TITRE : Dispositif photovoltaïque semi-transparent en couches minces pourvu d'un contact électrique métal/oxyde natif/métal optimisé

La présente invention se rapporte à un dispositif photovoltaïque semi- transparent en couches minces optimisant la reprise de contact métal/oxyde natif/métal par le dimensionnement de la surface de contact du second métal déposé.

ETAT DE LA TECHNIQUE

Dans la suite du document, un dispositif photovoltaïque désigne tout type de cellules ou modules photovoltaïques. Les modules photovoltaïques sont composés d'une pluralité de cellules photovoltaïques toutes connectées entre elles selon une architecture série, parallèle, série parallèle ou parallèle série. Un dispositif photovoltaïque en couches minces fait référence à des dispositifs photovoltaïques constitués d'un empilement de couches minces d'épaisseur inférieure à 20 pm (hors substrat).

On distingue dans la littérature plusieurs types de matériaux semi-conducteurs employés dans les dispositifs photovoltaïques, tels que les matériaux solides cristallisés, les matériaux organiques (polymères ou petites molécules) ou encore les couches minces inorganiques (amorphes ou poly cristallines). Dans la plupart des cas, une couche métallique est employée pour collecter les charges électriques générées par ces dispositifs sous illumination. Ces couches métalliques forment généralement une électrode, des bus de collecte ou les interconnexions entre les différentes cellules composant le module photovoltaïque.

Dans la suite du document, on ne considère que les dispositifs photovoltaïques possédant des couches métalliques pour la collecte desdites charges électriques.

Afin d'améliorer les performances des modules photovoltaïques, il est connu de l'homme du métier qu'augmenter par exemple l'épaisseur des électrodes métalliques permet de diminuer les pertes par effet Joule. Dans ce cas, il faut donc mettre en contact un métal A ayant été à l'air libre (l'électrode métallique de la cellule initiale) avec un autre conducteur B pour épaissir ladite électrode, et donc augmenter sa conductivité globale. Cependant, certains métaux, dont l'aluminium (Al) et le cuivre (Cu), couramment utilisés pour former par exemple l'électrode métallique des dispositifs photovoltaïques en couches minces, s'oxydent en surface à l'air libre, voire même dans des atmosphères dont les taux d'oxygène sont contrôlés. Il y a alors formation d'un oxyde appelé couramment oxyde natif. Cette fine couche d'oxyde natif de quelques nanomètres d'épaisseur est le plus souvent isolante électriquement. C'est le cas notamment des oxydes d'aluminium et de cuivre. Dans ce cas, l'empilement constitué de l'électrode métallique A, de son oxyde et du conducteur B ne présente pas une conductivité améliorée telle qu'espérée par l'épaississement a posteriori de l'électrode métallique car la résistance électrique de contact entre les deux métaux est très importante, du fait de la présence entre les deux métaux de l'oxyde natif. Le même phénomène est observé lorsque l'on cherche à mettre en série ou en parallèle à posteriori plusieurs cellules photovoltaïques afin de contrôler les niveaux de tension et de courant en sortie des modules photovoltaïques.

Pour résoudre cette problématique, il existe une solution qui consiste à utiliser une soudure active telle que décrite par la société S-Bond Technologies sur leur site internet à la page httD://www.s-bond.com/bloa/2015/01/12/active-solders-for-sol ar- panel- manufacture en date du 12 octobre 2018. Cet article explique comment est réalisée la soudure active qui permet de supprimer l'oxyde natif et donc d'augmenter les performances des cellules solaires. Cependant cette technique de soudure n'est pas applicable aux dispositifs photovoltaïques en couches minces.

Les dispositifs photovoltaïques semi-transparents en couches minces (à base de silicium amorphe par exemple) sont composés :

- De surfaces pleines et opaques contenant l'empilement des couches photovoltaïques actives ;

- De surfaces transparentes formées du substrat transparent et éventuellement de matériaux transparents conducteurs ou isolants.

