INTERCONNEXIONS ELECTRIQUES DANS DES MODULES PHOTOVOLTAIQUES SEMI-TRANSPARENTS EN COUCHES MINCES La présente invention se rapporte aux modules photovoltaïques semi- transparents composés de cellules solaires en couches minces connectées entre elles par des lignes d'interconnexion et d'isolation électrique visibles, et plus spécialement les modules photovoltaïques dont le taux de transparence est obtenu par la création d'un réseau plus ou moins dense de zones de transparence géométriques dans la structure desdites couches minces.

ETAT DE LA TECHNIQUE

Un module photovoltaïque est composé d'une multitude de cellules photovoltaïques connectées en série. Chaque cellule est constituée d'un empilement de couches minces positionnées dans l'ordre suivant: un substrat transparent (par exemple du verre minéral ou organique), puis une électrode avant transparente conductrice constituée généralement d'un oxyde transparent conducteur désigné ci- après par le terme « TCO » (Acronyme du terme anglais « Transparent Conductive Oxide »), puis une couche photo-active généralement appelée « absorbeur », puis une électrode arriére conductrice, généralement appelée « contact arrière », qui est souvent métallique. L'épaisseur de chaque couche mince varie de quelques centaines de nanométres à quelques microns.

La transparence des modules photovoltaïques est très recherchée dans l'industrie du bâtiment et est obtenue par différents procédés de gravure et/ou de lithographie des différentes couches minces (tel que décrit dans US 4,795,500 de Sanyo). Plus récemment la transparence a été obtenue par un procédé d'ablation laser desdites couches minces. Le brevet US 6,858,461 décrit une technique d'ablation laser de lignes perpendiculaires aux lignes d'interconnexion et d'isolation électrique des cellules. Lesdites lignes d'interconnexions et d'isolation sont désignées ci-après par le mot anglais « scribes ». Dans le brevet US 2011/0017280 A, ce sont des micro-trous qui sont réalisés dans la structure des cellules et le diamètre des trous dépend de l'énergie et du diamètre du faisceau laser, ce diamètre n'excède pas les 40 pm. Pour augmenter la transparence, Nexpower (brevet US 7,951,725) réalise successivement par ablation laser dans deux couches minces différentes, deux trous superposés et de diamètres différents. Le plus petit dans l'électrode transparente (avant le dépôt de la couche photo-active et du métal), le deuxième plus large après dépôt de la couche photo-active et du contact métallique arrière.

Dans le cas des modules photovoltaïques en couches minces, les scribes sont des lignes appelées P1, P2 et P3 qui sont réalisées généralement par laser. D'autres architectures existent qui provoquent le phénomène de transparence et qui ne nécessitent aucune ablation (WO 2008/093933 et US 2013/0247969) mais aucune caractéristique particulière concernant la qualité optique du dispositif n'est décrite.

Si l'on définit la qualité visuelle d'un module photovoltaïque par l'homogénéité de sa transparence, on peut aussi définir cette qualité comme l'absence, ou la moindre distinction visuelle, des discontinuités géométriques, colorimétriques et de contraste qui pourraient être vues à sa surface par l'œil d'un observateur placé a une distance d'environ 30 cm. Or la taille et la position des lignes d'interconnexion et d'isolation des cellules (les scribes) par rapport aux zones de transparence créent une discontinuité géométrique et de contraste qui est généralement perçue par l'œil et dégrade la qualité visuelle recherchée. Une telle qualité visuelle de bon niveau est principalement recherchée pour les vitrages photovoltaïques.

BUT DE L'INVENTION

L'invention décrit ci-après un dispositif qui permet d'améliorer la qualité visuelle d'une surface photovoltaïque composée d'une multitude de cellules en couches minces connectées par des lignes d'interconnexion et d'isolation électriques (scribes), cette amélioration de la qualité visuelle est obtenue en rendant lesdites lignes d'interconnexion et d'isolation moins visibles, voire invisibles, pour un observateur placé à environ 40 cm de ladite surface photovoltaïque.

