WO2024261113A1 - Procédé de fabrication d'un module photovoltaïque par thermoformage d'un empilement multicouche - Google Patents
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Definitions
- Known photovoltaic modules generally comprise several photovoltaic cells, capable of converting a luminous flux into an electric current, which are encapsulated in a laminate.
- the laminate typically includes:
- a front face intended to be positioned facing the solar radiation incident on the photovoltaic cells and which is defined by a thermally tempered glass plate, with a thickness greater than 2 mm, generally between 2.8 mm and 6 mm,
- encapsulation films generally made of ethylene-vinyl acetate, placed between the front and rear faces.
- the laminate is obtained by a hot lamination process at a temperature of approximately 150 °C.
- the lamination process has several drawbacks. In particular, it requires that the heating and compression phase of the laminate and the subsequent cooling phase be carried out in different devices. In addition, controlling the cooling rate after lamination is difficult, which complicates the implementation of this process with thermoplastic polymers that can crystallize, become whitish, diffuse light more and have lower transparency during cooling.
- the heating of the laminate is generally carried out by means of an oil circuit whose flash point is at most 194 °C. The hot lamination process therefore does not allow the shaping of polymer materials for which shaping temperatures above 180 °C are necessary. Finally, the hot lamination process only allows the manufacture of flat-shaped photovoltaic modules.
- thermoforming of parts Devices comprising a mold and a membrane for implementing the thermoforming of parts are described for example in WO 2009/125079 A2, WO 2012/131112 A2 and WO 2013/190020 A1, incorporated by reference.
- the membrane is particularly capable of matching the shape of the face of the mold against which the multi-layer stack rests.
- the mold temperature is less than 50°C, preferably less than 30°C, prior to placing the multilayer stack between the mold and the membrane.
- the method comprises evacuating, at a residual vacuum pressure of less than or equal to 1000 Pa, the interior space delimited by the mold and the membrane and in which the multilayer stack is housed and, optionally, the space delimited by the face of the membrane on which the fluid pressure is applied.
- the evacuation makes it possible to evacuate the air and to prevent gas bubbles from being trapped between the components of the multilayer stack, and degrade the properties of the photovoltaic module by facilitating the penetration of moisture and/or by acting as a delamination initiation zone between the components.
- the residual vacuum pressure is reached before the temperature of the intermediate sheet is at least 90°C, or even at least 80°C.
- the temperature of the intermediate sheet is for example determined from a measurement carried out by means of a calibration multilayer stack equipped with a thermocouple arranged in contact with the intermediate sheet and which has been subjected beforehand to step ii) of thermoforming, or from the result of a thermal modeling of the thermoforming of the multilayer stack, for example by the finite element method.
- the residual vacuum pressure is reached while the fluid pressure applied to the membrane is less than or equal to 20 kPa, or even before the application of the fluid pressure to the membrane, in order to avoid the formation of gas bubbles trapped in the photovoltaic module and/or to reduce the risk of damage to the photovoltaic cell(s).
- the heating of the mold comprises a temperature raising step, from the temperature of the mold when placing the multilayer stack in place to a holding temperature followed by a holding step at the holding temperature.
- the temperature rise step can be carried out at a rate between 1.8°C.s' 1 and 2.5°C.s' 1 .
- the duration of the holding step can be between 1 minute and 15 minutes, preferably between 8 minutes and 12 minutes, better between 3 minutes and 5 minutes.
- the fluid pressure is applied to the membrane after heating of the multilayer stack has been initiated, so as to limit the risk of damage or even rupture of the photovoltaic cells.
- the application of the fluid pressure to the membrane is carried out after the mold temperature has reached the holding temperature.
- the fluid pressure applied to the membrane is greater than or equal to atmospheric pressure. It is preferably greater than 100 kPa, preferably greater than 200 kPa. Preferably, it is greater than or equal to 300 kPa, or even greater than or equal to 400 kPa. Furthermore, it is preferably less than or equal to 2000 kPa, or even less than or equal to 700 kPa, or even less than or equal to 600 kPa.
- Fluid pressure can be applied to the membrane for a period of 1 minute to 15 minutes, including 3 minutes to 5 minutes.
- the fluid used to apply the fluid pressure may be a liquid or a gas.
- the fluid is a gas, for example air.
- the photovoltaic mold is cooled between the membrane and the mold, and preferably in contact with the membrane and the mold.
- the heating of the multilayer stack, the application of the fluid pressure and the cooling of the module can thus be implemented within the same device. This makes the method according to the invention simpler to implement, said steps being carried out in one cycle, and more efficient than a lamination method of the prior art which requires different devices for heating and cooling the photovoltaic module.
- the method comprises cooling the mold in order to cool the photovoltaic module by heat exchange between the mold and the photovoltaic module.
- the mold is for example cooled by circulation of a heat transfer fluid, for example water, in contact with the mold.
- the cooling rate of the mold may be between 0.2 °C. s' 1 and 2 °C. s' 1 , preferably between 0.4 °C. s' 1 and 1.6 °C. s' 1 , for example 1.5 °C. s' 1 .
- the fluid pressure is maintained on the membrane during cooling of the photovoltaic module at least until the temperature of the intermediate sheet is less than or equal to 50 °C, or even less than or equal to 30 °C. In this way, it is ensured that the mechanical properties are sufficient in the photovoltaic module.
- thermoforming step ii) may be between 1 minute and 15 minutes, preferably between 3 minutes and 5 minutes.
- the process may include extracting the photovoltaic module from the interior space.
- At least one of the sheets selected from the front face sheet and the back face sheet comprises a thermoplastic polymer.
- At least one of the sheets selected from the front face sheet and the back face sheet, preferably the back face sheet, comprises a composite material comprising reinforcing fibers dispersed in a matrix of a polymer, preferably the thermoplastic polymer described above, the composite material being for example a woven or nonwoven impregnated with the polymer.
