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WO2021205336A1 - Module photovoltaïque et procédé de fabrication d'un tel module - Google Patents

Module photovoltaïque et procédé de fabrication d'un tel module Download PDF

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Publication number
WO2021205336A1
WO2021205336A1 PCT/IB2021/052843 IB2021052843W WO2021205336A1 WO 2021205336 A1 WO2021205336 A1 WO 2021205336A1 IB 2021052843 W IB2021052843 W IB 2021052843W WO 2021205336 A1 WO2021205336 A1 WO 2021205336A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
photovoltaic
gas
photovoltaic module
reactive gas
module according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/IB2021/052843
Other languages
English (en)
Inventor
Roland Einhaus
Oleksiy NICHIPORUK
Emmanuel Alves
Julien DEGOULANGE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Elixens
Original Assignee
Elixens
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Elixens filed Critical Elixens
Priority to EP21716556.2A priority Critical patent/EP4133533A1/fr
Publication of WO2021205336A1 publication Critical patent/WO2021205336A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • H10F19/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one photovoltaic cell covered by group H10F10/00, e.g. photovoltaic modules
    • H10F19/80—Encapsulations or containers for integrated devices, or assemblies of multiple devices, having photovoltaic cells
    • H10F19/807—Double-glass encapsulation, e.g. photovoltaic cells arranged between front and rear glass sheets
    • H—ELECTRICITY
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    • H10F10/10—Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells having potential barriers
    • H10F10/19—Photovoltaic cells having multiple potential barriers of different types, e.g. tandem cells having both PN and PIN junctions
    • H—ELECTRICITY
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    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to photovoltaic modules, and more particularly to their manufacture and encapsulation. These modules include a plurality of photovoltaic cells, which must be encapsulated to protect these cells from the environment.
  • the present invention relates to a method of assembling the photovoltaic module which is simple and which ensures a long life of the module and of the photovoltaic cells comprising a photovoltaic active material based on perovskites.
  • the photovoltaic cell can include interfaces which can be intrinsically unstable; their degradation can be delayed by a judicious choice of materials in contact at the interface, or the quality of these interfaces (which depends among other things on the technique of depositing the materials, the purity of these materials, their morphology , their crystallographic structure, their atomic structure).
  • the present invention focuses on the manufacture of a photovoltaic module from one or more photovoltaic cells.
  • Photovoltaic modules have long been known in which the photovoltaic cell is protected on its front face by a glass plate, and on its rear face either by a sheet of polymer (for example a sheet of poly (vinyl fluoride), abbreviated PVF , which is available under the brand Tedlar TM), or by another glass plate; these complexes are then encapsulated by another polymer (such as polyolefin or poly (ethylene vinyl acetate), abbreviated EVA), which is typically used in the form of a sheet.
  • the photovoltaic cell is embedded in the encapsulating polymer between two glass plates or a glass plate and a polymer sheet.
  • Electrical conductors typically in the form of wires or strips
  • conductive tracks usually metallic
  • soldering before encapsulation; this involves local exposure of the cell to a high temperature (around 300 ° C).
  • the manufacturing processes for these modules generally involve a lamination step in which the entire photovoltaic cell is exposed to a temperature high enough (typically of the order of 160 ° C) so that the softened encapsulation sheet can drown the surface. photovoltaic cell.
  • the photovoltaic cell undergoes high temperature treatments, which, depending on the materials used for the photovoltaic layers or other active layers, can induce performance degradation.
  • the encapsulating material can contaminate the photovoltaic cell with products that it releases by degassing; for example, poly (ethylene vinyl acetate), used for its excellent barrier properties, is capable of releasing acetic acid (especially in the presence of water molecules, and therefore in particular when the encapsulation is moisture permeable), which is a highly reactive molecule capable of oxidizing metal surfaces.
  • the photovoltaic cells are arranged between two glass plates, inside a sealed volume delimited by said plates and a peripheral elastic sealing gasket.
  • said sealed volume is placed under vacuum, that is to say, a pressure lower than atmospheric pressure is established in this sealed volume.
  • NICE TM technology overcomes some limitations of technologies commonly used for the manufacture of photovoltaic modules.
  • This technology leads to bi-glass photovoltaic modules, with a front window and a rear window, and the only organic product used to achieve this complex is the seal in the form of a coil, which is typically made of poly ( isobutylene) or silicone, or a combination of these two polymers.
  • This technology avoids the use of organic encapsulation materials in contact with the photovoltaic cells. It also avoids the use of welding technique to establish electrical contacts between electrical conductors and the conductive tracks of photovoltaic cells.
  • the space between the two panes, delimited by the seal forms a closed volume which, during the assembly of the module, is placed in a vacuum, for example by suction through a hollow needle which passes through the seal, as described in WO 2004/095 586, or by using a press included in a vacuum chamber, as described in EP 1 586 122 B1 and WO 2014/079 945.
  • the module only holds together by this permanent depression (associated with the use of a deformable seal which provides the physical link between the front window and the rear window), which presses the windows against the photovoltaic cells and the electrical contacts on the conductive tracks of the photovoltaic cells.
  • the passage of the conductors through the seal is made in such a way as to keep the internal volume sealed.
  • the pressure inside the module can typically be of the order of 0.7 bar; this pressure is essentially a nitrogen pressure which replaces the air to reduce the partial pressure of oxygen, a reactive element capable of degrading the materials of the photovoltaic cell or of the electrical contacts.
  • WO 2012/072792 (Apollon Solar) describes a method for improving the NICE TM technology described in the aforementioned documents, aiming to neutralize the oxygen which is liable to penetrate into the internal volume of the module during the life of the module.
  • a material capable of capturing oxygen is deposited in said internal volume, this material being said to be "an oxygen getter”. This material must have a high specific surface to be able to absorb a significant amount of oxygen.
  • This method is effective, at least for silicon-based materials, but has certain drawbacks.
  • this method assumes the availability of a surface inside the module on which it is possible depositing said getter; insofar as one wishes to maximize the photovoltaic active surface within the module, this can induce constraints in the design of the modules.
  • photovoltaic cells using photovoltaic materials other than silicon poses particular problems; this applies in particular to organic photovoltaic materials, metallo-organic materials and perovskite-like compounds.
  • These materials have intrinsic advantages which make them particularly advantageous compared to crystalline silicon (monocrystalline or polycrystalline) or to heterojunctions between crystalline silicon and amorphous silicon usually used in industrially manufactured photovoltaic cells.
  • these alternative photovoltaic materials have a very low material and manufacturing cost, and their optical gap can be easily adapted according to their chemical composition.
  • WO 2015/017885 proposes structures of photovoltaic cells of the tandem type, comprising a first cell based on crystalline silicon and a second cell based on perovskite; on paper these cells are of enormous interest because of their high conversion efficiency.
  • polyisobutylene is a material compatible with perovskite-based photovoltaic cells; the most durable photovoltaic modules are those obtained with a double glass structure, in which the photovoltaic cell, deposited on a transparent electrode of fluorinated doped tin oxide (abbreviated FTO) on the front glass, is glued to the rear glass using a polyisobutylene sheet, which also protects the edge of the two-glass complex.
  • FTO fluorinated doped tin oxide
  • the inventors have observed that the existing NICE TM technology does not make it possible to protect these materials in a sufficient manner either.
  • the present invention provides a solution for photovoltaic materials based on perovskites.
  • NICE TM technology can be used to manufacture photovoltaic modules containing photovoltaic active materials especially sensitive to humidity and oxygen, such as perovskite-type materials, but on condition that it is modified.
  • the problem is solved by modifying the NICE TM technology by at least partial replacement of nitrogen (which replaces the air in the internal volume of the module, by acting as neutral or inert gas) by a passivating gas and / or an active gas.
  • a passivating gas and / or active gas The choice of these passivating and / or active gases must be adapted to the nature of the photovoltaic active material to be protected.
  • a neutral gas (also called inert gas) does not react with its environment under the normal conditions in which said environment is found. This is the case with nitrogen in contact with materials and components likely to be found within a NICE TM photovoltaic module.
  • Argon as a noble gas is also an inert gas; it can be used in NICE TM technology, but it is more expensive than nitrogen.
  • Helium as a noble gas is also an inert gas; its use (possibly mixed with another inert gas, because of its high cost) has a specific advantage which will be explained below.
  • the term “passivating gas” is understood here to mean a gas which prevents or inhibits, at least partially, the chemical degradation of at least one material which is in contact with said passivating gas.
  • reactive gas is understood here to mean a gas which is capable of reversing, at least partially, the chemical degradation of at least one material in contact with said reactive gas. This reactive gas cannot be a gas naturally present in the air in significant concentration, such as oxygen or water.
