La présente invention concerne un procédé de fabrication et une machine de fabrication d'unités semi-conductrices, notamment de cellules photovoltaïques, ainsi qu'une unité semi-conductrice obtenue par un tel procédé. L'évolution constante et croissante des besoins actuels en énergie se traduit par une volonté et une recherche de ressources nouvelles capables de protéger l'environnement. L'énergie solaire fait partie des réponses privilégiées à ce sujet. Face à la hausse des prix de l'énergie fossile, la technologie solaire se présente comme une alternative industrielle rentable et concurrentielle. C'est donc un objectif des fabricants de cellules photovoltaïque et des panneaux solaires producteurs de courant électrique que de réduire les coûts de production et d'installation de ces dispositifs. Un des éléments constitutifs essentiels d'une cellule photovoltaïque est le silicium, qui est également utilisé pour la fabrication d'autres composants électroniques. Or, le silicium représente près d'un tiers du prix de la cellule photovoltaïque telle que fabriquée actuellement. Ceci s'explique notamment du fait que pour réaliser une cellule photovoltaïque, une épaisseur d'environ 400 à 450 μm de silicium est généralement nécessaire. En effet, dans le processus de fabrication conventionnel, on prend un lingot ou un barreau de silicium, généralement d'une dimension de 30 cm de largeur sur 130 cm de longueur, et on coupe des galettes ou rondelles de silicium au moyen d'un fil dont le diamètre est généralement compris entre 160 et 200 μm. La figure 1 représente un dispositif de l'art antérieur de ce type. Le fil, qui peut avoir plusieurs centaines de kilomètres de longueur, est enroulé autour du barreau et lors d'un processus de coupe ou de sciage qui prend environ 7 heures, ce barreau va être découpé en galettes de 150 à 200 μm d'épaisseur chacune. Il n'est pas possible de diminuer l'épaisseur des galettes car sinon le risque de casse est trop important. De même, on ne peut pas diminuer le diamètre du fil qui sinon risque également de casser. Ainsi, en ajoutant l'épaisseur du fil (160-200 μm) à l'épaisseur de chaque galette (150-200 μm), ainsi qu'aux pertes de l'ordre de 50 μm en moyenne dues aux manipulations des plaquettes très fragiles, on arrive à une épaisseur d'environ 450 μm de silicium pour réaliser une cellule. Or, une cellule ayant une épaisseur de 150-

200 μm ne présente pas un rendement optimal. En effet, le rendement optimum pour le silicium est obtenu lorsque l'épaisseur de la couche de silicium est de l'ordre de 50 μm à 60 μm. Avec le procédé de fabrication classique décrit ci-dessus, il est impossible de réaliser un tel dispositif. Ainsi, les procédés conventionnels sont coûteux en silicium tout en ne permettant pas la réalisation de cellules dont le rendement serait optimal. Les documents US 2008/245 408, US 2004/055 634, US-6 870 087 et US-6 534 382 décrivent des systèmes et procédés de l'art antérieur.

La présente invention a pour but de fournir un procédé et une machine de fabrication d'unités semi-conductrices, notamment de cellules photovoltaïques, qui ne reproduit pas les inconvénients susmentionnés.

La présente invention a notamment pour but de fournir une telle unité semi-conductrice qui soit moins coûteuse à fabriquer.

La présente invention a également pour but de fournir une telle unité semi-conductrice, nécessitant moins de silicium pour sa réalisation.

La présente invention a également pour but de fournir un procédé et une machine de ce type, permettant de réaliser une unité semi-conductrice dont le rendement est supérieur à celui obtenu par les procédés de fabrication conventionnels. La présente invention a également pour but de fournir un procédé et une machine de fabrication qui soient sûrs et fiables, en limitant les risques de casse.

La présente invention a également pour but de fournir un procédé et une machine de fabrication d'unités semi-conductrices, permettant d'utiliser à la fois du silicium polychstallin et du silicium monocristallin.

La présente invention a donc pour objet un procédé de fabrication d'unités semi-conductrices, comportant les étapes de fournir un barreau de silicium, de découper au moins une galette de silicium dans la section transversale dudit barreau de silicium, d'assembler un substrat de chaque côté de ladite galette de silicium, et de couper dans l'épaisseur au milieu de ladite galette de silicium, pour former deux unités semi-conductrices comportant chacune un substrat et une fine couche de silicium.

Avantageusement, ledit barreau de silicium a une section circulaire ou carrée, de préférence d'une largeur d'environ 300 mm, et une longueur d'environ 500 mm à 1300 mm.

