base de polyoléfine thermoplastique réticulée, entre autres.
L’ensemble encapsulant peut présenter une épaisseur comprise entre 20 µm et 400 µm. De plus, l’ensemble encapsulant peut présenter un module de Young compris entre 2 et 400 MPa à 25°C, voire entre 2 et 300 MPa à 25°C.
De plus, les cellules photovoltaïques peuvent être choisies parmi: des cellules photovoltaïques homojonction ou hétérojonction à base de silicium monocristallin (c-Si) et/ou multi-cristallin (mc-Si), et/ou des cellules photovoltaïques de type IBC, et/ou des cellules photovoltaïques comprenant au moins un matériau parmi le silicium amorphe (a-Si), le silicium microcristallin (µC-Si), le tellurure de cadmium (CdTe), le cuivre-indium séléniure (CIS), le cuivre-indium/gallium diséléniure (CIGS), et les perovskites, entre autres.
Par ailleurs, les cellules photovoltaïques peuvent présenter une épaisseur comprise entre 1 et 300 µm, notamment entre 1 et 200 µm, et avantageusement entre 70 µm et 160 µm.
Le module photovoltaïque peut en outre comporter une boîte de jonction, destinée à recevoir le câblage nécessaire à l’exploitation du module photovoltaïque, pouvant être positionnée en face avant ou en face arrière du module, préférentiellement en face avant.
En outre, l’espacement entre deux cellules photovoltaïques voisines, ou encore consécutives ou adjacentes, peut être supérieur ou égal à 1 mm, notamment compris entre 1 et 30 mm, et de préférence égal à 2 mm.
De plus, l’invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un procédé de réalisation d’un module photovoltaïque, notamment tel que défini précédemment, à partir d’un empilement comportant :
- une première couche transparente formant la face avant du module photovoltaïque, destinée à recevoir un flux lumineux,
- une pluralité de cellules photovoltaïques disposées côte à côte et reliées électriquement entre elles,
- un ensemble encapsulant la pluralité de cellules photovoltaïques,
- une deuxième couche, l’ensemble encapsulant et la pluralité de cellules photovoltaïques étant situés entre les première et deuxième couches,
caractérisé en ce que la première couche comporte au moinsun matériau polymère,
- une première couche transparente formant la face avant du module photovoltaïque, destinée à recevoir un flux lumineux,
- une pluralité de cellules photovoltaïques disposées côte à côte et reliées électriquement entre elles,
- un ensemble encapsulant la pluralité de cellules photovoltaïques,
- une deuxième couche, l’ensemble encapsulant et la pluralité de cellules photovoltaïques étant situés entre les première et deuxième couches,
caractérisé en ce que la première couche comporte au moinsun matériau polymère,
en ce que la deuxième couche comporte au moins un matériau polymère,
en ce que l’ensemble encapsulant est constitué par un matériau polymère présentant un module de Young compris entre 2 et 400 MPa à 25°C,
en ce que l’empilement comporte au moins une couche de renforts dite «avant» à base de fibres, située entre la première couche et la pluralité de cellules photovoltaïques, et au moins une couche de renforts dite «arrière» à base de fibres, située entre la deuxième couche et la pluralité de cellules photovoltaïques,
et en ce que le procédé comporte l’étape de lamination à chaud et sous vide des couches constitutives de l’empilement pour obtenir le module photovoltaïque.
en ce que l’ensemble encapsulant est constitué par un matériau polymère présentant un module de Young compris entre 2 et 400 MPa à 25°C,
en ce que l’empilement comporte au moins une couche de renforts dite «avant» à base de fibres, située entre la première couche et la pluralité de cellules photovoltaïques, et au moins une couche de renforts dite «arrière» à base de fibres, située entre la deuxième couche et la pluralité de cellules photovoltaïques,
et en ce que le procédé comporte l’étape de lamination à chaud et sous vide des couches constitutives de l’empilement pour obtenir le module photovoltaïque.
L’étape de lamination à chaud et sous vide peut en particulier être réalisée à une température comprise entre 130°C et 180°C, notamment de l’ordre de 150°C, et pendant une durée du cycle de lamination d’au moins 5 minutes, notamment comprise entre 5 et 20 minutes, notamment de l’ordre de 10 minutes.