- the reinforcing fibers reinforcement can be carbon fibers, glass fibers or natural textile fibers.
- the method comprises manufacturing the backsheet by thermoforming as described in step ii) of a multilayer structure. This makes it possible, for example, to prepare a multilayer stack having a relief shape.
- the multilayer structure may comprise several sheets, at least one of the sheets having been manufactured by thermoforming as described in step ii) of a multilayer element.
- the multilayer stack preferably comprises several photovoltaic cells, preferably arranged in a regular arrangement in at least one direction in a plane parallel to or coincident with the median plane of the multilayer stack.
- the multilayer stack may have a flat or complex shape, in particular curved.
- the multilayer stack may extend in one or more curved directions that are different from each other. It may have at least one surface having at least one protruding relief and/or at least one recessed relief.
- the multilayer stack comprises, or even consists of:
- the front face sheet which comprises, or even consists of, a thermoplastic polymer.
- the mold may include at least one protruding relief and/or at least one recessed relief against which the multilayer stack comes into contact during thermoforming.
- the mold can be shaped so that the shape of the photovoltaic module has at least one curvature.
- the mold is preferably metallic, for example steel.
- FIG. 2 represents, as a function of time t, expressed in minutes, the evolution of the set temperature of the mold Te expressed in °C (left scale), of the pressure in the interior space Pi expressed in mbar and of the fluid pressure Pf applied to the membrane, expressed in bar (right scale);
- FIG. 4] and FIG. 5] are photographs of examples of a back sheet and a portion of a multi-layer stack respectively prior to thermoforming.
- FIG 1 schematically illustrates different stages of an example of implementation of the method according to the invention and Figures 2 and 3 show the evolution of different operating parameters of the method.
- step ii Thermoforming of the multi-layer stack against the mold is then carried out in step ii).
- the suction of said gas can be carried out by means of a pump through orifices which open out through the inner face of the mold.
- the suction of the gas induces a vacuum c])o of the interior space 5.
- the vacuum can be carried out in two stages, as illustrated in Figure 2.
- the pressure in the interior space Pi can first be reduced from atmospheric pressure to an intermediate pressure Pint, for example 300 Pa (3 mbar), and then to a residual vacuum pressure P vr of 100 Pa (1 mbar).
- a set temperature Tc is then applied to heat the mold.
- the heating of the mold comprises a temperature increase phase c
- a higher or lower set temperature can of course be applied depending on the melting temperature of the components.
- the set temperature Tc can be applied to the mold before the residual vacuum pressure is reached.
- the mold is preferably heated by electromagnetic induction.
- the temperature of the multilayer stack Tp is higher near its faces in contact with the mold and the membrane than at the level of the intermediate sheet(s). As can be observed in Figure 3, in the illustrated example, it evolves substantially linearly with time, like the set temperature of the mold.
- the fluid pressure Pf is applied gradually to the outer face 8 of the membrane opposite the multilayer stack, preferably as soon as the temperature of the intermediate sheet reaches 80 °C. In the example illustrated, it is applied once that the set temperature reaches the mold holding temperature, and is constant, of approximately 350 kPa. Alternatively, a first intermediate fluid pressure stage may be applied before application of the maximum fluid pressure value, in particular to reduce the risk of rupture of the photovoltaic cell(s) when heating the components.
- the fluid pressure deforms the membrane, the inner face 6 of which comes into contact with the facing face 9 of the multilayer stack. It thus deforms the multilayer stack which comes into contact against the hollow 10 and protruding 11 reliefs of the inner face 7 of the mold, as illustrated in FIG. 1 c).
- the set temperature Te of the mold is maintained at the holding temperature for a suitable duration, for example between 180°C and 260°C so that the sheets which form the multilayer stack are irreversibly bonded to obtain the photovoltaic module.
- the back sheet was first prepared by thermoforming a multi-layer structure between the mold and the membrane according to the steps described above.
- the multilayer structure was formed by superimposing the following layers on top of each other.
- a first sheet was obtained from a blank consisting of three plies each formed of a carbon fiber nonwoven with a surface mass of 300 g/m 2 and pre-impregnated with polypropylene.
- the blank was shaped against the mold and the membrane by thermoforming according to the steps described above, with an application of a fluid pressure of 700 kPa on the membrane, heating of the mold to a temperature set temperature of 220 °C reached in 1 minute and 40 seconds, holding at the set temperature for 4 minutes and cooling the mold for 1 minute and 30 seconds to a temperature of 30 °C.
- the fluid pressure was then removed and the first shaped sheet was extracted from between the mold and the membrane.
- a second sheet was obtained from a blank consisting of a ply of carbon fiber fabric with a surface mass of 200 g/m 2 and two polypropylene felts, each with a thickness of 45 pm, on either side of the fabric.
- a transparent polyolefin film with a thickness of between 25 pm and 60 pm (with a surface mass of between 23 and 55 g/m 2 ) was placed in contact with the internal face of the mold to improve subsequent adhesion between the back face sheet and the intermediate sheet.
- the blank was shaped against the mold and the membrane by thermoforming under the same operating conditions as the first sheet, except that the set temperature was 230 °C.
- the back sheet photographed in Figure 4, was then formed by stacking the first and second sheets on top of each other.
- the resulting multilayer structure was placed facing the mold and the second sheet facing the membrane.
- the multilayer structure was shaped against the mold and the membrane by thermoforming under the same operating conditions as the second sheet.
- a multi-layer stack was then prepared by superimposing the following sheets in the following order:
- the multilayer stack photographed in Figure 5, was arranged between the mold and the membrane, with the front face sheet facing the inner face of the mold.
- the multilayer stack was formed against the mold and membrane by thermoforming according to the steps described above.
- the multilayer stack was first evacuated in the interior space to a residual vacuum pressure of less than 1 kPa for 3 minutes and 10 seconds.