Avantageusement, l'étape de découper au moins une galette de silicium est réalisée par sciage au moyen d'un fil, notamment un fil d'acier avec lubrifiant abrasif.

Avantageusement, l'étape de couper au milieu de la galette de silicium est réalisée par sciage au moyen d'un fil, notamment un fil d'acier avec lubrifiant abrasif. Avantageusement, ledit fil a un diamètre compris entre 80 μm et 130 μm, avantageusement entre 100 μm et 120 μm.

Avantageusement, ladite au moins une galette de silicium a une épaisseur comprise entre 180 μm et 280 μm, avantageusement entre 200 μm et 250 μm, et la fine couche de silicium de chaque unité semi-conductrice a une épaisseur comprise entre 40 μm et 80 μm, avantageusement entre 50 μm et 60 μm.

Avantageusement, ledit substrat est un substrat métallique ou isolant, de préférence d'une épaisseur comprise entre 100 μm et 300 μm.

Avantageusement, le substrat est en métal, notamment un alliage de fer et nickel avec un coefficient de dilatation proche de celui du silicium.

Avantageusement, ledit substrat est isolant électriquement avec un coefficient de dilatation proche de celui du silicium.

Avantageusement, l'étape d'assembler un substrat de chaque côté de ladite galette de silicium est réalisée par collage. Avantageusement, ledit collage est réalisé avec une colle conductrice, telle qu'une encre conductrice ou un film d'argent. Avantageusement, l'étape d'assembler un substrat de chaque côté de ladite galette de silicium est réalisée à basse température et/ou sous vide et/ou sous pression.

Avantageusement, avant l'étape d'assembler un substrat, le procédé comporte l'étape de nettoyer chaque galette de silicium, notamment par rinçage et séchage.

Avantageusement, avant l'étape d'assembler un substrat, le procédé comporte l'étape de doper chaque galette de silicium, notamment par dopage N ou P, notamment par immersion dans un bain contenant du bore ou du phosphore.

Avantageusement, l'étape de couper dans l'épaisseur au milieu de la galette de silicium est réalisée en appliquant une pression et/ou une dépression, notamment aux moyens de forces électromagnétiques et/ou pneumatiques et/ou mécaniques, sur les substrats assemblés de chaque côté de la galette.

Avantageusement, après l'étape de couper au milieu de la galette, le procédé comprend de réaliser au moins un traitement de surface de la surface de silicium de chaque unité semi-conductrice, tel qu'une structuration et/ou un traitement anti-reflet. Avantageusement, une étape de dopage, notamment de dopage P, est réalisée sur la surface de silicium de chaque unité semi-conductrice, après l'étape de couper au milieu de ladite galette de silicium.

Avantageusement, l'étape de fournir un barreau de silicium comprend de doper le dit barreau à cœur, notamment par dopage N ou P. Avantageusement, ledit silicium est monocristallin ou polycristallin

Avantageusement, le procédé est un procédé de fabrication d'une cellule photovoltaïque, comportant en outre l'étape d'appliquer sur chaque unité semi-conductrice des connexions électriques.

Avantageusement, ladite étape d'appliquer des connexions électriques est réalisée en appliquant, notamment par sérigraphie, notamment avec des encres conductrices, des microcircuits conducteurs sur la surface de silicium. Avantageusement, ladite étape d'appliquer des connexions électriques comprend de percer un réseau de micro-perforations, notamment par micro-sablage, dans la couche de silicium et le substrat, et d'insérer dans chaque perforation un conducteur adapté à collecter le courant à la surface du silicium et à la transmettre à l'arrière du substrat.

Avantageusement, chaque connexion comporte un élément conducteur électrique inséré dans un manchon tronconique isolant.

Avantageusement, l'unité semi-conductrice est disposée dans un châssis comportant une face avant fermée par une paroi de verre protégeant la surface de silicium, et une face arrière isolante pourvue d'orifices de ventilation.

La présente invention a aussi pour objet une machine de fabrication pour mettre en œuvre le procédé ci-dessus, comprenant des moyens pour fournir un barreau de silicium, des moyens pour découper au moins une galette de silicium dans la section transversale dudit barreau de silicium, des moyens pour assembler un substrat de chaque côté de ladite galette de silicium, et des moyens pour couper dans l'épaisseur au milieu de ladite galette de silicium, pour former deux unités semi-conductrices comportant chacune un substrat et une fine tranche de silicium. La présente invention a aussi pour objet une unité semi-conductrice réalisée par le procédé de fabrication ci-dessus, comportant un substrat, de préférence métallique, sur lequel est appliquée une fine couche de silicium.

