WO2014072595A1 - Surface photovoltaïque polarisante - Google Patents

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WO2014072595A1
WO2014072595A1 PCT/FR2013/000291 FR2013000291W WO2014072595A1 WO 2014072595 A1 WO2014072595 A1 WO 2014072595A1 FR 2013000291 W FR2013000291 W FR 2013000291W WO 2014072595 A1 WO2014072595 A1 WO 2014072595A1
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photovoltaic
strips
polarizing
light
transparency
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PCT/FR2013/000291
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Philippe CARDI
David Coulon
Joël GILBERT
Bernard NONNENMACHER
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Wysips
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the present invention relates to the design of a polarizing photovoltaic surface which is very transparent to a polarized light, for example the polarized light which is emitted by an electronic image of LCD type.
  • the new design must be such that this polarizing photovoltaic surface can be placed in front of this electronic image without disturbing the visual quality and the brightness thereof, while producing an electric current in relation to the light that said photovoltaic surface receives from its environment .
  • Photovoltaic surfaces are used to produce electricity from the ambient light which allows to supply energy, at least partially, certain devices used in our daily life. In order to improve the visual integration of these photovoltaic surfaces in our environment, it is desirable to make these photovoltaic surfaces as transparent as possible so as not to reduce the brightness of the images on which these surfaces are affixed.
  • This device makes it possible, thanks to its optical network, to maximize the photovoltaic surface producing electricity, and thus to minimize the surface of the zones of transparency, while making converge towards an observer more brightness of the image than that which would be due on the surface of the transparency zones in the absence of the
  • This device is very effective but its network of lenses microscopic centered on the pixels leads to an additional cost and difficulties of realization.
  • the main purpose of the invention is to overcome the aforementioned drawbacks, that is to say to seek to be able to dispose in front of an image, in particular an electronic image, a significant photovoltaic surface density, while allowing this photovoltaic surface to remain very stable. transparent for the light emitted by the image, although the photovoltaic material is in itself opaque.
  • the invention also aims to propose a basic structure composed of a photovoltaic polarizing surface reaching an optimal compromise between its light transparency and its electricity production, much better than the linear compromises mentioned above.
  • the invention also aims to provide a plurality of photovoltaic devices incorporating said basic structure and responding to various functional applications to increase the scope of photovoltaic devices.
  • the invention consists in specifically positioning and dimensioning photovoltaic zones or bands on a simple transparent support, which is not polarizing in itself, so that this support remains very stable. transparent to polarized light emitted by any image, including an electronic image.
  • electronic image is defined here by any image composed of pixels that emit light generated by an electronic method. This is the case for example LCD, LED, OLED, PLASMA, LASER images. But the interest of the invention also extends to other types of images, even backlit images.
  • photovoltaic is defined here by the property of certain materials, or combination of materials, of transforming a portion of the received light energy into electrical energy, which is the case, for example, for amorphous, crystalline silicon. or organic. These photovoltaic materials are also interconnected, and connected to external components, by electrical connections in order to route the generated electric current to collection and / or consumption circuits, as is well known to those skilled in the art. and not described here.
  • the subject of the invention is a photovoltaic device comprising, alternatively on the one hand, zones of transparency intended to let an incident light radiation directed towards the device, and on the other hand photovoltaic zones. intended to produce electricity under the effect of said light radiation, characterized in that it further comprises polarization means able to polarize in a rectilinear manner said light radiation -for at least a portion of its wavelengths .
  • polarization means able to polarize in a rectilinear manner said light radiation -for at least a portion of its wavelengths.
  • the biasing means can be placed above the photovoltaic areas from the point of view of incident light, provided however that the embodiment of the polarization means, for example transparent polymer, allows the photovoltaic areas to receive a sufficient amount of light for the intended application of the device.
  • said polarization means are formed directly by the photovoltaic zones, which are specifically arranged to produce a linear polarization effect of all or part of the light radiation passing through the zones of transparency.
  • the zones of transparency and the photovoltaic zones could be in the same plane, but in an embodiment much simpler to manufacture, the zones of transparency are arranged in a transparent plate, and the photovoltaic zones are arranged in the form of a photovoltaic network disposed on one of the faces of said transparent plate.
  • the polarizing photovoltaic device is characterized in that said photovoltaic zones are arranged in the form of a network of thin photovoltaic strips, and in that the zones of transparency are constituted by transparency strips interposed between and delimited. by said photovoltaic strips.
  • the device makes it possible, depending on the size of the photovoltaic bands, to interact with this or that band of wavelengths.
  • said photovoltaic network causes a linear polarization of the infrared light that passes through it.
  • the device according to the invention is such that the widths of the photovoltaic strips and the transparent strips have widths below about 233 nanometers.
  • said photovoltaic strips are parallel to each other, so as to generate a single polarization plane for each incidence angle of the incident light radiation.
  • the photovoltaic strips are continuous, but it is possible to imagine an embodiment in which said photovoltaic strips are discontinuous, and there may possibly be other photovoltaic bands oriented in another direction, at discontinuity locations.
  • this preferred embodiment provides that a transparent surface (from the point of view of the human eye) is covered with parallel photovoltaic strips whose width is Lj, the thickness Ep and the distance that separates two photovoltaic strips. consecutive, is noted Dx.
  • these three dimensions are chosen so that the photovoltaic optical network thus created has the property of polarizing light rectilinearly in a plane (called the plane of polarization) which is parallel to photovoltaic strips, and at each value of the angle of incidence of the light on the photovoltaic network will correspond a plane of polarization of said light.
  • the light emitted by a polarized electronic image will easily cross the polarizing photovoltaic optical network when it is arranged so that its polarization plane is parallel to the plane of polarization of the light emitted by the image.
  • the dimensions of the photovoltaic strips are preferably chosen so that the polarization property " is effective for visible light, that is to say for wavelengths of between 400 and 700 nm. It can be shown, in particular experimentally, that the distance Dx between the adjacent photovoltaic strips must be less than lambda / 3 where lambda represents the wavelength to be polarized, the distance Dx will therefore be in the abovementioned case less than 233 nm. .
  • the dimensions of the photovoltaic strips may also be chosen so that the polarization property is effective for infrared light, that is to say for wavelengths greater than 700 nm and preferably up to 4 microns.
  • the distance Dx between the photovoltaic bands must be less than lambda / 3 where lambda represents the wavelength to be polarized. The distance Dx will be in this case less than 1.33 microns.
  • the transparency of said polarizing photovoltaic surface according to the invention is different for polarized light or for unpolarized or natural light.
  • TRN the transparency
  • the transparency denoted TRN
  • polarizing photovoltaic surface (PP) When the polarizing photovoltaic surface (PP) according to the invention is placed in front of a polarized electronic image, then said polarizing photovoltaic surface (PP) has for this image a transparency which is much greater than the transparency of this photovoltaic surface for the ambient light, which is unpolarized. This characteristic is due to the fact that photovoltaic bands are separated by a distance Dx which is less than the wavelength of the light passing through them.
  • the photovoltaic strips are covered with a good electrical conductor, such as aluminum, copper, gold or silver, in order to increase the transparency of said polarizing photovoltaic surface.
  • a good electrical conductor such as aluminum, copper, gold or silver
  • the metal strips are positioned on the image side so that they do not obstruct the ambient light that will illuminate the photovoltaic strips.
  • the basic structure of the polarizing photovoltaic surface as described can be advantageously integrated with a plurality of photovoltaic devices corresponding to multiple applications, in order to increase the transparency and the electrical energy production of these devices.
  • Some examples of such devices are given in the following, without being exhaustive or limiting the scope of the invention.
  • the polarizing photovoltaic surface according to the invention is integrated in the optical part of a pair of sun protection glasses and / or vision correction, in order to reduce the light intensity which reaches the eyes, to increase the contrast of vision through the polarizing effect of the invention, and to produce electrical energy.
  • This electrical energy through electrical connections known to those skilled in the art, can be used to produce electronic, optical, auditory or mechanical effects that will be close to the user, or even close to his eyes or ears.
  • a device comprises an LCD screen and a polarizing photovoltaic surface (PP)
  • the latter receives on one of its faces unpolarized ambient light (9) and on the other of its faces the polarized light (7) of an image from the LCD display screen (11A).
  • an observer (12) will perceive at least 80% of the light (7) emitted by this screen (11A), despite the fact that the photovoltaic surface polarizing (PP) will capture at least 50% of the light ambient (9).
  • the light (7) of the image produced by the LCD screen (11A) is linearly polarized as previously seen, since the LCD display device (11A) uses two polarizing filters (3 and 4) whose polarization axes are orthogonal and whose space (6) between the two filters (3,4) is a variable polarization plane component, so that an unpolarized backlighting light (5) passes through these three components spring (7) with a brightness itself variable.
  • FIGS. 7 and 8 An advantageous variant (FIGS. 7 and 8) of the preceding device comprises an LCD display screen (11B) whose second polarizing filter is a polarizing photovoltaic surface (PP) directly integrated with the screen, which makes it possible to reduce the thickness of the screen (UB) and its manufacturing cost.
  • a polarizing photovoltaic surface PP
  • the photovoltaic strips or only a portion of the photovoltaic strips, are covered with one or more other functional surfaces, substantially of the same width as or smaller than said photovoltaic strips. , and positioned on the side opposite the ambient light, which will not cause obstruction to the capture of said ambient light by the photovoltaic strips.