- the mold was heated from about 30 °C to a set temperature of 170 °C for 1 minute and 17 seconds and then held at the set temperature for 5 minutes.
- a fluid pressure of 350 kPa was applied to the membrane 3 minutes and 10 seconds after the mold heating began.
- the mold was cooled for 1 minute and 30 seconds.
- the fluid pressure was then released and the photovoltaic module thus produced was extracted from between the mold and the membrane.
- the invention makes it possible to manufacture a conformable photovoltaic module having a complex three-dimensional shape. It also allows the use of thermoplastic polymers that cannot be implemented by a lamination process of the prior art. A photovoltaic panel with a low surface mass, less than 5 kg/m 2 and/or having an aesthetic appearance that is pleasing to the eye, for example due to specific colors chosen for the thermoplastic polymers or due to an aesthetic effect provided by the fiber materials, can thus be obtained.
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Abstract
Procédé de fabrication d'un module photovoltaïque, le procédé comportant : i) une mise en place d'un empilement multicouche (1) entre un moule (2) et une membrane (3) déformable, l'empilement multicouche comportant à titre de composants, une feuille de face avant comportant au moins un polymère, une feuille de face arrière comportant au moins un polymère, au moins une feuille intermédiaire et au moins une cellule photovoltaïque prises en sandwich entre la feuille de face avant et la feuille de face arrière, ii) un thermoformage de l'empilement multicouche comportant - l'application d'une pression de fluide sur la face de la membrane opposée à l'empilement multicouche, pour mettre en forme l'empilement multicouche contre le moule et la membrane, - le chauffage de l'empilement multicouche à une température adaptée à lier ensemble les composants de l'empilement multicouche de manière à former le module photovoltaïque, et - le refroidissement du module photovoltaïque et la suppression de la pression de fluide.
Description
Description
Titre : Procédé de fabrication d’un module photovoltaïque par thermoformage d’un empilement multicouche
La présente invention concerne la fabrication d’un module photovoltaïque, en particulier présentant une forme tridimensionnelle complexe, notamment courbée.
Afin de préserver au mieux l’espace naturel non aménagé, il est nécessaire pour déployer en nombre des modules photovoltaïques, d’intégrer ces derniers dans les surfaces déjà existantes, par exemple de bâtiments, d’infrastructures, de biens de consommation et dans le domaine de la mobilité (véhicules).
Toutefois, ces intégrations nécessitent que la forme et la masse des modules photovoltaïques soient adaptées au support destiné à les porter. Il est en outre nécessaire, pour chaque module photovoltaïque, de garantir une performance et une durabilité conforme aux réglementations en vigueur et de réduire l’empreinte environnementale correspondante pour répondre à l’objectif « carbone net zéro » en 2035.
Les modules photovoltaïques connus comportent généralement plusieurs cellules photo voltaïques, aptes à convertir un flux lumineux en un courant électrique, qui sont encapsulées dans un laminé.
Le laminé comporte classiquement :
- une face avant destinée à être disposée face au rayonnement solaire incident sur les cellules photovoltaïques et qui est définie par une plaque de verre trempé thermiquement, d’une épaisseur supérieure à 2 mm, généralement comprise entre 2,8 mm et 6 mm,
- une face arrière multicouche, comportant généralement du polyfluorure de vinyle, par exemple commercialisé sous la dénomination TEDLAR©,
- des cellules photovoltaïques enrobées par deux films d’adhésion, dits d’encapsulation, généralement en éthylène- acétate de vinyle, disposées entre les faces avant et arrière.
Le module photovoltaïque peut en outre comporter un cadre en aluminium, qui porte le laminé et une boite de jonction qui permet d’intégrer une protection de type diodes by-pass ou MOSFETs ou un circuit électronique. La boite de jonction permet également de connecter électriquement plusieurs modules photovoltaïques entre eux.
La mise en œuvre d’une plaque de verre trempé épaisse de face avant n’est cependant pas compatible avec des applications où la légèreté du module photovoltaïque est requise.
Pour alléger le laminé, il peut être envisagé d’amincir la plaque de verre trempé à une épaisseur inférieure à 2 mm, ou de la remplacer par une feuille polymérique, faite par exemple de PVDF, ETFE, ECTFE, ou FEP, ou par une feuille en un matériau composite à base de fibres de verre immergées dans une résine époxy.
Le laminé est obtenu par un procédé de lamination à chaud à une température de 150 °C environ. Le procédé de lamination présente cependant plusieurs inconvénients. Il requiert notamment que la phase de chauffage et de compression du laminé et la phase de refroidissement successif soient effectuées dans des dispositifs différents. En outre, le contrôle de la vitesse de refroidissement après lamination est difficile, ce qui complexifie la mise en œuvre de ce procédé avec des polymères thermoplastiques qui peuvent cristalliser, devenir blanchâtres, plus diffuser la lumière et présenter une plus faible transparence lors du refroidissement. En outre, généralement le chauffage du laminé est effectuée au moyen d’un circuit d’huile dont le point d’éclair est au plus de 194°C. Le procédé de lamination à chaud ne permet donc pas de mettre en forme des matériaux polymères pour lesquelles des températures de mise en forme supérieures à 180 °C, sont nécessaires. Enfin, le procédé de lamination à chaud ne permet de fabriquer que des modules photovoltaïques de forme plane.
Par ailleurs, pour produire des modules présentant des formes tridimensionnelles complexes, en relief, et notamment dotées d’une ou plusieurs courbures, il est connu de mettre en œuvre des procédés tels que le moulage sous sache, le moulage sous autoclave, le moulage par transfert de résine, connu sous l’acronyme moulage RTM, le moulage par injection-réaction, aussi connu sous l’acronyme moulage RIM. Cependant, ces procédés requièrent des temps de mise en œuvre longs qui les rend peu efficaces et compétitifs industriellement.