La semi-transparence peut par exemple être réalisée à partir de modules photovoltaïques pleins, c'est-à-dire ne présentant pas de zones de transparence tel que décrit dans le document WO2014/188092 Al. Les zones photovoltaïques (respectivement les zones de transparence) peuvent être de formes quelconques. On définit alors la dimension critique de ladite forme comme étant la plus petite des tailles qui la caractérisent. Il s'agit par exemple d'un côté pour un carré, de la largeur pour un rectangle, de la hauteur pour un triangle. Par exemple, dans le cas d'une bande photovoltaïque, la dimension critique CD correspond à la largeur de ladite bande. Lorsqu'un aspect homogène transparent est recherché (c'est-à-dire lorsqu'on ne souhaite pas distinguer à l'œil nu les zones opaques des zones de transparence), la dimension critique des bandes photovoltaïques est de préférence inférieure à 200 microns.

Après la gravure des différentes couches constituant l'empilement photovoltaïque (la première électrode, la couche active photovoltaïque et la seconde électrode), des reprises de contact de type métal/métal sont nécessaires afin de connecter les zones électriquement actives aux bus de collecte et de connecter les cellules unitaires entre elles (en série et/ou parallèle) afin d'obtenir un module photovoltaïque. La problématique de reprise de contact métal/métal est renforcée dans le cas des dispositifs photovoltaïques semi-transparents, car les reprises de contact sont réalisées sur des surfaces dont les côtés les plus larges n'excèdent pas quelques dizaines de micromètres, générant ainsi des surfaces de reprises de contact de quelques centaines de micromètres carrés. Or si l'électrode métallique est de l'aluminium, son oxyde natif (l'alumine) peut avoir une épaisseur de 3 nm à 6 nm. La combinaison de ce matériau avec une surface de contact d'à peine quelques centaines de micromètres carrés donne un contact électrique précaire, qui se traduit par une dégradation de l'efficacité électrique du dispositif.

Une première solution consiste à supprimer la couche d'alumine qui s'est formée à sa surface avant le dépôt du second métal permettant la reprise de contact. Il est possible d'utiliser par exemple une gravure plasma, et de déposer le second métal immédiatement après sans avoir cassé les conditions de vide entre l'étape de gravure et celle du dépôt métallique. Cette étape nécessite un équipement de dépôt ayant un module plasma dans la chambre de dépôt ou dans une chambre annexe. Cette configuration peut ne pas être disponible dans les équipements de production, auquel cas l'investissement pour les mettre à niveau peut être conséquent.

Une seconde solution pour pallier cette problématique serait de modifier la nature de l'électrode métallique. Cette solution n'est pas intéressante d'un point de vue industriel car l'aluminium est un matériau privilégié dans le cadre des modules photovoltaïques à base de silicium amorphe de par :

- son faible coût ;

- sa faible résistivité ;

- sa compatibilité avec le matériau de la couche active photovoltaïque dans le cas notamment du silicium amorphe ;

- sa facilité à enchaîner des étapes de gravure pour générer la semi- transparence ;

- sa disponibilité et sa maîtrise par les industriels des procédés de dépôt et de gravure.

On connaît également de par les documents US 2010/163106 Al et US 2011/287568 Al des dispositifs photovoltaïques semi-transparents à couches minces cherchant à améliorer la tenue des couches des dispositifs à des contraintes mécaniques, mais ces dispositifs ne se préoccupent pas de la dimension de la reprise de contact et de ses conséquences électriques.

La présente invention cherche à résoudre la problématique d'optimisation de la reprise de contact métal/métal en considérant le cas de l'utilisation de l'aluminium et de la présence de son oxyde natif au sein des dispositifs photovoltaïques semi- transparents.

BUT DE L'INVENTION

L'invention a pour but de proposer un dispositif photovoltaïque semi- transparent en couches minces dont la surface de reprise de contact métal/oxyde métallique/métal a été optimisée afin d'augmenter les performances électriques dudit dispositif photovoltaïque.