  • the method according to the invention can also be applied to manufacturing processes for photovoltaic modules which differ from NICE TM technology.
  • the invention can be implemented with photovoltaic modules comprising photovoltaic cells comprising one or more different photovoltaic active materials.
  • photovoltaic active materials can be selected in particular from the group formed by materials of perovskite type, and in particular materials of AZX 3 type where
  • ⁇ A denotes a cation of a first type, which may be a cation of a metallic element, such as Cs + , Rb + , or Na + , or an organic cation, such as methylammonium CHs-Nf,
  • ⁇ Z denotes a cation of a second type, namely a cation of a metallic element, such as Pb ++ , Zn ++ , Bi +++ , Ga +++ , Sn ++ and
  • ⁇ X denotes an anion such as h, Br, Cl,
  • the ionic radius of the cations of the first type being greater than the ionic radius of the cations of the second type.
  • a first object of the invention is a photovoltaic module comprising a plurality of photovoltaic cells each comprising at least one photovoltaic active material, said photovoltaic cells being arranged between front and rear plates or sheets, and at least one gasket arranged between said plates and delimiting with said plates or sheets a sealed internal volume, said module being characterized in that said internal volume comprises a reactive gas, and possibly also a passivating gas, pure or preferably mixed with at least one inert gas, such as nitrogen or argon.
  • Said passivating gas is advantageously a reducing gas, preferably hydrogen.
  • Said internal volume is typically maintained at a pressure below atmospheric pressure.
  • Said reactive gas is selected so as to be able to stabilize at least one of said photovoltaic active materials and / or the contact areas.
  • said reactive gas comprises molecules comprising at least one nitrogen atom, and is preferably selected from the group formed by: ammonia, hydrazine, amines (preferably methylamine, dimethylamine , ethylamine, diethylamine, trimethylamine, triethylamine); this may be suitable in particular for certain photovoltaic active materials of the perovskite type.
  • said reactive gas comprises molecules comprising a sulfur atom, and is preferably H 2 S; this may be suitable in particular for certain photovoltaic active materials of the perovskite type.
  • said reactive gas comprises molecules comprising an iodine atom, such as Hl or CH 3 I.
  • said reactive gas comprises molecules comprising a bromine atom, such as HBr or CH 3 Br.
  • Another object of the invention is a method of manufacturing a photovoltaic module according to the invention, in which a plurality of photovoltaic cells is supplied, as well as front and rear plates or sheets and at least one seal, and one deposits at least one seal between said front and rear plates or sheets, so as to delimit an interior volume, a vacuum is formed in the interior volume, and said passivating gas and / or reactive gas is introduced into said interior volume, pure or preferably in mixture with at least one inert gas, before or after forming said depression.
  • said internal volume is swept with an inert gas before introducing said passivating and / or reactive gas or mixture.
  • Figures 1 to 6 illustrate different aspects of the invention. They each schematically represent a cross section through a photovoltaic module according to the invention. The double arrow represents the direction of the incidence of light in the photovoltaic module.
  • FIG. 1 schematically shows a section through a photovoltaic module according to a first embodiment of the invention.
  • FIG. 2 shows a completed version of Figure 1 which shows the outlet connection member.
  • FIG. 3 shows a first variant of the embodiment of FIG. 2.
  • FIG. 4 shows a second variant of the embodiment of FIG. 2.
  • FIG. 5 schematically shows a section through a photovoltaic module according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 6 shows a variant of the embodiment of FIG. 5.
  • Sealing gasket also called sealing gasket
  • the invention can be applied to the manufacture of photovoltaic modules containing photovoltaic cells of different types.
  • the photovoltaic active material is the material which exhibits and which, within the photovoltaic cell in which it is used, exploits, the photovoltaic effect. It is therefore a material in which part of the incident light is absorbed and converted into carriers of electric charge.
  • the photovoltaic material is a perovskite type material.
  • Said perovskite type materials include in particular AZX 3 O ⁇ type materials - A denotes a cation of a first type, which may be a cation of a metallic element, such as Cs + , Rb + , or Na + , or an organic cation, such as methylammonium CH 3 -NH 3 + ,
  • - Z denotes a cation of a second type, namely a cation of a metallic element, such as Pb ++ , Zn ++ , Bi +++ , Ga +++ , Sn ++ and
  • - X denotes an anion such as I-, Br, Cl.
  • the ionic radius of cations of the first type is greater than the ionic radius of cations of the second type.
  • the invention can be carried out for example with photovoltaic cells with pigments and based on perovskites in the solid state.
  • 2,2 ', 7,7, -Tetrakis- (N, N-di-4-methoxyphenylamino) -9,9'- spirobifluorene (CAS number: 207739) can be used as hole transport layer.
  • -72-8 also known under the designation "Spiro-OMeTAD”. All these materials are very sensitive against oxygen, humidity; some of these materials degrade even in the presence of nitrogen, requiring another inert gas such as argon.
  • the phospholatically active material of the perovskite type can be used on its own (a so-called monolithic structure), or in combination with other materials and / or with photovoltaic cells using other materials.
  • the photovoltaic cells that can be used in the method according to the invention can also be of the tandem type, that is to say comprise one or more photovoltaic cells superimposed one above the other, the second cell ( in the order of passage of the incident light) absorbing the fraction of light which was not absorbed by the first cell.
  • the second cell may be based on crystalline or amorphous silicon, and the first based on a perovskite-like material.
  • the combination of the perovskite-based cell and the silicon-based (or other materials) cell can be in the form of mono- or heterojunction.
  • the internal volume of the photovoltaic module comprises a reactive gas, and possibly also a passivating gas.
  • the passivating gas can be used pure or mixed with an inert gas, such as nitrogen and / or argon and / or helium.
  • a reducing gas is preferably chosen which prevents or inhibits, at least partially, the chemical degradation of the metal surfaces with which it is in contact. Said metal surfaces are in particular the electrical contact surfaces. Said chemical degradation of metal surfaces is in particular oxidation.
  • the passivating gas can also protect the photovoltaic material itself, knowing that in a photovoltaic module according to the NICE TM technology, the photovoltaic active material is normally in direct contact with the atmosphere which prevails in the internal volume of the module, which is in depression with respect to the external atmospheric pressure.
  • the passivating gas is preferably hydrogen.
  • the internal volume of the module is filled with nitrogen; said internal volume remains in depression.
  • the partial pressure of oxygen or water is never zero: In this process, the replacement of air by nitrogen may not be total, and moisture remains adsorbed on the internal surfaces of the components of the modulus, and molecules comprising oxygen atoms can be released (in particular by the degassing of surfaces and / or by the decomposition of materials) by the materials during the lifetime of the module.
  • the presence of a reducing gas such as molecular hydrogen in the atmosphere of the internal volume of the module can at least partially inhibit the oxidative effect of oxygen.
  • the internal volume is filled with an inert gas which comprises at least 0.5% hydrogen, and preferably at least. minus 1.0% hydrogen.
  • an inert gas which comprises at least 0.5% hydrogen, and preferably at least. minus 1.0% hydrogen.
  • a concentration between 1.0% and 5% is suitable.
  • the permeability of the seal is greater for hydrogen than for the other gaseous species present in the internal volume (and in particular greater than that of the gasket). 'nitrogen).
  • the module will undergo during its lifetime (typically at least 25 years) a small part of the hydrogen contained in its internal volume. This loss of hydrogen at least partially compensates for the increase in pressure in the internal volume following degassing and release of volatile molecules by the different materials.
  • the hydrogen helps to regulate the internal pressure of the module (knowing that the mechanical integrity of the module according to the invention requires a slight depression within the internal volume).
  • this depression in the internal volume of the module with respect to atmospheric pressure can reach 1000 mbar; it is typically at least 2 mbar, preferably at least 50 mbar, more preferably at least 100 mbar, and even more preferably at least 200 mbar.
  • a pressure in the internal volume can reach about 700 mbar, which corresponds to a vacuum of about 300 mbar.
  • the reactive gas can be used neat or mixed with an inert gas, such as nitrogen and / or argon and / or helium. It is selected according to the photovoltaic material, and in the case of a plurality of photovoltaic materials (for example in certain tandem cells), according to the most fragile photovoltaic active material (for example the perovskite-type material in the case of tandem cells of perovskite - silicon type).
  • a gas is chosen which is capable of reversing, at least partially, the chemical degradation of at least one material which is in contact with said reactive gas.
  • Said material is preferably a photovoltaic active material.
