UN RUBAN DE CARBONE

La présente invention a pour objet un dispositif pour la formation d'une couche de silicium polycristallin sur un ruban de carbone. L'invention s'applique tout particulièrement au tirage de rubans de silicium destinés à la fabrication de cellules photovoltaïques.

Les cellules photovoltaïques comportent des plaques minces d'un matériau semi-conducteur, le plus utilisé étant actuellement le silicium polycristallin. Les plaques de silicium sont obtenues de préférence à partir d'une couche de silicium, formant un film, déposée sur un substrat en carbone par tirage de ce substrat à travers un bain de silicium fondu. Le substrat a la forme d'un ruban.

La figure 1 illustre de façon générale le procédé utilisé, appelé procédé

RST (pour Ruban de silicium sur Substrat de carbone Temporaire). Un creuset 10, équipé de moyens de chauffage (non représentés), contient un bain 12 de silicium. Le fond du creuset est muni d'une fente 14. A l'aide de moyens de tirage non représentés, un ruban 16 de carbone de faible épaisseur (de l'ordre de 200 à 350 pm) est tiré sensiblement verticalement, de bas en haut dans le sens de la flèche 18, dans le bain 12 de silicium, et à vitesse sensiblement constante. Les deux faces 20,22 du ruban 16 de carbone ont initialement été recouvertes d'une couche de carbone pyrolytique 24 (également appelé pyrocarbone) de faible épaisseur (environ 1 à 5 pm). Le silicium fondu mouille les deux faces 20,22 du ruban 16 et un ménisque 26 de silicium liquide se forme sur chaque face du ruban 16 avec une ligne de raccordement solide-liquide 28 située à environ 6,8 mm de la surface du bain 12 dans la partie centrale du ruban 16. Une couche mince de silicium 30,32 se forme alors sur chacune des deux faces 20,22 du ruban 16 de carbone. La forme et les dimensions de la fente 14 sont adaptées, d'une part pour laisser pénétrer le ruban 16 de carbone dans le creuset 10 et, d'autre part, pour éviter que du silicium fondu ne s'écoule à travers la fente 14. Bien qu'il soit avantageux d'obtenir simultanément deux films de silicium 30,32, un film par face du ruban 16, on peut concevoir de n'obtenir qu'un seul film en empêchant le dépôt de silicium sur l'une des deux faces.

Le procédé RST est par exemple décrit dans les documents FR 2 386 359 et FR 2 561 139.

Le développement industriel du procédé RST implique de pouvoir pratiquer des tirages de très grandes longueurs en continu, et notamment de longueurs d'au moins 150 m . Pour atteindre ces longueurs, un problème technique doit être surmonté : la formation d'aiguilles de carbure de silicium dans la fente d'entrée dans le creuset en graphite, qui rayent la surface du ruban de carbone et le déchirent avant que de telles longueurs soient atteintes.

En effet, l'existence de rayures à la surface du pyrocarbone, qui se traduit localement par une forte réactivité de celui-ci avec le silicium fondu - formation de plots de SiC dans le ruban de carbone - est un effet indésirable. La formation de ces plots de SiC est responsable d'une augmentation de la concentration de carbone dans le bain de silicium et de la genèse de cristallites de SiC en forme d'arborescences dans les films de silicium, dont certaines émergent éventuellement à la surface des films de silicium . Ces défauts créent des courts-circuits dans la jonction des cellules photovoltaïques réalisées sur les plaques de silicium RST et dégradent significativement leurs performances, dont le facteur de forme.

La présente invention vise à remédier a ces inconvénients.

Elle propose un dispositif pour la formation d'une couche de silicium sur un ruban de carbone, le dispositif permettant d'éviter la formation d'aiguilles de carbure de silicium.

L'invention a ainsi pour objet un dispositif pour la formation d'une couche de silicium sur un ruban de carbone, le dispositif comprenant :

- un ruban de carbone,

- un creuset en graphite contenant un bain de silicium, le creuset étant muni en partie inférieure d'une fente permettant le passage du ruban de carbone,

Dans le dispositif selon l'invention, la fente du creuset est formée au moins partiellement dans une zone en silice qui est une pièce allongée distincte du creuset, le fond du creuset présentant un bossage à l'intérieur duquel est disposée la pièce en silice, et l'extrémité inférieure de la pièce est située au-dessus de l'extrémité inférieure du bossage, de manière à ce que le dispositif présente de chaque côté de la fente deux arêtes successives, l'une au niveau de l'extrémité inférieure de la pièce en silice et l'une au niveau de l'extrémité inférieure du bossage.

Ainsi, grâce à cette zone en silice, on évite la formation d'aiguilles de carbure de silicium sur les parois de la fente. En outre, les deux arêtes successives décalées en hauteur et latéralement permettent de prévenir la coulée du silicium entre la pièce en silice et le bossage.

La zone en silice peut être revêtue de nitrure de silicium.

La pièce en silice peut être réalisée par découpage au jet d'eau.

La pièce en silice peut présenter une section transversale sensiblement en forme de V ou de T.