OBJETS DE L'INVENTION

L'invention s'applique à un dispositif photovoltaïque semi-transparent à couches minces comportant au moins :

- des zones photovoltaïques actives, de surface notée S5, formées: o d'un substrat transparent ;

o d'une électrode avant constituée d'un matériau électriquement conducteur et transparent, disposée sur le substrat transparent ; o d'un absorbeur composé d'une ou plusieurs couche(s) mince(s) photo-active(s) ;

- d'une électrode arrière constituée d'un empilement d'au moins :

o une couche conductrice métallique ;

o une couche d'oxyde métallique natif d'épaisseur nanométrique ;

- des zones de transparence de dimension critique notée CDT séparant au moins deux zones photovoltaïques actives ;

- une couche métallique de reprise de contact de surface de contact S avec l'électrode arrière.

On définit le rapport Ra comme le rapport entre la surface de contact S de la couche métallique de reprise de contact et la surface S5 d'une zone photovoltaïque active, i.e. Ra=S/Ss. Lors de la fabrication de reprises de contact au sein de dispositifs semi-conducteur, l'homme du métier utiliserait un rapport Ra de l'ordre de 0,02%. Cependant, en utilisant ce rapport dans le dispositif photovoltaïque semi-transparent en couches minces décrit ci-dessus, l'optimisation électrique de la reprise de contact n'est pas atteinte. Pour atteindre cette optimisation électrique, de manière surprenante, l'invention prévoit qu'il faut utiliser un rapport Ra compris entre 0,2% et 2%, i.e. 0,2%<Ra<2%.

L'invention a par conséquent pour objet un dispositif photovoltaïque semi- transparent à couches minces comportant au moins :

- des zones photovoltaïques actives, de surface S5, formées:

o d'un substrat transparent ;

o d'une électrode avant constituée d'un matériau électriquement conducteur et transparent, disposée sur le substrat transparent ; o d'un absorbeur composé d'une ou plusieurs couche(s) mince(s) photo-active(s) ;

- d'une électrode arrière constituée d'un empilement d'au moins : o une couche conductrice métallique ;

o une couche d'oxyde métallique natif d'épaisseur nanométrique ;

- des zones de transparence séparant au moins deux zones photovoltaïques actives;

- une couche métallique de reprise de contact présentant une surface de contact S avec l'électrode arrière ;

caractérisé en ce que le rapport Ra=S/Ss entre la surface de contact S de la couche métallique de reprise de contact et la surface S5 d'une zone photovoltaïque active est tel que 0,2%<R _a <2%.

Afin de garantir le meilleur compromis entre surface active photovoltaïque et optimisation électrique, avantageusement, le rapport Ra est compris entre 1,2% et 1,6%, i.e. l,6%<Ra< l,8%.

Préférentiellement, la couche conductrice métallique est en aluminium et son oxyde natif est donc de l'alumine. Avantageusement, la couche métallique de reprise de contact est en aluminium.

La surface de contact de la couche métallique de reprise de contact peut être de forme quelconque. Elle peut aussi être composée de plusieurs motifs de forme quelconque tous électriquement reliés entre eux.

Lorsque les modules photovoltaïques semi-transparents présentent une architecture en bandes, les zones photovoltaïques actives sont des bandes de longueur L5 et de dimension critique CD5. Avantageusement, la surface S de contact entre la couche métallique de reprise de contact et l'électrode arrière est de forme rectangulaire dont la largeur, i.e. la dimension critique CD est inférieure à la dimension critique CD5 des zones photovoltaïques. DESCRIPTION DETAILLEE

L'invention est maintenant décrite plus en détail à l'aide de la description des [Fig 1] à [Fig 3].

La [Fig IA] est une vue en coupe d'un empilement photovoltaïque en couches minces.

