La présente invention a trait aux modules à cellules photovoltaïques, dont on recherche en particulier des formes toujours plus complexes à rayons de courbure faibles, c'est-à-dire à courbures prononcées.

En particulier l'intégration de cellules photovoltaïques à haut rendement, de type à support rigide, n'a encore jamais pu être effectuée dans des modules présentant localement une courbure selon deux axes sécants.

Ce problème a maintenant pu être résolu par l'invention qui a pour objet un module en matériau polymère transparent dans lequel sont noyées des cellules photovoltaïques rectangulaires, qui se distingue par le fait que les côtés desdites cellules photovoltaïques sont de longueur fi et f ₂ de directions respectives perpendiculaires di et d ₂ , selon lesquelles le module présente une courbure de rayon Ri, respectivement R ₂ , et par le fait que si e _t désigne l'épaisseur totale de matériau polymère et e _sup l'épaisseur minimale de matériau polymère recouvrant les cellules photovoltaïques du côté destiné à être orienté vers le soleil, on a, pour i = 1 et 2,

Ainsi l'invention rend-elle possible l'intégration de cellules photovoltaïques même rigides dans des modules, en des localisations présentant une courbure même prononcée, selon un ou deux axes sécants, notamment perpendiculaires.

Le module de l'invention peut géométriquement être défini comme une nappe ayant une épaisseur petite par rapport à ses deux autres dimensions, et dont la surface peut avoir une forme plus ou moins complexe, plus ou moins bombée. L'un des deux rayons de courbure Ri ou R ₂ peut être suffisamment grand par rapport à l'autre pour qu'on puisse négliger la courbure selon la direction di ou d ₂ correspondante par rapport à la courbure selon l'autre direction perpendiculaire, et considérer que la géométrie du module est alors à courbure cylindrique (selon un seul axe).

Tout matériau polymère transparent peut constituer le module : polycarbonate (PC), acrylique tel que poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA), polyoléfine telle que polyéthylène (PE), polypropylène (PP), polyamide (PA, notamment PA66), poly(téréphtalate d'éthylène) (PET), poly(acétal de vinyle) notamment poly(butyral de vinyle) (PVB), polyuréthane (PU), copolymère tel qu'acrylonitrile butadiène styrène (ABS), éthylène-acétate de vinyle (EVA), résine ionomère (copolymère éthylène-acide (méth)acrylique à réticulation ionique, neutralisé par une polyamine) notamment ceux d'entre eux qui peuvent être moulés par injection, seuls ou en mélange de plusieurs.

Le module de l'invention est constitué d'une feuille d'un tel matériau polymère notamment injecté d'épaisseur totale e _t , dans laquelle sont noyées des cellules photovoltaïques rectangulaires (ou carrées). Cependant cette feuille peut être assemblée à d'autres transparentes en verre minéral ou organique ou non transparentes par l'intermédiaire d'une couche d'adhésif intercalaire transparent tel que PVB, PU, EVA ou non transparent ... pour constituer un module feuilleté et/ou avec interposition d'une lame de gaz sec pour constituer un module multiple, sans sortir pour autant de la portée de l'invention.

Cependant, d'éventuels tels constituants supplémentaires du module sont de préférence assemblés du côté de la feuille en matériau polymère incorporant des cellules photovoltaïques, destiné à être opposé au soleil, ou éventuellement de son côté destiné à être orienté vers le soleil à condition que ces constituants supplémentaires soient transparents, laissent passer une partie suffisamment importante du rayonnement solaire, aient une transmission lumineuse élevée, et en particulier, ne soient pas teintés.

Si certaines parties de la surface du module sont transparentes, il peut être appelé vitrage. Si par contre cette surface est intégralement opaque, c'est-à-dire si un constituant au moins du module destiné à être positionné à l'arrière des cellules par rapport au soleil, est lui-même opaque sur toute sa surface, le module peut constituer un élément de carrosserie ou capotage de véhicule de transport automobile ou autre, ou pour le bâtiment ...

Il est précisé que dans le module, les espacements entre les cellules photovoltaïques, gi et g ₂ selon les directions di, respectivement d ₂ , sont quelconques, choisis selon l'impression visuelle que l'on souhaite obtenir d'un côté ou de l'autre du module. Lorsqu'une partie de la surface du module est transparente, plus les valeurs de gi et g ₂ sont importantes, plus grande est la proportion de la surface du module susceptible d'être transparente. On peut ainsi obtenir des effets comparables à ceux d'un module teinté, ou un dégradé en faisant varier les valeurs de gi et/ou g2 sur la surface du module.

Les cellules photovoltaïques sont d'épaisseur au plus égales à 0,5 mm, considérées comme négligeables par rapport à l'épaisseur du module, pouvant être de l'ordre de 3 - 4 mm par exemple.