RESUME DE L'INVENTION

L'invention a pour objet un module photovoltaïque semi-transparent comprenant : d'une part un empilement de couches minces dont au moins une couche mince transparente qui a la fonction d'électrode avant, une couche mince photovoltaïque qui a la fonction d'absorbeur, et une couche mince métallique qui a la fonction d'électrode arrière ; lesdites couches minces étant déposées sur un substrat transparent ; ledit module photovoltaïque étant partitionné en une pluralité de cellules N,N+1,..,N+x connectées entre elles électriquement au moyen de lignes d'interconnexion électrique P2 faisant la jonction entre l'électrode arrière de la cellule N et l'électrode avant de la cellule N+1, et au moyen de lignes d'isolation électrique faisant l'isolation P3 entre l'électrode arrière de la cellule N et de la cellule N+1, et l'isolation P1 entre l'électrode avant de la cellule N et de ta cellule N+1;

d'autre part une multitude de zones de transparence aménagées au moins dans ladite électrode métallique arrière et dans ladite couche mince photovoltaïque absorbeur ; lesdites zones de transparence ayant toutes la même forme géométrique et étant positionnées les unes par rapport aux autres pour former un ou plusieurs réseaux laissant apparaître visuellement une multitude de zones en bandes rectilignea dont les axes longitudinaux sont parallèles ; certaines desdites zones de transparence étant disposées selon des bandes ayant une forte densité de transparence et certaines desdites zones de transparence étant disposées selon une bande ayant une faible densité de transparence, caractérisé en ce que lesdites lignes d'isolation électrique P1 et P3 sont positionnées dans lesdites bandes rectllignes de forte densité de transparence, et lesdites lignes d'interconnexion électrique P2 sont positionnées dans lesdites bandes rectilignes de faible densité de transparence, de manière à diminuer la visibilité â l'oeil nu desdites lignes d'isolation et d'interconnexion électrique P1 , P2 et P3.

En effet les lignes d'interconnexion électrique P2 et les lignes d'isolation P1 et P3 ont des couleurs et des transparences différentes suivant que lesdites lignes sont positionnées dans une zone de transparence ou pas et suivant que la fabrication se fait par ablation laser (ablation directe de couches minces) ou par des procédés de lithographie (gravure des couches à travers un masque). L'analyse des différents cas possibles (voir ci-après la description détaillée des figures 2 et 3) montre que la visibilité desdites lignes (P1.P2.P3) est réduite lorsqu'elles se positionnent dans des zones en bandes rectilignes dont la couleur ou la transparence selon le cas est semblable à la leur, Un cas particulier typique est celui d'une surface photovoltaïque dont la transparence partielle est réalisée par l'ablation d'un réseau de zones, de trous, ayant la forme de disques. Dans ce cas, les disques ne doivent pas se toucher pour que le courant électrique puisse circuler d'une cellule à l'autre. Les espaces entre les trous sont alignés et forment une multitude de zones en bandes rectilignes de faible transparence. C'est alors dans cette zone de faible transparence qu'il est judicieux de placer le connecteur P2 qui est lui-même opaque. Les lignes d'isolation P1 et P3 sont des lignes tracées respectivement dans les électrodes avant et arrière, il est alors judicieux de placer ces lignes dans les zones en bandes rectilignes de forte transparence qui se sont formées le long des lignes qui passent par le centre des zones ablatées, ici le centre des trous circulaires. Dans ce cas, les lignes P1 et P3 seront naturellement transparentes. La nécessité de rendre les lignes P1, P2 et P3 parallèles entre elles pour ne pas qu'elles se chevauchent, et la nécessité de créer des zones en bandes rectilignes de faible et de forte transparence pour permettre au mieux le « camouflage » desdites lignes P1, P2 et P3, oblige d'une part à choisir la forme de base et les dimensions (espacement, largeur, disposition, taux de transparence) du réseau de zones de transparence et d'autre part à choisir les dimensions en largeur et en espacement des trois lignes P1 , P2 et P3 pour que la combinaison de tous ces éléments soit compatible entre eux et aboutisse au résultat recherché.

Dans un mode de réalisation particulier les formes géométriques des zones de transparence constitutives dudit réseau ordonné sont choisies parmi les formes suivantes ou en combinaisons entre elles : des disques, des surfaces ovales, polygonales, hexagonales, carrées. Avantageusement, les disques permettent de minimiser les effets de diffraction par rapport aux formes polygonales.

Dans un autre mode de réalisation particulier, la largeur desdites trois lignes d'interconnexion et d'isolation électrique (P1.P2.P3) est inférieure à 100 micromètres. Cette largeur permet de placer aisément la ligne d'interconnexion P2 dans une bande de faible transparence, afin de ne pas être visible dans une zone de transparence. Selon une variante de réalisation, la distance qui sépare deux lignes d'interconnexion ou d'isolation électrique (P1.P2.P3) consécutives, est supérieure à 100 micromètres. On peut montrer que dans cette configuration, lesdites trois lignes sont à la limite du pouvoir séparateur de l'œil, sensiblement de 116 μm pour une observation à une distance de plus de 40 cm du module.