Il existe donc un besoin pour un nouveau procédé de fabrication d’un module photovoltaïque qui s’affranchisse, au moins en partie, des inconvénients de l’art antérieur.
L’invention concerne un procédé de fabrication d’un module photo voltaïque, le procédé comportant : i) une mise en place d’un empilement multicouche entre un moule et une membrane déformable, l’empilement multicouche comportant à titre de composants, une feuille de face
avant comportant au moins un polymère, une feuille de face arrière comportant au moins un polymère, au moins une feuille intermédiaire et au moins une cellule photovoltaïque prises en sandwich entre la feuille de face avant et la feuille de face arrière, ii) un thermoformage de l’empilement multicouche comportant
- l’application d’une pression de fluide sur la face de la membrane opposée à l’empilement multicouche, pour mettre en forme l’empilement multicouche contre le moule et la membrane,
- le chauffage de l’empilement multicouche à une température adaptée à lier ensemble les composants de l’empilement multicouche de manière à former le module photo voltaïque, et
- le refroidissement du module photovoltaïque et la suppression de la pression de fluide.
Le procédé selon l’invention permet de fabriquer un module photo voltaïque présentant une forme en relief, en appliquant une pression uniforme sur l’empilement multicouche. On évite ainsi d’appliquer des contraintes localement élevées qui pourraient endommager les cellules photo voltaïques. Par ailleurs, comme cela apparaîtra par la suite, le procédé selon l’invention permet de mettre en œuvre une importante variété de matériaux polymériques, par exemple du PA, du PC, du PP, du PET G ou du PMMA, notamment qui requièrent des températures de mise en forme supérieures à 170 °C. Enfin, la mise en œuvre du procédé permet de réutiliser le moule et la membrane pour fabriquer plusieurs modules photo voltaïques et la durée de fabrication d’un module photo voltaïque est plus rapide qu’avec les procédés de moulage sous sache, de moulage RIM et de moulage RTM de l’art antérieur.
Des dispositifs comportant un moule et une membrane pour mettre en œuvre le thermoformage de pièces sont décrits par exemple dans WO 2009/125079 A2, WO 2012/131112 A2 et WO 2013/190020 Al, incorporés par référence.
Sauf mention contraire, les pressions exprimées dans la présente description et dans les revendications sont absolues.
La membrane est notamment apte à épouser la forme de la face du moule contre laquelle est vient appuyer l’empilement multicouche.
De préférence, la température du moule est inférieure à 50 °C, de préférence inférieure à 30 °C, préalablement à la mise en place de l’empilement multicouche entre le moule et la membrane.
De préférence, le procédé comporte la mise sous vide, à une pression de vide résiduel inférieure ou égale à 1000 Pa, de l’espace intérieur délimité par le moule et la membrane et dans lequel l’empilement multicouche est logé et, optionnellement, de l’espace délimité par la face de la membrane sur laquelle la pression de fluide est appliquée. La mise sous vide permet d’évacuer l’air et d’éviter que des bulles de gaz soient piégées entre les composants de l’empilement multicouche, et dégradent les propriétés du module photovoltaïque en y facilitant la pénétration d’humidité et/ou en agissant comme zone d’initiation de délamination entre les composants.
De préférence, la pression de vide résiduel est inférieure ou égale à 1000 Pa, de préférence inférieure ou égale à 300 Pa, voire inférieure ou égale à 100 Pa.
Le chauffage de l’empilement multicouche peut être initié avant ou conjointement ou postérieurement à la mise sous vide de l’espace intérieur.
De préférence, la pression de vide résiduel est atteinte avant que la température de la feuille intermédiaire soit d’au moins 90 °C, voire d’au moins 80 °C. Cela permet au gaz contenu entre les composants de l’empilement multicouche d’être évacué de l’espace intérieur avant que la feuille intermédiaire ne fonde sous l’effet de sa température. La température de la feuille intermédiaire est par exemple déterminée à partir d’une mesure effectuée au moyen d’un empilement multicouche d’étalonnage équipé d’un thermocouple disposé au contact de la feuille intermédiaire et qui a été soumis préalablement à l’étape ii) de thermoformage, ou à partir du résultat d’une modélisation thermique du thermoformage de l’empilement multicouche, par exemple par la méthode des éléments finis.
De préférence, la pression de vide résiduel est atteinte pendant que la pression de fluide appliquée sur la membrane est inférieure ou égale à 20 kPa, voire avant l’application de la pression de fluide sur la membrane, afin d’éviter la formation de bulles de gaz emprisonnées dans le module photovoltaïque et/ou de réduire le risque d’endommagement de la ou des cellules photo voltaïques.
En particulier, la durée de mise sous vide pour abaisser la pression dans l’espace intérieur, de la pression atmosphérique à la pression de vide résiduel, peut être inférieure à 60 s, de préférence inférieure à 30 s.
De préférence, le procédé comporte le chauffage au moins du moule afin d’élever la température de l’empilement multicouche. Le chaleur du moule est alors transférée à l’empilement multicouche, notamment par rayonnement et/ou conduction.
De préférence, le chauffage du moule est effectué par induction électromagnétique, ce qui permet de localiser le chauffage à l’interface entre le moule et l’empilement multicouche et que la température de ladite interface soit sensiblement uniforme. La différence entre la température du moule et la température de l’empilement multicouche à ladite interface est de préférence inférieure ou égale à 5 °C, en valeur absolue.
De préférence, le chauffage du moule comporte une étape d’élévation de température, à partir de la température du moule lors de la mise en place de la place de l’empilement multicouche jusqu’à une température de maintien suivie d’une étape de maintien à la température de maintien.
L’étape d’élévation de température peut être effectuée à une vitesse comprise entre 1,8 °C. s’1 et 2,5 °C.s’1.
