FR3081614A1 - Module photovoltaique comportant une ou plusieurs diodes de bypass en face arriere d'une cellule photovoltaique du module - Google Patents
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Abstract
L'objet principal de l'invention est un module photovoltaïque léger (1) comportant : une première couche (2) transparente formant la face avant, des cellules photovoltaïques (4) reliées électriquement entre elles par des éléments de contact électrique (6) dénommés conducteurs de liaison (6), un ensemble encapsulant (3) les cellules photovoltaïques (4), et une deuxième couche (5), l'ensemble encapsulant (3) et les cellules photovoltaïques (4) étant situés entre les première (2) et deuxième (5) couches, caractérisé en ce que, pour au moins une pluralité de cellules photovoltaïques (4), une ou plusieurs diodes de bypass (8) sont solidarisées à la face arrière (4b) de chaque cellule photovoltaïque (4), et connectées électriquement à une ou plusieurs cellules photovoltaïques (4) à protéger.
Description
MODULE PHOTOVOLTAÏQUE COMPORTANT UNE OU PLUSIEURS DIODES DE BYPASS EN FACE ARRIÈRE D'UNE CELLULE PHOTOVOLTAÏQUE DU MODULE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention se rapporte au domaine des modules photovoltaïques, qui comportent un ensemble de cellules photovoltaïques reliées entre elles électriquement, et préférentiellement des cellules photovoltaïques dites « cristallines », c'est-à-dire qui sont à base de silicium monocristallin ou multicristaIlin. Elle concerne tout particulièrement l'intégration de diodes de bypass, également appelées diodes de dérivation, au sein d'un module photovoltaïque.
L'invention peut être mise en œuvre pour de nombreuses applications, par exemple des applications autonomes et/ou embarquées, étant particulièrement concernée, mais non exclusivement, par les applications qui requièrent l'utilisation de modules photovoltaïques flexibles, sans verre et ultra-légers, en particulier d'un poids par unité de surface inférieur à 1 kg/m2, et notamment inférieur à 800 g/m2, voire encore inférieur à 600 g/m2, et de faible épaisseur, notamment inférieure à 2 mm, voire 1 mm. Elle peut ainsi notamment être appliquée pour des bâtiments tels que des habitats ou locaux industriels (tertiaires, commerciaux, ...), par exemple pour la réalisation de leurs toitures, pour la conception de mobilier urbain, par exemple pour de l'éclairage public, la signalisation routière ou encore la recharge de voitures électriques, voire également être utilisée pour des applications nomades, en particulier pour une intégration sur des voitures, bus ou bateaux, entre autres.
L'invention propose ainsi un module photovoltaïque comportant une ou plusieurs diodes de bypass en face arrière d'une cellule photovoltaïque du module, ainsi qu'un procédé de réalisation d'un tel module photovoltaïque.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Un module photovoltaïque est un assemblage de cellules photovoltaïques disposées côte à côte entre une première couche transparente formant une face avant du module photovoltaïque et une seconde couche formant une face arrière du module photovoltaïque.
La première couche formant la face avant du module photovoltaïque est avantageusement transparente pour permettre aux cellules photovoltaïques de recevoir un flux lumineux. Elle est traditionnellement réalisée en une seule plaque de verre, présentant une épaisseur typiquement comprise entre 2 et 4 mm, classiquement de l'ordre de 3 mm.
La deuxième couche formant la face arrière du module photovoltaïque peut quant à elle être réalisée à base de verre, de métal ou de plastique, entre autres. Elle est souvent formée par une structure polymérique à base d'un polymère isolant électrique, par exemple du type polytéréphtalate d'éthylène (PET) ou polyamide (PA), pouvant être protégée par une ou des couches à base de polymères fluorés, comme le polyfluorure de vinyle (PVF) ou le polyfluorure de vinylidène (PVDF), et ayant une épaisseur de l'ordre de 400 pm.
Les cellules photovoltaïques peuvent être reliées électriquement entre elles par des éléments de contact électrique avant et arrière, appelés conducteurs de liaison, et formés par exemple par des bandes de cuivre étamé, respectivement disposées contre les faces avant (faces se trouvant en regard de la face avant du module photovoltaïque destinée à recevoir un flux lumineux) et arrière (faces se trouvant en regard de la face arrière du module photovoltaïque) de chacune des cellules photovoltaïques, ou bien encore uniquement en face arrière pour les cellules photovoltaïques de type IBC (pour « Interdigitated Back Contact » en anglais).
Il est à noter que les cellules photovoltaïques de type IBC (« Interdigitated Back Contact ») sont des structures pour lesquelles les contacts sont réalisés sur la face arrière de la cellule en forme de peignes interdigités. Elles sont par exemple décrites dans le brevet américain US 4,478,879 A.