  • said reactive gas can for example be H 2 S, Hl; CH 3 I, 1r Hl; CH 3 Br, HBr.
  • This reactive gas can comprise molecules comprising at least one nitrogen atom, and in this case, preferably, it can be ammonia (NH 3 ) or methylamine (CH 3 -NH 2 ).
  • Another amine can also be used (for example dimethylamine, ethylamine, diethylamine, trimethylamine, triethylamine).
  • Hydrazine (NH 2 -NH 2 ) can also be used.
  • a halogenated amine for example a chloramine, which can be an organic or inorganic chloramine (for example: monochloramine, dichloramine, trichloramine).
  • the use of a reactive gas is advantageous when the photovoltaic module comprises at least one photovoltaic cell comprising a compound of perovskite type.
  • the reactive gas especially a gas comprising molecules comprising at least one nitrogen and / or sulfur and / or iodine and / or bromine atom, stabilizes the chemical composition of the perovskites.
  • Different electrical connection modes can be implemented in the photovoltaic modules according to the invention. In general, two types of electrical connections must be provided in a photovoltaic module. The first type of connection is the series connection of photovoltaic cells or subsets of photovoltaic cells to obtain an array of photovoltaic cells capable of providing the desired output voltage.
  • these photovoltaic cells can be connected in series by copper tapes, without soldering. No welding is necessary if pressure is exerted by the two plates towards the interior volume; this pressure comes from a depression within said interior volume.
  • the electrical series connection is carried out during the deposition of the photovoltaic active material on the substrate, by isolating (for example by laser beam) islands or sub-assemblies; there is no need for external interconnections by copper tape or other conductors.
  • the photovoltaic module according to the invention protects the photovoltaic cells and in particular the photovoltaic active material; this protection is, on the one hand, mechanical protection, and, on the other hand, protection against oxygen and humidity. Passivating gas specifically protects metal surfaces from oxidation, and reactive gas can protect photovoltaic active material from degradation.
  • the second type of connection leads from the array of photovoltaic cells to a conductor located outside the photovoltaic module; It is through this connection that the electrical energy produced by the photovoltaic module can be used.
  • the invention can be applied to a method of manufacturing photovoltaic modules known as such under the trade name NICE TM.
  • the photovoltaic module comprises a plurality of photovoltaic cells each comprising at least one photovoltaic active material, said photovoltaic cells being arranged between the front and rear plates or sheets, and at least one seal arranged between said plates and delimiting a volume sealed interior, maintained at a pressure lower than atmospheric pressure (this pressure being called "depression").
  • Said module is characterized in that said internal volume comprises a passivating gas and / or a reactive gas, pure or preferably mixed with at least one inert gas, such as nitrogen or argon.
  • the method of manufacturing such a photovoltaic module is characterized by the fact that said at least one seal is deposited between said front and rear plates or sheets, so as to delimit an internal volume, and the depression formed in said volume is formed. interior, by any suitable technique such as suction or pressing in a vacuum chamber, and said passivating gas or reactive gas, pure or preferably mixed with at least one inert gas, before or after having formed said depression.
  • Said seals are generally arranged at the periphery of the plates or sheets. They can be made of the same or different materials, and include a sealing joint and a reinforcing joint.
  • the photovoltaic module comprises an assembly of photovoltaic cells.
  • These photovoltaic cells deposited on an appropriate substrate S, are placed side by side between the sheets or plates P1, P2, knowing that P1 here designates the “front” plate (exposed to the sun) and P2 designates the plate opposite P2.
  • P1 and P2 are glass plates.
  • Said sheet can be a rigid or semi-rigid sheet; it must be sufficiently rigid to allow the lasting presence within the photovoltaic module of an internal volume in depression.
  • the back plate P2 can be made of a metal plate.
  • At least one of the photovoltaic cells (and preferably all the photovoltaic cells) of a module are deposited on one of the sheets or plates P1 or P2 which go into the manufacture of the photovoltaic module.
  • one of the sheets or plates P1 or P2 acts as substrate S for at least one of the photovoltaic cells (and preferably for all the photovoltaic cells) of a module.
  • it is the plate or sheet P1. This makes it possible to avoid the presence of an optical discontinuity between the glass and the photovoltaic cell.
  • This embodiment is particularly advantageous in the case where the photovoltaic active material is a material of the perovskite type.
  • the face of the plate or sheet P1 or P2 on which the photovoltaic cells are deposited is an internal face, so that said photovoltaic cell is protected by the other plate or sheet P2 or P1, and by the seal.
  • the photovoltaic active material can be deposited directly on the front plate P1, or directly on the rear plate P2, or on another substrate S (which can be in any suitable material, rigid, semi-rigid or flexible, and which will be sandwiched between the two plates P1, P2).
  • Figures 1 to 6 show some embodiments of a module according to the invention.
  • FIG. 1 shows a photovoltaic module 1 which comprises a front plate (P1) 2 and a rear plate (P2) 3 which delimits, with the sealing joint 4, an internal volume 5 in which there is a photovoltaic cell 6 which has been deposited directly on the internal face 7 of the rear plate 3.
  • Said internal volume 5 comprises a passivating gas and / or a reactive gas, possibly diluted in a neutral gas.
  • the photovoltaic module will include a plurality of photovoltaic cells; FIG. 1 gives a simplified representation.
  • a back plate 3 is supplied on which the photovoltaic cell 6 has already been deposited (typically a plurality of photovoltaic cells), then the electrical contact members (not shown in this figure) are deposited on photovoltaic cells.
  • the seal 4 and the front plate 2 then establish a vacuum in the interior volume 5; to rinse, it is possible to introduce an inert gas (or the passivating and / or reactive gas which will be used subsequently) and then evacuate again. Then the desired partial pressure of reactive gas and / or passivating gas is established.
  • This method of assembling, evacuating and rinsing the photovoltaic module 1 can be done in a sealed chamber under reduced pressure (depression).
  • FIG. 2 specifies the embodiment of FIG. 1, insofar as it illustrates the positioning of the outlet connection member 10.
  • the latter passes through the seal 4. It is in electrical contact with an electrode 9. fixed on the cell photovoltaic 6.
  • the connection member 10 is typically flexible; you can use a metallic tape.
  • FIG. 3 shows a variant of this embodiment, in which an element 11 of flexible material establishes a contact by pressure between, on the one hand, the output connection member 10 and the electrode 9, and, of on the other hand, between said electrode 9 and the photovoltaic cell 6. If the interior volume 5 of the module 1 is in depression, it is this depression which creates the pressure force which establishes said contact. You can add an outer frame (not shown in the figures).
  • Figure 4 shows another variant in which the connection member 10 passes through a passage hole 12 made in the back plate 3; this passage hole is sealed by one or more auxiliary sealing joints 13a, b so as to preserve the interior volume 5 of the module 1.
  • FIG. 5 shows another embodiment of the invention, similar to that of FIG. 1, the only difference being that the photovoltaic cell 6 has been deposited on a substrate 8 which is not the back plate 3.
  • an assembly of photovoltaic cells 6 is typically deposited on the rear plate, then the electrical contact members are deposited, and one continues as described in relation to FIG. 1.
  • FIG. 6 shows a variant of the embodiment illustrated in FIG. 1.
  • a front plate (S1) 2 has been supplied here on the inner face 14 of which has previously been deposited at least one photovoltaic cell 6.
  • the rear plate (S2 ) 3 is a metal sheet.
  • the atmosphere in the interior volume 5 of the module 1 comprises at least one reactive gas and / or at least one passivating gas.
  • this interior volume also includes an inert gas, typically nitrogen.
  • Said reactive gases and / or passivating gases can be introduced as a mixture with said inert gas.
  • said inert gas comprises helium. Helium has the highest diffusion coefficient among inert gases, including in solid materials such as the gasket. Being absent in the ambient atmosphere (i.e.
  • the helium contained in said internal volume will tend to diffuse first; this diffusion of the helium contained in a gas volume at lower pressure to a gas volume at higher pressure decreases the partial pressure of helium in the internal volume of the module, and thus contributes to maintaining the under-pressure within the interior volume.

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Abstract

Module photovoltaïque comprenant une pluralité de cellules photovoltaïques comportant chacune au moins un matériau phovoltaïquement actif, lesdites cellules photovoltaïques étant disposées entre des plaques ou feuilles avant et arrière, et au moins un joint disposé entre lesdites plaques et délimitant avec lesdites plaques ou feuilles avant et arrière un volume intérieure étanche, ledit module étant caractérisé en ce que ledit volume intérieur comporte un gaz passivant et/ ou un gaz réactif, pur ou de préférence en mélange avec au moins un gaz inerte, tel que l'azote, l'argon ou l'hélium.