Dans un autre mode de réalisation particulier, les formes géométriques desdites zones de transparence ont leur plus grande dimension supérieure à 400 micromètres. De telles dimensions améliorent la qualité optique du module photovoltaïque semi-transparent, par réduction du flou notamment.

Suivant un autre mode de réalisation particulier, les zones opaques qui séparent lesdites zones de transparence ont leur plus petite dimension inférieure à 100 micromètres.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

L'invention est maintenant décrite plus en détails à l'aide de la description des ligures 1 à 7 indexées.

La figure 1 est un schéma en coupe transversale d'un module photovoltaïque composé de couches minces.

La figure 2 représente un tableau récapitulatif des différentes apparences des lignes de connexions électriques dans le cas d'une réalisation de transparence par ablation Laser.

La figure 3 représente un tableau récapitulatif des différentes apparences des lignes de connexions électriques dans le cas d'une réalisation de transparence par Lithographie.

La figure 4 représente un exemple de positionnement non optimisé des scribes dans le cas d'une ablation Laser ou par procédé lithographique. La figure 5 représente un exemple de positionnement optimisé des scribes qui deviennent alors invisibles dans le cas d'une ablation Laser ou par procédé lithographique.

La figure 6 représente l'exemple d'un réseau de zones de transparence circulaires et le calcul des dimensions et du positionnement optimal des scribes.

La figure 7 représente un exemple de zones de transparence hexagonales en nid d'abeilles.

La figure .1 représente en coupe un module photovoltaïque (1) et ses constituants : des cellules N, N+1, N+X... sont connectées en mode série. Toutes les cellules ont une largeur identique L et sont constituées par l'empilement d'un substrat transparent (S), d'ordinaire en verre ou en plastique, d'une couche mince d'oxyde transparent conducteur (2) encore appelée électrode avant qui est déposée sur le substrat transparent (5), une couche mince d'absorbeur (3) qui est une couche photovoltaïque comme par exemple du silicium amorphe, puis une couche mince métallique conductrice (4) appelée électrode arrière. La séparation des cellules (N, N+1, N+x,...) est réalisée par des lignes d'isolation (P1) dans le TCO (2), généralement réalisées par scribes au laser ou par gravure chimique associée à un processus de lithographie. Une deuxième ligne de gravure (P2) est réalisée dans l'absorbeur (3) qui est ensuite remplie de métal et qui forme le contact entre l'électrode arrière (4) et l'électrode avant (2) de ta cellule (N), ce qui en fait une ligne d'Interconnexion. Des lignes d'isolation (P3) sont réalisées dans l'électrode arrière (4). Pour des raisons pratiques, la gravure des lignes P3 se fait généralement jusqu'à l'électrode avant (2) de la cellule (N). Les lignes P1, P2 et P3 ne présentent pas la même couleur puisqu'elles ne sont pas recouvertes par le même matériau. En fonction du type d'application, le dispositif peut être observé soit du côté du contact arrière (4), soit du côté du substrat transparent (5). Dans le cas où le dispositif est regardé du coté métallique (4), la ligne P1 est recouverte par le métal (4) et n'est donc que très peu ou pas visible. La ligne P2 est recouverte aussi de métal mais peut être davantage visible si l'interface TCO (2) / métal (4) est texturée, alors que la ligne P3 est complètement transparente, donc contrastée par rapport au métal, ce qui la rend visible. Dans le cas où le dispositif est regardé du côté du substrat transparent (5), la ligne P1 présente la couleur de la couche photoactive (3), la ligne P2 celle du métal (4) et la ligne P3 reste complètement transparente. La largeur des lignes d'isolation et d'interconnexion (P1.P2.P3) varie d'une dizaine de microns à une centaine de microns et la distance entre les lignes varie aussi d'une dizaine à une centaine de microns.