Par ailleurs, les cellules photovoltaïques, situées entre les première et deuxième couches formant respectivement les faces avant et arrière du module photovoltaïque, peuvent être encapsulées. De façon classique, l'encapsulant choisi correspond à un polymère du type élastomère (ou caoutchouc), et peut par exemple consister en l'utilisation de deux couches (ou films) de poly(éthylène-acétate de vinyle) (EVA) entre lesquelles sont disposées les cellules photovoltaïques et les conducteurs de liaison des cellules. Chaque couche d'encapsulant peut présenter une épaisseur d'au moins 0,2 mm et un module de Young typiquement compris entre 2 et 400 MPa à température ambiante.
On a ainsi représenté partiellement et schématiquement, respectivement en coupe sur la figure 1 et en vue éclatée sur la figure 2, un exemple classique de module photovoltaïque 1 comportant des cellules photovoltaïques 4 cristallines.
Comme décrit précédemment, le module photovoltaïque 1 comporte une face avant 2, généralement réalisée en verre trempé transparent d'épaisseur d'environ 3 mm, et une face arrière 5, par exemple constituée par une feuille polymère, opaque ou transparente, monocouche ou multicouche, ayant un module de Young supérieur à 400 MPa à température ambiante.
Entre les faces avant 2 et arrière 5 du module photovoltaïque 1 se situent les cellules photovoltaïques 4, reliées électriquement entre elles par des conducteurs de liaison 6 et immergées entre deux couches avant 3a et arrière 3b de matériau d'encapsulation formant toutes les deux un ensemble encapsulant 3.
La figure IA représente en outre une variante de réalisation de l'exemple de la figure 1 dans laquelle les cellules photovoltaïques 4 sont de type IBC, les conducteurs de liaison 6 étant uniquement disposés contre les faces arrières des cellules photovoltaïques 4.
Par ailleurs, les figures 1 et 2 représentent également la boîte de jonction 7 du module photovoltaïque 1, destinée à recevoir le câblage nécessaire à l'exploitation du module. Classiquement, cette boîte de jonction 7 est réalisée en plastique ou en caoutchouc, et présente une étanchéité complète.
De façon habituelle, le procédé de réalisation du module photovoltaïque 1 comporte une étape dite de lamination sous vide des différentes couches décrites précédemment, à une température supérieure ou égale à 120°C, voire 140°C, voire encore 150°C, et inférieure ou égale à 170°C, typiquement comprise entre 145 et 160°C, et pendant une durée du cycle de lamination d'au moins 10 minutes, voire 15 minutes.
Pendant cette étape de lamination, les couches de matériau d'encapsulation 3a et 3b fondent et viennent englober les cellules photovoltaïques 4, en même temps que l'adhérence se crée à toutes les interfaces entre les couches, à savoir entre la face avant 2 et la couche avant de matériau d'encapsulation 3a, la couche de matériau d'encapsulation 3a et les faces avant 4a des cellules photovoltaïques 4, les faces arrière 4b des cellules photovoltaïques 4 et la couche arrière de matériau d'encapsulation 3b, et la couche arrière de matériau d'encapsulation 3b et la face arrière 5 du module photovoltaïque 1. Le module photovoltaïque 1 obtenu est ensuite encadré, typiquement par le biais d'un profilé en aluminium.
Dans un module photovoltaïque 1 standard, tel que celui des figures 1 et 2, composé de 60 cellules photovoltaïques 4, des diodes de bypass (une pour 20 cellules) sont en plus intégrées dans la boîte de jonction 7 collée à l'extérieur du module 1.
Ainsi, dans le cas d'ombrage d'une ou de plusieurs cellules photovoltaïques 4 dans le module photovoltaïque 1, ces diodes de bypass permettent à la fois d'éviter la détérioration du module par le phénomène de point chaud (« hotspot » en anglais) et de limiter la perte de productivité électrique associée à l'ombrage.
Le nombre de cellules photovoltaïques 4 par diode de bypass peut être défini selon différents critères, tels que : la tenue maximale en tension inverse de la cellule photovoltaïque avant claquage ; la productivité électrique nécessaire ; la température maximale à ne pas dépasser en cas d'ombrage ; le coût ; l'architecture et les dimensions du module photovoltaïque, entre autres.
Dans le cas d'un module photovoltaïque standard, par exemple pour une application en toiture ou pour un champ photovoltaïque, le meilleur compromis trouvé est d'une diode de bypass toutes les 20 cellules photovoltaïques.
Cependant, dans le cas de nouvelles applications où les contraintes d'utilisation sont plus sévères, notamment lorsque des problématiques d'échauffement et d'ombrage variable sont plus fréquentes, il peut être nécessaire d'intégrer davantage de diodes de bypass avec parfois des situations pouvant requérir plusieurs diodes de bypass par cellule photovoltaïque et ce afin de palier à d'éventuels problèmes de fiabilité en cas de défaillance d'une diode de bypass.
En conséquence, il existe un besoin pour concevoir une solution alternative d'intégration des diodes de bypass dans un module photovoltaïque.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
L'invention a donc pour but de remédier au moins partiellement aux besoins mentionnés précédemment et aux inconvénients relatifs aux réalisations de l'art antérieur.