Avantageusement, ladite fine couche de silicium a une épaisseur de 40 μm à 80 μm, de préférence de 50 μm à 60 μm. Avantageusement, ladite unité est une cellule photovoltaïque dont le rendement est supérieur à 15%, avantageusement supérieur à 18%, de préférence supérieur à 20%.

Ces caractéristiques et avantages et d'autres de la présente invention apparaîtront plus clairement au cours de la description détaillée suivante, faite en référence aux dessins joints, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif de fabrication de galettes de silicium selon un procédé conventionnel de l'art antérieur,

- la figure 2 montre de manière schématique de haut en bas des séquences successives d'un procédé de fabrication selon un mode de réalisation avantageux de la présente invention,

- la figure 3 est un schéma qui montre différentes étapes numérotées de 1 à 11 dans le procédé de fabrication selon un mode de réalisation avantageux de la présente invention,

- la figure 4 est un schéma montrant les étapes suivantes numérotées 12 à 19 du procédé de fabrication selon un mode de réalisation avantageux de la présente invention,

- la figure 5 est une vue schématique en section transversale d'une cellule photovoltaïque réalisée selon un mode de réalisation avantageux de la présente invention - les figures 6a et 6b sont des vues de dessus de deux variantes de réalisation des connexions électriques sur la surface de silicium d'une cellule photovoltaïque, selon la présente invention.

En se référant aux figures, le procédé de l'invention qui sera décrit ci- après, ainsi que la machine de fabrication pour mettre en œuvre ce procédé, seront principalement décrits en référence à la fabrication d'une cellule photovoltaïque. Il est toutefois entendu que la présente technologie peut également s'appliquer à la fabrication d'autres composants électroniques, tels que des diodes par exemple.

Le procédé de la présente invention consiste à utiliser un barreau ou lingot de silicium, qui peut être de dimension classique, avec une section d'environ 300 mm x 300 mm et une longueur de 500 mm à 1300 mm environ. Ce barreau peut avoir une section transversale circulaire ou carrée, voire même une section transversale de forme différente. Le procédé prévoit alors de couper des galettes ou pastilles ou rondelles de silicium à partir dudit barreau, dans sa section transversale, avec de préférence une épaisseur d'environ 200 μm à 250 μm. Ensuite, un substrat est assemblé de chaque côté de ladite galette puis la galette est coupée dans son épaisseur, de préférence en son centre, pour former ainsi deux unités semi-conductrices constituées chacune d'un substrat et d'une fine couche de silicium.

En se référant notamment à la figure 2, on réalise de préférence un surfaçage et un nettoyage de la galette avant l'assemblage des substrats. Avant coupage de la galette dans l'épaisseur en son milieu, on réalise avantageusement un nettoyage de surface, ainsi qu'un dopage de la surface de silicium (N ou P, avec du bore ou du phosphore), par un procédé approprié. Ensuite, un substrat métallique ou isolant et de coefficient de dilatation proche de celui du silicium, est assemblé de chaque côté de ladite galette. Après fixation par un procédé approprié, la galette est coupée, dans le sens de sa section et de préférence au milieu de l'épaisseur du silicium, pour former ainsi deux unités semi-conductrices constituées chacune d'un substrat et d'une fine couche de silicium d'épaisseur, la plus proche possible de l'épaisseur de rendement optimal du silicium. Le fait d'effectuer une coupe dans l'épaisseur du silicium provoque une rupture de la couche superficielle du dopage initial et par conséquent de la conductibilité électrique entre la partie arrière du substrat et la surface avant du silicium laissée libre.

La structuration de la surface avant du silicium est faite par un procédé approprié, puis on procède à l'application, par un procédé approprié, de la couche antireflet.

La mise en place par sérigraphie, ou tout autre procédé approprié, du circuit collecteur est faite, ainsi que les connexions électriques.

Il est à noter que le barreau de silicium est, de préférence, dopé à cœur, notamment par dopage N et ou P, avant qu'il soit découpé en galette.