Description

MODULE PHOTOVOLTAÏQUE ET PROCEDE DE FABRICATION D’UN TEL
MODULE
Domaine technique de l’invention
La présente invention concerne les modules photovoltaïques, et plus particulièrement leur fabrication et leur encapsulation. Ces modules comprennent une pluralité de cellules photovoltaïques, qui doivent être encapsulées pour protéger ces cellules de l’environnement. La présente invention concerne en particulier une méthode d’assemblage du module photovoltaïque qui est simple et qui assure une longue durée de vie du module et des cellules photovoltaïques comportant un matériau photovoltaïquement actif à base de pérovskites.
Etat de la technique
Il existe de nombreuses méthodes de fabrication de modules photovoltaïques, prêts à être exposés au soleil et à être branchés à un circuit électrique susceptible d’absorber l’énergie électrique qu’ils génèrent.
Ces méthodes de fabrication doivent être simples et automatisables, car l’assemblage des modules à partir des différents composants (qui comprennent notamment les cellules photovoltaïques, les connecteurs électriques, les éléments de renforcement structural et de protection (tels qu’une tranche de verre) et les éléments d’encapsulation) représente une fraction significative du coût de revient d’un tel module.
Ces méthodes doivent aussi assurer au module photovoltaïque une longue durée de vie, qui est un facteur significatif dans le calcul de la rentabilité économique d’une installation photovoltaïque. On sait depuis longtemps que la plupart des cellules photovoltaïques se dégradent en contact avec l’air, avec l’humidité ou avec l’eau. Cette dégradation peut être liée aux matériaux photovoltaïques eux-mêmes, ou aux contacts électriques.
Par ailleurs, la cellule photovoltaïque peut comporter des interfaces qui peuvent être intrinsèquement instables ; leur dégradation peut être retardée par un choix judicieux des matériaux en contact au niveau de l’interface, ou de la qualité de ces interfaces (qui dépend entre autres de la technique de dépôt des matériaux, de la pureté de ces matériaux, de leur morphologie, de leur structure cristallographique, de leur structure atomique). La présente invention se focalise sur la fabrication d’un module photovoltaïque à partir d’une ou plusieurs cellules photovoltaïques. On connaît depuis longtemps les modules photovoltaïques dans lesquels la cellule photovoltaïque est protégée sur sa face avant par une plaque de verre, et sur sa face arrière soit par une feuille de polymère (par exemple une feuille de poly(fluorure de vinyle), abrégé PVF, qui est disponible sous la marque Tedlar™), soit par une autre plaque de verre ; ces complexes sont ensuite encapsulés par un autre polymère (tel que polyoléfine ou poly(éthylène acétate de vinyle), abrégé EVA), qui est typiquement mis en oeuvre sous la forme d’une feuille. Dans ces structures, la cellule photovoltaïque est noyée dans le polymère encapsulant entre deux plaques de verre ou une plaque de verre et une feuille de polymère.
Les conducteurs électriques (typiquement sous la forme de fils ou bandes) sont fixés sur les pistes conductrices (habituellement métalliques) des cellules photovoltaïques par soudure avant l’encapsulation ; cela implique l’exposition locale de la cellule à une température élevée (de l’ordre de 300 °C).
Les procédés de fabrication de ces modules impliquent en règle générale une étape de lamination dans laquelle toute la cellule photovoltaïque est exposée à une température assez élevée (typiquement de l’ordre de 160 °C) pour que la feuille d’encapsulation ramollie puisse noyer la cellule photovoltaïque.
Ce procédé présente certains inconvénients bien connus. La cellule photovoltaïque subit des traitements à température élevée, qui, en fonction des matériaux utilisés pour les couches photovoltaïques ou d’autres couches actives, peut induire une dégradation des performances. Le matériau d’encapsulation peut contaminer la cellule photovoltaïque avec des produits qu’il libère par dégazage ; à titre d’exemple, le poly(éthylène acétate de vinyle), utilisé pour ses excellentes propriétés de barrière, est susceptible de libérer de l’acide acétique (surtout en présence de molécules d’eau, et donc en particulier lorsque l’encapsulation est perméable à l’humidité), qui est une molécule très réactive, susceptible d’oxyder des surfaces métalliques.
Pour surmonter ces inconvénients, une méthode d’encapsulation particulière a été développée par la demanderesse qui la commercialise sous la marque NICE™ (New Industrial solar Cell Encapsulation technology); elle a été décrite dans les documents FR 2 853 993, WO 2004/095586, EP 1 586 122 B1 , WO 2014/079 945 et EP 2 923 385 B1 ainsi que dans les publications “New Industrial solar Cell Encapsulation (NICE) technology for PV module fabrication at drastically reduced costs” par R. Einhaus et al., 19th EU PVSEC 2004, p. 2371 - 2374, et “NICE Module Technology Using Industrial N-Type Solar Cells Without Front and Rear Busbars” par F. Madon et al., présenté au congrès 28th EU PVSEC (Paris) en octobre 2013.
Dans cette méthode, les cellules photovoltaïques sont disposées entre deux plaques de verre, à l’intérieur d’un volume étanche délimité par lesdites plaques et un joint périphérique de scellement élastique. Pour réaliser et maintenir l’assemblage, ledit volume étanche est mis en dépression, c’est-à-dire on établit dans ce volume étanche une pression inférieure à la pression atmosphérique.
La technologie NICE™ surmonte certaines limitations des technologies couramment utilisées pour la fabrication de modules photovoltaïques. Cette technologie conduit à des modules photovoltaïques bi-verre, avec une vitre avant et une vitre arrière, et le seul produit organique utilisés pour réaliser ce complexe est le joint d’étanchéité sous la forme d’un boudin, qui est typiquement en poly(isobutylène) ou en silicone, ou encore en une combinaison de ces deux polymères. Cette technologie évite l’utilisation de matériaux d’encapsulation organiques en contact avec les cellules photovoltaïques. Elle évite également l’utilisation de la technique du soudage pour établir les contacts électriques entre les conducteurs électriques et les pistes conductrices des cellules photovoltaïques. En effet, l’espace entre les deux vitres, délimité par le joint d’étanchéité, forme un volume fermé qui, lors de l’assemblage du module, est mis en dépression, par exemple par aspiration à travers une aiguille creuse qui traverse le joint d’étanchéité, comme cela est décrit dans WO 2004/095 586, ou en utilisant une presse incluse dans un cloche à vide, comme cela est décrit dans EP 1 586 122 B1 et WO 2014/079 945. Le module tient ensemble uniquement par cette dépression permanente (associée à l’usage d’un joint déformable qui assure le lien physique entre la vitre avant et la vitre arrière), qui presse les vitres contre les cellules photovoltaïques et les contacts électriques sur les pistes conductrices des cellules photovoltaïques. Le passage des conducteurs à travers le joint d’étanchéité est réalisé de manière à garder le volume interne étanche.
La pression à l’intérieur du module peut être typiquement de l’ordre de 0,7 bar ; cette pression est pour l’essentiel une pression d’azote qui remplace l’air pour diminuer la pression partielle d’oxygène, un élément réactif susceptible de dégrader les matériaux de la cellule photovoltaïque ou des contacts électriques. A l’aide d’essais de vieillissement accéléré selon les normes IEC 61215 et IEC 61730, qui impliquent un cyclage thermique et un essai de longue durée en milieu chaud et humide, il a été démontré que les modules photovoltaïques produits selon la technologie NICE™ peuvent avoir une durée de vie d’au moins 25 années.
Il est apparu que malgré toutes les qualités du joint d’étanchéité et malgré le remplacement de l’air du volume intérieur en dépression par de l’azote, on observe un léger dégazage des composants et du joint. Ce dégazage est principalement dû à des molécules adsorbées sur les surfaces qui font partie du volume interne ; parmi ces molécules on trouve notamment l’oxygène, et également certaines molécules, notamment organiques, qui migrent au sein du joint. Ce phénomène conduit à la dégradation progressive de l’atmosphère du volume interne : la pression tend à augmenter, l’atmosphère du volume perd sa pureté et s’enrichit en molécules susceptibles de réagir avec les surfaces réactives ou à se déposer sur elles.
WO 2012/072792 (Apollon Solar) décrit une méthode pour améliorer la technologie NICE™ décrite dans les documents précités, visant à neutraliser l’oxygène qui est susceptible de pénétrer dans le volume interne du module au cours de la vie du module. Selon cette approche, on dépose dans ledit volume interne un matériau susceptible de capter l’oxygène, ce matériau étant dit « un getter d’oxygène ». Ce matériau doit présenter une surface spécifique élevée pour pouvoir absorber une quantité significative d’oxygène.