L'invention a ainsi pour objet, selon l'un de ses aspects, un module photovoltaïque comportant :
- une première couche transparente formant la face avant du module photovoltaïque, destinée à recevoir un flux lumineux,
- une pluralité de cellules photovoltaïques disposées côte à côte et reliées électriquement entre elles, ou interconnectées, par des éléments de contact électrique dénommés conducteurs de liaison, formés notamment par des bandes (ou rubans) ou fils de cuivre étamé,
- un ensemble encapsulant la pluralité de cellules photovoltaïques,
- une deuxième couche, l'ensemble encapsulant et la pluralité de cellules photovoltaïques étant situés entre les première et deuxième couches.
Pour au moins une pluralité de cellules photovoltaïques, notamment la totalité des cellules photovoltaïques, une ou plusieurs diodes de bypass sont solidarisées, par exemple par assemblage et/ou collage, à la face arrière de chaque cellule photovoltaïque, et connectées électriquement à une ou plusieurs cellules photovoltaïques à protéger.
La connexion électrique de la ou des diodes de bypass de chaque cellule photovoltaïque à une ou plusieurs cellules photovoltaïques à protéger se fait avantageusement par connexion de l'anode d'une diode de bypass à l'anode d'une cellule photovoltaïque, et connexion de la cathode de cette diode de bypass à la cathode de cette cellule photovoltaïque. En effet, selon la convention générateur/récepteur, une diode de bypass est un récepteur avec le pôle négatif à la cathode et le pôle positif à l'anode, et une cellule photovoltaïque est un générateur avec le pôle positif à la cathode et le pôle négatif à l'anode.
Le terme « transparent » signifie que le matériau de la première couche formant la face avant du module photovoltaïque est au moins partiellement transparent à la lumière visible, laissant passer au moins environ 80 % de cette lumière.
En outre, par le terme « encapsulant » ou « encapsulé », il faut comprendre que la pluralité de cellules photovoltaïques est disposée dans un volume, par exemple hermétiquement clos vis-à-vis des liquides, au moins en partie formé par au moins deux couches de matériau(x) d'encapsulation, réunies entre elles après lamination pour former l'ensemble encapsulant.
En effet, initialement, c'est-à-dire avant toute opération de lamination, l'ensemble encapsulant est constitué par au moins deux couches de matériau(x) d'encapsulation, dites couches de cœur, entre lesquelles la pluralité de cellules photovoltaïques est encapsulée. Toutefois, pendant l'opération de lamination des couches, les couches de matériau d'encapsulation fondent pour ne former, après l'opération de lamination, qu'une seule couche (ou ensemble) solidifiée dans laquelle sont noyées les cellules photovoltaïques.
Grâce à l'invention, il peut être possible d'éviter la perte de surface active, les diodes de bypass et les connectiques associées étant situées en face arrière des cellules photovoltaïques. De plus, il peut être possible de gérer la thermique d'une diode de bypass en fonctionnement en permettant un couplage avec la cellule photovoltaïque à protéger de sorte qu'elle soit alors utilisée comme un dissipateur thermique et permette de réduire la température de la diode de bypass en fonctionnement. En outre, l'invention peut permettre de limiter au maximum le surplus de masse associé à l'intégration de diodes de bypass, à savoir les composants et les connectiques, dans le cas où la légèreté est un critère d'importance. L'interconnexion des diodes de bypass peut également être facilitée et le nombre de diodes de bypass par cellule peut ne pas être limité. Par ailleurs, l'invention propose une solution d'intégration des diodes de bypass qui peut être compatible avec tout type de cellule photovoltaïque au silicium cristallin et tout type de diode de bypass.
De plus, les diodes de bypass sont avantageusement en série d'une cellule photovoltaïque à l'autre, et dès qu'il existe au moins deux diodes de bypass par cellule, les diodes d'une même cellule sont en parallèle les unes des autres. Si une diode s'avère être défaillante, la deuxième prend le relais.
Le module photovoltaïque selon l'invention peut en outre comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes prises isolément ou suivant toutes combinaisons techniques possibles.
La deuxième couche peut former la face arrière du module photovoltaïque. Toutefois, elle peut également être interposée entre l'ensemble encapsulant et au moins une couche supplémentaire, par exemple de protection, qui formera alors la face arrière du module.
Selon un premier mode de réalisation de l'invention, les cellules photovoltaïques peuvent être reliées électriquement entre elles par des conducteurs de liaison respectivement disposées contre les faces avant et arrière de chacune des cellules photovoltaïques. Avantageusement, cette configuration correspond à une technologie de cellules photovoltaïques à contacts face avant et face arrière.