Avantageusement, le coupage des galettes, ainsi que le découpage des deux unités semi-conductrices est réalisé au moyen d'un fil, notamment un fil d'acier, de préférence avec ajout d'un lubrifiant abrasif, dont le diamètre est avantageusement d'environ 100 μm à 120 μm. Selon les utilisations, un diamètre légèrement supérieur ou légèrement inférieur est aussi envisageable, par exemple de 80 μm à 130 μm. Avantageusement, chaque galette découpée a une épaisseur d'environ 200 à 250 μm. Ici aussi, selon les besoins, une épaisseur supérieure ou inférieure peut être prévue, par exemple de 180 μm à 280 μm. Ainsi, avec une épaisseur de 200 à 250 μm pour chaque galette, et une épaisseur du fil d'environ 100 μm, on obtient après coupage au centre de chaque galette deux unités semi-conductrices ayant chacune un substrat et une fine couche de silicium dont l'épaisseur sera d'environ 50 à 60 μm. On obtient ainsi l'épaisseur la plus favorable pour un rendement optimal d'une cellule photovoltaïque. Du fait qu'un substrat est fixé de chaque côté de la galette, et maintenu fermement, par un procédé adapté, lors de l'étape de coupage, il y a très peu de risque que la fine couche de silicium ne se casse lors de cette étape de coupage. La présente invention permet donc de fournir un procédé de fabrication plus sûr et plus fiable, et de réaliser une unité semi-conductrice ayant des dimensions et caractéristiques optimales, pour être réalisée en tant que cellule photovoltaïque. Le substrat est de préférence réalisé sous la forme d'un feuillard qui peut avoir une épaisseur comprise par exemple entre 100 μm et 200 μm. De préférence ce feuillard est métallique, notamment en alliage de fer et de nickel, ayant un coefficient de dilatation proche de celui du silicium, par exemple du FeN42. D'autres matériaux, et notamment d'autres métaux, sont envisageables pour le substrat. L'assemblage du substrat de chaque côté de la galette de silicium peut être réalisé par collage, notamment en utilisant une colle conductrice telle qu'une encre conductrice ou un film d'argent. Dans cette mise en œuvre, du fait du caractère conducteur de la colle, le substrat pourrait même être réalisé en un matériau isolant. De préférence, l'assemblage du substrat sur la galette de silicium est réalisé à basse température et/ou sous vide et/ou sous pression.

L'étape de nettoyage qui est de préférence réalisée sur la galette avant l'assemblage du substrat peut comporter un rinçage et un séchage. De même, le surfaçage indiqué sur la figure 2 peut être associé à un dopage par immersion tel que décrit ci-dessus. En variante, le dopage peut aussi être réalisé après coupage à travers la galette pour réaliser les deux unités semi- conductrices. Avantageusement, l'étape de coupage de la galette est réalisée en appliquant une pression et/ou une dépression, symbolisée par les deux flèches sur la figure 2, sur les substrats. Cette pression et/ou dépression peut être réalisée au moyen de forces électromagnétiques, notamment des aimants, et/ou au moyen de forces pneumatiques et/ou mécaniques combinées avec une aspiration d'air, par exemple par vide ou ventouse. De cette manière, l'ensemble formant sandwich est à la fois maintenu fermement lors du découpage tout en maintenant écartée les deux parties découpées, facilitant ainsi le passage du fil et réduisant donc les risques de casse du silicium. Après coupage et réalisation des deux unités semi- conductrices, il est avantageux de prévoir au moins un traitement de surface de la surface de silicium de chaque unité semi-conductrice, tel que par exemple une structuration de surface et/ou un traitement anti-reflet.

La présente invention permet donc une réduction significative de la consommation de silicium, puisqu'au lieu d'utiliser en moyenne environ 450 μm d'épaisseur de silicium par cellule, on en utilise moins de la moitié, pour obtenir deux cellules ayant un rendement supérieur puisque ayant une épaisseur proche ou égale à l'optimisation de 50 μm à 60 μm.

Par conséquent, la présente invention par les économies qu'elle génère, rend possible l'utilisation de silicium monocristallin, dont on sait qu'il est plus performant, mais aussi plus coûteux que le silicium polycristallin. Toutefois par l'économie de silicium obtenue grâce à la présente invention, le surcoût du monocristallin est largement compensé. De fait, l'utilisation du silicium monocristallin permet encore d'améliorer davantage le rendement de la cellule photovoltaïque obtenue par la présente invention.