Le module photovoltaïque et le procédé de réalisation selon l’invention peuvent comporter l’une quelconque des caractéristiques précédemment énoncées, prises isolément ou selon toutes combinaisons techniquement possibles avec d’autres caractéristiques.
L’invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d’exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, ainsi qu’à l’examen des figures, schématiques et partielles, du dessin annexé, sur lequel:
Dans l’ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues.
De plus, les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.
Les figures 1, 1A et 2 ont déjà été décrites dans la partie relative à l’état de la technique antérieure.
Les figures 3, 4 et 5 illustrent, en coupe et en vue éclatée, trois modes de réalisation distincts de modules photovoltaïques 1 conformes à l’invention.
On considère ici que les cellules photovoltaïques 4, interconnectées par des rubans en cuivre étamé soudés, semblables à ceux représentés aux figures 1, 1A et 2, sont des cellules «cristallines», c’est-à-dire qu’elles comportent du silicium mono ou multicristallin, et qu’elles présentent une épaisseur comprise entre 1 et 250 µm.
Bien entendu, ces choix ne sont nullement limitatifs.
On se réfère tout d’abord à la figure 3 qui illustre, en coupe et en vue éclatée, un premier exemple de réalisation d’un module photovoltaïque 1 conforme à l’invention.
Il est à noter que la figure 3 correspond à une vue éclatée du module photovoltaïque 1 avant l’étape de lamination du procédé selon l’invention. Une fois l’étape de lamination réalisée, assurant un pressage à chaud et sous vide, les différentes couches sont en réalité au contact les unes aux autres, et notamment interpénétrées les unes dans les autres. En particulier, l’encapsulant est interpénétré au travers des couches de renforts.
Le module photovoltaïque 1, ou plus précisément l’empilement destiné à former le module photovoltaïque 1, comporte ainsi une première couche 2 formant la face avant du module photovoltaïque 1 et destinée à recevoir un flux lumineux, une pluralité de cellules photovoltaïques 4 disposées côte à côte et reliées électriquement entre elles, un ensemble encapsulant 3 la pluralité de cellules photovoltaïques 4, et une deuxième couche 5 formant la face arrière du module photovoltaïque 1.
Il est en outre à noter qu’une boîte de jonction 7 peut être disposée sur la face avant, comme représenté sur la figure 3, ou encore sur la face arrière, du module photovoltaïque 1.
Conformément à l’invention, et de manière commune aux exemples des figures 3, 4 et 5, la première couche 2 comporte un matériau polymère et la deuxième couche 5 comporte un matériau polymère. Dans ces trois exemples des figures 3, 4 et 5, les première 2 et deuxième 5 couches sont chacune à base d’un ou plusieurs films polymère de type polyester, tels que ceux développés par la société Coveme dans la gamme dyMat Pye, avec une épaisseur e2, e5de l’ordre de 280 µm.
Par ailleurs, l’exemple de la figure 3, tout comme celui de la figure 4, correspond à une première variante dans laquelle l’ensemble encapsulant 3 est au contact direct de la pluralité de cellules photovoltaïques 4.
Ainsi, le module photovoltaïque 1 comporte une couche d’encapsulant avant8a au contact direct de la première couche 2 et une couche d’encapsulant arrière 8b au contact direct de la deuxième couche 5.
De préférence, la couche d’encapsulant avant 8a et/ou la couche d’encapsulant arrière 8b comportent le même matériau encapsulant que celui utilisé pour l’ensemble encapsulant 3. Ceci permet d’obtenir une meilleure compatibilité de procédé de fabrication. Toutefois, la couche d’encapsulant avant 8a et/ou la couche d’encapsulant arrière 8b peuvent comporter un matériau différent de celui de l’ensemble encapsulant 3, même si le procédé de fabrication devient plus complexe.
Une couche de renfortsavant à base de fibres 9a est alors située entre l’ensemble encapsulant 3 et la couche d’encapsulant avant 8a. De même, une couche de renforts arrière à base de fibres 9b est située entre l’ensemble encapsulant 3 et la couche d’encapsulant arrière 8b.