Ainsi, pour chaque cellule photovoltaïque de ladite au moins une pluralité de cellules photovoltaïques, la ou les diodes de bypass peuvent être positionnées sur un conducteur de liaison de la face arrière de la cellule photovoltaïque, ce conducteur de liaison permettant la connexion électrique de la première polarité de la ou des diodes de bypass. Un ou plusieurs conducteurs de liaison additionnels peuvent être positionnés sur la ou les diodes de bypass, à l'opposé du conducteur de liaison de la face arrière de la cellule photovoltaïque, ce ou ces conducteurs de liaison additionnels permettant la connexion électrique de la deuxième polarité de la ou des diodes de bypass.
Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, les cellules photovoltaïques peuvent être reliées électriquement entre elles par des conducteurs de liaison disposées contre la face arrière de chacune des cellules photovoltaïques. Avantageusement, cette configuration correspond à une technologie de cellules photovoltaïques à contacts face arrière de type IBC (pour « Interdigitated Back Contact » en anglais).
Ainsi, pour chaque cellule photovoltaïque de ladite au moins une pluralité de cellules photovoltaïques, la ou les diodes de bypass, ainsi que le ou les conducteurs de liaison sur la face arrière d'une cellule photovoltaïque, peuvent être isolés électriquement au moins partiellement, notamment totalement, de la surface de la cellule photovoltaïque.
De plus, pour chaque cellule photovoltaïque de ladite au moins une pluralité de cellules photovoltaïques, plusieurs diodes de bypass peuvent être solidarisées à la face arrière de chaque cellule photovoltaïque, et connectées électriquement à une ou plusieurs cellules photovoltaïques à protéger.
Par ailleurs, pour chaque cellule photovoltaïque de ladite au moins une pluralité de cellules photovoltaïques, la ou les diodes de bypass peuvent être positionnées au niveau ou à proximité d'un bord de la cellule photovoltaïque.
Dans le cas de la technologie de cellules photovoltaïques à contacts face avant et face arrière, un tel positionnement de la ou des diodes de bypass suffisamment proche du bord de la cellule photovoltaïque peut permettre de limiter la longueur du ou des conducteurs de liaison additionnels et ainsi limiter le surplus de masse associé.
En outre, parmi ladite pluralité de cellules photovoltaïques, au moins une portion, notamment la totalité, d'une ou plusieurs cellules photovoltaïques peut être utilisée en tant que diode de bypass par connexion de ladite portion en parallèle et en polarité opposée en face arrière d'une ou plusieurs cellules photovoltaïques à protéger.
De façon avantageuse, la première couche peut comporter au moins un matériau polymère et présente une épaisseur inférieure à 50 pm, et avantageusement comprise entre 5 pm et 25 pm. Elle est avantageusement constituée par ledit au moins un matériau polymère.
De plus, la deuxième couche peut comporter au moins un matériau composite de type préimprégné à base de résine polymère et de fibres, et elle peut présenter un poids surfacique inférieur à 150 g/m2, et avantageusement compris entre 50 g/m2 et 115 g/m2. Elle peut être par exemple constituée par ledit au moins un matériau composite.
En outre, l'ensemble encapsulant peut présenter une épaisseur maximale inférieure à 150 pm.
II est ainsi possible d'obtenir un module photovoltaïque ultra-léger et flexible. De plus, par l'utilisation d'une face arrière en composite préimprégné polymère/fibres, le module photovoltaïque peut présenter d'excellentes propriétés mécaniques et thermomécaniques tout en conservant de la flexibilité sans dégradation des cellules photovoltaïques sous contrainte de flexion. Notamment, il peut accepter des rayons de courbure d'environ 50 cm, voire même 20 cm dans certains cas, sans dégradation des cellules. En outre, notamment par la réduction des épaisseurs de ses éléments constitutifs, le module photovoltaïque peut permettre d'atteindre des poids surfaciques requis inférieurs à 1 kg/m2, notamment inférieurs à 800 g/m2, et tout particulièrement inférieurs à 600 g/m2, le rendant par définition ultra-léger.
La première couche et/ou la deuxième couche du module photovoltaïque peuvent être formées en une ou plusieurs parties, à savoir qu'elles peuvent être monocouche ou multicouche.
La deuxième couche peut en particulier présenter une épaisseur comprise entre 50 pm et 80 pm.
Ledit au moins un matériau composite de type préimprégné peut comporter un taux d'imprégnation de résine polymère compris entre 30 et 70 % en masse.
Ledit au moins un matériau composite de la deuxième couche peut être un préimprégné à base de résine polymère et de fibres, le polymère étant choisi parmi le polyester, l'époxy et/ou l'acrylique, entre autres, et les fibres étant choisies parmi les fibres de verre, de carbone et/ou d'aramide, entre autres.
Ledit au moins un matériau polymère de la première couche peut être choisi parmi : le polycarbonate (PC), le polyméthacrylate de méthyle (PMMA), le polytéréphtalate d'éthylène (PET), le polyamide (PA), un polymère fluoré, notamment le polyfluorure de vinyle (PVF) ou le polyfluorure de vinylidène (PVDF), l'éthylène tétrafluoroéthylène (ETFE), l'éthylène chlorotrifluoroéthylène (ECTFE), le polytétrafluoroéthylène (PTFE), le polychlorotrifluoroéthylène (PCTFE), et/ou l'éthylène propylène fluoré (FEP).