La température de maintien peut être supérieure ou égale à 170 °C, voire supérieure ou égale à 180 °C, voire supérieure ou égale à 200 °C, voire supérieure ou égale à 220°C, voire supérieure ou égale à 250 °C, voire supérieure ou égale à 280 °C, voire supérieure ou égale à 300 °C.
La durée de l’étape de maintien peut être comprise entre 1 minute et 15 minutes, de préférence entre 8 minutes et 12 minutes, mieux entre 3 minutes et 5 minutes.
De préférence, la pression de fluide est appliquée sur la membrane après que le chauffage de l’empilement multicouche a été initié, de manière à limiter le risque d’endommagement, voire de rupture, des cellules photo voltaïques. De préférence, l’application de la pression de fluide sur la membrane est opérée après que la température du moule a atteint la température de maintien.
La pression de fluide appliquée sur la membrane est supérieure ou égale à la pression atmosphérique. Elle est de préférence supérieure à 100 kPa, de préférence supérieure à 200 kPa. De préférence, elle est supérieure ou égale à 300 kPa, voire supérieure ou égale à 400 kPa. En outre, elle est de préférence inférieure ou égale à 2000 kPa, voire inférieure ou égale à 700 kPa, voire inférieure ou égale à 600 kPa.
La pression de fluide peut être appliquée sur la membrane pendant une durée comprise 1 minute et 15 minutes, notamment entre 3 minutes et 5 minutes.
Le fluide mis en œuvre pour appliquer la pression de fluide peut être un liquide ou un gaz. De préférence, le fluide est un gaz, par exemple de l’air.
De préférence, le moule photovoltaïque est refroidi entre la membrane et le moule, et de préférence au contact de la membrane et du moule. Avantageusement, le chauffage de l’empilement multicouche, l’application de la pression de fluide et le refroidissement du module peuvent ainsi être mis en œuvre au sein du même dispositif. Cela rend le procédé selon l’invention plus simple de mise en œuvre, les dites étapes étant effectuées en un cycle, et plus efficace qu’un procédé de lamination de l’art antérieur qui nécessite des appareils différents pour chauffer et refroidir le module photo voltaïque.
De préférence, le refroidissement du module photo voltaïque est initié avant la suppression de la pression de fluide. On évite ainsi que le module photovoltaïque ne se déforme au cours du refroidissement, n’étant pas suffisamment contraint par la membrane.
De préférence, le procédé comporte le refroidissement du moule afin de refroidir le module photovoltaïque par échange de chaleur entre le moule et le module photo voltaïque. Le moule est par exemple refroidi par circulation d’un fluide caloporteur, par exemple de l’eau, au contact du moule. En particulier, le vitesse de refroidissement du moule peut être comprise entre 0,2 °C. s'1 et 2 °C. s'1 , de préférence entre 0,4 °C. s'1 et 1,6 °C. s'1, par exemple de 1,5 °C. s'1.
De préférence, la pression de fluide est maintenue sur la membrane pendant le refroidissement du module photo voltaïque au moins jusqu’à ce que la température de la feuille intermédiaire soit inférieure ou égale à 50 °C, voire inférieure ou égale à 30 °C. De cette façon, on assure que les propriétés mécaniques sont suffisantes dans le module photo voltaïque.
La rupture du vide dans l’espace intérieur, i.e. le retour à la pression atmosphérique à partir de la pression de vide résiduel peut être effectué à une vitesse supérieure à 100 kPa.s'1. De préférence, il est effectué à une vitesse comprise entre 0,8 kPa.s' 1 et 1,7 kPa.s'1.
De préférence, la pression de fluide est maintenue sur la membrane pendant la rupture du vide.
Le vide dans l’espace intérieur peut être rompu pendant ou après le refroidissement du module photo voltaïque.
La durée de l’étape ii) de thermoformage peut être comprise entre 1 minute et 15 minutes, de préférence comprise entre 3 minutes et 5 minutes.
Postérieurement au refroidissement, le procédé peut comporter l’extraction du module photo voltaïque hors de l’espace intérieur.
La feuille de face avant est destinée, après obtention du module photovoltaïque à être disposée entre la source de rayonnement solaire et la cellule photo voltaïque.
De préférence, au moins une des feuilles choisies parmi la feuille de face avant et la feuille de face arrière est un multicouche.
De préférence, au moins une des feuilles choisies parmi la feuille de face avant et la feuille de face arrière comporte un polymère thermoplastique.
Le polymère thermoplastique peut présenter une température de fusion supérieure ou égale à 180 °C.
Le polymère thermoplastique est par exemple choisi parmi une polyoléfine (TPO), une résine époxy, le polypropylène (PP), le polycarbonate (PC), le polyméthacrylate de méthyle acrylique (PMMA), le polyester téréphtalate glycolisé (PET G), le polyamide (PA), le sulfure de polyphénylène (PPS) et leurs mélanges.
Par exemple :
- le polymère thermoplastique est une polyoléfine et le moule est maintenu à la température de maintien d’au moins 120 °C, par exemple pendant moins de 1 minute ; ou
- le polymère thermoplastique est une résine époxy et le moule est maintenu à la température de maintien d’au moins 190 °C par exemple pendant environ 3,5 minutes ; ou
- le polymère thermoplastique est un polypropylène et le moule est chauffé à la température de maintien d’au moins 225 °C, par exemple pendant environ 2 minutes ; ou
- le polymère thermoplastique est le PA6 et le moule est chauffé à la température de maintien d’au moins 260 °C, par exemple pendant environ 2,5 minutes ; ou
- le polymère thermoplastique est le PAI 1 ou le PA 12 et le moule est chauffé à la température de maintien d’au moins 290 °C, par exemple pendant environ 3 minutes ; ou
- le polymère thermoplastique est le PPS et le moule est chauffé à la température de maintien d’au moins 315 °C, par exemple pendant environ 3,5 minutes.