Elles sont constituées d'une face active solidarisée à une base souple ou rigide.

Cette dernière peut être métallique ou équivalent, d'épaisseur comprise entre 25 et 500 μιτι, de préférence entre 75 et 250 μιτι, ou polymère tel que polyimide d'épaisseur comprise entre 13 et 125 μιτι. Des exemples en sont une base de cellule en acier

- souple de 25 à 200, de préférence 100 à 150 m d'épaisseur, ou

- rigide de 100-500, de préférence 175 à 225 μιτι d'épaisseur.

La face active des cellules photovoltaïques peut être constituée d'une feuille de Si amorphe d'épaisseur comprise entre 20 et 200 μιτι et associée par exemple à une base métallique souple ou polymère, ou d'une feuille de Si cristallin d'épaisseur comprise entre 100 et 300 μιτι et associée par exemple à une base métallique rigide, ou encore d'une couche mince de type CIGS (Cu In Ga Se) ou CdTe associée à une base souple ou rigide polymère, métallique ...

Cependant, de préférence, une au moins desdites cellules photovoltaïques est à support rigide, notamment à face active de silicium mono-ou poly-cristallin, dont le rendement est relativement élevé.

Dans une réalisation préférée du module de l'invention, le matériau polymère dont il est constitué est un polycarbonate et l'épaisseur minimale de ce matériau polymère recouvrant les cellules photovoltaïques du côté destiné à être orienté vers le soleil, e _sup , est au moins égale à 2,5 mm. Cette valeur est particulièrement recommandée quand une injection de polycarbonate est mise en œuvre.

D'autre part, eu égard à des considérations de poids, encombrement ... en particulier dans le domaine du transport, tel qu'automobile, l'épaisseur totale de matériau polymère, e _t , est avantageusement au plus égale à 4 mm.

Le module de l'invention présente au moins en un point une courbure selon deux axes perpendiculaires, notamment des valeurs non infinies de Ri et R ₂ . Plus précisément, conformément à une variante avantageuse, Ri et R ₂ sont au plus égaux à 2000 mm, de préférence à 1500 mm et de manière particulièrement préférée à 1000 mm.

L'une des courbures selon la direction di ou 62 peut être de préférence prononcée, ce qui est l'expression d'une forme complexe du module, par le fait que l'un au moins des rayons de courbure Ri et R ₂ est au plus égal à 1000 mm, de préférence à 750 mm, et de manière particulièrement préférée à 500 mm. Lorsque l'un des deux rayons de courbure Ri et R ₂ est ainsi particulièrement faible, l'autre peut être beaucoup plus important, de sorte qu'on peut considérer la courbure en ce point comme cylindrique (selon une seule des deux directions di ou d2), sans sortir du cadre de l'invention.

Dans une réalisation particulière du module de l'invention, le matériau polymère transparent dans lequel sont noyées les cellules constitue la couche adhésive intercalaire d'un feuilleté ; il peut s'agir de polyvinylbutyral (PVB), polyuréthane (PU), éthylène-acétate de vinyle (EVA) ... Cette couche adhésive intercalaire relie alors deux feuilles de verre, ou une feuille de verre et une feuille d'un autre matériau par exemple polymère tel que polycarbonate (PC), poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA), résine ionomère..., ou encore deux telles feuilles d'un autre matériau. Cette couche adhésive intercalaire d'un feuilleté est alors avantageusement à propriété acoustique, en particulier quand le module est destiné à être installé en toit ou pare-brise de véhicule électrique : la pluie par exemple est alors moins audible dans l'habitacle.

Selon une caractéristique avantageuse, les cellules photovoltaïques sont encapsulées dans une enveloppe amortissante (notamment de dilatation thermique linéaire différentielle entre les cellules et le matériau polymère transparent dans lequel elles sont noyées). Cette enveloppe amortissante est constituée par exemple de polycarbonate (PC), polyimide (PI), poly(téréphtalate d'éthylène) (PET), polypropylène (PP), polyéthylène (PE), polyuréthane (PU), d'un film fluoré polymère comme copolymère éthylène-tétrafluoroéthylène (ETFE), fluoroéthylènepropylène (FEP) ou équivalent, d'épaisseur comprise entre 13 m et 2 mm, de préférence au plus égale à 500 μιτι. Cette enveloppe protège d'autre part sa cellule photovoltaïque de l'humidité. La surface extérieure de cette enveloppe amortissante est de préférence constituée du même matériau que celui dans lequel elle est destinée à être intégrée (polycarbonate en cas d'injection de polycarbonate, polyvinylbutyral ou éthylène-acétate de vinyle par exemple en cas d'intégration dans un feuilleté).