Cette méthode est efficace, au moins pour les matériaux à base de silicium, mais présente certains inconvénients. Tout d’abord, elle introduit une étape supplémentaire dans le procédé de fabrication des modules photovoltaïques ; cette étape représente un coût de fabrication que l’on souhaite minimiser. Par ailleurs, dans la mesure où le getter d’oxygène doit s’étaler sur une certaine surface pour pouvoir capter de manière efficace l’oxygène résiduel, ce procédé suppose la disponibilité d’une surface à l’intérieur du module sur laquelle on peut déposer ledit getter ; dans la mesure où l’on souhaite maximiser la surface photovoltaïquement active au sein du module, cela peut induire des contraintes dans la conception des modules.
L’émergence de cellules photovoltaïques utilisant des matériaux photovoltaïques autres que le silicium pose des problèmes particuliers ; cela s’applique notamment aux matériaux photovoltaïques organiques, aux matériaux métallo-organiques et aux composés de type pérovskite. Ces matériaux présentent des avantages intrinsèques qui les rendent particulièrement intéressants par rapport au silicium cristallin (monocristallin ou polycristallin) ou aux hétérojonctions entre le silicium cristallin et le silicium amorphe habituellement utilisés dans les cellules photovoltaïques fabriquées industriellement. En particulier, ces matériaux photovoltaïques alternatifs présentent un très faible coût de matière et de fabrication, et leur gap optique peut être adapté facilement en fonction de leur composition chimique. A titre d’exemple, WO 2015/017885 (Newsouth Innovations) propose des structures de cellules photovoltaïques de type tandem, comprenant une première cellule à base de silicium cristallin et une seconde cellule à base de pérovskite ; sur le papier ces cellules présentent un énorme intérêt à cause de leur rendement de conversion élevé.
Cependant, il est bien connu que les cellules photovoltaïques organiques ou métallo- organiques ou à base de pérovskites ne supportent pas des températures élevées, et se dégradent particulièrement vite en présence d’oxygène et ou d’humidité. Ces problèmes sont bien documentés, et différentes tentatives ont été proposés dans la littérature pour les résoudre. La publication « Accelerated Lifetime Testing of Organic- Inorganic Pérovskite Solar Cells Encapsulated by Polyisobutylene » par L. Shi et al. parue dans la revue ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9, 25073 - 25081 , montre que le polyisobutylène est un matériau compatibles avec les cellules photovoltaïques à base de pérovskite ; les modules photovoltaïques les plus durables sont ceux obtenus avec une structure à double verre, dans laquelle la cellule photovoltaïque, déposée sur une électrode transparente en oxyde d’étain dopé au fluoré (abrégé FTO) sur le verre avant, est collée sur le verre arrière à l’aide d’une feuille de polyisobutylène, qui protège également la tranche du complexe bi-verre. Cette solution est décrite également dans la demande de brevet WO 2019/006507.
La publication « Design and understanding of encapsulated pérovskite solar cells to withstand température cycling » par R. Cheacharoen, parue en 2017 dans la revue Energy & Environmental Science (doi: 10.1039/c7ee02564e) identifie la fragilité mécanique des couches photovoltaïques de matériaux de type pérovskite comme un frein à leur utilisation, et propose comme polymère d’encapsulation avantageux copolymère de l'éthylène avec un monomère de vinyle (acide méthacrylique) polaire, commercialisé sous le nom de Surlyn™ (Du Pont). La publication « Encapsulation of Organic and Pérovskite Solar Cells : A Review » par A. Uddin et al., parue dans la revue Coatings 2019, 9, 65 (doi : 10.3390/ coatings 9020065) discute plusieurs technologies d’encapsulation et plusieurs matériaux organiques d’encapsulation, et constate que l’état de la technique n’offre pas de solution satisfaisante à ces problèmes.
Les inventeurs ont constaté que la technologie NICE™ existante ne permet pas non plus de protéger ces matériaux de manière suffisante. Il existe un besoin pour un module photovoltaïque, et pour un procédé de fabrication permettant de le produire industriellement, qui protège encore mieux les cellules photovoltaïques contre l’oxygène, l’humidité, l’eau et les produits de dégazage et de dégradation des matériaux utilisés dans ces modules, pour permettre l’utilisation de matériaux photovoltaïques spécialement sensibles à l’humidité et à l’oxygène, tels que les matériaux organiques, métallo-organiques et les pérovskites. La présente invention apporte une solution pour les matériaux photovoltaïques à base de pérovskites.
Objets de l’invention
Les inventeurs se sont rendus compte que la technologie NICE™ est utilisable pour fabriquer des modules photovoltaïques renfermant des matériaux photovoltaïquement actifs spécialement sensibles à l’humidité et à l’oxygène, tels que les matériaux de type pérovskites, mais à condition de la modifier. Selon l’invention le problème est résolu en modifiant la technologie NICE™ par le remplacement au moins partiel de l’azote (qui remplace l’air dans le volume interne du module, en agissant comme gaz neutre ou inerte) par un gaz passivant et/ou un gaz actif. Le choix de ces gaz passivants et/ou actifs doit être adapté à la nature du matériau photovoltaïquement actif à protéger.
Un gaz neutre (appelé aussi gaz inerte) ne réagit pas avec son environnement dans les conditions normales dans lesquelles se trouve ledit environnement. Tel est le cas de l’azote en contact avec les matériaux et composantes susceptibles de se trouver au sein d’un module photovoltaïque NICE™. L’argon en tant que gaz noble est également un gaz inerte ; il peut être utilisé dans la technologie NICE™, mais il est plus cher que l’azote. L’hélium en tant que gaz noble est également un gaz inerte ; son utilisation (éventuellement en mélange avec un autre gaz inerte, à cause de son coût élevé) présente un avantage spécifique qui sera expliqué ci-dessous. On entend ici par « gaz passivant » un gaz qui empêche ou inhibe, au moins partiellement, la dégradation chimique d’au moins un matériau se trouvant en contact avec ledit gaz passivant.
On entend ici par « gaz réactif » un gaz qui est susceptible de renverser, au moins partiellement, la dégradation chimique d’au moins un matériau se trouvant en contact avec ledit gaz réactif. Ce gaz réactif ne peut être un gaz naturellement contenu dans l’air en concentration notable, tel que l’oxygène ou l’eau.
Le procédé selon l’invention peut aussi être appliqué à des procédés de fabrication de modules photovoltaïques qui diffèrent de la technologie NICE™.
D’une manière générale, l’invention peut être réalisée avec des modules photovoltaïques comportant des cellules photovoltaïques comportant un ou plusieurs matériaux photovoltaïquement actifs différents. Ces matériaux photovoltaïquement actifs peuvent être sélectionnés notamment dans le groupe formé par les matériaux de type pérovskite, et en particulier les matériaux de type AZX3 où
■ A désigne un cation d’un premier type, qui peut être un cation d’un élément métallique, tel quel le Cs+, le Rb+, ou le Na+, ou un cation organique, tel que le méthylammonium CHs-Nf ,
■ Z désigne un cation d’un deuxième type, à savoir un cation d’un élément métallique, tel que Pb++, Zn++, Bi+++, Ga+++, Sn++ et
■ X désigne un anion tel que h, Br, Cl ,
■ Le rayon ionique des cations du premier type étant plus grand que le rayon ionique des cations du deuxième type.
Un premier objet de l’invention est un module photovoltaïque comprenant une pluralité de cellules photovoltaïques comportant chacune au moins un matériau phovoltaïquement actif, lesdites cellules photovoltaïques étant disposées entre des plaques ou feuilles avant et arrière, et au moins un joint disposé entre lesdites plaques et délimitant avec lesdites plaques ou feuilles un volume intérieure étanche, ledit module étant caractérisé en ce que ledit volume intérieur comporte un un gaz réactif, et possiblement aussi un gaz passivant , pur ou de préférence en mélange avec au moins un gaz inerte, tel que l’azote ou l’argon.
Ledit gaz passivant est avantageusement un gaz réducteur, de préférence de l’hydrogène. Ledit volume interne est typiquement maintenu à une pression inférieure à la pression atmosphérique.
Ledit gaz réactif est sélectionné de manière à pouvoir stabiliser au moins un desdits matériaux photovoltaïquement actifs et/ou les zones des contacts.