La [Fig IB] est une vue de dessus de l'empilement photovoltaïque de la [Fig IA] au sein duquel plusieurs couches minces ont été gravées par endroits pour former des zones de transparence et des zones photovoltaïques actives.

La [Fig IC] est une vue de dessus du dispositif photovoltaïque de la [Fig IB] auquel ont été ajoutées les zones de reprise de contact métalliques selon l'invention.

La [Fig 1D] est une vue en coupe selon la direction X de la [Fig IC].

La [Fig 1E] est une vue en coupe issue de la [Fig 1D] à laquelle a été ajoutée la couche d'isolation.

La [Fig 1F] est une vue en coupe issue de la [Fig 1E] à laquelle ont été ajoutées les couches métalliques de reprise de contact.

La [Fig 2A] est un schéma d'une partie de cellule photovoltaïque semi- transparente selon l'invention.

La [Fig 2B] représente l'évolution de la résistance R électrique totale de dispositifs photovoltaïques de mêmes caractéristiques intrinsèques en fonction de la longueur L de la surface rectangulaire de contact.

Les [Fig 3A] et [Fig 3B] sont des schémas de cellules photovoltaïques similaires à la [Fig 2A] et correspondant à d'autres modes de réalisation de l'invention ;

La [Fig 3C] illustre un mode de réalisation de cellule photovoltaïque non conforme à l'invention.

La [Fig IA] est une vue en coupe d'un empilement photovoltaïque connu de l'état de l'art. Dans cet exemple, l'empilement est constitué :

- d'un substrat en verre (1) ;

- d'une électrode avant (2) formée d'un oxyde conducteur transparent, par exemple de l'oxyde de zinc dopé à l'aluminium (ZnO:AI); - d'un absorbeur (3) composé de plusieurs couches à base de silicium amorphe (a_Si) formant une jonction p-i-n ;

- d'une électrode arrière (4) formée :

o d'une couche d'aluminium (41) ;

o d'une couche d'oxyde natif (42) d'alumine.

Il est possible de transformer cet empilement, par des procédés de gravure photo lithographique et de dépôt connus de l'homme du métier, pour obtenir un module photovoltaïque semi-transparent. La première étape de ce procédé consiste à réaliser les zones de transparence (6T) et à isoler électriquement les bus de collecte (7+,7-) par des zones d'isolation (6i) . Les zones de transparence et d'isolation (6T et 6i) sont réalisées par gravures successives des couches minces formant l'électrode arrière, l'absorbeur et l'électrode avant.

La [Fig IB] est une vue de dessus des cellules photovoltaïques semi- transparentes dont les zones de transparence (6T) ont la forme de bandes horizontales parallèles entre elles et séparant deux à deux les zones photovoltaïques actives (5) opaques de dimension critique CDs (correspondant ici à leur largeur) et de longueur L ₅ . La surface S ₅ de la bande photovoltaïque est donc égale au produit de la dimension critique CD ₅ par la longueur L ₅ . Les bandes opaques verticales sont les bus de collecte (7 ⁺ et 7 ) isolés électriquement des zones photovoltaïques actives (5). Les bus de collecte (7 ⁺ respectivement 7 ) ont une dimension critique notée CD ⁺ _' respectivement CD-. Les zones de transparence (6T) isolent électriquement les bandes photovoltaïques actives (5), chacune desdites bandes formant des cellules photovoltaïques unitaires. Les zones de transparence (6T) ont une dimension critique notée CDT.

Afin de connecter électriquement (en série et/ou parallèle) ces zones photovoltaïques actives isolées aux bus de collecte (7 ⁺ et 7 ) pour obtenir un module photovoltaïque, il est nécessaire de réaliser d'une part un contact électrique entre l'électrode avant (2) et l'un des bus de collecte (7 ⁺ ) et d'autre part un contact électrique entre l'électrode arrière (4) et l'autre bus de collecte (7 ).