Un autre avantage par rapport au procédé de l'art antérieur est que dans le système classique, il est nécessaire de chanfreiner les bords de chaque pastille ou galette de silicium afin d'éviter des courts circuits entre les bornes positives et négatives du circuit électrique. De part le découpage de la galette en son épaisseur, pour créer deux unités semi-conductrices séparées, la présente invention permet d'éviter cette phase de découpage du bord périphérique de la galette, ce qui tant à réduire les coûts de fabrication. Pour réaliser une cellule photovoltaïque à partir de l'unité semi- conductrice obtenue tel que décrit ci-dessus, des connexions électriques sont appliquées. Dans l'exemple de la figure 2, des bornes positives et négatives sont respectivement appliquées sur la face avant en silicium et la face arrière du substrat. La figure 6b montre un exemple d'un circuit apposé par sérigraphie, notamment au moyen d'une encre conductrice, sur la surface de silicium pour collecter le courant électrique. Bien entendu, le graphisme d'un tel circuit sur le silicium diminue d'environ 14 à 17% la surface effective utile de la à la production du courant d'une cellule photovoltaïque en silicium. La présente invention prévoit donc de manière avantageuse de réaliser des connexions dites « arrières » afin de réduire les surfaces dites « mortes » pour accroître encore davantage la surface active exposée de la cellule. Pour ce faire, un faisceau de micro-perforations peut être réalisé, notamment par micro sablage, dans la couche de silicium et dans le substrat. Des micros conducteurs, isolés en partie, peuvent être insérés dans chaque micro-perforation pour collecter le courant à la surface du silicium et pour le transmettre à l'arrière du substrat. Cette mise en œuvre est représentée plus clairement sur la figure 5, qui montre que chaque conducteur peut comporter un fil conducteur inséré par exemple, dans un manchon tronconique et isolant. La figure 6a représente une vue de dessus d'un tel réseau de micro perforations sur la couche de silicium. Avec cette mise en œuvre, la surface utile du silicium est augmentée par rapport au circuit sérigraphie traditionnel.

Pour combattre l'élévation de la température de la cellule, qui est un facteur pénalisant puisque le rendement de la cellule décroît avec l'élévation de sa température, on prévoit avantageusement une ventilation, soit par air soit par un circuit caloporteur. Pour ce faire, le châssis dans lequel les cellules photovoltaïques sont assemblées comporte avantageusement des orifices de ventilation prévus sur sa face arrière, visibles sur la figure 5. De l'autre côté sur la face avant du châssis, une paroi en verre est disposée pour protéger les cellules. Eventuellement, une seconde plaque de verre peut être interposée entre la paroi externe de protection et la surface de silicium.

Les figures 3 et 4 représentent schématiquement le procédé de fabrication et la machine de fabrication pour mettre en œuvre ce procédé en partant de la galette de silicium obtenue par coupage du barreau de silicium, dont le surfaçage mécanique facultatif forme l'étape ayant la référence 1. Par la suite cette galette de silicium est soumise à une aspiration, à un dégraissage et éventuellement à un dopage, comme indiqué par l'étape 2. La galette de silicium est alors mise en température dans l'étape 3, puis transférée vers une zone sous vide dans l'étape 4. Dans la phase d'entrée de l'étape 5 elle est à nouveau mise en température pour être amenée dans la zone sous vide où les feuillards métalliques vont être appliqués des deux côtés de la galette pour former les substrats. La machine de fabrication des substrats est schématiquement référencée par la référence 7. La zone sous vide comporte donc un chargeur et un encollage des substrats pré- dimensionnés sur la galette sous vide ou par température ou par pression, tel que décrit précédemment, comme représenté par l'étape 8. La galette pourvue de ces deux substrats formant la structure de sandwich est alors transférée dans le sas de sortie 9, puis dans les étapes 10 et 11 , la galette est sciée dans son épaisseur pour former les deux unités semi-conductrices.

La figure 4 illustre la suite du procédé de fabrication de la cellule photovoltaïque. Ainsi dans l'étape 12, l'étau qui maintient les deux unités ensemble lors de l'étape de sciage est desserré et on obtient donc les deux unités semi-conductrices qui sont alors nettoyées, traitées en surface, structurées selon les besoins (étapes 13 et 14), ainsi que soumis à un traitement anti-reflet, comme indiqué par l'étape 15. Puis intervient la sérigraphie et les connexions électriques sur le silicium. Ceci peut être réalisé simultanément au cours de cette même étape 15.

En variante, l'étape 16 prévoit le micro perçage des micros perforations afin de réaliser les connexions dites arrières comme indiqué dans les étapes 16 et 17. Les étapes 18 & 19 consistent en une finition et un contrôle avant le transfert de la cellule vers un montage dans un panneau. Avec cette mise en œuvre, la présente invention permet de fournir des cellules photovoltaïques dont le rendement est compris entre 15% et 20%,voir davantage, ce qui place ce produit parmi les plus performants, avec un coût de fabrication nettement inférieur par rapport aux cellules actuelles. II est à noter que l'invention a été décrite en référence au silicium, mais il est clair que d'autres matériaux présentant des propriétés équivalentes pourraient également être utilisés.

Bien que la présente invention ait été décrite en référence à un mode de réalisation particulier de celle-ci, il est entendu que diverses modifications sont envisageables pour l'homme du métier sans sortir du cadre de la présente invention tel que défini par les revendications annexées.