  • the additional functional surfaces may usefully be chosen from the following:
  • a common electrode may be used for the operation of both photovoltaic surfaces (1,24).
  • thermoelectric elements having a function of producing electricity from a difference in temperature between two components.
  • a tactile sensing functional surface comprising electrical conductors, possibly made of metal, capable of forming a mesh network for detecting the positioning of a finger or a stylus on a touch screen, in particular on a polarized light screen such as an LCD screen .
  • this network which is both photovoltaic and tactile, operational, the person skilled in the art will be able to position the upper electrodes (20), for example by a network of transparent conductive wires in ⁇ (Indium Tin Oxide) positioned perpendicularly to the network of photovoltaic strips. ' ics.
  • this particular embodiment which therefore consists of both a polarizing photovoltaic surface (1) and a tactile detection surface
  • these two components are integrated in a screen, preferably of LCD type (11), of to replace the upper polarizing surface (3) that makes up this type of screen, which then allows to further reduce the thickness and manufacturing costs of said screen, while enjoying the benefits of transparency and production of the screen.
  • electricity obtained thanks to the polarizing photovoltaic surface is obtained thanks to the polarizing photovoltaic surface.
  • a functional surface comprising metallic conductors capable of forming a transmitting and / or receiving radio wave antenna.
  • the shape and dimensions of said conductors are then such that they react at certain frequencies of electromagnetic waves such as a receiving and / or transmitting antenna.
  • These drivers are connected to an electronic chip whose function is the management of the information received or transmitted by the antenna.
  • FID radio Frequency Identification
  • the antenna then contains an identifier and possibly additional data which make it possible to identify the person or the object in question.
  • the antenna and the electronic chip are either powered by a battery, or a photovoltaic cell, or self-powered by the radio wave energy received
  • Another application of this integrated antenna in a communication screen like that of a mobile phone is to produce electromagnetic waves whose frequency is identical to that of the human brain when it is in a state of rest, relaxation or sleep, about 13 Hz.
  • the reception by the human brain of a radio wave of this frequency emitted by the antenna of the mobile phone will then induce in the recipient a state conducive to rest, relaxation and sleep.
  • the ability to emit these relaxation waves during a telephone call while the phone is at the ready of the brain will reduce the high frequency electromagnetic stress supported by the brain cells. This application is therefore likely to reduce the undesirable effects on the brain of electromagnetic waves emitted by telephone communication.
  • thermocouples composed of chromium (nickel + chromium alloy ( 10%)) and Constantan (nickel + copper alloy (45%)), and type K composed of Chromel (nickel + chromium alloy) and Alumel (nickel + aluminum alloy (5%) + silicon). It may be useful to know the temperature of a display device when it is exposed to the sun or an unusual environment, in order to protect it from degradation, or this temperature measurement function integrated into a screen can be used in home automation, servo automation or regulation, in scientific devices.
  • a functional surface of electricity storage in this case, the electricity produced by the photovoltaic function integrated in the device according to the invention is stored in electronic bands that have the function of battery or rechargeable batteries.
  • the functional surface is composed for example of at least three stacked thin layers respectively having the cathode function, anode and solid electrolyte. This solid electrolyte is for example composed of lithium.
  • a functional surface for detecting or analyzing sound vibrations, and therefore microphone vibrations the functional surface is then composed of a piezoelectric film that is to say that develops an electrical voltage between its two faces when it is compressed; , such as PZT (Lead Titano-Zirconate).
  • PZT Lead Titano-Zirconate
  • the pressure variations of the thin layer, and thus the electrical output signals, are produced by the sound vibrations received at the surface of the polarizing photovoltaic device.
  • the processing of the received signals then allows the recognition of a voice and / or its recording, and more generally allows the capture of all the sound vibrations that are present in the environment of the device.
  • a functional surface comprising semiconductor strips whose function is the detection of ionizing radiation: an ionizing radiation is for example that which is emitted by radioactive particles.
  • the semiconductor strips are here semiconductors such as silicon with added lithium, or cadmium telluride CdTe and CdZnTe, materials II-VI, which can be used as a detector at room temperature.
  • the basic structure of the semiconductor detector is an inversely polarized junction. It is also possible to use structures having an undoped zone inserted between two contacts that may be doped semiconductor zones (diode pin structure) or simply metal contacts (metal-semiconductor-metal structure, (Schottky junction).
  • reverse junctions are polarized to minimize the dark current and thus optimize the signal-to-noise ratio
  • An electric field is applied to the radiation detector using electrodes: positively polarized anodes and cathodes
  • the electrons and holes are separated and drained towards (respectively) the anodes and the cathodes, and the carriers can be either recombined or collected by the electrodes and the carrier separation forms an electrostatic dipole. which is in turn the origin of a reverse electric field. Electric power is observed.
  • detector terminals a voltage, current or load signal according to the characteristics of the external circuit used.
  • the integration of a radioactivity detector in a polarizing photovoltaic device according to the invention will for example be useful for maintenance technicians who operate in risk areas (nuclear industry, radiotherapy and medical imaging).
  • a functional surface comprising an inductive eddy current sensor with the function of detecting metallic objects the inductive sensors produce an oscillating magnetic field.
  • the magnetic field emitted from the active surface of the sensor is created by a circuit of flat wires, coil type, powered by a sinusoidal voltage source whose frequency is limited to a few tens of kilohertz so that the magnetic losses are reduced by eddy current as well as the influence of parasitic capacitances. If a metallic object (target) approaches the active surface, eddy currents are generated. According to Lenz's law, these currents oppose the cause that gave birth to them.
  • FIGS. 1 to 8 are respectively perspective and sectional diagrams that position the essential components of the device according to the invention.
  • FIG. 3 and 4 illustrate the difference in transparency of the device (PP) when it is illuminated by natural light or by polarized light.
  • FIG. 5 and 6 respectively show in exploded perspective and in section, the polarizing photovoltaic surface when it is positioned in front of an LCD screen.
  • FIGS. 7 and 8 respectively show in exploded perspective and in section the photovoltaic polarizing surface (PP) when it is directly integrated in a photovoltaic LCD screen (11B), that is to say when said surface (PP) replaces the second polarizing filter (3) with a standard LCD (11A).
  • FIGS 9 and 10 are respectively diagrams in cross section and in plan view of the photovoltaic surface (PP) according to the invention when it is performed in a particular embodiment where the photovoltaic strips' ic are covered with functional surfaces variety.
  • the polarizing photovoltaic surface (PP) comprises a transparent surface (2) on which are positioned strips photovoltaic 'ic (1) which have the property to transform the received light into electricity.
  • a transparent surface (2) on which are positioned strips photovoltaic 'ic (1) which have the property to transform the received light into electricity.
  • the embodiment wherein the photovoltaic strips' ic would be overcome to another surface, for example made of polymer, to achieve the polarizer function.
  • the preferred embodiment is shown that is where are the photovoltaic strips' ic themselves also play the role of polariser.
  • One of the two faces of these strips (1) is active and turned towards the ambient light.
  • These photovoltaic strips' ic (1) are parallel to one another, have a width Lj, a thickness Ep and are spaced from each other a distance Dx.
  • Dx is less than 1.33 microns when it is desired to obtain a polarization phenomenon for wavelengths of less than 4 microns, that is to say for visible and near-infrared light.
  • Dx is less than 233 nm when it is desired to obtain a polarization phenomenon for wavelengths less than 700 nm, that is to say for mainly visible light.
  • the thickness Ep of the photovoltaic strips (1) is preferably less than its width Lj.
  • the transparency (T) of the polarizing photovoltaic surface (PP) depends on the one hand on the ratio (R) between the total surface of the transparency strips and the total surface of the device (PP), which can be quantified by the ratio Dx / (Dx + Lj), and on the other hand, and more surprisingly, the nature of the incident light that can be unpolarized (9) or polarized (7) ( Figure 3).
  • the incident light (7) on the underside of the photovoltaic surface (PP) is already a polarized light, such as for example the light emitted by an LCD screen
  • this polarized light (7) passes through the polarizing surface with, surprisingly, a higher transparency ratio TRV than that obtained with a non-polarized incident light, which makes it possible to see the image emitted by the LCD screen with a better quality, for a given ratio R, or to increase the ratio R towards more photovoltaic surface, for a given image quality.
  • the transparency curve (FIG. 4) of the device (PP) as a function of the ratio (R) is close to a straight line (TRP) for a non-polarized incident light (9), and is in the form of a curve gradually decreasing (TRV) for a polarized light (7) whose polarization plane is parallel to the photovoltaic strips (1).
  • the incident light (7, 9) which passes through the polarizing photovoltaic surface (PP) is biased (8, 10), but the transparency (T) of the device (PP) is always greater in the case of a light.
  • the photovoltaic absorption (1-T) of the device (PP) will always be greater than the absorption (1-T) of the device (PP) for a polarized incident light (7) .
  • the light (7) of the image produced by the LCD screen (11A) is polarized in a rectilinear manner because the LCD display device (11A) uses two polarizing filters (3 and 4) whose polarization axes are orthogonal and whose space (6) between two filters (3,4) is a component whose plane of polarization is variable, so that a non-polarized backlighting light (5) which passes through these three components appears ( 7) with a brightness itself variable.