Par ailleurs, le module photovoltaïque présente avantageusement un poids surfacique inférieur à 1 kg/m2, notamment inférieur à 800 g/m2, notamment encore inférieur à 600 g/m2.
De plus, l'ensemble encapsulant peut présenter une épaisseur maximale comprise entre 20 μιτι et 100 μιτι, et de préférence comprise entre 50 et 75 μιτι.
L'ensemble encapsulant peut être formé par au moins une couche comportant au moins un matériau d'encapsulation de type polymère choisi parmi : les copolymères d'acides, les ionomères, le poly(éthylène-acétate de vinyle) (EVA), les acétals de vinyle , tels que les polyvinylbutyrals (PVB), les polyuréthanes, les chlorures de polyvinyle, les polyéthylènes, tels que les polyéthylènes linéaires basse densité, les polyoléfines élastomères de copolymères, les copolymères d'a-oléfines et des a-, βesters d'acide carboxylique à éthylénique, tels que les copolymères éthylène-acrylate de méthyle et les copolymères éthylène-acrylate de butyle, les élastomères de silicone et/ou les résines époxy, entre autres.
De préférence, l'ensemble encapsulant peut être réalisé à partir de deux couches en matériau(x) polymère(s), notamment deux couches de ionomère, dont le module de Young est très supérieur à celui du poly(éthylène-acétate de vinyle) (EVA) mais toujours compris entre 2 et 400 MPa à température ambiante permettant de meilleures propriétés mécaniques, entre lesquelles sont disposées les cellules photovoltaïques, chaque couche présentant une épaisseur inférieure à 75 μιτι, et préférence inférieure à 50 μητ
Les cellules photovoltaïques peuvent être choisies parmi : des cellules photovoltaïques homojonction ou hétérojonction à base de silicium monocristallin (c-Si) et/ou multi-cristallin (mc-Si), et/ou des cellules photovoltaïques de type IBC, et/ou des cellules photovoltaïques comprenant au moins un matériau parmi le silicium amorphe (aSi), le silicium microcristallin (pC-Si), le tellurure de cadmium (CdTe), le cuivre-indium séléniure (CIS) et le cuivre-indium/gallium diséléniure (CIGS), entre autres.
Par ailleurs, les cellules photovoltaïques peuvent présenter une épaisseur comprise entre 1 et 300 μιτι, notamment entre 1 et 200 μιτι, et avantageusement entre 70 μιτι et 160 μιτι.
Le module photovoltaïque peut en outre comporter une boîte de jonction, destinée à recevoir le câblage nécessaire à l'exploitation du module photovoltaïque.
En outre, l'espacement entre deux cellules photovoltaïques voisines, ou encore consécutives ou adjacentes, peut être supérieur ou égal à 1 mm, notamment compris entre 1 et 30 mm, et de préférence égal à 2 mm.
De plus, l'épaisseur des conducteurs de liaison d'interconnexion des cellules photovoltaïques, et ceux utilisés pour interconnecter les guirlandes de cellules (ou « strings » selon la dénomination courante en anglais), a été adaptée pour être compatible avec le procédé de lamination et la faible épaisseur de l'encapsulant. Par exemple, dans le cas de cellules à contact face avant-face arrière, leur épaisseur est avantageusement réduite d'au moins 50 % par rapport à celle de ceux utilisés dans un module standard. Les conducteurs de liaison d'interconnexion de telles cellules peuvent présenter une épaisseur inférieure à 100 pm et une largeur inférieure à 3 mm. Pour les conducteurs de liaison d'interconnexion de « string », l'épaisseur est avantageusement strictement inférieure à 200 pm et la largeur inférieure à 5 mm.
En outre, l'invention a encore pour objet, selon un autre de ses aspects, un procédé de réalisation d'un module photovoltaïque tel que défini précédemment, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape de lamination à chaud, à une température comprise entre 130°C et 170°C, notamment de l'ordre de 150°C, et pendant une durée du cycle de lamination d'au moins 10 minutes, notamment comprise entre 10 et 20 minutes, des couches constitutives du module photovoltaïque.
Pour ladite au moins une pluralité de cellules photovoltaïques, la ou les diodes de bypass peuvent être avantageusement solidarisées, par exemple par assemblage et/ou collage, à la face arrière de chaque cellule photovoltaïque et connectées électriquement à une ou plusieurs cellules photovoltaïques à protéger, avant ladite étape de lamination à chaud du procédé selon l'invention.