Les couches d’encapsulant avant 8a et arrière 8b, ainsi que celles 3a, 3b constitutives de l’ensemble encapsulant 3, sont par exemple formées par un film de ionomère, par exemple un film de ionomère obtenu à partir de la gamme Jurasol commercialisée par la société Juraplast, d’épaisseur d’environ 200 µm.
Par ailleurs, les couches de renforts avant 9a et arrière 9b correspondent par exemple à une couche de fibres de verre non tissées avec par exemple un grammage d’environ 100 g/m².
Le module photovoltaïque 1 est obtenu par le biais d’une seule étape de lamination à chaud sous vide, par exemple à une température d’environ 150°C pendant environ 15 minutes.
Bien entendu, ce premier exemple de réalisation peut être décliné selon diverses variantes en utilisant un ou plusieurs des matériaux mentionnés précédemment pour former la première couche 2 et la deuxième couche 5, lesquelles peuvent présenter des épaisseurs e2, e5comprises entre 15 et 300 µm, et de préférence entre 200 et 300 µm. Les couches d’encapsulant avant 8a et arrière 8b, ainsi que celles 3a, 3b constitutives de l’ensemble encapsulant 3, peuvent présenter une épaisseur comprise entre 20 et 400 µm, et de préférence entre 300 et 400 µm. Les couches de renforts avant 9a et arrière 9b peuvent chacune présenter un poids surfacique compris entre 20 et 200 g/m², et de préférence entre 80 et 150 g/m².
Par ailleurs, la figure 4 illustre un deuxième exemple de réalisation conforme à l’invention, toujours selon le principe de la première variante avec l’ensemble encapsulant 3 au contact direct des cellules photovoltaïques 4.
Dans cet exemple, à la différence du premier exemple décrit précédemment en référence à la figure 3, il existe, entre la première couche 2 et la pluralité de cellules photovoltaïques 4, une pluralité de couches de renforts avant à base de fibres 9a, 11a, 13a en alternance avec une pluralité de couches d’encapsulant avant 8a, 10a, 12a, et, entre la deuxième couche 5 et la pluralité de cellules photovoltaïques 4, une pluralité de couches de renforts arrière à base de fibres 9b, 11b, 13b en alternance avec une pluralité de couches d’encapsulant arrière 8b, 10b, 12b.
Alors, les couches d’encapsulant avant 8a, 10a, 12a et arrière 8b, 10b, 12b, ainsi que celles 3a, 3b constitutives de l’ensemble encapsulant 3, sont par exemple formées par un film de ionomère, par exemple un film de ionomère obtenu à partir de la gamme Jurasol commercialisée par la société Juraplast, d’épaisseur d’environ 100 µm.
Par ailleurs, les couches de renforts avant 9a, 11a, 13a et arrière 9b, 11b, 13b correspondent par exemple à une couche de fibres de verre non tissées avec par exemple un grammage d’environ 30 g/m².
Le module photovoltaïque 1 est obtenu par le biais d’une seule étape de lamination à chaud sous vide à une température d’environ 150°C pendant environ 15 minutes. Le poids surfacique obtenu, sans la présence de la boîte de jonction 7, est de l’ordre de 1,9 kg/m².
Bien entendu, ce deuxième exemple de réalisation peut être décliné selon diverses variantes comme décrit précédemment.
En outre, la figure 5 illustre un troisième exemple de réalisation conforme à l’invention, selon une deuxième variante avec cette fois-ci, le fait d’avoir une couche de renforts avant à base de fibres 9a et une couche de renforts arrière à base de fibres 9b au contact direct de la pluralité de cellules photovoltaïques 4. Alors, l’ensemble encapsulant 3 est au contact direct des première 2 et deuxième 5 couches.
Les couches 3a, 3b constitutives de l’ensemble encapsulant 3 sont par exemple formées par un film de ionomère, par exemple un film de ionomère obtenu à partir de la gamme Jurasol commercialisée par la société Juraplast, d’épaisseur d’environ 200 µm. Par ailleurs, les couches de renforts avant 9a et arrière 9b correspondent par exemple à une couche de fibres de verre non tissées avec par exemple un grammage d’environ 30 g/m².