De préférence, au moins une des feuilles choisies parmi la feuille de face avant et la feuille de face arrière, de préférence la feuille de face arrière, comporte un matériau composite comportant des fibres de renforcement dispersées dans une matrice en un polymère, de préférence le polymère thermoplastique décrit ci-dessus, le matériau composite étant par exemple un tissé ou un non-tissé imprégné par le polymère. Les fibres de
renforcement peuvent être des fibres de carbone, des fibres de verre ou des fibres textiles naturelles.
Dans un mode de mise en œuvre, le procédé comporte la fabrication de la feuille de face arrière par thermoformage tel que décrit à l’étape ii) d’une structure multicouche. Cela permet par exemple de préparer un empilement multicouche ayant une forme en relief.
Les conditions de chauffage de la structure multicouche, d’application de la pression de fluide sur la membrane et de refroidissement de la feuille de face arrière peuvent être identiques ou différentes des conditions de thermoformages de l’empilement multicouche. Par exemple, la feuille de face arrière et l’empilement multicouche peuvent être chauffés à des températures différentes.
La structure multicouche peut comporter plusieurs feuillets, au moins un des feuillets ayant été fabriqué par thermo formage tel que décrit à l’étape ii) d’un élément multicouche.
Par ailleurs, la cellule photovoltaïque comporte de préférence un semi- conducteur, notamment du silicium. En variante, elle peut être une cellule photovoltaïque organique ou perovskite ou CIGS. Par exemple, la cellule photo voltaïque peut être de type PERC, TopCOn, HJT, Tandem, IBC ou MWT.
L’empilement multicouche comporte de préférence plusieurs cellules photo voltaïques, de préférence disposées selon un agencement régulier selon au moins une direction dans un plan parallèle ou confondu avec le plan médian de l’empilement multicouche.
Par ailleurs, l’empilement multicouche peut présenter une forme plane ou complexe, notamment courbée. Notamment, l’empilement multicouche peut s’étendre selon une ou plusieurs directions courbes différentes les unes des autres. Il peut présenter au moins une surface présentant au moins relief en saillie et/ou au moins un relief en creux.
Selon un mode de réalisation préféré, l’empilement multicouche comporte, voire est constitué par :
- la feuille de face arrière multicouche qui comporte un pli comportant des feuillets, différents ou identiques, faits d’un tissé ou d’un tissu de fibres de carbone imprégnés dans un polymère thermoplastique,
- plusieurs feuilles intermédiaires faites chacune d’un film thermoplastique d’encapsulation,
- plusieurs cellules photovoltaïques reliées électriquement entre elles et qui sont chacune au
contact des feuilles intermédiaires et prises en sandwich entre les feuilles intermédiaires,
- la feuille de face avant qui comporte, voire consiste en un polymère thermoplastique.
Le moule peut comporter au moins un relief en saillie et/ou au moins un relief en creux contre lesquels l’empilement multicouche vient en contact au cours du thermoformage.
Le moule peut être conformé pour que la forme du module photovoltaïque présente au moins une courbure.
Le moule est de préférence métallique, par exemple en un acier.
L’invention pourra maintenant être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre et des exemples présentés à titre illustratif et non limitatif, et du dessin annexé dans lequel :
[Fig. 1] est une vue schématique et en coupe transversale d’un moule, d’une membrane, d’un empilement multicouche et du module photovoltaïque obtenu à différentes étapes d’un exemple de mise en œuvre du procédé ;
[Fig. 2] représente en fonction du temps t, exprimé en minutes, l’évolution de la température de consigne du moule Te exprimée en °C (échelle de gauche), de la pression dans l’espace intérieur Pi exprimé en mbar et de la pression de fluide Pf appliquée sur la membrane, exprimée en bar (échelle de droite);
[Fig. 3] représente l’évolution schématique de la température Tp de l’empilement multicouche en différentes positions selon l’épaisseur de l’empilement multicouche en fonction du temps t; et
[Fig. 4] et [Fig. 5] sont des photographies d’exemples d’une feuille de face arrière et d’une partie d’un empilement multicouche respectivement préalablement au thermoformage.
On a illustré sur la figure 1 de manière schématique différentes étapes d’un exemple de mise en œuvre du procédé selon l’invention et sur les figures 2 et 3 l’évolution de différents paramètres opératoires du procédé.
Le procédé comporte le thermoformage d’un empilement multicouche 1 au moyen d’un moule 2 et d’une membrane 3.
A l’étape i), comme illustré sur la figure 1 a), l’empilement multicouche est mis en place entre le moule et la membrane. La température du moule Tc et/ou la température de la membrane sont de préférence inférieure à 50 °C, de préférence à température ambiante.
Le thermoformage de l’empilement multicouche contre le moule est ensuite mis à en œuvre à l’étape ii).
Les bords latéraux 4 de la membrane sont amenés en contact avec le moule, puis le gaz contenu dans l’espace intérieur 5 délimité par la face intérieure 6 de la membrane et la face intérieure 7 du moule qui sont chacune en regard de l’empilement multicouche 1, est aspiré comme cela est illustré sur la figure 1 b).
L’aspiration dudit gaz peut être effectuée au moyen d’une pompe à travers des orifices qui débouchent par la face intérieure du moule.
L’aspiration du gaz induit une mise sous vide c])o de l’espace intérieur 5. La mise sous vide peut être opérée en deux étapes, comme cela est illustré sur la figure 2. La pression dans l’espace intérieur Pi peut d’abord est réduite de la pression atmosphérique à une pression intermédiaire Pint, par exemple de 300 Pa (3 mbar), puis à une pression de vide résiduel Pvr de 100 Pa (1 mbar).