La figure 2 est un tableau à deux entrées qui s'applique à des cellules gravées au laser et qui fait la correspondance entre chacune des lignes de connexions P1, P2, P3 (la première colonne montrant leur couleur d'origine) et leur position possible à l'extérieur d'une zone de transparence (OUT) ou à l'intérieur d'une zone de transparence (IN). Chaque cas envisagé donne six combinaisons, six cases dont l'aspect sombre ou clair renseigne sur le rendu visuel de chaque ligne (P1.P2.P3). On constate ainsi que P1 et P2, qui sont originellement opaques, restent sombres après ablation lorsqu'ils sont en dehors d'une zone de transparence (OUT) mais seul P1 devient transparent dans une zone de transparence (IN), alors que P2 reste opaque. P3, qui est originellement transparent, demeure transparent après ablation aussi bien dans une zone de transparence (IN) que dans une zone hors transparence (OUT). La quatrième colonne indique le meilleur choix optique de positionnement (IN ou OUT) pour chacune des trois lignes (P1.P2.P3). Ainsi il sera judicieux de positionner P1 et P3 dans des zones de transparence (IN) et P2 dans des zones de non transparence (OUT) aftn qu'ils soient le moins visible possible à l'œil nu.

La figure 3 est un tableau à deux entrées qui s'applique à des cellules réalisées par des procédés de gravure par lithographie et qui fait ta correspondance entre chacune des lignes de connexions P1, P2, P3 (la première colonne montrant leur couleur d'origine) et leur position possible à l'extérieur d'une zone de transparence (OUT) ou â l'intérieur d'une zone de transparence (IN). Chaque cas envisagé donne six combinaisons, six cases dont l'aspect sombre ou clair renseigne sur le rendu visuel de chaque ligne (P1.P2.P3). On constate ainsi que P1 et P2, qui sont originellement opaques, restent sombres après gravure lorsqu'ils sont en dehors d'une zone de transparence (OUT) et que P3, qui est originellement transparent, reste transparent en dehors de cette zone de transparence (OUT). En revanche, tous les scribes P1, P2 et P3 sont transparents dans les zones de transparence (IN) après gravure. La quatrième colonne indique le meilleur choix de positionnement (IN ou OUT) pour chacune des trois lignes (P1.P2.P3). Ainsi, il sera judicieux de positionner P1 et P3 dans des zones (IN)» alors qu'il est possible optiquement de positionner les lignes P2 indifféremment dans des zones (IN) ou (OUT). Cependant P2 étant la ligne d'interconnexion électrique entre l'électrode avant et l'électrode arrière, si elle était placée dans une zone (IN), seule une partie de la ligne servirait effectivement à l'interconnexion des deux électrodes. Cela aurait pour effet d'augmenter la résistance de la cellule et diminuerait ainsi la performance électrique du module photovoltaïque. Donc la ligne d'interconnexion P2 doit être placée avantageusement en dehors d'une zone de transparence (OUT) pour des raisons de production électrique.

On constate donc que les meilleurs choix de positionnement des scribes (colonne 4) quel que soit le procédé d'ablation du module (laser ou lithographie), sont identiques.

La figure 4 représente une jonction entre deux cellules N et N+1 dans le cas où les zones de transparence (6) (ici des disques) sont faits par ablation laser et lorsque la position des scribes n'est pas optimisée. Dans la majorité des cas le faisceau incident du laser traverse d'abord le substrat transparent. En raison des différences d'absorption du faisceau laser par les différents matériaux qui composent la cellule, cela en fonction de la longueur d'onde et de la fluence propre du laser, certaines couches minces de la cellule peuvent être transparentes. Par exemple un laser puisé vert de longueur d'onde de 532 nrn sera utilisé pour ablater la couche photc-active. Le TCO est transparent pour cette longueur d'onde du laser, l'ablation se produit alors en premier dans la couche photo-active qui pulvérise le métal de faible épaisseur placé derrière. Le contenu du scribe P1 est ablaté en même temps que la couche photo-active si ce dernier est situé dans la zone de transparence, alors que le scribe P2 qui ne contient que le métal peut ne pas être ablaté par le laser (à la même fluence). Le P2 peut donc rester visible au travers de la zone de transparence. C'est ce que montre cette figure 4. Au niveau visuel c'est toute la ligne de disques verticale (7) qui devient alors plus sombre et le scribe P3, qui est transparent, ajoute de la transparence à la ligne de disques verticale (8) car ledit scribe P3 est positionné en majorité dans des zones de non transparence (9), ce qui sera perçu par l'œil de l'observateur comme un défaut de contraste amplifié.