  • an LCD screen (11A) is generally, seen in section, a stack of at least eight layers:
  • the polarizing photovoltaic surface (PP) according to the invention is constituted in the example shown, of six components, as follows:
  • a network of metal strips (13) parallel to each other and serving as a rear electrode such as for example: Aluminum, Tungsten, Molybdenum, Silver, Copper, Gold, Tin, Zinc, these materials being able to be stacked, and / or partially oxidized.
  • This material may be, for example, silicon dioxide, silicon oxide, silicon oxynitride, transparent thermosetting polymer (polycarbonate or other), or a transparent organic adhesive.
  • a transparent and electrically conductive layer serving as a front electrode 15).
  • a protective layer (17) for example a transparent polymer.
  • the polarizing photovoltaic surface (PP) as shown is simply positioned on the LCD screen (11A) or glued to it with a transparent adhesive (23).
  • the polarizing photovoltaic surface is directly integrated in the LCD screen.
  • the preceding device will then typically comprise an LCD display screen (11B) composed of a backlight (5), a first polarizing filter (4), a pixel array with variable polarization plane (6), and a second polarizing filter (PP) which is a polarizing photovoltaic surface comprising photovoltaic strips (1), so that said LCD screen (11B) will produce electricity thanks to its external surface (PP) which will be illuminated by ambient light (9) while producing a polarized image (8) which will be slightly obstructed by said photovoltaic strips (1).
  • This integration of the polarizing photovoltaic surface (PP) as a second polarizer of the LCD screen (11B) reduces the thickness of the screen (11B) and its manufacturing cost.
  • an LCD screen (11B) according to this embodiment of the invention then consists of a stack of eleven components, as follows: - a backlighting (5)
  • a network of metal strips (13) serving as rear electrode for example: Al, MO, W, Ag, Cu AuV, said strips (13) being parallel to one another.
  • a protective layer (17) for example a transparent polymer.
  • conductive metal surface (13) and / or one or more other functional surfaces (24) preferably positioned on the face of the photovoltaic strips (1) which faces the polarized light.
  • This structure makes it possible to position two functional layers (13, 24) under the photovoltaic strips. It may be noted that other functional layers could be added in a similar manner depending on the functionalities that one wants to integrate into the device.
  • the functional polarizing photovoltaic surface then consists of at least six components:
  • a network of functional bands (24). Said strips at least partially covering the photovoltaic strips (1).
  • a network of metal strips (13) serving as a back electrode to photovoltaics, such as for example: aluminum, tungsten, molybdenum, silver, copper, gold, tin, zinc, said materials being able to be stacked and / or partially oxidized.
  • Said strips (13) at least partially covering the photovoltaic strips (1).
  • a network of photovoltaic strips (1) deposited in a thin layer on the metal strips (13) and / or on the functional strips (24).
  • amorphous silicone CIGS, polymers.
  • a non-conductive transparent material (16) deposited in the spaces created between the stack of previous strips (13, 1, 24). This material may be, for example, silicon dioxide, silicon oxide, silicon oxynitride, transparent thermosetting polymer (polycarbonate or other), or a transparent organic adhesive.
  • a transparent and electrically conductive layer serving as a front electrode (15) for the photovoltaic (1) serving as a front electrode (15) for the photovoltaic (1).
  • a transparent and electrically conductive layer serving as a front electrode (15) for the photovoltaic (1).
  • a protective layer (17) such as a transparent polymer.
  • FIG. 10 is another schematic example of a particular configuration, seen from below, of a functional polarizing photovoltaic surface (PPF) comprising parallel photovoltaic strips (not visible from below) partially covered with metal strips (13) and another conductor (24), separated from the metal strips (13) by an insulator (not shown), the conductor (24) having a spiral shape allows a transmitting and receiving antenna function
  • PPF functional polarizing photovoltaic surface
  • this structure PPF
  • the electrical conductors (13,24) can have the back electrode function for the photovoltaic cells (1) and the radio antenna function.
  • the management of the electrical energy produced by the photovoltaic and consumed by the antenna as well as the management of the electrical signals produced and received by the antenna is done in an independent electronic circuit, known per se, connected to the said surface (PPF ) and not shown in this figure.
  • a device according to the invention consists of a square glass plate (2) of 0.5 mm thick and 5 cm sides is covered with a network of aluminum strips (13) 150 nm wide (Lj), spaced by the same value (Dx) and a thickness of 100 nm (Ep); these conductive strips (13) electrically will serve as electronic collectors for photovoltaics. These strips (13) are coated with amorphous silicon (1) of the same width (Lj) as the aluminum strips (13). The gaps (16) between this superposition of strips (1,13) are filled with silicon dioxide which is nonconductive and transparent. The whole is covered with a thin layer (15) of ⁇ which is a conductive and transparent component.
  • this device (PP) polarises the ambient light (9) which passes through it with an absorption rate of 50% which corresponds to the ratio between the total area of the opaque strips (nx Lj) on the total surface of the device ( nx (Dx + Lj)). But when this device (PP) is placed in front of a mobile phone LCD screen and the photovoltaic strips (1) are parallel to the plane of polarization of the light (7) emitted by said screen (11A), then the transparency of the device ( PP) for this light (7) is 83%.
  • the invention responds well to the goals set by allowing to position a large density of photovoltaic surface (PP) normally opaque in front of an image while allowing said photovoltaic surface (PP) to be very transparent to an observer (12) who would visualize this image through this so-called photovoltaic surface (PP).
  • PP photovoltaic surface

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Abstract

Dispositif photovoltaïque (PP) comportant en alternance d'une part des zones de transparence prévues pour laisser passer un rayonnement lumineux incident dirigé vers le dispositif, et d'autre part des zones photovoltaïques (1) prévues pour produire de l'électricité sous l'effet dudit rayonnement lumineux, comportant en outre des moyens de polarisation aptes à polariser de façon rectiligne ledit rayonnement lumineux pour au moins une partie de ses longueurs d'ondes.

Description

SURFACE PHOTOVOLTAÏQUE POLARISANTE
La présente invention se rapporte à la conception d'une surface photovoltaïque polarisante qui soit très transparente à une lumière polarisée, par exemple la lumière polarisée qui est émise par une image électronique de type LCD. La nouvelle conception doit être telle que cette surface photovoltaïque polarisante puisse être placée devant cette image électronique sans perturber la qualité visuelle et la luminosité de celle-ci, tout en produisant un courant électrique en rapport avec la lumière que ladite surface photovoltaïque reçoit de son environnement.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Les surfaces photovoltaïques servent à produire de l'électricité à partir de la lumière ambiante ce qui permet d'alimenter en énergie, au moins partiellement, certains appareils utilisés dans notre quotidien. Afin d'améliorer l'intégration visuelle de ces surfaces photovoltaïques dans notre environnement, il est souhaitable de rendre ces surfaces photovoltaïques les plus transparentes possibles afin de ne pas diminuer la luminosité des images sur lesquelles ces surfaces sont apposées.
D'une manière plus spécifique, lorsque ces images sont des images électroniques ou des images rétro éclairées de petites surfaces et de hautes définitions. et qui pour certaines émettent une lumière polarisée; comme "c'est le cas par exemple pour les écrans d'affichage de type LCD (acronyme pour « Liquid Cristal Display » en terminologie anglo-saxonne), il est nécessaire que la surface photovoltaïque soit à la fois très transparente et très performante en terme de production d'électricité, ce qui est à priori contradictoire selon l'état actuel de la technique.
Ce dilemme repose sur le fait que la production d'électricité d'un dispositif photovoltaïque est proportionnelle à la surface de sa couche photovoltaïque, qui est opaque, alors que la transparence du dispositif à la lumière est inversement proportionnelle à cette surface opaque, ou encore proportionnelle à la surface transparente c'est-à-dire dépourvue de couche photovoltaïque.
Il en découle que dans la plupart des dispositifs photovoltaïques connus, un compromis est réalisé en fonction des applications visées : si on veut plus de 5 transparence, on diminue linéairement le taux de couverture du dispositif par le matériau photovoltaïque, et si on veut plus de production électrique, on augmente a due proportion le taux de couverture en matériau photovoltaïque et on diminue d'autant la transparence du dispositif.
Un exemple d'application de ce genre de raisonnement est constitué par le
10 dispositif décrit dans le document US 2007/0102035 Al. Dans ce dispositif, on a positionné des bandes photovoltaïques uniquement entre les pixels de l'image, de manière à ce que ces bandes ne fassent pas obstacle à la lumière émise par les pixels. Dans ce dispositif la surface photovoltaïque reste par conséquent limitée à la surface des inter pixels, ce qui correspond donc à une production infime d'électricité
15 d'origine photovoltaïque, proportionnelle au faible pourcentage de couverture de la surface totale de l'écran par le matériau photovoltaïque.
Des dispositifs connus plus évolués ont ensuite cherché à s'affranchir d'une correspondance linéaire entre d'une part la transparence ou la production électrique, et d'autre part le taux de couverture en matériau photovoltaïque, avec pour objectif
20 d'augmenter la transparence des surfaces photovoltaïques à la lumière émise par les écrans électroniques, tout en conservant une importante surface de capture de la - - - lumière ambiante. C'est le cas notamment d'un dispositif "décrit dans le document FR 11/00506 Al, qui utilise un réseau de lentilles convergentes disposées entre les pixels de l'image et des orifices pratiqués dans la surface photovoltaïque afin de faire
25 converger la lumière émise par les pixels au travers desdits orifices. Ce dispositif permet, grâce à son réseau optique, de maximiser la surface photovoltaïque productrice d'électricité, et donc de minimiser la surface des zones de transparence, tout en faisant converger vers un observateur davantage de luminosité de l'image que celle qui serait due à la surface des zones de transparence en l'absence du
30 réseau optique. Ce dispositif est très efficace mais son réseau de lentilles microscopiques centrées sur les pixels entraine un surcoût et des difficultés de réalisation.