Dans un mode de réalisation, ledit gaz réactif comporte des molécules comportant au moins un atome d’azote, et est de préférence sélectionné dans le groupe formé par : l’ammoniac, l’hydrazine, les amines (de préférence la méthylamine, la diméthylamine, l’éthylamine, la diéthylamine, la triméthylamine, la triéthylamine) ; cela peut convenir notamment pour certains matériaux photovoltaïquement actifs de type pérovskite.
Dans un autre mode de réalisation, ledit gaz réactif comporte des molécules comportant un atome de soufre, et est de préférence du H2S ; cela peut convenir notamment pour certains matériaux photovoltaïquement actifs de type pérovskite.
Dans encore un autre mode de réalisation, ledit gaz réactif comporte des molécules comprtant un atome de iode, telles que le Hl ou le CH3I.
Dans encore un autre mode de réalisation, ledit gaz réactif comporte des molécules comportant un atome de brome, telles que le HBr ou le CH3Br.
Un autre objet de l’invention est un procédé de fabrication d’un module photovoltaïque selon l’invention, dans lequel on approvisionne une pluralité de cellules photovotaïques, ainsi que des plaques ou feuilles avant et arrière et au moins un joint, et on dépose au moins un joint entre lesdites plaques ou feuilles avant et arrière, de manière à délimiter un volume intérieur, on forme une dépression dans volume intérieur, et on introduit dans ledit volume intérieur ledit gaz passivant et/ou gaz réactif, pur ou de préférence en mélange avec au moins un gaz inerte, avant ou après avoir formé ladite dépression.
Avantageusement, on effectue un balayage dudit volume intérieur avec un gaz inerte avant d’introduire ledit gaz passivant et/ou réactif ou mélange.
Figures
Les figures 1 à 6 illustrent différents aspects de l’invention. Elles représentent de manière schématique chacune une coupe transversale à travers un module photovoltaïque selon l’invention. La double flèche représente la direction de l’incidence de la lumière dans le module photovoltaïque.
[Fig. 1] représente de manière schématique une coupe à travers un module photovoltaïque selon un premier mode de réalisation de l’invention. [Fig. 2] représente une version complétée de la figure 1 qui fait apparaître l’organe de connexion de sortie.
[Fig. 3] montre une première variante du mode de réalisation de la figure 2.
[Fig. 4] montre une deuxième variante du mode de réalisation de la figure 2.
[Fig. 5] montre de manière schématique une coupe à travers un module photovoltaïque selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.
[Fig. 6] montre une variante du mode de réalisation de la figure 5.
Les repères numériques suivant sont utilisés sur les figures et dans le texte de la description :
1 Module photovoltaïque selon l’invention
2 Plaque avant (P1)
3 Plaque arrière (P2)
4 Joint d’étanchéité (appelé aussi joint de scellement)
5 Volume intérieur
6 Cellule photovoltaïque
7 Face interne de la plaque arrière 3
8 Substrat de la cellule photovoltaïque 6
9 Electrode externe de la cellule photovoltaïque 6
10 Connexion de sortie
11 Matériau souple pour contact par pression
12 Trou de passage dans la plaque arrière 3
13 Joint d’étanchéité auxiliaire (pour le trou de passage 12)
14 Face interne de la plaque avant
Description détaillée
L’invention peut être appliquée à la fabrication de modules photovoltaïques renfermant des cellules photovoltaïques de différents types.
Le matériau photovoltaïquement actif est le matériau qui présente et qui, au sein de la cellule photovoltaïque dans lequel il est employé, exploite, l’effet photovoltaïque. Il s’agit donc d’un matériau au sein duquel une partie de la lumière incidente est absorbée et convertie en porteurs de charge électrique. Selon l’invention, le matériau photovoltaïquement est un matériau de type pérovskite.
Lesdits matériaux de type pérovskite comprennent notamment les matériaux de type AZX3 OÙ - A désigne un cation d’un premier type, qui peut être un cation d’un élément métallique, tel quel le Cs+, le Rb+, ou le Na+, ou un cation organique, tel que le méthylammonium CH3-NH3 +,
- Z désigne un cation d’un deuxième type, à savoir un cation d’un élément métallique, tel que Pb++, Zn++, Bi+++, Ga+++, Sn++ et
- X désigne un anion tel que I-, Br, Cl.
Le rayon ionique des cations du premier type est plus grand que le rayon ionique des cations du deuxième type.
Un exemple d’un tel matériau est le (CH3NH3)PbBr3, sachant que le fait d’échanger le brome par l’iode déplace le gap optique du matériau vers une longueur d’onde plus élevée.
L’invention peut être réalisée par exemple avec les cellules photovoltaïques à pigments et à base de pérovskites à l’état solide. A ce titre, on peut utiliser comme couche de transport de trous le 2,2',7,7,-Tetrakis-(N,N-di-4-methoxyphenylamino)-9,9'- spirobifluorène (n° CAS : 207739-72-8), connu aussi sous la désignation « Spiro- OMeTAD ». Tous ces matériaux sont très sensibles contre l’oxygène, l’humidité ; certains de ces matériaux se dégradent même en présence d’azote, ce qui nécessite d’un autre gaz inerte tel que l'argon.
Le matériau phovolatïquement actif de type pérovskite peut être utilisé tout seul (structure dite monolithique), ou en combinaison avec d’autres matériaux et/ou avec des cellules photovoltaïques utillisant d’autres matériaux. En particulier, les cellules photovoltaïques utilisables dans le procédé selon l’invention peuvent également être de type tandem, c’est-à-dire comprendre une ou plusieurs cellules photovoltaïques superposées l’une au-dessus de l’autre, la deuxième cellule (dans l’ordre de passage de la lumière incidente) absorbant la fraction de lumière qui n’a pas été absorbée par la première cellule. A titre d’exemple, la deuxième cellule peut être à base de silicium cristallin ou amorphe, et la première à base d’un matériau de type pérovskite. Dans ces dispositifs tandem, la combinaison entre la cellule à base de pérovskite et celle à base de silicium (ou d’autres matériaux) peut se faire sous la forme de mono- ou hétérojonction.
Selon une caractéristique essentielle de l’invention, le volume interne du module photovoltaïque comporte un gaz réactif, et possiblement aussi un gaz passivant. Le gaz passivant peut être utilisé pur ou mélangé avec un gaz inerte, tel que l’azote et/ou l’argon et/ou l’hélium. On choisit de préférence un gaz réducteur qui empêche ou inhibe, au moins partiellement, la dégradation chimique des surfaces métalliques avec lesquelles il est en contact. Lesdites surfaces métalliques sont notamment les surfaces de contact électrique. Ladite dégradation chimique des surfaces métalliques est notamment l’oxydation. Le gaz passivant peut également protéger le matériau photovoltaïque lui-même, sachant que dans un module photovoltaïque selon la technologie NICE™, le matériau photovoltaïquement actif est normalement en contact direct avec l’atmosphère qui règne dans le volume interne du module, qui est en dépression par rapport à la pression atmosphérique extérieure.
Le gaz passivant est de préférence l’hydrogène.
Selon un mode de réalisation de l’invention dérivé du procédé NICE™, qui fait partie de l’état de la technique, on remplit le volume interne du module avec de l’azote ; ledit volume interne reste en dépression. La pression partielle d’oxygène ou d’eau n’est jamais nulle : Dans ce procédé, le remplacement de l’air par l’azote peut ne pas être total, et de l’humidité reste adsorbé sur les surfaces internes des composantes du module, et des molécules comportant des atomes d’oxygène peuvent être dégagées (notamment par le dégazage des surfaces et/ou par la décomposition des matériaux) par les matériaux au cours de la durée de vie du module. La présence d’un gaz réducteur tel que l’hydrogène moléculaire dans l’atmosphère du volume interne du module permet d’inhiber au moins partiellement l’effet oxydant de l’oxygène.
Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, qui convient bien pour les cellules photovoltaïques à base de silicium, le volume interne est rempli avec un gaz inerte qui comprend au moins 0,5 % d’hydrogène, et de préférence d’au moins 1 ,0 % d’hydrogène. Une concentration comprise entre 1 ,0 % et 5 % convient bien.
Les inventeurs ont trouvé que l’hydrogène comme gaz passivant présente un autre avantage : la perméabilité du joint d’étanchéité est plus grande pour l’hydrogène que pour les autres espèces gazeuses présentes dans le volume interne (et notamment plus grande que celle de l’azote). Ainsi, le module va subir au cours de sa durée de vie (typiquement au moins 25 ans) une petite partie de l’hydrogène contenu dans son volume interne. Cette perte d’hydrogène compense au moins partiellement l’augmentation de la pression dans le volume interne suite au dégazage et au dégagement de molécules volatiles par les différents matériaux. Ainsi, l’hydrogène contribue à réguler la pression interne du module (sachant que l’intégrité mécanique du module selon l’invention nécessite une légère dépression au sein du volume interne).