La réalisation d'une reprise de contact de type VIA (8) et de type électrode arrière (4) comprend plusieurs étapes successives qui peuvent être réalisées simultanément. Etape 1 : Au sein des zones photovoltaïques actives (5) sont gravées des zones de reprise de contact de type VIA (8). Une zone photovoltaïque active (4A) à proximité du bus de collecte (7 ) est laissée sans VIA. C'est précisément au sein de cette zone qu'est réalisée la reprise de contact entre électrode arrière (4) et couche métallique (14) dont le dimensionnement est objet de l'invention. La [Fig 1D] est une vue en coupe de la [Fig IC] selon la direction X où apparaissent les zones de reprise de contact de type VIA (8) et la zone photovoltaïque active (4A) à proximité du bus de collecte (7 ) laissé sans VIA.

Etape 2 : Une couche d'isolation électrique (9) est introduite pour isoler électriquement l'électrode avant (2) de l'électrode arrière (4). La [Fig 1E] est une vue en coupe issue de la [Fig 1D] à laquelle a été ajoutée la couche d'isolation (9). Cette couche d'isolation électrique est par exemple une résine transparente, permanente et photosensible. Des zones de reprise du contact arrière (4B) sont laissées vacantes au sein des zones photovoltaïques actives (4A) disponibles pour la reprise de contact de l'électrode arrière afin de réaliser la reprise de contact sur le métal (4).

Etape 3 : Une couche métallique de reprise de contact est alors déposée et gravée. Elle est alors scindée en deux zones distinctes (18 et 14) tel que représenté à la [Fig 1F]. Elle peut être gravée par exemple, grâce à une nouvelle étape de photolithographie, pour connecter l'électrode avant (2) au bus de collecte (7 ⁺ ) et l'électrode arrière (4) au bus de collecte (7 ), et ce afin de rendre fonctionnel le module photovoltaïque semi-transparent.

L'invention vise à améliorer la reprise de contact entre l'électrode arrière (4) et le bus de collecte (7 ) en optimisant la surface S de contact entre l'électrode arrière (4) et la couche métallique de reprise de contact (14).

Afin de déterminer les caractéristiques optimales de ladite surface de contact, plusieurs dispositifs photovoltaïques semi-transparents à couches minces ont été réalisés dont un exemple est décrit à la [Fig 2A]. Lesdits dispositifs possèdent les mêmes caractéristiques physiques et architecturales. Le processus de fabrication est entièrement identique pour toutes les versions desdits dispositifs réalisés. Ces dispositifs ne diffèrent que par la surface S de contact entre l'électrode arrière (4) et la couche métallique de reprise de contact (14). La surface S est dans ces dispositifs de forme rectangulaire, de dimension critique CD de 8 pm et de longueur L. Cette longueur L varie de 80 pm à 960 pm selon le dispositif considéré.

La surface totale desdits dispositifs est de 2,5 cm par 2,5 cm, soit 6,26 cm ² avec un taux surfacique des zones de transparence de 50%. Ces dispositifs comportent :

- Un substrat transparent (1) en verre ;

- Une électrode avant (2) constituée d'oxyde de zinc dopé à l'aluminium (ZnO:AI) ;

- Un absorbeur (3) composé essentiellement de silicium amorphe (a_Si) ;

- Une électrode arrière (4) métallique formée :

o d'une couche d'aluminium (40) de 500 nm et d'une rugosité superficielle moyenne quadratique de 15 nm ;

o d'une couche d'oxyde natif (41) d'alumine de 4 nm ;

- deux bus de collecte (7 ⁺ et 7 ) de dimension critique CD ⁺ et CD- de 1 mm ;

- des zones photovoltaïques actives (5) dont la dimension critique CDs est de 15 pm et dont la longueur Ls est de 23 mm, donc une surface Ss de 345 000 pm ² ;

- des zones de transparence (6T) dont la dimension critique CDT est de 15 pm,

- une couche métallique de reprise de contact (14) métal/oxyde natif/métal en aluminium de 500 nm d'épaisseur, déposée par pulvérisation dans un équipement ne permettant pas de réaliser une gravure plasma de l'alumine natif.