D'autres procédés connus tentent de rendre la matière photovoltaïque elle- même transparente, par exemple en utilisant des couches minces de silicium de très faible épaisseur ou bien en utilisant une matière photovoltaïque qui ne capture que les longueurs d'ondes invisibles, comme les infrarouges ou les ultra-violets. Mais le pourcentage de transparence et les performances énergétiques de ces dispositifs restent très médiocres. BUT DE L'INVENTION
L'invention a pour but principal de remédier aux inconvénients précités, c'est- à-dire cherche à pouvoir disposer devant une image, notamment une image électronique, une densité de surface photovoltaïque importante, tout en permettant à cette surface photovoltaïque de rester très transparente pour la lumière émise par l'image, bien que le matériau photovoltaïque soit en lui-même opaque.
L'invention a également pour but de proposer une structure de base composée d'une surface polarisante photovoltaïque atteignant un compromis optimal entre sa transparence à la lumière et sa production d'électricité, bien meilleur que les compromis linéaires évoqués plus haut.
L'invention a également pour but de proposer une pluralité de dispositifs photovoltaïques intégrant ladite structure de base et répondant à des applications fonctionnelles variées permettant d'accroître le champ d'application des dispositifs photovoltaïques.
RESUME DE L'INVENTION
Dans son principe de base, l'invention consiste à positionner et dimensionner d'une manière spécifique des zones ou bandes photovoltaïques sur un simple support transparent, non polarisant en lui-même, de manière à ce que ce support reste très transparent à la lumière polarisée émise par une image quelconque, y compris une image électronique.
On parle de « transparence » dans le cadre de la perception visuelle de l'œil humain.
On définit ici le terme « image électronique » par toute image composée de pixels qui émettent une lumière générée par un procédé électronique. Ce qui est le cas par exemple des images LCD, LED, OLED, PLASMA, LASER. Mais l'intérêt de l'invention s'étend aussi à d'autres types d'images, même des images rétro éclairées.
On définit ici le terme «photovoltaïque» par la propriété qu'ont certains matériaux, ou association de matériaux, de transformer une partie de l'énergie lumineuse reçue en énergie électrique, ce qui est le cas par exemple pour le silicium cristallin, amorphe, ou organique. Ces matériaux photovoltaïques sont par ailleurs reliés entre eux, et reliés à des composants extérieurs, par des connexions électriques afin d'acheminer le courant électrique généré vers des circuits de collecte et/ou de consommation, tel que bien connu de l'homme de métier et non décrit ici.
Dans son mode de réalisation le plus général, l'invention a pour objet un dispositif photovoltaïque comportant en alternance d'une part des zones de transparence prévues pour laisser passer un rayonnement lumineux incident dirigé vers le dispositif, et d'autre part des zones photovoltaïques prévues pour produire de l'électricité sous l'effet dudit rayonnement lumineux, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de polarisation aptes à polariser de façon rectiligne ledit rayonnement lumineux -pour au- moins une partie de ses longueurs d'ondes. Cette structure permet, comme cela sera expliqué plus loin, d'obtenir un taux de transparence du dispositif photovoltaïque bien supérieur à celui prévisible par la simple surface relative des zones de transparence et des zones photovoltaïques.
Selon un premier mode de réalisation, les moyens de polarisation peuvent être placés au-dessus des zones photovoltaïques du point de vue de la lumière incidente, à condition toutefois que le mode de réalisation des moyens de polarisation, par exemple en polymère transparent, permette aux zones photovoltaïques de recevoir une quantité suffisante de lumière pour l'application visée du dispositif. Selon un autre mode de réalisation particulièrement simple et avantageux, lesdits moyens de polarisation sont constitués directement par les zones photovoltaïques, qui sont agencées spécialement pour produire un effet de polarisation rectiligne de tout ou partie du rayonnement lumineux traversant les zones de transparence.
En principe les zones de transparence et les zones photovoltaïques pourraient être dans un même plan, mais dans un mode de réalisation bien plus simple à fabriquer, les zones de transparence sont aménagées dans une plaque transparente, et les zones photovoltaïques sont aménagées sous la forme d'un réseau photovoltaïque disposé sur une des faces de ladite plaque transparente.
Pour un fonctionnement optimal, le dispositif photovoltaïque polarisant est caractérisé en ce que lesdites zones photovoltaïques sont agencées sous la forme d'un réseau de fines bandes photovoltaïques, et en ce que les zones de transparence sont constituées par des bandes de transparence intercalées entre et délimitées par lesdites bandes photovoltaïques.
Le dispositif permet, en fonction de la taille des bandes photovoltaïques, d'interagir avec telle ou telle bande de longueurs d'ondes.
Ainsi, lorsque les largeurs des bandes photovoltaïques et les largeurs des bandes de transparence ont des valeurs inférieures à environ 1,33 microns, alors ledit réseau photovoltaïque provoque une polarisation rectiligne de la lumière infrarouge qui le traverse.
_ - De façon similaire, pour "provoquer une polarisation rectiligne de la lumière visible qui le traverse, le dispositif selon l'invention est tel que les largeurs des bandes photovoltaïques et les largeurs des bandes de transparence ont des valeurs inférieures à environ 233 nanomètres.
De préférence, lesdites bandes photovoltaïques sont parallèles entre elles, de manière à générer un plan de polarisation unique pour chaque angle d'incidence du rayonnement lumineux incident.
De préférence, les bandes photovoltaïques sont continues, mais on peut imaginer un mode de réalisation dans lequel lesdites bandes photovoltaïques sont discontinues, et il peut éventuellement y avoir d'autres bandes photovoltaïques orientées selon une autre direction, aux endroits de discontinuité.
On va maintenant décrire un mode de réalisation préféré de l'invention.
Dans son principe, ce mode de réalisation préféré prévoit qu'une surface transparente (du point de vue de l'œil humain) est recouverte de bandes photovoltaïques parallèles dont la largeur vaut Lj, l'épaisseur Ep et la distance qui sépare deux bandes photovoltaïques consécutives, est notée Dx.
Selon un aspect fondamental de l'invention, ces trois dimensions sont choisies de sorte que le réseau optique photovoltaïque ainsi créé ait la propriété de polariser la lumière de manière rectiligne dans un plan (qu'on appelle le plan de polarisation) qui est parallèle aux bandes photovoltaïques, et à chaque valeur de l'angle d'incidence de la lumière sur le réseau photovoltaïque correspondra un plan de polarisation de ladite lumière.
Une autre propriété fondamentale, qui découle des propriétés dimensionnelles du réseau de bandes de ce réseau optique photovoltaïque, est d'être très transparent à une lumière polarisée dont le plan de polarisation est parallèle aux bandes photovoltaïques. Ainsi la lumière émise par une image électronique polarisée traversera facilement le réseau optique photovoltaïque polarisant lorsque celui-ci sera disposé de manière à ce que son plan de polarisation soit parallèle au plan de polarisation de la lumière émise par l'image.
D'une manière plus précise, les dimensions des bandes photovoltaïques sont de -préférence choisies pour que la propriété dé polarisation " soit efficace pour la lumière visible, c'est-à-dire pour des longueurs d'ondes comprises entre 400 et 700 nm. On peut montrer, notamment de manière expérimentale, que la distance Dx entre les bandes photovoltaïques adjacentes doit être inférieure à lambda / 3 où lambda représente la longueur d'onde à polariser. La distance Dx sera donc dans le cas précité inférieure à 233 nm.
Alternativement, les dimensions des bandes photovoltaïques peuvent aussi être choisies pour que la propriété de polarisation soit efficace pour la lumière infrarouge, c'est-à-dire pour des longueurs d'ondes supérieures à 700 nm et pouvant aller de préférence jusqu'à 4 microns. On peut montrer là aussi que la distance Dx entre les bandes photovoltaïques doit être inférieure à lambda / 3 où lambda représente la longueur d'onde à polariser. La distance Dx sera donc dans ce cas inférieure à 1,33 microns.
D'autre part quand la distance Dx entre bandes photovoltaïques voisines est inférieure aux longueurs d'ondes du spectre visible, le phénomène de diffraction au travers des orifices inter bandes n'aura pas lieu, ce qui permet d'éviter une détérioration de la qualité de l'image lorsque celle-ci est observée au travers de la surface photovoltaïque polarisante.
De façon plus générale, ce raisonnement s'applique aux autres longueurs d'onde ou plages de longueur d'onde du spectre.
La transparence de ladite surface photovoltaïque polarisante selon l'invention est différente pour une lumière polarisée ou pour une lumière non polarisée ou naturelle. Pour une lumière non polarisée ou naturelle, la transparence, notée TRN, est sensiblement égale au ratio R entre la surface des bandes photovoltaïques SV et la surface totale ST. C'est une fonction presque linéaire de type TRN = SV / ST = R. Ainsi, une transparence de 50% sera obtenue si la largeur des bandes photovoltaïques est égale à la distance Dx entre elles, c'est-à-dire pour un ratio R de 0,5.