Selon une autre caractéristique avantageuse, le module comprend des cellules photovoltaïques rigides discrétisées associées à une couche mince photovoltaïque sur substrat verrier ou polymère dans les zones de courbures plus prononcées. Ces cellules rigides discrétisées sont alors notamment constituées au moins en partie desdites cellules photovoltaïques rectangulaires du module de l'invention décrites ci-dessus, notamment du type à haut rendement. Elles assurent une adaptation à la courbure, un rendement photovoltaïque optimal dans leur zone et une gestion esthétique et visuelle de la luminosité du côté du module opposé au rayonnement solaire. Les zones de courbures plus prononcées peuvent être des zones de bord; l'utilisation d'une couche mince photovoltaïque permet de combiner à la production d'électricité accrue des cellules photovoltaïques rigides discrétisées une surface du module à courbure variée et complexe. Dans un module feuilleté, la couche mince photovoltaïque est déposée par exemple sur une face intérieure du feuilleté.

L'invention a également pour objets :

- un procédé de fabrication d'un module tel que décrit précédemment, comprenant le positionnement des cellules photovoltaïques dans l'empreinte d'un moule d'injection de matériau polymère thermoplastique, puis l'injection de celui-ci ;

- un procédé de fabrication d'un autre module tel que décrit précédemment, comprenant l'incorporation des cellules photovoltaïques dans la couche adhésive intercalaire d'un feuilleté (par exemple en les intercalant entre deux feuilles constitutives de cette couche) préalablement à l'assemblage du feuilleté, puis cet assemblage par les moyens classiques (température, pression, dépression.),

- l'application de ce module pour un véhicule de transport terrestre, aérien ou aquatique, en particulier comme toit de véhicule automobile, pour le bâtiment ou le mobilier urbain (abribus, panneaux d'affichage ...), soit comme élément en partie transparent, vitrage, soit comme élément intégralement opaque (de carrosserie, capotage ...),

- un toit ou une partie de toit de véhicule automobile comprenant un module tel que décrit précédemment. L'invention est maintenant illustrée par les dessins annexés dans lesquels la Figure 1 est une représentation schématique en perspective d'un vitrage (module en partie transparent) selon l'invention, et

la Figure 2 est une vue en coupe de ce vitrage.

En référence aux Figures 1 et 2 ensemble, le vitrage 1 présente, par exemple au point O, une double courbure, de rayons respectifs Ri et R ₂ selon deux plans perpendiculaires Pi = (di ds), respectivement P ₂ = (d ₂ ds).

Le vitrage 1 est constitué d'une feuille de polycarbonate d'épaisseur e _t dans laquelle sont noyées des cellules photovoltaïques rectangulaires 2 planes et rigides, à faces actives en silicium mono- ou poly-cristallin.

L'épaisseur des cellules photovoltaïques 2 est négligeable par rapport à e _t . L'épaisseur minimale de polycarbonate recouvrant les cellules photovoltaïques 2 du côté destiné à être orienté vers le soleil, est e _sup .

Ici, E _t et E _sup valent respectivement 4 et 2,5 mm.

Les valeurs maximales des dimensions ti x t ₂ des cellules photovoltaïques sont calculées en fonction des rayons de courbure locaux Ri et R ₂ , valant par hypothèse respectivement 2027,25 et 500 mm.

fi≤ 2 (4 - 2,5)(4 - 2,5 + 4054,50) ≤ 2 ^1,5(1,5 + 4054,50) ≤ 2 ^2,25 + 6081,75

≤ 156 mm.

Par le même calcul,

l ₂ ≤ 2 ^2,25 + 1500

≤ 77,52 mm.

L'espacement des cellules photovoltaïques, autrement dit les valeurs des espacements gi et g ₂ , est choisi en fonction de plusieurs critères :

plus ces valeurs sont faibles et plus la surface de production d'électricité est importante ;

mais plus ces valeurs sont faibles et moins importante est la fraction de la surface du module susceptible de laisser passer une plus grande partie de la lumière solaire. Ainsi lorsque le module est un vitrage (en partie transparent) comme dans cet exemple, le choix des valeurs de gi et g ₂ a une incidence esthétique (effets visuels divers tels que dégradés de luminosité ...) vue du côté opposé au soleil (habitacle du véhicule, intérieur de bâtiment ...), tandis que lorsque le module est intégralement opaque, le choix des valeurs de gi et g ₂ a une incidence esthétique vue du côté du soleil.

Les connexions électriques reliant plusieurs cellules photovoltaïques entre elles, et celles-ci à un collecteur, ne sont pas représentées.

Ainsi a-t-on intégré des cellules photovoltaïques rigides à haut rendement dans un vitrage de forme complexe, par un procédé simple (injection de polycarbonate, feuilletage ...).