Le module photovoltaïque 1 est obtenu par le biais d’une seule étape de lamination à chaud sous vide à une température d’environ 150°C pendant environ 15 minutes.
Ce troisième exemple de réalisation peut également être décliné selon diverses variantes comme décrit précédemment.
Bien entendu, l’invention n’est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d’être décrits. Diverses modifications peuvent y être apportées par l’homme du métier.
Claims (13)
- Module photovoltaïque (1) obtenu à partir d’un empilement comportant :
- une première couche (2) transparente formant la face avant du module photovoltaïque (1), destinée à recevoir un flux lumineux,
- une pluralité de cellules photovoltaïques (4) disposées côte à côte et reliées électriquement entre elles,
- un ensemble encapsulant (3) la pluralité de cellules photovoltaïques (4),
- une deuxième couche (5), l’ensemble encapsulant (3) et la pluralité de cellules photovoltaïques (4) étant situés entre les première (2) et deuxième (5) couches,
caractérisé en ce que la première couche (2) comporte au moinsun matériau polymère,
en ce que la deuxième couche (5) comporte au moins un matériau polymère,
en ce que l’ensemble encapsulant (3) est constitué par un matériau polymère présentant un module de Young compris entre 2 et 400 MPa à 25°C,
et en ce que l’empilement comporte au moins une couche de renforts dite «avant» à base de fibres (9a, 11a, 13a), située entre la première couche (2) et la pluralité de cellules photovoltaïques (4), et au moins une couche de renforts dite «arrière» à base de fibres (9b, 11b, 13b), située entre la deuxième couche (5) et la pluralité de cellules photovoltaïques (4). - Module selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’ensemble encapsulant (3) est obtenu par la réunion d’une couche avant de matériau d’encapsulation (3a) et d’une couche arrière de matériau d’encapsulation (3b) de part et d’autre des cellules photovoltaïques (4), en ce que ladite au moins une couche de renforts dite «avant» à base de fibres (9a, 11a, 13a) est située entre la première couche (2) et la couche avant de matériau d’encapsulation (3a), et en ce que ladite au moins une couche de renforts dite «arrière» à base de fibres (9b, 11b, 13b) est située entre la deuxième couche (5) et la couche arrière de matériau d’encapsulation (3b).
- Module selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite au moins une couche de renforts avant à base de fibres (9a, 11a, 13a) et/ou ladite au moins une couche de renforts arrière à base de fibres (9b, 11b, 13b) présentent chacune un poids surfacique compris entre 20 et 200 g/m².
- Module selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite au moins une couche de renforts avant à base de fibres (9a, 11a, 13a) et/ou ladite au moins une couche de renforts arrière à base de fibres (9b, 11b, 13b) comportent des fibres de verre, de carbone, d’aramide et/ou des fibres naturelles, notamment de chanvre, de lin et/ou de soie.
- Module selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’ensemble encapsulant (3) est au contact direct de la pluralité de cellules photovoltaïques (4), l’empilement formant le module photovoltaïque (1) comportant alors une couche d’encapsulant dite «avant» (8a) au contact direct de la première couche (2) et une couche d’encapsulant dite «arrière» (8b) au contact direct de la deuxième couche (5).
- Module selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu’une couche de renforts avant à base de fibres (9a) et une couche de renforts arrière à base de fibres (9b) sont au contact direct de la pluralité de cellules photovoltaïques (4), l’ensemble encapsulant (3) étant alors au contact direct des première (2) et deuxième (5) couches ou l’empilement formant le module photovoltaïque (1) comportant une couche d’encapsulant dite «avant» (8a) au contact direct de la première couche (2) et une couche d’encapsulant dite «arrière» (8b) au contact direct de la deuxième couche (5).