Dans un mode de réalisation typique, cette dépression dans le volume interne du module par rapport à la pression atmosphérique peut atteindre 1000 mbar ; elle est typiquement d’au moins 2 mbar, de préférence d’au moins 50 mbar, plus préférentiellement d’au moins 100 mbar, et encore plus préférentiellement d’au moins 200 mbar. A titre d’exemple, on peut utiliser une pression dans le volume interne d’environ 700 mbar, ce qui correspond à une dépression d’environ 300 mbar.
Le gaz réactif peut être utilisé pur ou mélangé avec un gaz inerte, tel que l’azote et/ou l’argon et/ou l’hélium. Il est sélectionné en fonction du matériau photovoltaïque, et en cas de pluralité de matériaux photovoltaïques (par exemple dans certaines cellules tandem), en fonction du matériau photovoltaïquement actif le plus fragile (par exemple le matériau de type pérovskite dans le cas des cellules tandem de type pérovskite - silicium). On choisit à ce titre un gaz qui est susceptible de renverser, au moins partiellement, la dégradation chimique d’au moins un matériau se trouvant en contact avec ledit gaz réactif. Ledit matériau est de préférence un matériau photovoltaïquement actif. Pour les matériaux de type pérovskites ledit gaz réactif peut par exemple être le H2S, le Hl ; le CH3I, lr Hl ; le CH3Br, le HBr.
Ce gaz réactif peut comporter des molécules comportant au moins un atome d’azote, et dans ce cas, de manière préférée, il peut être l’ammoniac (NH3) ou la méthylamine (CH3-NH2). On peut utiliser aussi une autre amine (par exemple la diméthylamine, l’éthylamine, la diéthylamine, la triméthylamine, la triéthylamine). On peut utiliser aussi de l’hydrazine (NH2-NH2). On peut également utiliser une amine halogéné, par exemple une chloramine, qui peut être une chloramine organique ou inorganique (par exemple : la monochloramine, la dichloramine, la trichloramine).
L’utilisation d’un gaz réactif est avantageuse lorsque le module photovoltaïque comporte au moins une cellule photovoltaïque comportant un composé de type pérovskite. Le gaz réactif, surtout un gaz comportant des molécules comportant au moins un atome d’azote et/ou de soufre et/ou de iode et/ou de brome, stabilise la composition chimique des pérovskites. Différents modes de connexion électrique peuvent être mis en oeuvre dans les modules photovoltaïques selon l’invention. D’une manière générale, deux types de connexions électriques doivent être prévues dans un module photovoltaïque. Le premier type de connexion est la connexion en série des cellules photovoltaïques ou sous-ensembles de cellules photovoltaïques pour obtenir un réseau de cellules photovoltaïques capable de fournir la tension de sortie souhaitée.
Dans une première variante, applicable aux cellules photovoltaïques déposées sur leur propre substrat, ces cellules photovoltaïques peuvent être reliées en série par des rubans en cuivre, sans soudure. Aucune soudure n’est nécessaire si une pression est exercée par les deux plaques en direction du volume intérieur ; cette pression provient d’une dépression au sein dudit volume intérieur.
Dans une deuxième variante, applicable aux cellules photovoltaïques déposées sur la face interne de l’une des deux plaques, la mise en série électrique est réalisée pendant le dépôt du matériau photovoltaïquement actif sur le substrat, en isolant (par exemple par faisceau laser) des îlots ou sous-ensembles ; il n’y a pas besoin d’interconnexions externes par ruban de cuivre ou autres conducteurs. Le module photo voltaïque selon l’invention protège les cellules photovoltaïques et en particulier le matériau photovoltaïquement actif ; cette protection est, d’une part, une protection mécanique, et, d’autre part, une protection contre l’oxygène et l’humidité. Le gaz passivant protège plus particulièrement les surfaces métalliques de l’oxydation, et le gaz réactif peut protéger le matériau photovoltaïquement actif contre sa dégradation.
Le deuxième type de connexion mène du réseau de cellules photovoltaïques vers un conducteur situé à l’extérieur du module photovoltaïque ; c’est grâce à cette connexion que l’énergie électrique produite par le module photovoltaïque peut être utilisée.
Comme mentionné ci-dessus, l’invention peut être appliquée à un procédé de fabrication de modules photovoltaïques connu en tant que tel sous la dénomination commerciale NICE™.
Ainsi, le module photovoltaïque selon l’invention comprend une pluralité de cellules photovoltaïques comportant chacune au moins un matériau phovoltaïquement actif, lesdites cellules photovoltaïques étant disposées entre des plaques ou feuilles avant et arrière, et au moins un joint disposé entre lesdites plaques et délimitant un volume intérieur étanche, maintenu à une pression inférieure à la pression atmosphérique (cette pression étant appelée « dépression »). Ledit module est caractérisé en ce que ledit volume intérieur comporte un gaz passivant et/ou un gaz réactif, pur(s) ou de préférence en mélange avec au moins un gaz inerte, tel que l’azote ou l’argon.
Le procédé de fabrication d’un tel module photovoltaïque est caractérisé par le fait qu’on dépose ledit au moins un joint entre lesdites plaques ou feuilles avant et arrière, de manière à délimiter un volume intérieur, et on forme la dépression formée dans ledit volume intérieur, par toute technique appropriée telle que l’aspiration ou I e pressage dans une cloche sous vide, et on introduit dans ledit volume intérieur ledit gaz passivant ou gaz réactif, pur ou de préférence en mélange avec au moins un gaz inerte, avant ou après avoir formé ladite dépression.
Lesdits joints sont en règle générale disposés à la périphérie des plaques ou feuilles. Ils peuvent être en matières identiques ou différentes, et comprendre un joint de scellement et un joint de renforcement.
Dans un mode de réalisation de l’invention, le module photovoltaïque comprend un assemblage de cellules photovoltaïques. Ces cellules photovoltaïques, déposées sur un substrat S approprié, sont disposés côte à côte entre les feuilles ou plaques P1 ,P2, sachant que P1 désigne ici la plaque « avant » (exposée au soleil) et P2 désigne la plaque opposée à P2. De manière préféré, P1 et P2 sont des plaques en verre. On peut aussi remplacer l’une de ces plaques en verre (ou même les deux) par une plaque ou une feuille en matériau polymère approprié. Ladite feuille peut être une feuille rigide ou semi-rigide ; elle doit être suffisamment rigide pour permettre la présence durable au sein du module photovoltaïque d’un volume interne en dépression. La plaque arrière P2 peut être constituée d’une plaque métallique.
Dans un autre mode de réalisation au moins une des cellules photovoltaïques (et de préférence toutes les cellules photovoltaïques) d’un module sont déposées sur l’une des feuilles ou plaques P1 ou P2 qui entrent dans la fabrication du module photovoltaïque. Autrement dit : l’une des feuilles ou plaques P1 ou P2 agit comme substrat S pour au moins une des cellules photovoltaïques (et de préférence pour toutes les cellules photovoltaïques) d’un module. De préférence il s’agit de la plaque ou feuille P1. Cela permet d’éviter la présence d’une discontinuité optique entre le verre et la cellule photovoltaïque. Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux dans le cas où le matériau photovoltaïquement actif est un matériau de type pérovskite.
Au sein du module photovoltaïque, la face de la plaque ou feuille P1 ou P2 sur laquelle sont déposées les cellules photovoltaïques est une face interne, de manière à ce que ladite cellule photo voltaïque soit protégée par l’autre plaque ou feuille P2 ou P1 , et par le joint de scellement.
D’une manière plus générale, le matériau photovoltaïquement actif peut être déposé directement sur la plaque avant P1 , ou directement sur la plaque arrière P2, ou sur un autre substrat S (qui peut être en tout matériau approprié, rigide, semi-rigide ou souple, et qui sera pris en sandwich entre les deux plaques P1 ,P2).
Les figures 1 à 6 montrent certains modes de réalisation d’un module selon l’invention.
La figure 1 montre un module photovoltaïque 1 qui comporte une plaque avant (P1) 2 et une plaque arrière (P2) 3 qui délimite, avec le joint de scellement 4, un volume intérieur 5 dans lequel se trouve une cellule photovoltaïque 6 qui a été déposée directement sur la face interne 7 de la plaque arrière 3. Ledit volume intérieur 5 comporte un gaz passivant et/ou un gaz réactif, possiblement dilué dans un gaz neutre. Dans la réalité industrielle, le module photovoltaïque comportera une pluralité de cellules photovoltaïques ; la figure 1 donne une représentation simplifiée.