Le module photovoltaïque et le procédé de réalisation selon l'invention peuvent comporter l'une quelconque des caractéristiques précédemment énoncées, prises isolément ou selon toutes combinaisons techniquement possibles avec d'autres caractéristiques.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples de mise en œuvre non limitatifs de celle-ci, ainsi qu'à l'examen des figures, schématiques et partielles, du dessin annexé, sur lequel :
- la figure 1 représente, en coupe, un exemple classique de module photovoltaïque comportant des cellules photovoltaïques cristallines,
- la figure IA représente une variante de réalisation de l'exemple de la figure 1 dans laquelle les cellules photovoltaïques sont de type IBC,
- la figure 2 représente, en vue éclatée, le module photovoltaïque de la figure
1,
- les figures 3 et 4 illustrent partiellement, respectivement en coupe et en vue du dessous, deux exemples de réalisation de chaînes de cellules photovoltaïques pour des modules photovoltaïque conformes à l'invention, et
- la figure 5 illustre partiellement, en vue du dessous, l'utilisation d'une cellule photovoltaïque en tant que diode de bypass pour un module photovoltaïque conforme à l'invention.
Dans l'ensemble de ces figures, des références identiques peuvent désigner des éléments identiques ou analogues.
De plus, les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Les figures 1 et 2 ont déjà été décrites dans la partie relative à l'état de la technique antérieure.
Les figures 3 et 4 illustrent partiellement, respectivement en coupe et en vue du dessous, deux exemples de réalisation de chaînes (« string » en anglais) de cellules photovoltaïques 4 pour des modules photovoltaïque 1 conformes à l'invention.
On considère ici que les cellules photovoltaïques 4, interconnectées par des conducteurs de liaison 6 sous forme de rubans en cuivre étamé soudés, sont des cellules « cristallines », c'est-à-dire qu'elles comportent du silicium mono ou multicristallin, et qu'elles présentent une épaisseur comprise entre 1 et 250 pm.
De plus, l'ensemble encapsulant 3 est choisi pour être réalisé à partir de deux couches de ionomère entre lesquelles sont disposées les cellules photovoltaïques 4, chaque couche étant d'épaisseur inférieure à 50 pm.
De façon avantageuse, l'invention prévoit un choix spécifique pour les matériaux formant les faces avant et arrière du module photovoltaïque 1, de sorte à obtenir un module photovoltaïque 1 ultra-léger, de poids surfacique inférieur à 1 kg/m2, et préférentiellement inférieur à 0,8 kg/m2, voire 0,6 kg/m2.
Bien entendu, ces choix ne sont nullement limitatifs. Il est de plus à noter que les éléments déjà décrits en référence aux figures 1 et 2 ne sont pas nécessairement décrits de nouveau ici.
On se réfère tout d'abord à la figure 3 qui illustre partiellement, en coupe, un exemple de réalisation d'un « string » de cellules photovoltaïques 4 d'un module photovoltaïque 1 conforme à l'invention.
Le module photovoltaïque 1 comporte ainsi une pluralité de cellules photovoltaïques 4 disposées côte à côte et interconnectées entre elles par des conducteurs de liaison 6.
Avant l'étape de lamination à chaud, une diode de bypass 8 par cellule photovoltaïque 4 est collée à la face arrière 4b de chaque cellule photovoltaïque 4, et connectée électriquement à une ou plusieurs cellules photovoltaïques 4 à protéger. Plus précisément, la connexion électrique de la diode de bypass 8 de chaque cellule photovoltaïque 4 se fait par connexion de l'anode d'une diode de bypass 8 à l'anode d'une cellule photovoltaïque 4, et connexion de la cathode de cette diode de bypass 8 à la cathode de cette cellule photovoltaïque 4.
Dans l'exemple de la figure 3, la technologie de cellules à contacts face avant et face arrière est illustrée. Ainsi, les cellules photovoltaïques 4 sont reliées électriquement entre elles par des conducteurs de liaison 6 respectivement disposées contre les faces avant 4a et arrière 4b de chacune des cellules photovoltaïques 4.
Dans ce cas, la diode de bypass 8 est positionnée sur un conducteur de liaison 6 de la face arrière 4b de la cellule photovoltaïque 4, ce conducteur de liaison 6 permettant la connexion électrique de la première polarité de la diode de bypass 8.
De plus, un conducteur de liaison additionnel 9 est positionné sur la diode de bypass 8, à l'opposé du conducteur de liaison 6 de la face arrière 4b de la cellule photovoltaïque 4, ce conducteur de liaison additionnels 9 permettant la connexion électrique de la deuxième polarité de la diode de bypass 8.
Le positionnement de la diode de bypass 8 suffisamment proche du bord de la cellule 4 permet de limiter la longueur du conducteur de liaison additionnel 9 et ainsi de limiter le surplus de masse associé.
Par ailleurs, la figure 4 permet d'illustrer la technologie de cellules photovoltaïques 4 à contacts face arrière de type IBC.
Ainsi, les cellules photovoltaïques 4 sont reliées électriquement entre elles par des conducteurs de liaison 6 disposées tous contre la face arrière de chacune des cellules photovoltaïques 4. Le positionnement de la diode de bypass 8 sur la face arrière 4b de la cellule 4 est libre.