- Module selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’empilement comporte, entre la première couche (2) et la pluralité de cellules photovoltaïques (4), une pluralité de couches de renforts avant à base de fibres (9a, 11a, 13a) en alternance avec une pluralité de couches d’encapsulant avant (8a, 10a, 12a), et en ce qu’il comporte, entre la deuxième couche (5) et la pluralité de cellules photovoltaïques (4), une pluralité de couches de renforts arrière à base de fibres (9b, 11b, 13b) en alternance avec une pluralité de couches d’encapsulant arrière (8b, 10b, 12b).
- Module selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’épaisseur (e2) de la première couche (2) et/ou l’épaisseur (e5) de la deuxième couche (5) est comprise entre 15 et 300 µm.
- Module selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite au moins une couche de renfortsavant à base de fibres (9a, 11a, 13a) et ladite au moins une couche de renforts arrière à base de fibres (9b, 11b, 13b) sont identiques.
- Module selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le matériau polymère de la première couche (2) et/ou de la deuxième couche (5) est choisi parmi : le polycarbonate (PC), le polyméthacrylate de méthyle (PMMA), le polytéréphtalate d'éthylène (PET), le polyamide (PA), un polymère fluoré, notamment le polyfluorure de vinyle (PVF) ou le polyfluorure de vinylidène (PVDF), l’éthylène tétrafluoroéthylène (ETFE), l’éthylène chlorotrifluoroéthylène (ECTFE), le polytétrafluoroéthylène (PTFE), le polychlorotrifluoroéthylène (PCTFE), l’éthylène propylène fluoré (FEP) et/ou un film multicouche comprenant un ou plusieurs des polymères précités.
- Module selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’ensemble encapsulant (3), et la ou les éventuelles couches d’encapsulant avant ou arrière (8a, 10a, 12a, 8b, 10b, 12b) sont formés par au moins une couche comportant au moins un matériau d’encapsulation de type polymère choisi parmi: les copolymères d’acides, les ionomères, le poly(éthylène-acétate de vinyle) (EVA), les acétals de vinyle, tels que les polyvinylbutyrals (PVB), les polyuréthanes, les chlorures de polyvinyle, les polyéthylènes, tels que les polyéthylènes linéaires basse densité, les polyoléfines élastomères de copolymères, les copolymères d’α-oléfines et des α-, β- esters d’acide carboxylique à éthylénique, tels que les copolymères éthylène-acrylate de méthyle et les copolymères éthylène-acrylate de butyle, les élastomères de silicone et/ou les élastomères à base de polyoléfine thermoplastique réticulée.
- Procédé de réalisation d’un module photovoltaïque (1) à partir d’un empilement comportant :
- une première couche (2) transparente formant la face avant du module photovoltaïque (1), destinée à recevoir un flux lumineux,
- une pluralité de cellules photovoltaïques (4) disposées côte à côte et reliées électriquement entre elles,
- un ensemble encapsulant (3) la pluralité de cellules photovoltaïques (4),
- une deuxième couche (5), l’ensemble encapsulant (3) et la pluralité de cellules photovoltaïques (4) étant situés entre les première (2) et deuxième (5) couches,
caractérisé en ce que la première couche (2) comporte au moinsun matériau polymère,
en ce que la deuxième couche (5) comporte au moins un matériau polymère,
en ce que l’ensemble encapsulant (3) est constitué par un matériau polymère présentant un module de Young compris entre 2 et 400 MPa à 25°C,
en ce que l’empilement comporte au moins une couche de renforts dite «avant» à base de fibres (9a, 11a, 13a), située entre la première couche (2) et la pluralité de cellules photovoltaïques (4), et au moins une couche de renforts dite «arrière» à base de fibres (9b, 11b, 13b), située entre la deuxième couche (5) et la pluralité de cellules photovoltaïques (4),
et en ce que le procédé comporte l’étape de lamination à chaud et sous vide des couches constitutives (2, 3, 4, 5, 9a, 11a, 13a, 9b, 11b, 13b) de l’empilement pour obtenir le module photovoltaïque (1). - Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l’étape de lamination à chaud et sous vide est réalisée à une température comprise entre 130°C et 180°C, notamment de l’ordre de 150°C, et pendant une durée du cycle de lamination d’au moins 5 minutes, notamment comprise entre 5 et 20 minutes, notamment de l’ordre de 10 minutes.
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