Une température de consigne Tc est ensuite appliquée pour chauffer le moule. La chauffage du moule comporte une phase d’élévation c|) i de température, par exemple selon une rampe linéaire jusqu’à une phase de maintien c]>2 de la température, par exemple à 170 °C comme cela est illustré sur la figure 2. Une température de consigne plus élevée ou plus faible peut bien sûr être appliquée en fonction de la température de fusion des composants. Par ailleurs, la température de consigne Tc peut être appliquée au moule avant que la pression de vide résiduel ne soit atteinte. Le moule est de préférence chauffé par induction électromagnétique .
La température de l’empilement multicouche Tp est plus élevée auprès de ses faces en contact avec le moule et la membrane qu’au niveau de la ou des feuilles intermédiaires. Comme cela peut être observé sur la figure 3, dans l’exemple illustré, elle évolution sensiblement linéairement avec le temps, comme la température de consigne du moule.
La pression de fluide Pf est appliquée progressivement sur la face extérieure 8 de la membrane opposée à l’empilement multicouche, de préférence dès que la température de la feuille intermédiaire atteint 80 °C. Dans l’exemple illustré, elle est appliquée une fois
que la température de consigne atteint la température de maintien du moule, et est constante, d’environ 350 kPa. En variante, un premier palier de pression de fluide intermédiaire peut être appliqué avant application de la valeur maximale de la pression de fluide, notamment pour réduire le risque de rupture de la ou des cellules photovoltaïques lors du chauffage des composants.
La pression de fluide déforme la membrane, dont la face intérieure 6 entre en contact avec la face en regard 9 de l’empilement multicouche. Elle déforme ainsi l’empilement multicouche qui entre en contact contre les reliefs en creux 10 et en saillie 11 de la face intérieure 7 du moule, comme illustré sur la figure 1 c).
La température de consigne Te du moule est maintenue à la température de maintien pendant une durée adaptée, par exemple comprise entre 180 °C et 260 °C de manière que les feuilles qui forment l’empilement multicouche soient liées irréversiblement de façon à obtenir le module photo voltaïque.
Le chauffage du moule est ensuite interrompu. Comme cela est illustré sur la figure 2, la température de consigne du moule peut être réduite linéairement. Le moule est refroidi au cours d’une phase c])3, par exemple par circulation d’eau. La pression de fluide est maintenue sur la membrane jusqu’à ce que la température de la feuille intermédiaire dans le module photovoltaïque soit inférieure à 50 °C, voire inférieure à 30 °C. Le module photo voltaïque peut alors extrait d’entre la membrane et le moule (phase c])4).
Exemple
On détaille ci-dessous un exemple de réalisation d’un empilement multicouche et de mise en œuvre du procédé selon l’invention pour fabriquer un module photo voltaïque.
La feuille de face arrière a été tout d’abord préparée par thermoformage d’une structure multicouche entre le moule et la membrane selon les étapes décrites ci-dessus.
La structure multicouche a été formée par la superposition des feuillets suivants les uns sur les autres.
Un premier feuillet a été obtenu à partir d’une ébauche constituée de trois plis chacun formé d’un non-tissé de fibres de carbones d’une masse surfacique de 300 g/m2 et préimprégné de polypropylène. L’ébauche a été mise en forme contre le moule et la membrane par thermoformage selon les étapes décrites ci-dessus, avec une application d’une pression de fluide de 700 kPa sur la membrane, un chauffage du moule à une température
de consigne de 220 °C atteinte en 1 minute et 40 secondes, un maintien à la température de consigne pendant 4 minutes et un refroidissement du moule pendant 1 minute et 30 secondes jusqu’à une température de 30 °C. La pression de fluide a ensuite été supprimée et le premier feuillet mis en forme a été extrait d’entre le moule et la membrane.
Un deuxième feuillet a été obtenu à partir d’une ébauche constituée d’un pli fait d’un tissu de fibres de carbone d’une masse surfacique de 200 g/m2 et de deux feutres de polypropylène, chacun d’une épaisseur de 45 pm, de part et d’autre du tissu. Un film de polyoléfine transparent d’une épaisseur comprise entre 25 pm et 60 pm (d’une masse surfacique comprise entre 23 et 55 g/m2) a été disposée au contact de la face interne du moule pour améliorer l’adhésion ultérieure entre la feuille de face arrière et la feuille intermédiaire. L’ébauche a été mise en forme contre le moule et la membrane par thermoformage dans les mêmes conditions opératoires que le premier feuillet, à ceci près que la température de consigne était de 230 °C.
La feuille de face arrière, photographiée sur la figure 4, a ensuite été formée en empilant les premier et deuxième feuillets l’un sur l’autre. La structure multicouche résultante a été disposée en regard du moule et le deuxième feuillet en regard de la membrane. La structure multicouche a été mise en forme contre le moule et la membrane par thermoformage dans les mêmes conditions opératoires que le deuxième feuillet.
Un empilement multicouche a ensuite été préparé en superposant les feuilles suivantes dans l’ordre suivant:
- feuille de face avant fait d’un film à base de polyéthylène téréphtalate d’une épaisseur de 0,28 mm,
- deux feuilles intermédiaires, chacune d’une épaisseur de 600 pm, faites d’un encapsulant thermoplastique ayant un module de Young de 18 MPa,
- des cellules photovoltaïques, chacune d’une épaisseur comprise entre 0,14 mm à 0,18 mm et connectées électriquement entre elles par des rubans d’interconnexion d’épaisseur comprise entre 0,1 mm et 0,3 mm,
- une feuille intermédiaire d’une épaisseur de 600 pm, faite d’un encapsulant thermoplastique ayant un module de Young de 18 MPa, et
- la feuille de face arrière décrite ci-dessus.
L’empilement multicouche, photographié sur la figure 5, a été disposé entre le moule et la membrane, avec la feuille de face avant en regard de la face intérieure du moule.