La figure 5 reprend l'exemple de la figure 4 précédente mais cette fois la position des scribes est optimisée en suivant les directives de la colonne (4) du tableau de la figure 2. Les scribes P1 et P3 sont placés dans les zones de transparence (IN, 6), c'est-à-dire sensiblement au centre et parallèlement aux bandes parallèles de grande transparence (7,8) et le scribe P2 est placé dans une zone de non transparence (OUT) c'est-à-dire sensiblement au centre et parallèlement aux bandes parallèles de faible transparence (9). On entend par « bandes parallèles de grande ou de faible transparence » l'apparence respective de bandes claires ou sombres perçues par l'observateur qui, étant à une distance des zones de transparence supérieure au pouvoir séparateur de son œil, ne distingue pas le contenu desdites bandes. Dans l'exemple des figures 4 et 5 ci-dessus lesdites bandes de grande transparence (7,8) sont constituées par l'alignement des disques transparents (6) et lesdites bandes de faible transparence (9) sont constituées par les espaces compris entre l'alignement des disques transparents (6).

La figure 6 illustre une méthode de calcul pour calculer la distance d entre les centres de deux rangées de disques (6) pour un module photovoltaïque qui doit être rendu semi-transparent par ablation au laser. Si R est le rayon des disques (6) et Cd la distance qui sépare les disques, la formule géométrique est :

Si la largeur de chaque cellule qui compose le module, donc la distance entre deux lignes P1 consécutives, est L, la condition pour que les lignes P1 et P3 soient positionnées au centre des motifs de transparence (6) à chaque interconnexion, est que la largeur L de chaque cellule soit proportionnelle à la distance d :

Autrement dit la largeur L de chaque cellule et la distance d entre les formes géométriques des zones de transparence (6) est donnée par la relation L* k d ; k 5 étant un nombre entier.

Dans un exemple de réalisation, si la transparence est réalisée par des lignes de trous circulaires, la largeur des cellules L est fixée au préalable pendant le dépôt des couches par les scribes P1 réalisées dans le TCO. Le positionnement des scribes par rapport aux bandes de forte ou faible transparence qui sont réalisées en général après le dépôt des couches minces du module photovoltaïque. est optimisé à chaque interconnexion en ajustant le rayon R des trous circulaires et la distance Cd entre eux en fonction du taux de transparence. Cette optimisation se fait via un algorithme simple connu de l'homme du métier de manière à satisfaire la relation (2).

Dans un deuxième exemple de réalisation comparable au premier, mais où le rayon R des trous circulaires et la distance Cd entre eux sont déterminés au préalable en fonction d'un taux de transparence fixé, la largeur L des cellules est alors calculée avant la réalisation des scribes d'isolation P1 de manière à satisfaire ia relation (2).

Dans les deux cas de réalisation précédents, une fois que le positionnement du scribe PI est fixé, le positionnement des scribes P2 et P3 se fait en fonction des dimensions R des trous circulaires et de la distance Cd entre les trous. Dans un troisième cas de réalisation, les scribes sont fixés au préalable pendant le dépôt des différentes couches qui constituent le module photovoltaïque, le scribe P2 étant situé à mi-distance entre les scribes P1 et P3. Pendant te processus d'ablation, leur position est détectée à t'aide d'une caméra. Dans une deuxième étape, une correction soit de la dimension des formes géométriques des zones de transparence, soit de la distance entre lesdites formes, se fait progressivement sur l'ensemble desdites formes ou alternativement sur les formes proches des scribes. Cette correction peut se faire à l'aide d'un programme qui pilote le laser afin de positionner les bandes de forte densité de transparence au niveau des lignée d'isolation P1 et P3, et les bandes de faible densité de transparence au niveau de la ligne P2.

Dans le cas où la correction des dimensions des formes géométriques a lieu sur les zones de transparence à proximité des scribes, il peut apparaître deux ou trois réseaux de zones de transparence au lieu d'un seul qui se répète sur l'ensemble des cellules.

La figure 7 illustre un autre exemple de positionnement optimisé des scribes P1, P2 et P3 dans un réseau de trous hexagonaux. P1 et P3 sont places dans les zones de transparence (IN), c'est-à-dire sensiblement au centre et parallèlement aux bandes parallèles de grande transparence (7,8) et P2 est placé dans une zone de non transparence (OUT) c'est-à-dire sensiblement au centre et parallèlement aux bandes parallèles de faible transparence (9).

AVANTAGES DE L'INVENTION

En définitive l'invention répond bien aux buts fixés en permettant d'améliorer la qualité visuelle d'un module photovoltaïque (1) composé d'une multitude de cellules en couches minces raccordées par des lignes d'interconnexion et d'isolation électriques (P1.P2.P3), cette amélioration de la qualité visuelle est obtenue en rendant lesdites lignes d'interconnexion et d'isolation électrique moins visibles, voire non visibles, en plaçant lesdites lignes (P1.P2.P3) dans des zones de transparence ou de non transparence en rapport avec la similitude de leurs apparentes couleurs.