Le dispositif peut comprendre en outre des éléments verticaux disposés à proximité des extrémités longitudinales de la fente, de manière à élever le niveau du bain de silicium par capillarité.

Le dispositif peut comprendre une butée placée sur la zone en silice.

La butée peut être disposée sur le bossage et être insérée dans une cavité réalisée dans chaque élément vertical .

Les deux faces du ruban peuvent être recouvertes d'une couche de carbone pyrolytique.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :

- La figure 1, déjà décrite, est une vue schématique en perspective d'un dispositif selon l'invention,

- la figure 2 est une vue de détail en perspective du dispositif,

- la figure 3 est une vue en coupe transversale de la figure 2, et

- les figures 4 à 6 sont des vues de détail de la pièce en silice utilisée dans le dispositif selon l'invention. La figure 2, sur laquelle les éléments identiques à ceux de la figure 1 portent les mêmes références, est une vue en perspective de la fente 14 du dispositif, une demi-fente étant représentée, pour plus de clarté. La fente 14, de forme allongée dans un plan horizontal, permet le passage vertical du ruban 16 de carbone, et traverse verticalement la paroi du fond du creuset 10.

L'extrémité supérieure de la fente 14, située au niveau du fond du bain de silicium, est formée à l'intérieur d'un bossage 2 usiné sur le fond du creuset 10. Le bossage 2 est une zone en relief, en saillie du fond du creuset 10, et qui permet de réduire la durée de contact entre le silicium fondu et le ruban de carbone 16, et notamment entre le silicium fondu et le pyrocarbone, ce qui minimise la réaction entre le pyrocarbone et le silicium fondu.

Le bossage 2 entoure une pièce 3 en silice dans laquelle est pratiquée la partie supérieure de la fente 14.

Le dispositif comprend avantageusement des éléments verticaux 4, sous la forme de parois verticales, disposées à proximité de chaque extrémité longitudinale de la fente 14, par exemple sur le bossage 2. Ces parois verticales 4 permettent d'élever le niveau du bain par capillarité au voisinage des bords latéraux du ruban 16 et ainsi de maintenir constante l'épaisseur de la couche de silicium déposée sur les faces du ruban 16, et de maintenir une épaisseur suffisante sur les bords latéraux du ruban 16.

L'utilisation de la pièce 3 en silice prévient la nucléation des aiguilles de carbure de silicium SiC dans la fente 14.

La pièce 3 en silice est de forme allongée. Sa section longitudinale comprend la fente 14 formant sensiblement un trou oblong . La fente 14 peut comprendre à chacune de ses extrémités une portion circulaire 31, de diamètre légèrement supérieur à la largeur de la fente 14, de manière à mieux contrôler l'usinage du bord de fente (figure 6).

La section transversale de la pièce 3 peut présenter différentes formes, avantageusement en V (trapèze isocèle dont la grande base est située en haut et la petite base en bas) ou en T (figures 4 et 5), de manière à rester en appui sur le bossage 2. Pour éviter que la pièce 3 ne s'échappe vers le haut, le dispositif comprend avantageusement une butée 5 en silice qui est placée sur la pièce 3, à chaque extrémité de la fente 14. La butée 5 peut être disposée sur le bossage 2 et insérée dans une cavité réalisée dans chaque paroi verticale 4.

Pour prévenir la coulée du silicium entre la pièce 3 en silice et le graphite du bossage 2, l'extrémité inférieure de la pièce 3 est avantageusement située au-dessus de l'extrémité inférieure du bossage 2, de manière à ce que le dispositif présente, de chaque côté de la fente 14, deux arêtes successives, l'une au niveau de l'extrémité inférieure de la pièce 3 et l'autre au niveau de l'extrémité inférieure du bossage 2, les deux arêtes étant décalées en hauteur et latéralement (figure 3).

Comme le silicium liquide réagit avec la silice de la pièce 3, qui est donc progressivement consommée au cours du tirage, suivant la réaction :

Si + Si0 ₂ → 2SiO (gaz), et que d'autre part la taille de la pièce 3, et notamment son épaisseur, doit être aussi faible que possible, on peut recouvrir la pièce 3 d'un revêtement de nitrure de silicium, peu réactif avec le silicium liquide, ce qui permet d'augmenter sa durée de vie.

Les dimensions de la pièce 3 sont : a) - la largeur de la pièce 3 en partie haute et b) - la hauteur de la pièce 3. La largeur de la pièce 3 est limitée par le dimensionnement du bossage 2 dans lequel elle est positionnée, le rôle de ce bossage 2 étant notamment de réduire le temps de contact entre le silicium fondu et le ruban 16 de carbone. La largeur en partie haute de la pièce 3 en silice ne dépasse pas typiquement 5 mm compte-tenu de la forme du ménisque de silicium liquide, qui dans le procédé RST est libre, donc sans contact de sa surface avec le bossage 2. La hauteur de la pièce 3 est réduite au minimum. En effet, en cas de descente du silicium dans la fente 14, la hauteur de fente 14 s'ajoute à la longueur du ruban 16 en contact avec le silicium fondu. Cette hauteur doit donc être minimale et est de préférence inférieure à 2mm .