L’empilement multicouche a été mis en forme contre le moule et la membrane par thermoformage selon les étapes décrites ci-dessus. L’empilement multicouche a d’abord été mis sous vide dans l’espace intérieur à une pression de vide résiduel inférieure à 1 kPa pendant 3 minutes et 10 s. Le moule a été chauffé depuis 30 °C environ jusqu’à une température de consigne de 170 °C pendant 1 minute et 17 seconde puis maintenu à la température de consigne pendant 5 minutes. Une pression de fluide de 350 kPa a été appliquée sur la membrane 3 minutes et 10 secondes après le début de la chauffe du moule. Le moule a été refroidi pendant 1 minutes et 30 secondes. La pression de fluide a ensuite été supprimée et le module photo voltaïque ainsi fabriqué a été extrait d’entre le moule et la membrane.
Comme cela apparaît à la lecture de la présente description, l’invention permet de fabriquer un module photovoltaïque conformable présentant une forme tridimensionnelle complexe. Elle permet en outre l’emploi de polymères thermoplastiques qui ne peuvent être mis en œuvre par un procédé de lamination de l’art antérieur. Un panneau photo voltaïque d’une faible masse surfacique, inférieure à 5 kg/m2 et/ou présentant un aspect esthétique plaisant à l’œil, par exemple du fait de couleurs spécifiques choisies pour les polymères thermoplastiques ou du fait d’un effet esthétique procuré par les matériaux fibrées, peut ainsi être obtenu.
Claims
1. Procédé de fabrication d’un module photo voltaïque, le procédé comportant : i) une mise en place d’un empilement multicouche (1) entre un moule (2) et une membrane (3) déformable, l’empilement multicouche comportant à titre de composants, une feuille de face avant comportant au moins un polymère, une feuille de face arrière comportant au moins un polymère, au moins une feuille intermédiaire et au moins une cellule photovoltaïque prises en sandwich entre la feuille de face avant et la feuille de face arrière, ii) un thermoformage de l’empilement multicouche comportant
- l’application d’une pression de fluide sur la face de la membrane opposée à l’empilement multicouche, pour mettre en forme l’empilement multicouche contre le moule et la membrane,
- le chauffage de l’empilement multicouche à une température adaptée à lier ensemble les composants de l’empilement multicouche de manière à former le module photo voltaïque, et
- le refroidissement du module photovoltaïque entre le moule et la membrane et la suppression de la pression de fluide, le refroidissement du module photovoltaïque étant initié avant la suppression de la pression de fluide.
2. Procédé selon la revendication 1, la température du moule étant inférieure à 50 °C, de préférence inférieure à 30 °C, préalablement à la mise en place de l’empilement multicouche entre le moule et la membrane.
3. Procédé selon l’une quelconque des revendications 1 et 2, comportant la mise sous vide, à une pression de vide résiduel inférieure ou égale à 1000 Pa, de l’espace intérieur délimité par le moule et la membrane et dans lequel l’empilement multicouche est logé.
4. Procédé selon la revendication précédente, la pression de vide résiduel étant atteinte avant que la température de la feuille intermédiaire soit d’au moins 90 °C, voire d’au moins 80 °C.
5. Procédé selon l’une quelconque des revendications 3 et 4, la pression de vide résiduel étant atteinte pendant que la pression de fluide appliquée sur la membrane est inférieure ou égale à 20 kPa, voire avant l’application de la pression de fluide sur la membrane.
6. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, le chauffage de l’empilement multicouche étant initié avant l’application de la pression de fluide sur la membrane.
7. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, comportant le chauffage au moins du moule, notamment par induction électromagnétique, afin d’élever la température de l’empilement multicouche.
8. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, la pression de fluide étant appliquée sur la membrane après que le chauffage de l’empilement multicouche a été initié.
9. Procédé selon la revendication précédente, le chauffage du moule comportant une étape d’élévation de température, à partir de la température du moule lors de la mise en place de la place de l’empilement multicouche jusqu’à une température de maintien suivie d’une étape de maintien à la température de maintien, la température de maintien étant de préférence supérieure ou égale à 170 °C, voire supérieure ou égale à 180 °C, voire supérieure ou égale à 200 °C, voire supérieure ou égale à 220°C, voire supérieure ou égale à 250 °C, voire supérieure ou égale à 280 °C, voire supérieure ou égale à 300 °C.
10. Procédé selon la revendication précédente, l’étape d’élévation de température étant effectuée à une vitesse comprise entre 1,8 °C. s'1 et 2,5 °C. s'1.
11. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, la pression de fluide étant maintenue sur la membrane pendant le refroidissement du module photo voltaïque au moins jusqu’à ce que la température de la feuille intermédiaire soit inférieure ou égale à 50 °C, voire inférieure ou égale à 30 °C.
12. Procédé selon quelconque des revendications précédentes, au moins une des feuilles choisies parmi la feuille de face avant et la feuille de face arrière étant un multicouche.
13. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, au moins une des feuilles choisies parmi la feuille de face avant et la feuille de face arrière comportant un polymère thermoplastique, par exemple choisi parmi une polyoléfine (TPO), une résine époxy, le polypropylène (PP), le polycarbonate (PC), le polyméthacrylate de méthyle acrylique (PMMA), le polyester téréphtalate glycolisé (PET G), le polyamide (PA), le sulfure de polyphénylène (PPS) et leurs mélanges.
14. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, au moins une des feuilles choisies parmi la feuille de face avant et la feuille de face arrière, de préférence la feuille de face arrière, comportant un matériau composite comportant des fibres de renforcement dispersées dans une matrice en un polymère, de préférence un polymère thermoplastique choisi parmi une polyoléfine (TPO), une résine époxy, le polypropylène (PP), le polycarbonate (PC), le polyméthacrylate de méthyle acrylique (PMMA), le polyester téréphtalate glycolisé (PET G), le polyamide (PA), le sulfure de polyphénylène (PPS) et leurs mélanges, le matériau composite étant par exemple un tissé ou un non-tissé imprégné par le polymère.
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