Au contraire, pour une lumière polarisée, la transparence TRP n'est pas linéaire mais est une fonction progressivement décroissante. On observe de façon expérimentale que cette fonction progressivement décroissante est approximativement de type TRP = (1 - R2)1 2. Ainsi pour un ratio R de 0,5 la transparence sera de l'ordre de 0,8. On observe bien alors, de façon surprenante, que pour une même surface de couverture photovoltaïque, c'est-à-dire pour un même ratio SV/ST, la transparence de la surface photovoltaïque polarisante selon l'invention est plus importante pour une lumière polarisée que pour une lumière non polarisée. Lorsque la surface photovoltaïque polarisante (PP) selon l'invention est placée devant une image électronique polarisée, alors ladite surface photovoltaïque polarisante (PP) possède pour cette image une transparence qui est bien supérieure à la transparence de cette surface photovoltaïque pour la lumière ambiante, qui est non polarisée. Cette caractéristique est due au fait que les bandes photovoltaïques sont séparées par une distance Dx qui est inférieure à la longueur d'onde de la lumière qui les traverse.
Dans un mode particulier de réalisation de la surface photovoltaïque selon l'invention, les bandes photovoltaïques sont recouvertes d'un bon conducteur électrique, comme de l'aluminium, du cuivre, de l'or ou de l'argent, afin d'augmenter la transparence de ladite surface photovoltaïque polarisante. En effet cette propriété est connue sous le nom de transparence plasmonique par ondes de surface. Dans ce cas les bandes métalliques sont positionnées du côté de l'image afin qu'elles ne fassent pas obstruction à la lumière ambiante qui éclairera les bandes photovoltaïques.
La structure de base de la surface photovoltaïque polarisante telle que décrite peut être avantageusement intégrée à une pluralité de dispositifs photovoltaïques correspondant à des applications multiples, afin d'augmenter la transparence et la production d'énergie électrique de ces dispositifs. Quelques exemples de tels dispositifs sont donnés dans ce qui suit, sans être exhaustifs ou limitatifs de la portée de l'invention.
Ainsi, la surface photovoltaïque polarisante selon l'invention, suivant un mode particulier de réalisation, est intégrée dans la partie optique d'une paire de lunettes de protection solaire et/ou de correction de la vue, afin de réduire l'intensité lumineuse qui atteint les yeux, d'augmenter le contraste de la vision grâce à l'effet polarisant de l'invention, et de produire une énergie électrique. Cette énergie électrique, par des connexions électriques connues de l'homme de métier, pourra servir à produire des effets électroniques, optiques, auditifs ou mécaniques qui seront proche de l'utilisateur, voire à proximité de ses yeux ou de ses oreilles.
Lorsqu'un dispositif (Figures 5 et 6) comporte un écran LCD et une surface photovoltaïque polarisante (PP), celle-ci reçoit sur une de ses faces de la lumière ambiante non polarisée (9) et sur l'autre de ses faces la lumière polarisée (7) d'une image issue de l'écran d'affichage LCD (11A). Dans ce cas, grâce aux propriétés de la surface polarisante telles que mises en évidence plus haut, un observateur (12) percevra au moins 80% de la lumière (7) émise par cet écran (11A), malgré le fait que la surface photovoltaïque polarisante (PP) capturera au moins 50% de la lumière ambiante (9). La lumière (7) de l'image produite par l'écran LCD (11A) est polarisée d'une manière rectiligne comme vu précédemment, car le dispositif d'affichage LCD (11A) utilise deux filtres polarisants (3 et 4) dont les axes de polarisation sont orthogonaux et dont l'espace (6) entre les deux filtres (3,4) est un composant à plan de polarisation variable, de sorte qu'une lumière de rétro éclairage (5) non polarisée qui traverse ces trois composants ressort (7) avec une luminosité elle-même variable.
Une variante avantageuse (Figures 7 et 8) du dispositif précédent comprend un écran d'affichage LCD (11B) dont le deuxième filtre polarisant est une surface photovoltaïque polarisante (PP) directement intégrée à l'écran, ce qui permet de réduire l'épaisseur de l'écran (UB) et son coût de fabrication.
Enfin, suivant différents autres modes de réalisations, les bandes photovoltaïques, ou bien seulement une partie des bandes photovoltaïques, sont recouvertes d'une ou de plusieurs autres surfaces fonctionnelles, sensiblement de même largeur que lesdites bandes photovoltaïques ou pouvant être inférieure à celle-ci, et positionnées du côté opposé à la lumière ambiante, ce qui ne provoquera pas d'obstruction à la capture de ladite lumière ambiante par les bandes photovoltaïques.
Selon différentes variantes de réalisation de dispositifs selon l'invention intégrant une surface photovoltaïque polarisante, les surfaces fonctionnelles additionnelles peuvent utilement être choisies parmi les suivantes :
- Une surface fonctionnelle composée d'éléments photovoltaïques supplémentaires,- ayant une - fonction de ~ production " "d'électricité qui sera complémentaire aux bandes photovoltaïques (1) positionnées sur la face avant du dispositif. Dans ce cas il est possible de récupérer également un supplément d'énergie électrique provenant de la conversion photovoltaïque de la lumière émise par l'écran. Une électrode commune pourra servir au fonctionnement des deux surfaces photovoltaïques (1,24).
- Une surface fonctionnelle composée d'éléments thermoélectriques ayant une fonction de production d'électricité à partir d'une différence de température entre deux composants. - Une surface fonctionnelle de détection tactile comportant des conducteurs électriques, éventuellement métalliques, aptes à former un réseau maillé de détection de positionnement d'un doigt ou d'un stylet sur un écran tactile, notamment sur un écran à lumière polarisée comme un écran LCD. Afin de rendre opérationnel ce réseau à la fois photovoltaïque et tactile, l'homme du métier saura positionner les électrodes supérieures (20), par exemple par un réseau de fils conducteurs transparents en ΓΤΟ (Indium Tin Oxide) positionnés perpendiculairement au réseau des bandes photovolta'iques. Dans ce mode particulier de réalisation qui se compose donc à la fois d'une surface photovoltaïque polarisante (1) et d'une surface de détection tactile, ces deux composants sont intégrés dans un écran, de préférence de type LCD (11), de manière à remplacer la surface polarisante supérieure (3) qui compose ce type d'écran, ce qui permet alors de réduire encore davantage l'épaisseur et les coûts de fabrication dudit écran, tout en bénéficiant des avantages en matière de transparence et de production d'électricité obtenus grâce à la surface photovoltaïque polarisante.
Une surface fonctionnelle comportant des conducteurs métalliques aptes à former une antenne d'émission et/ou de réception d'ondes radio. La forme et les dimensions desdits conducteurs sont alors telles qu'ils réagissent à certaines fréquences d'ondes électromagnétiques comme une antenne de réception et/ou d'émission. Ces conducteurs sont reliés à une puce électronique qui a pour fonction la gestion de l'information reçue ou émise par l'antenne. C'est alors une méthode de radio identification (désignée par le sigle FID, en anglais « Radio Frequency Identification") qui permet de mémoriser et de récupérer des données à distance en utilisant donc la surface photovoltaïque polarisante intégrée dans l'écran d'un téléphone mobile, l'image d'un passeport, d'une carte de transport, ou d'une carte de paiement, grâce à cette antenne qui reçoit et répond aux requêtes radio émises depuis un autre émetteur-récepteur. La puce électronique reliée à l'antenne contient alors un identifiant et éventuellement des données complémentaires qui permettent d'identifier la personne ou l'objet en question. L'antenne et la puce électronique sont soit alimentées par une batterie, ou une pile photovoltaïque, soit autoalimentées par l'énergie des ondes radio reçues. Une autre application de cette antenne intégrée dans un écran de communication comme celui d'un téléphone mobile, est de produire des ondes électromagnétiques dont la fréquence est identique à celle du cerveau humain lorsqu'il est dans un état de repos, de relaxation ou de sommeil, soit environ 13 Hz. La réception par le cerveau humain d'une onde hertzienne de cette fréquence émise par l'antenne du téléphone mobile, va alors induire chez le receveur un état propice au repos, à la relaxation et au sommeil. La possibilité d'émettre ces ondes de relaxation au cours d'une communication téléphonique alors que le téléphone est au plus prêt du cerveau, va permettre de réduire le stress électromagnétique haute fréquence supporté par les cellules du cerveau. Cette application est donc de nature à réduire les effets indésirables sur le cerveau des ondes électromagnétiques émises par la communication téléphonique.
- Une surface fonctionnelle comportant des capteurs de température composés de deux conducteurs électriques plats de formules chimiques différentes et formant au moins deux jonctions entre eux. Ces deux jonctions forment un thermocouple et par effet Seebeck une différence de température entre ces deux jonctions génère une différence de potentiel dont la valeur dépend de cette différence de température On connaît par exemple des thermocouples de type E composé de Chromel (alliage nickel + chrome (10%)) et de Constantan (alliage nickel+cuivre (45%)), et de type K composé de Chromel (alliage nickel + chrome) et d' Alumel (alliage nickel + aluminium (5%) + silicium). Il peut être utile de connaître la température d'un dispositif d'affichage lorsque celui-ci doit être exposé au soleil ou dans un environnement inhabituel, afin de le préserver de la dégradation, ou encore cette fonction de mesure de température intégrée à un écran peut être utilisée en domotique, dans des automatismes d'asservissement ou de régulation, dans des appareils scientifiques.