Dans les deux cas d'une technologie de type IBC et d'une polarité face avant/face arrière, pour chaque cellule photovoltaïque 4, la diode de bypass 8, ainsi que le conducteur de liaison 6 sur la face arrière de la cellule photovoltaïque 4, sont isolés électriquement au moins partiellement, notamment totalement, de la surface de la cellule photovoltaïque 4 en fonction des différentes polarités en contact.
Par ailleurs, l'invention permet également l'utilisation d'une cellule photovoltaïque 4 en tant que diode de bypass 8. Cette cellule 4 est alors connectée en parallèle et en polarité opposée en face arrière de la cellule photovoltaïque à protéger. Il n'est alors pas nécessaire d'avoir une cellule entière en tant que diode de bypass, la surface nécessaire pouvant être calculée en fonction du courant à faire passer et de la puissance à dissiper.
La figure 5 permet d'illustrer cet aspect pour le cas de la technologie de cellules photovoltaïques 4 à contacts face avant et face arrière avec un morceau de cellule utilisée en tant que diode de bypass.
Ainsi, en fonction du nombre de points de connexion, deux dans cet exemple de la figure 5, il est possible d'avoir plusieurs diodes de bypass 8 en parallèle par cellule photovoltaïque 4 à la condition d'avoir une découpe de la cellule utilisée en tant que diode de bypass entre chaque point de connexion.
L'intégration de la diode de bypass en face arrière et au contact de la cellule photovoltaïque permet d'utiliser celle-ci en tant que dissipateur thermique de la diode de bypass en fonctionnement. Le couplage thermique de ces deux composants permet de diminuer la température de la diode.
Exemples de réalisation particuliers
On va maintenant décrire trois exemples de réalisation particuliers A, B et C de modules photovoltaïques 1 conformes à l'invention.
Les trois exemples A, B et C ont été réalisés avec les mêmes matériaux d'encapsulation mais avec des cellules photovoltaïques ou des diodes de bypass différentes :
Dans le premier exemple A, les cellules photovoltaïques comprennent 4 cellules photovoltaïques de type IBC d'épaisseur de l'ordre de 160 pm avec chacune une diode de bypass de type diodes incorporées SBR12U45LH1, en position centrale sur la face arrière de la cellule.
Dans le deuxième exemple B, les cellules photovoltaïques comprennent 4 cellules hétérojonction à base de silicium amorphe et monocristallin d'épaisseur de l'ordre de 115 pm avec chacune deux diodes de bypass de type diodes incorporées SBR12U45LH1.
Dans le troisième exemple C, les cellules photovoltaïques comprennent 4 cellules homojonction de type PERT (pour « Passivated Emitter, Rear Totally-diffused » en anglais) à base de silicium monocristallin d'épaisseur de l'ordre de 160 pm avec une cellule photovoltaïque utilisée en tant que diode de bypass par cellule.
Pour chaque exemple A, B et C, le module photovoltaïque est mis en œuvre en une seule étape de lamination à chaud sous vide, après solidarisation des diodes de bypass.
Pour les trois exemples de réalisation A, B et C, l'intégration des diodes de bypass en face arrière des cellules photovoltaïques n'a avantageusement aucun impact sur la surface active du module photovoltaïque.
De plus, l'intégration des diodes de bypass n'introduit pas de dégradation mécanique des cellules photovoltaïques durant le procédé de fabrication du module.
En outre, le fonctionnement des diodes de bypass a été validé sous ombrages avec mesure des performances électriques et observation par caméra infrarouge de réchauffement des diodes de bypass.
Le couplage thermique entre une diode de bypass et une cellule photovoltaïque a également été validé. L'observation des images par infrarouge montre que la surface d'échauffement est dans tous les cas très largement supérieure à la surface de la diode utilisée.
De plus, les tenues en vieillissement accéléré en enceinte de cyclage thermique selon la norme terrestre IEC 61215 ont aussi été démontrées sur plus de 600 cycles avec des pertes de puissance très largement inférieures à 5 % après 200 cycles thermiques.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits. Diverses modifications peuvent y être apportées par l'homme du métier.
Claims (13)
- REVENDICATIONS1. Module photovoltaïque (1) comportant :- une première couche (2) transparente formant ia face avant du module photovoltaïque (1), destinée à recevoir un flux lumineux,- une pluralité de cellules photovoltaïques (4) disposées côte à côte et reliées électriquement entre elles par des éléments de contact électrique (6) dénommés conducteurs de liaison (6), un ensemble encapsulant (3) la pluralité de cellules photovoltaïques (4b ·· une deuxième couche (5), l'ensemble encapsulant (3) et la pluralité de cellules photovoitaïques (4) étant situés entre les première (2) et deuxième (5) couches, caractérisé en ce que, pour au moins une pluralité de cellules photovoltaïques (4), une ou plusieurs diodes de bypass (8) sont solidarisées à la face arrière (4b) de chaque cellule photovoltaïque (4), et connectées électriquement à une ou plusieurs cellules photovoltaïques (4) à protéger.