La résistance électrique totale théorique a été calculée à partir d'une modélisation des résistances des différents matériaux qui composent lesdits dispositifs, connue de l'homme du métier. Aussi, les résistances d'interfaces, y compris la résistance de contact métal/oxyde natif/métal, ne sont pas prises en compte dans ce calcul. La résistance électrique totale théorique RTH est estimée à 120 W. Des mesures courant-tension (I-V) ont permis de déterminer les valeurs réelles des résistances électriques totales de chaque dispositif. La courbe 9™ de la [Fig 2B] représente l'évolution de la résistance électrique totale théorique RTH en fonction de la longueur L. La courbe 9™ est en réalité une droite horizontale qui signifie que la résistance de contact ne dépend pas de la longueur L et est négligeable par rapport à la résistance des différents matériaux qui composent le dispositif, conformément à l'état de l'art. La courbe 9 de la [Fig 2B] représente l'évolution de la résistance électrique totale R des dispositifs réalisés en fonction de la longueur L. De manière surprenante, ladite courbe présente une décroissance de type exponentielle en fonction de la longueur L. Pour une longueur de 80 pm, la résistance électrique globale est de 2500 W, soit environ 20 fois supérieure à la résistance électrique totale théorique estimée à 120 W pour ces dispositifs. Plus la longueur L est grande, plus faible est la résistance électrique totale R. L'allure de la courbe tend vers une asymptote horizontale aux alentours de 150 W. La différence de 30 W avec la valeur théorique peut s'expliquer par des erreurs de l'estimation des résistivités et des épaisseurs de matériaux, et/ou la non prise en compte des résistances d'interfaces.

On considère que le contact est optimisé lorsque la résistance R électrique totale atteint 125% de la valeur obtenue grâce à l'asymptote à la courbe. Dans notre cas, cela correspond à une valeur L=800 pm et donc à une surface S de 6 400 pm ² . Le rapport de la surface de Ra = S/S5 = 6400/345000 = 0,018 = 1,8%. Or l'homme du métier, aurait utilisé une couche métallique de reprise de contact métal/oxyde natif/métal de l'ordre de grandeur de la dimension critique de la bande photovoltaïque mais légèrement inférieure à cette dernière, c'est-à-dire par exemple, une surface de l'ordre de 14*14 pm ² = 196 pm ² soit un rapport d'à peine Ra=196/345000=0,057%. Dans cet exemple, entre l'optimisation selon l'invention et le choix prévisible de l'homme du métier, il y a un rapport 32 entre les deux surfaces de la couche métallique de reprise de contact métal/oxyde natif/métal.

Bien que l'exemple de la [Fig 2A] explicité ci-dessus concerne une forme rectangulaire, la surface de contact peut prendre n'importe quelle forme. Pour des raisons de procédés photo -lithographiques, des motifs différents de ceux représentés dans la [Fig 2A] peuvent être choisis pour résoudre des problématiques de définition des motifs pour la lithographie ou la gravure par exemple. Un exemple est présenté à la [Fig 3A]. La surface de contact est alors formée par des petits rectangles de même dimension que les VIAs, reliés électriquement entre eux. Cependant, toutes les formes continues peuvent convenir pour répondre aux critères de l'invention, même un motif en forme de cœur tel que proposé à la [Fig 3B].

Selon l'invention, l'optimisation de la surface de contact n'est réalisée que si l'ensemble des différentes parties de ladite surface sont en contact électrique. Par exemple, dans l'exemple de la [Fig 3C], la surface S est composée des surfaces Si + S ₂ . Cependant Si et S ₂ ne sont pas reliées électriquement ensemble, cet agencement ne permet donc pas l'optimisation selon l'invention.

[Table 1]