- Une surface fonctionnelle de stockage d'électricité : dans ce cas de figure, l'électricité produite par la fonction photovoltaïque intégrée au dispositif suivant l'invention, est stockée dans des bandes électroniques qui ont la fonction de batterie ou de piles rechargeables. La surface fonctionnelle est composée par exemple d'au moins trois couches minces empilées ayant respectivement la fonction de cathode, d'anode et d'électrolyte solide. Cet électrolyte solide est par exemple composé de lithium.
- Une surface fonctionnelle de détection ou d'analyse de vibrations sonores, donc de microphone : la surface fonctionnelle est alors composée d'un film piézoélectrique c'est-à-dire qui développe une tension électrique entre ses deux faces lorsqu'il est compressé, comme par exemple le PZT (Titano-Zirconate de Plomb). Les variations de pression de la couche mince, donc les signaux électriques de sortie, sont produites par les vibrations sonores reçues à la surface du dispositif photovoltaïque polarisant. Le traitement des signaux reçus permet alors la reconnaissance d'une voix et/ou de son enregistrement, et d'une manière plus générale permet la capture de toutes les vibrations sonores qui sont présentes dans l'environnement du dispositif.
Une surface fonctionnelle comprenant des bandes de semi-conducteurs ayant pour fonction la détection de rayonnements ionisants : un rayonnement ionisant est par exemple celui qui est émis par des particules radioactives. Les bandes de semi-conducteur sont ici des semi-conducteurs comme le silicium avec adjonction de lithium, ou le tellurure de cadmium CdTe et le CdZnTe, matériaux II- VI, qui peuvent être utilisés comme détecteur à température ambiante. La structure de base du détecteur à semi-conducteur est une jonction inversement polarisée. On peut également utiliser des structures possédant une zone non dopée insérée entre deux contacts pouvant être des zones semi-conductrices dopée (structure en diode p-i-n) ou simplement des contacts métalliques (structure métal - semi-conducteur - métal, (jonction Schottky). En règle générale, on polarise les jonctions en inverse de manière à minimiser le courant d'obscurité et donc à optimiser le rapport signal sur bruit. Un champ électrique est appliqué au détecteur de rayonnement à l'aide d'électrodes : anodes polarisées positivement et cathodes polarisées négativement. Sous l'effet de ce champ les électrons et trous sont séparés et drainés vers (respectivement) les anodes et les cathodes. Les porteurs peuvent être ensuite soit recombinés soit collectés par les électrodes. La séparation des porteurs forme alors un dipôle électrostatique qui est à son tour à l'origine d'un champ électrique inverse. Au niveau des électrodes ce champ a un effet électrique. On observe alors aux bornes du détecteur un signal de tension, courant ou charge selon les caractéristiques du circuit extérieur utilisé. L'intégration d'un détecteur de radioactivité dans un dispositif photovoltaïque polarisant selon l'invention sera par exemple utile aux techniciens de maintenance qui opèrent dans des zones à risque (industrie nucléaire, radiothérapie et imagerie médicale).
- Une surface fonctionnelle comportant un capteur inductif à courants de Foucault ayant la fonction de détection d'objets métalliques : les capteurs inductifs produisent un champ magnétique oscillant. Lorsqu'un objet métallique pénètre dans ce champ, il y a perturbation de ce champ puis atténuation du champ oscillant. Le champ magnétique émis à partir de la surface active du capteur est créé par un circuit de fils plats, de type bobine, alimenté par une source de tension sinusoïdale dont la fréquence est limitée à quelques dizaines de kilohertz afin que soient réduites les pertes magnétiques par courant de Foucault ainsi que l'influence des capacités parasites. Si un objet métallique (cible) s'approche de la surface active, des courants de Foucault sont générés. D'après la loi de Lenz, ces courants s'opposent à la cause qui leur a donné naissance. Les pertes qui en résultent causent une baisse d'énergie dans le circuit oscillant et une atténuation des oscillations. Ce capteur à courants de Foucault est sensible à tout objet métallique. Son intégration dans un dispositif photovoltaïque polarisant permettra accessoirement de localiser un passage de fils électriques dans un mur ou de retrouver des clefs ou des pièces de monnaie perdues dans le sable. Tous ces exemples de dispositifs multifonctionnels selon l'invention, et d'autres non énumérés, peuvent se positionner devant un écran d'affichage à lumière polarisée de sorte que ces dispositifs seront très transparents pour les images émises par l'écran tout en ayant une surface de capture de la lumière ambiante, et un taux de conversion photovoltaïque important
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
L'invention est maintenant décrite plus en détails à l'aide de la description des figures 1 à 8 indexées. - Les figures 1 et 2 sont respectivement des schémas en perspective et en coupe qui positionnent les composants essentiels du dispositif selon l'invention.
- Les figures 3 et 4 illustrent la différence de transparence du dispositif (PP) lorsque celui-ci est éclairé par une lumière naturelle ou bien par une lumière polarisée.
- Les figures 5 et 6 représentent respectivement en perspective éclatée et en coupe, la surface photovoltaïque polarisante lorsque celle-ci est positionnée devant un écran LCD.
- Les figures 7 et 8 représentent respectivement en perspective éclatée et en coupe la surface photovoltaïque polarisante (PP) lorsque celle-ci est directement intégrée dans un écran LCD photovoltaïque (11B), c'est-à-dire lorsque ladite surface (PP) remplace le second filtre polarisant (3) d'un l'écran LCD standard (11A).
- Les figures 9 et 10 sont respectivement des schémas en coupe transversale et en vue en plan de la surface photovoltaïque (PP) selon l'invention lorsque celle-ci est réalisée dans un mode particulier où les bandes photovolta'iques sont recouvertes de surfaces fonctionnelles diverses.
On se réfère au mode de réalisation des figures 1 et 2. La surface photovoltaïque polarisante (PP) selon l'invention est constituée d'une surface transparente (2) sur laquelle sont positionnées des bandes photovolta'iques (1) qui ont la propriété de transformer la lumière reçue en électricité. On n'a pas représenté en figure 2 le mode de réalisation dans lequel les bandes photovolta'iques seraient surmontées d'une autre surface, par exemple en polymère, pour réaliser la fonction de polariseur. Au contraire, on a représenté le mode de réalisation préféré qui est celui où ce sont les bandes photovolta'iques elles-mêmes qui jouent également le rôle de polariseur. Une des deux faces de ces bandes (1) est active et tournée vers la lumière ambiante. Ces bandes photovolta'iques (1) sont parallèles les unes aux autres, ont une largeur Lj, une épaisseur Ep et sont distantes les unes des autres d'une distance Dx.
Dx est inférieure à 1,33 microns lorsqu'on souhaite obtenir un phénomène de polarisation pour des longueurs d'ondes inférieures à 4 microns, c'est-à-dire pour de la lumière visible et proche infrarouge. Dx est inférieure à 233 nm lorsqu'on souhaite obtenir un phénomène de polarisation pour des longueurs d'ondes inférieures à 700 nm, c'est-à-dire pour de la lumière principalement visible.
L'épaisseur Ep des bandes photovoltaïques (1) est de préférence inférieure à sa largeur Lj. La transparence (T) de la surface photovoltaïque polarisante (PP) dépend d'une part du rapport (R) entre la surface totale des bandes de transparence et la surface totale du dispositif (PP), ce qu'on peut chiffrer par le ratio Dx/(Dx+Lj), et d'autre part, et de façon plus surprenante, de la nature de la lumière incidente qui peut être non polarisée (9) ou polarisée (7) (figure 3).
Dans le cas d'une lumière naturelle incidente (9) frappant la surface photovoltaïque polarisante sur sa face supérieure, cette lumière naturelle non polarisée ressort sur la face inférieure sous forme de lumière polarisée de façon rectiligne dans un plan parallèle aux bandes photovoltaïques. Dans ce cas le taux de transparence de la surface est linéaire et correspond au ratio R entre la surface des bandes photovoltaïques SV et la surface totale ST.
Dans le cas où la lumière incidente (7) sur la face inférieure de la surface photovoltaïque (PP) est déjà une lumière polarisée, comme par exemple la lumière émise par un écran LCD, cette lumière polarisée (7) traverse la surface polarisante avec, de façon surprenante, un taux de transparence TRV supérieur à celui obtenu avec une lumière incidente non polarisée, ce qui permet de voir l'image émise par l'écran LCD avec une meilleure qualité, pour un ratio R donné, ou encore d'augmenter le ratio R vers davantage de surface photovoltaïque, pour une qualité d'image donnée.
On observe alors que la courbe de transparence (Figure 4) du dispositif (PP) en fonction du ratio (R) est proche d'une droite (TRP) pour une lumière incidente non polarisée (9), et elle est en forme de courbe progressivement décroissante (TRV) pour une lumière polarisée (7) dont le plan de polarisation est parallèle aux bandes photovoltaïques (1).
Dans tous les cas la lumière incidente (7,9) qui traverse la surface photovoltaïque polarisante (PP) ressort polarisée (8,10), mais la transparence (T) du dispositif (PP) est toujours supérieure dans le cas d'une lumière incidente (7) polarisée, et cela quel que soit le ratio (R) entre la surface qui est transparente (c'est-à-dire la somme des surfaces des zones de transparence de largeur Dx) et la surface totale (c'est-à-dire la somme des surfaces des zones de transparence de largeur Dx, et des surfaces des bandes photovoltaïques de largeur Lj) du dispositif (PP).