- 2. Module selon la revendication 1, caractérisé en ce que les cellules photovoitaïques (4) sont reliées électriquement entre elles par des conducteurs de liaison (6) respectivement disposées contre les faces avant et arrière de chacune des cellules photovoitaïques (4).
- 3. Module selon la revendication 2, caractérisé en ce que, pour chaque cellule photovoltaïque (4) de ladite au moins une pluralité de cellules photovoitaïques (4), la ou les diodes de bypass (8) sont positionnées sur un conducteur de liaison (6) de la face arrière (4b) de la cellule photovoltaïque (4), ce conducteur de liaison (6) permettant la connexion électrique de la première polarité de la ou des diodes de bypass (8), et en ce qu un ou plusieurs conducteurs de liaison additionnels (9) sont positionnés sur la ou les diodes de bypass (8), à l'opposé du conducteur de liaison (6) de la face arrière (4b) de la cellule photovoltaïque (4), ce au ces conducteurs de liaison additionnels (9) permettant la connexion électrique de la deuxième polarité de la ou des diodes de bypass (8).
- 4. Module selon ta revendication 1, caractérisé en ce que les cellules 5 photovoltaïques (4) sont reliées électriquement entre elles par des conducteurs de liaison (6) disposées contre la face arrière de chacune des cellules photovoltaïques (4).
- 5. Module selon ta revendication 4, caractérisé en ce que, pour chaque cellule photovoltaïque (4) de ladite au moins une pluralité de cellules photovoltaïques (4),10 la ou les diodes de bypass (8), ainsi que le ou les conducteurs de liaison (6) sur ta face arrière dfune cellule photovoltaïque (4), sont isolés électriquement au moins partiellement, notamment totalement, de ta surface de la cellule photovoltaïque (4).
- 6. Module selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que, pour15 chaque cellule photovoltaïque (4) de ladite au moins une pluralité de cellules photovoltaïques (4), plusieurs diodes de bypass (8) sont solidarisées à la face arrière (4b) de chaque cellule photovoltaïque (4), et connectées électriquement à une ou plusieurs cellules photovoltaïques (4) à protéger,20
- 7. Module selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pour chaque cellule photovoltaïque (4) de ladite au moins une pluralité de cellules photovoltaïques (4), ta ou les diodes de bypass (
- 8) sort positionnées au niveau ou à proximité d'un bord de la cellule photovoltaïque (4).25 8. Module selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, parmi ladite pluralité de cellules photovoltaïques (4), au moins une portion, notamment ta totalité, d'une ou plusieurs cellules photovoltaïques (4) est utilisée en tant que diode de bypass par connexion de ladite portion en parallèle et en polarité opposée en face arrière d'une ou plusieurs cellules photovoltaïques (4) à protéger.
- 9. Module selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première couche (2) comporte au moins un matériau polymère et présente une épaisseur inférieure à 50 pm, en ce que la deuxième couche (5) comporte au moins un matériau composite de type préimprégné à base de résine polymère et de fibres, et présente un poids surfacique inférieur à 150 g/m2, et en ce que l'ensemble encapsulant (3) présente une épaisseur maximale inférieure à 150 pm.
- 10. Module selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit au moins un matériau composite de ia deuxième couche (5) est un préimprégné à base de résine polymère et de fibres, le polymère étant choisi parmi le polyester, l'époxy et/ou l’acrylique, et les fibres étant choisies parmi les fibres de verre, de carbone et/ou d'aramide.IL Module selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que ledit au moins un matériau polymère de la première couche (2) est choisi parmi : le polycarbonate (PC), le polyméthacryiate de méthyle (PMMA), le polytéréphtalate d’éthylène (PET), le polyamide (PA), un polymère fluoré, notamment le polyfluorure de vinyle (PVF) ou le polyfluorure de vinylidène (PVDF), l'éthylène tétrafluoroéthylène (ETFE), l'éthylène chlorotrifluoroéthylène (ECTFE), le polytétrafluoroéthylène (PTFE), le Polychiorotrifiuoroéthyîène (PCTFE) et/ou l'éthylène propylène fluoré (FEP).
- 12. Module selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il présente un poids surfacique inférieur à 1 kg/m2, notamment inférieur à 800 g/m2, notamment encore inférieur à 600 g/m2.
- 13. Procédé de réalisation d'un module photovoltaïque (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape de lamination à chaud, â une température comprise entre 130eC et 170°C, notamment de l'ordre de 150eC, et pendant une durée du cycle de lamination d'au moins 10 minutes, notamment comprise entre 10 et 20 minutes, des couches constitutives (2, 3, 4, 5) du module photovoltaïque (1).
- 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que, pour ladite5 au moins une pluralité de cellules photovoltaïques (4), la ou les diodes de bypass (8) sont solidarisées à la face arrière (4b) de chaque cellule photovoltaïque (4) et connectées électriquement à une ou plusieurs cellules photovoltaïques (4) à protéger, avant ladite étape de lamination à chaud.
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