Lors de la fabrication d’un tel module on approvisionne une plaque arrière 3 sur laquelle a déjà été déposée la cellule photovoltaïque 6 (typiquement une pluralité de cellules photovoltaïques), puis on dépose les organes de contact électrique (non montrés sur cette figure) sur les cellules photovoltaïques. On pose le joint d’étanchéité 4 et la plaque avant 2, puis on établit une dépression dans le volume intérieur 5 ; pour rincer on peut introduire un gaz inerte (ou le gaz passivant et/ou réactif qui sera utilisé par la suite) puis évacuer de nouveau. Ensuite on établit la pression partielle voulu de gaz réactif et/ou de gaz passivant. Ce procédé d’assemblage, de mise sous vide et de rinçage du module photovoltaïque 1 peut être fait dans une enceinte étanche sous pression réduite (dépression).
La figure 2 précise le mode de réalisation de la figure 1 , dans la mesure où elle illustre le positionnement de l’organe de connexion de sortie 10. Ce dernier traverse le joint d’étanchéité 4. Il est en contact électrique avec une électrode 9 fixée sur la cellule photovoltaïque 6. L’organe de connexion 10 est typiquement souple ; on peut utiliser un ruban métallique.
La figure 3 montre une variante de ce mode de réalisation, dans lequel un élément 11 en matériau souple établit un contact par pression entre, d’une part, l’organe de connexion 10 de sortie et l’électrode 9, et, d’autre part, entre ladite électrode 9 et la cellule photovoltaïque 6. Si le volume intérieur 5 du module 1 est en dépression, c’est cette dépression qui crée la force de pression qui établit ledit contact. On peut ajouter un cadre extérieur (non montré sur les figures).
La figure 4 monte une autre variante dans laquelle l’organe de connexion 10 traverse un trou de passage 12 aménagé dans la plaque arrière 3 ; ce trou de passage est scellé par un ou plusieurs joints de scellement auxiliaires 13a, b de manière à préserver le volume intérieur 5 du module 1.
La figure 5 montre un autre mode de réalisation de l’invention, similaire à celui de la figure 1 , la seule différence étant que la cellule photovoltaïque 6 a été déposée sur un substrat 8 qui n’est la plaque arrière 3. Lors de la fabrication du module, on dépose typiquement un assemblage de cellules photovoltaïques 6 sur la plaque arrière, puis on dépose les organes de contact électrique, et on continue comme décrit en relation avec la figure 1.
La figure 6 montre une variante du mode de réalisation illustré sur la figure 1. On a ici approvisionné une plaque avant (S1) 2 sur la face intérieure 14 de laquelle on a préalablement déposé au moins une cellule photovoltaïque 6. La plaque arrière (S2) 3 est une tôle métallique.
Selon l’invention l’atmosphère dans le volume intérieur 5 du module 1 comprend au moins un gaz réactif et/ou au moins un gaz passivant. De manière typique, ce volume intérieur comprend également un gaz inerte, typiquement de l’azote. Lesdits gaz réactifs et/ou gaz passivants peuvent être introduits en mélange avec ledit gaz inerte. Dans un mode de réalisation particulier ledit gaz inerte comporte de l’hélium. L’hélium présente le coefficient de diffusion le plus élevé parmi les gaz inertes, y compris au sein de matériaux solides tels que le joint. Etant absent dans l’atmosphère ambiante (i.e. externe au volume intérieur du module), l’hélium contenu dans ledit volume interne aura tendance à diffuser en premier ; cette diffusion de l'hélium contenu dans un volume gazeux à pression plus faible vers un volume gazeux à pression plus forte la diminue la pression partielle d’hélium dans le volume intérieur du module, et contribue ainsi à maintenir la sous-pression au sein du volume intérieur.

Claims

REVENDICATIONS
1. Module photovoltaïque comprenant une pluralité de cellules photovoltaïques comportant chacune au moins un matériau phovoltaïquement actif, sélectionné dans le groupe des matériaux de type pérovskite, et en particulier les matériaux de type AZX3 où o A désigne un cation d’un premier type, qui peut être un cation d’un élément métallique, tel quel le Cs+, le Rb+, ou le Na+, ou un cation organique, tel que le méthylammonium CH3-NH3 +, o Z désigne un cation d’un deuxième type, à savoir un cation d’un élément métallique, tel que Pb++, Zn++, Bi+++,Ga+++ , Sn++ et o X désigne un anion tel que I-, Br, Cl , o le rayon ionique des cations du premier type étant plus grand que le rayon ionique des cations du deuxième type ; lesdites cellules photovoltaïques étant disposées entre des plaques ou feuilles avant et arrière, et au moins un joint disposé entre lesdites plaques et délimitant avec lesdites plaques ou feuilles un volume intérieur étanche, ledit module étant caractérisé en ce que ledit volume intérieur comporte un gaz passivant et/ou un gaz réactif, pur ou de préférence en mélange avec au moins un gaz inerte, tel que l’azote ou l’argon.
2. Module photovoltaïque selon la revendication 1 , caractérisé en ce que ledit volume interne est maintenu à une pression inférieure à la pression atmosphérique.
3. Module photovoltaïque selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit gaz passivant est un gaz réducteur, de préférence de l’hydrogène.
4. Module photovoltaïque selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit gaz inerte comporte de l’hélium.
5. Module photovoltaïque selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit gaz réactif est sélectionné de manière à pouvoir stabiliser au moins un desdits matériaux photovoltaïquement actifs.
6. Module photovoltaïque selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit gaz réactif comporte des molécules comportant au moins un atome d’azote, et est de préférence sélectionné dans le groupe formé par : l’ammoniac, l’hydrazine, les amines (de préférence la méthylamine, la diméthylamine, l’éthylamine, la diéthylamine, la triméthylamine, la triéthylamine).
7. Module photovoltaïque selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit gaz réactif comporte des molécules comportant au moins un atome de soufre, et est de préférence du H2S.
8. Module photovoltaïque selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit gaz réactif comporte des molécules comportant au moins un atome de iode, et est de préférence sélectionné dans le groupe formé par : le Hl, le CH3l.
9. Module photovoltaïque selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit gaz réactif comporte des molécules comportant au moins un atome de brome, et est de préférence sélectionné dans le groupe formé par : le HBr, le CHsBr.
10. Module photovoltaïque selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu’au moins une desdites cellules photovoltaïques est une cellule de type tandem, comportant une première cellule photovoltaïque avec un premier matériau phovoltaïquement actif, sélectionné dans ledit groupe des matériaux de type pérovskite, qui est déposée sur une deuxième cellule photovoltaïque avec un deuxième matériau photovoltaïquement actif, qui est à base de silicium.
11. Procédé de fabrication d’un module photovoltaïque selon l’une quelconque des revendications 2 à 10, dans lequel on dépose au moins un joint entre lesdites plaques ou feuilles avant et arrière, de manière à délimiter un volume intérieur, on forme une dépression dans volume intérieur, et on introduit dans ledit volume intérieur ledit gaz passivant et/ou gaz réactif, pur ou de préférence en mélange avec au moins un gaz inerte, avant ou après avoir formé ladite dépression.
12. Procédé de fabrication selon la revendication 11 , dans lequel on effectue un balayage dudit volume intérieur avec un gaz inerte avant d’introduire ledit gaz passivant et/ou réactif.
13. Procédé de fabrication selon la revendication 11 , dans lequel on effectue un balayage dudit volume intérieur avec un gaz passivant avant d’introduire ledit gaz réactif.
14. Procédé selon l’une quelconque des revendications 11 à 13, dans lequel ledit gaz réactif comporte des molécules sélectionnée dans le groupe formé par : o les molécules comportant au moins un atome d’azote, de préférence sélectionné dans le groupe formé par : l’ammoniac, l’hydrazine, les amines (de préférence la méthylamine, la diméthylamine, l’éthylamine, la diéthylamine, la triméthylamine, la triéthylamine) ; o les molécules comportant au moins un atome de soufre, et de préférence du H2S ; o les molécules comportant au moins un atome de iode, et est de préférence sélectionné dans le groupe formé par le Hl et le CH3I ; o les molécules comportant au moins un atome de brome, et est de préférence sélectionné dans le groupe formé par le HBr, le CH3Br.
15. Procédé selon l’une quelconque des revendications 11 à 14, dans lequel ledit gaz inert introduit dans ledit volume intérieur contient de l’hélium.
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