Par exemple (Figure 4) pour un ratio (R) de 0,5, c'est-à-dire pour Dx = Lj, pour une lumière incidente non polarisée (9) la transparence vaut 0,5 alors que pour une lumière incidente polarisée (7) la transparence vaut 0,8.
Inversement, pour une lumière incidente non polarisée (9) l'absorption photovoltaïque (1-T) du dispositif (PP) sera toujours supérieure à l'absorption (1-T) du dispositif (PP) pour une lumière incidente polarisée (7).
Il en résulte de façon très intéressante d'un point de vue applicatif, que lorsque (Figure 5) le dispositif ou la surface (PP) reçoit sur une de ses faces de la lumière ambiante non polarisée (9) et sur l'autre de ses faces la lumière polarisée (7) d'une image issue d'un écran d'affichage LCD (11A), alors un observateur (12) percevra au moins 80% de la lumière (7) émise par cet écran (11A) (au lieu de 50 % seulement dans le cas d'une lumière incidente non polarisée), alors que la surface photovoltaïque polarisante (PP) capturera au moins 50% de la lumière ambiante (9).
La lumière (7) de l'image produite par l'écran LCD (11A) est polarisée d'une manière rectiligne car le dispositif d'affichage LCD (11A) utilise deux filtres polarisants (3 et 4) dont les axes de polarisation sont orthogonaux et dont l'espace (6) entre des deux filtres (3,4) est un composant dont le plan de polarisation est variable, de sorte qu'une lumière de rétro éclairage (5) non polarisée qui traverse ces trois composants ressort (7) avec une luminosité elle-même variable.
D'une manière plus précise (Figure 6), un écran LCD (11A) est en général, vu en coupe, un empilement d'au moins huit couches :
un rétro éclairage (5)
un premier filtre polarisant (4)
une première couche de colle transparente (19)
- une première plaque de verre transparente (18)
les pixels cristal colorés (6) une deuxième plaque de verre transparente (20)
une deuxième couche de colle transparente (21)
un deuxième filtre polariseur (3)
La surface photovoltaïque polarisante (PP) selon l'invention est constituée dans l'exemple représenté, de six composants, comme suit :
une plaque de verre transparente (2)
un réseau de bandes métalliques (13) parallèles entre elles et servant d'électrode arrière, comme par exemple : Aluminium, Tungstène, Molybdène, Argent, Cuivre, Or, Etain, Zinc, ces matériaux pouvant être empilés, et/ou partiellement oxydés.
un réseau de bandes photovoltaïques (1) déposées en couche mince sur les bandes métalliques (13), comme par exemple: silicone amorphe, CIGS, polymères.
Un matériau transparent non conducteur (16) déposé dans les espaces créés entre l'empilement des bandes précédentes (13,1). Ce matériau pouvant être par exemple du dioxyde de silicium, de l'oxyde de silicium, de l'oxynitrure de silicium, du polymère thermodurcissable transparent (polycarbonate ou autre),_ou une colle organique transparente.
Une couche transparente et conductrice d'électricité servant d'électrode avant (15). Comme par exemple: oxyde d'Indium dopé à l'étain, oxyde de Zinc, dioxyde d'Etain, oxyde de Zinc dopé à l'Aluminium, etc..
Une couche de protection (17) par exemple un polymère transparent.
Pour sa mise en oeuvre en pratique, la surface photovoltaïque polarisante (PP) telle que représentée est simplement positionnée sur l'écran LCD (11A) ou bien collée sur celui-ci avec une colle transparente (23).
Dans le mode de réalisation de la figure 6, on constate que le nombre total de couches de composants s'élève à 8 + 6 = 14. Selon une variante très intéressante de l'invention (Figure 7), la surface photovoltaïque polarisante est directement intégrée à l'écran LCD. Le dispositif précédent comprendra alors typiquement un écran d'affichage LCD (11B) composé d'un rétro éclairage (5), d'un premier filtre polarisant (4), d'un réseau de pixels à plan de polarisation variable (6), et d'un deuxième filtre polarisant (PP) qui est une surface photovoltaïque polarisante comprenant des bandes photovoltaïques (1), de sorte que ledit écran LCD (11B) produira de l'électricité grâce à sa surface externe (PP) qui sera éclairée par la lumière ambiante (9) tout en produisant une image polarisée (8) qui sera peu obstruée par les dites bandes photovoltaïques (1). Cette intégration de la surface photovoltaïque polarisante (PP) comme deuxième polariseur de l'écran LCD (11B) permet de réduire l'épaisseur de l'écran (11B) et son coût de fabrication.
D'une manière plus précise (Figure 8), un écran LCD (11B) suivant ce mode de réalisation de l'invention est alors constitué d'un empilement de onze composants, comme suit : - un rétro éclairage (5)
un premier filtre polarisant (4)
une première couche de colle transparente (19)
une première plaque de verre transparente (18)
les pixels à cristaux colorés (6)
- une deuxième plaque de verre transparente (2)
un réseau de bandes métalliques (13) servant d'électrode arrière, comme parexemple : Al, MO, W, Ag, Cu AuV Lesdites bandes (13) étant parallèles entre elles. un réseau de bandes photovoltaïques (1) déposées en couche mince sur les bandes métalliques (13), comme par exemple: silicone amorphe, CIGS, polymères. - Un matériau transparent non conducteur (16) déposé dans les espaces créés entre l'empilement des bandes précédentes (13,1). Ce matériau pouvant être par exemple du dioxyde de silicium, de l'oxynitrure de silicium, du polymère thermodurcissable transparent (polycarbonate ou autre), ou une colle organique transparente. Une couche transparente et conductrice d'électricité servant d'électrode avant (15). Comme par exemple: oxyde d'indium dopé à rétain, oxyde de zinc, dioxyde d'étain, oxyde de zinc, oxyde de zinc dopé à l'aluminium, etc..
Une couche de protection (17) par exemple un polymère transparent.
En définitive l'intégration de la surface photovoltaïque polarisante (PP) directement dans un écran LCD (11A) a permis de gagner dans cet exemple 8 + 6 - 11 = 3 composants ce qui réduit d'autant l'épaisseur et le coût de l'écran final (11B). Selon un autre mode de réalisation (Figure 9), les bandes photovoltaïques
(1) sont recouvertes d'une surface métallique conductrice (13) et/ou d'une ou de plusieurs autres surfaces fonctionnelles (24) de préférence positionnées sur la face des bandes photovoltaïques (1) qui est tournée vers la lumière polarisée.
Cette structure permet de positionner deux couches fonctionnelles (13, 24) sous les bandes photovoltaïques. On peut noter que d'autres couches fonctionnelles pourraient être ajoutées de manière similaire en fonction des fonctionnalités qu'on veut intégrer au dispositif.
La surface photovoltaïque polarisante fonctionnelle (PPF) est alors constituée d'au moins six composants :
- une plaque de verre transparente (2)
un réseau de bandes fonctionnelles (24). Lesdites bandes recouvrant au moins partiellement les bandes photovoltaïques (1).
un réseau de bandes métalliques (13) servant d'électrode arrière au photovoltaïque, comme par exemple : Aluminium, tungstène, molybdène, argent, cuivre, or, étain, zinc, lesdits matériaux pouvant être empilés et/ou partiellement oxydés. Lesdites bandes (13) recouvrant au moins partiellement les bandes photovoltaïques (1).
un réseau de bandes photovoltaïques (1) déposées en couche mince sur les bandes métalliques (13) et/ou sur les bandes fonctionnelles (24). Comme par exemple: silicone amorphe, CIGS, polymères. Un matériau transparent non conducteur (16) déposé dans les espaces créés entre l'empilement des bandes précédentes (13,1,24). Ce matériau pouvant être par exemple du dioxyde de silicium, de l'oxyde de silicium, de l'oxynitrure de silicium, du polymère thermodurcissable transparent (polycarbonate ou autre), ou une colle organique transparente.
Une couche transparente et conductrice d'électricité servant d'électrode avant (15) pour le photovoltaique (1). Comme par exemple: oxyde d'indium dopé à l'étain, oxyde de zinc, dioxyde d'étain, oxyde de zinc dopé à l'aluminium, etc ...
Une couche de protection (17) comme par exemple un polymère transparent.
La figure 10 est un autre exemple schématique d'une configuration particulière, vue du dessous, d'une surface photovoltaique polarisante fonctionnelle (PPF) comprenant des bandes photovoltaïques parallèles (non visibles vues du dessous) recouvertes partiellement de bandes métalliques (13) et d'un autre conducteur (24), séparé des bandes métalliques (13) par un isolant (non représenté), le conducteur (24) ayant une la forme en spirale permet une fonction d'antenne émettrice et réceptrice
d'ondes radio. Les dimensions des différents composants de cette structure (PPF), selon l'invention, sont telles que cette structure (PPF) est très transparente à une lumière qui serait polarisée dans un plan parallèle aux bandes photovoltaïques (1). Dans cette configuration les conducteurs électriques (13,24) peuvent avoir la fonction d'électrode arrière pour les cellules photovoltaïques (1) et la fonction d'antenne radio. La gestion de l'énergie électrique produite par le photovoltaique et consommée par l'antenne ainsi que la gestion des signaux électriques produits et reçus par l'antenne se faisant dans un circuit électronique indépendant, connu en soi, connecté à la dite surface (PPF) et non représenté sur cette figure.
On décrit maintenant un exemple concret de réalisation (Figures 5 et 6) : Un dispositif selon l'invention (PP) est constitué d'une plaque de verre carrée (2) de 0,5 mm d'épaisseur et de 5 cm de côtés est recouverte d'un réseau de bandes d'aluminium (13) de 150 nm de largeur (Lj), espacées de la même valeur (Dx) et d'une épaisseur de 100 nm (Ep); ces bandes (13) conductrices électriquement serviront de collecteurs électroniques pour le photovoltaïque. Ces bandes (13) sont recouvertes de silicium amorphe (1) de même largeur (Lj) que les bandes d'aluminium (13). Les intervalles (16) entre cette superposition de bandes (1,13) sont remplis avec du dioxyde de silicium qui est non conducteur et transparent. Le tout est recouvert d'une couche mince (15) de ΓΤΟ qui est un composant conducteur et transparent. Enfin une dernière couche mince (17) de plexiglas est appliquée sur cet empilement (PP) afin de protéger l'ensemble mécaniquement et électriquement. On constate alors que ce dispositif (PP) polarise la lumière ambiante (9) qui le traverse avec un taux d'absorption de 50% qui correspond au ratio entre la surface totale des bandes opaques (n x Lj) sur la surface totale du dispositif (n x (Dx+Lj)). Mais lorsque ce dispositif (PP) est placé devant un écran LCD de téléphone mobile et que les bandes photovoltaïques (1) sont parallèles au plan de polarisation de la lumière (7) émise par ledit écran (11A), alors la transparence du dispositif (PP) pour cette lumière (7) est de 83%. Si les distances (Dx) entre les bandes photovoltaïques (1) avaient été de plus grandes tailles, par exemple de 100 microns, avec le même ratio d'ombrage de 50%, alors la transparence du dispositif (PP) n'aurait été que de 50% au lieu de 83%. Ce qui constitue bien une amélioration très nette de la qualité de l'image pour une même production d'effet photovoltaïque.
AVANTAGES DE L'INVENTION
En définitive l'invention répond bien aux buts fixés en permettant de positionner une densité importante de surface photovoltaïque (PP) normalement opaque devant une image tout en permettant à la dite surface photovoltaïque (PP) d'être très transparente pour un observateur (12) qui visualiserait cette image au travers cette dite surface photovoltaïque (PP).

Claims

REVENDICATIONS 1 - Dispositif photovoltaïque (PP) comportant en alternance d'une part des zones de transparence prévues pour laisser passer un rayonnement lumineux incident dirigé vers le dispositif, et d'autre part des zones photovoltaïques (1) prévues pour produire de l'électricité sous l'effet dudit rayonnement lumineux, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de polarisation aptes à polariser de façon rectiligne ledit rayonnement lumineux pour au moins une partie de ses longueurs d'ondes.
2 - Dispositif photovoltaïque (PP) selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de polarisation sont placés au-dessus des zones photovoltaïques du point de vue de la lumière incidente.
3 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de polarisation sont constitués directement par les zones photovoltaïques (1), agencées spécialement pour produire un effet de polarisation rectiligne de tout ou partie du rayonnement lumineux traversant les zones de transparence.
- - -~ 4- Dispositif selon la- revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les zones de transparence sont aménagées dans une plaque transparente (2), et en ce que les zones photovoltaïques (1) sont aménagées sous la forme d'un réseau photovoltaïque disposé sur une des faces de ladite plaque transparente (2).
5 - Dispositif selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites zones photovoltaïques sont agencées sous la forme d'un réseau de fines bandes photovoltaïques, et en ce que les zones de transparence sont constituées par des bandes de transparence intercalées entre et délimitées par lesdites bandes photovoltaïques. 6 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les largeurs (Lj) des bandes photovoltaïques et les largeurs (Dx) des bandes de transparence ont des valeurs inférieures à environ 1,33 microns afin que ledit réseau photovoltaïque (1) provoque une polarisation rectiligne de la lumière (9) infrarouge qui le traverse.
7 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les largeurs (Lj) des bandes photovoltaïques et les largeurs (Dx) des bandes de transparence ont des valeurs inférieures à environ 233 nanomètres afin que ledit réseau photovoltaïque (1) provoque une polarisation rectiligne de la lumière (9) visible qui le traverse.
8 - Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que lesdites bandes photovoltaïques sont parallèles entre elles, de manière à générer un plan de polarisation unique pour chaque angle d'incidence du rayonnement lumineux incident.
9 - Dispositif selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que lesdites bandes photovoltaïques (1) sont discontinues. 10 - Dispositif photovoltaïque (PP) selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que les zones ou bandes photovoltaïques (1) sont couvertes au moins partiellement par une couche en un matériau métallique (13) positionnée sur la face des zones ou bandes photovoltaïques opposée à celle qui est exposée à la lumière incidente, ce matériau métallique étant de préférence choisi parmi, l'aluminium, l'argent, le cuivre, ou l'or.
11 - Dispositif photovoltaïque (PP) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites zones ou bandes photovoltaïques (1) sont couvertes au moins partiellement par des conducteurs métalliques (13) pour la collecte de l'énergie électrique produite, et comportent en outre sous la face des conducteurs métalliques (13) opposée à celle en contact avec lesdites zones ou bandes photovoltaïques (1), une ou plusieurs surfaces fonctionnelles (24), choisies en fonction des usages visés pour le dispositif photovoltaïque, parmi les surfaces fonctionnelles suivantes:
- une surface fonctionnelle (24) composée d'éléments photovoltaïques supplémentaires ayant pour fonction la conversion en énergie électrique de l'énergie lumineuse reçue d'un écran, cette fonction étant complémentaire à celle desdites bandes photovoltaïques (1), lesdites bandes photovoltaïques (1) et lesdits éléments photovoltaïques (24) ayant ou pas une électrode commune ;
- une surface fonctionnelle (24) composée de fils conducteurs électriques ayant la fonction de détection du positionnement d'un doigt sur ladite surface ;
- une surface fonctionnelle (24) composée de fils conducteurs électriques ayant la fonction d'antenne d'émission et/ou de réception d'ondes radio, la forme par exemple en spirale et les dimensions desdits conducteurs électriques étant telles qu'ils réagissent à certaines fréquences d'ondes électromagnétiques afin de transmettre et/ou recevoir des informations radio, y compris des informations de radio identification, y compris des ondes électromagnétiques dont la fréquence est identique à celle du cerveau humain lorsqu'il est dans un état de repos, de relaxation ou de sommeil, comme par exemple une fréquence de 13 Hz, ledit dispositif photovoltaïque (PPF) incluant ladite surface fonctionnelle (24) étant de préférence intégré à un écran de communication (11B) comme par exemple celui d'un téléphone mobile.
- une surface fonctionnelle (24) composée de deux conducteurs électriques plats de formules chimiques différentes et formant au moins deux jonctions de type thermocouple et/ou de type thermoélectrique capables de fournir une valeur électrique proportionnelle à la température des dits conducteurs, afin d'assurer la fonction de thermomètre et/ou de production d'énergie thermoélectrique ;
- une surface fonctionnelle (24) composée d'au moins trois couches minces empilées ayant respectivement la fonction de cathode, d'anode et d'électrolyte solide, cet électrolyte solide étant de préférence composé de lithium, afin d'assurer la fonction de stockage d'électricité ; - une surface fonctionnelle (24) composée d'un film piézoélectrique, de préférence du PZT (Titano-Zirconate de Plomb) qui fournit des signaux électriques en rapport avec les vibrations sonores reçues à la surface du dispositif photovoltaïque polarisant (PPF), ceci afin d'assurer la fonction de microphone ;
- une surface fonctionnelle (24) composée de bandes de semi-conducteurs qui ont une fonction de détection de rayonnements ionisants, le semi-conducteur étant par exemple du silicium avec adjonction de lithium, ou du tellurure de cadmium CdTe et le CdZnTe, ceci afin de générer à leurs bornes un signal de tension, courant ou charge électrique en présence d'un rayonnement ionisant, y compris un rayonnement radioactif ;
- une surface fonctionnelle (24) composée d'un circuit de fils de type bobine, alimenté par une source de tension sinusoïdale, de manière à détecter la présence d'objets métalliques à partir de la variation du champ magnétique à courants de Foucault qui sont induits par la surface fonctionnelle (24).
12 - Lunettes solaires ou de vison, caractérisé en ce qu'elles comportent sur tout ou partie de leurs verres un dispositif photovoltaïque polarisant selon l'une quelconque des revendications précédentes, de manière à optimiser la vision par leur utilisation tout en générant un courant électrique apte à être utilisé sur les lunettes ou à proximité. 13 - Ecran d'affichage polarisant, notamment écran de type LCD, caractérisé en ce qu'il est associé à un dispositif photovoltaïque (PP) selon l'une quelconque des revendications l à 11, et en ce que le plan de polarisation des images de l'écran est parallèle aux bandes photovoltaïques (1) du dispositif photovoltaïque.
14 - Ecran d'affichage selon la revendication 13, caractérisé en ce que ledit dispositif photovoltaïque (PP) est directement intégré dans l'empilement des couches dudit écran d'affichage polarisant (11B) en lieu et place d'une des couches polarisantes dudit écran.
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