L'invention est relative à un procédé de réalisation d'une cellule photovoltaïque à hétérojonction.

État de la technique

Une cellule photovoltaïque peut être formée par un empilement multicouche, comprenant le plus souvent des matériaux semi-conducteurs, tels que le silicium, et permettant de convertir directement les photons reçus en un signal électrique.

Une telle cellule photovoltaïque peut, par exemple, être une cellule photovoltaïque à homojonction ou à hétérojonction, et de préférence, à homojonction en silicium ou à hétérojonction en silicium. Classiquement, une cellule photovoltaïque à homojonction comporte successivement :

- un substrat en matériau semi-conducteur, tel que le silicium, dopé selon un type prédéterminé p ou n,

- une couche en matériau semi-conducteur, tel que le silicium, et dopé selon un type, n ou p, inverse à celui du substrat, afin de former une jonction p/n ; cette jonction permet la collecte des photo-porteurs générés par l'illumination de la cellule photovoltaïque,

- une couche anti-reflet, qui assure une bonne absorption des photons, par exemple en nitrure de silicium avec un indice optique de 2,1 ,

- et des contacts électriques, permettant la collecte du courant généré. Pour réaliser les contacts électriques, des lignes métalliques en général à base d'argent, sont classiquement déposées par sérigraphie sur la couche anti-reflet. Ces contacts sont élaborés à partir d'une pâte d'argent habituellement utilisée avec la technique de dépôt par sérigraphie (pâte de sérigraphie dite « classique »). Ladite pâte d'argent comprend entre 70% et 85% de poudre d'argent ainsi que du verre fritté et des additifs. Le verre fritté est composé, par exemple, de billes de silice.

La prise de contact s'effectue alors à l'interface entre la couche en matériau semi-conducteur et les lignes métalliques (aussi appelée région émettrice), lors d'une étape de traitement thermique à des températures supérieures à 800°C : l'argent traverse alors la couche antireflet et vient en contact avec la région émettrice.

Une cellule photovoltaïque à hetérojônction comprend, classiquement :

- une première couche, ou un substrat, en matériau semi-conducteur cristallin (par exemple en silicium) et dopé selon un type prédéterminé n ou p,

- une deuxième couche en matériau semi-conducteur, par exemple en silicium, amorphe et dopé selon un type de dopage inverse à celui de la première couche pour réaliser une jonction p/n.

- une couche de passivation, en matériau semi-conducteur (par exemple en silicium), amorphe et non dopé (ou intrinsèque), située entre la première couche et la deuxième couche, pour passiver la surface de la première couche,

- une couche anti-reflet,

- et des contacts électriques.

Cependant, les couches en matériau semi-conducteur amorphe, et, plus particulièrement, les couches en silicium amorphe, ont une mauvaise tenue en température. En effet, ces couches amorphes se recristallisent partiellement à des températures supérieures à 200°C, perdant ainsi leurs propriétés de passivation. Dans le cas des cellules à hétérojonction, il n'est alors pas possible de réaliser la prise de contact (c'est-à-dire, dans ce cas, la mise en contact entre la ou les piste(s) métallique(s) préalablement formées et la couche antireflet) avec le procédé utilisé pour la réalisation des cellules à homojonction, ce procédé nécessitant d'utiliser des températures supérieures à 800°C.

Une des approches actuellement utilisées pour réaliser la prise de contact dans une cellule photovoltaïque à hétérojonction consiste à élaborer les contacts électriques à partir d'une pâte de sérigraphie différente de celle utilisée dans le cas des cellules à homojonction. En particulier, la pâte de sérigraphie est, dans le cas des cellules à hétérojonction, adaptée à des températures de traitement thermique faible. Contrairement à la pâte dite classique, utilisée dans le cas des cellules à homojonction, la pâte pour les cellules à hétérojonction ne comporte pas de verre fritté. Cette pâte de sérigraphie pour les cellules à hétérojonction est dite « spéciale ». L'étape de prise de contact sur la couche anti-reflet peut ainsi avoir lieu à une température inférieure à 200°C.

Cependant, les contacts électriques obtenus par ce procédé n'ont pas les mêmes qualités électriques que celles des contacts électriques obtenus pour les cellules à homojonction à partir d'une pâte de sérigraphie dite « classique », adaptée aux cellules photovoltaïques à homojonction. Par exemple, la résistivité électrique des contacts de la cellule à hétérojonction est plus élevée. Pour les cellules photovoltaïques à hétérojonction, le procédé de réalisation des contacts électriques consiste donc généralement à trouver un compromis entre la qualité des contacts électriques, et notamment leurs propriétés de résistivité électrique, et la qualité de la passivation des couches amorphes, la qualité de l'une se faisant souvent au détriment de l'autre.

Objet de l'invention

L'invention a pour but de remédier aux inconvénients de l'art antérieur et, en particulier, de proposer un procédé d'élaboration d'une cellule photovoltaïque à hétérojonction permettant de réaliser des contacts électriques de qualité, tout en préservant les couches en matériau semi-conducteur amorphe sous- jacentes.

On tend vers cet objet par les revendications annexées.

Description sommaire des dessins

D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels :

- les figures 1 et 2 représentent, de manière schématique et en coupe, différentes étapes de réalisation d'une cellule photovoltaïque à hétérojonction, selon un premier mode de réalisation,

- les figures 3 et 4 représentent, de manière schématique et en coupe, différentes étapes de réalisation d'une cellule photovoltaïque à hétérojonction, selon un deuxième mode de réalisation,

- les figures 5 et 6 représentent, de manière schématique et en coupe, différentes étapes de réalisation d'une cellule photovoltaïque à hétérojonction, selon un troisième mode de réalisation.

Description d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention

Un traitement thermique particulier est proposé pour obtenir la prise de contact entre la couche anti-reflet d'une cellule photovoltaïque à hétérojonction et la ou les piste(s) métallique(s) formée(s) sur ladite couche anti-reflet. Ce traitement thermique particulier consiste à appliquer sélectivement un faisceau laser au niveau de la ou les piste(s) métallique(s), pour générer un apport de chaleur localisé et contrôlé jusqu'à la couche anti-reflet. La prise de contact permet ainsi la formation des contacts électriques sur la couche anti-reflet, les contacts électriques étant formés à partir de la ou les piste(s) métallique(s) préalablement formée(s). Le traitement thermique est réalisé dans des conditions telles que l'apport de chaleur, créé par l'application localisée du faisceau laser au niveau de la ou les piste(s) métallique(s), est suffisamment élevé pour créer une prise de contact de qualité entre la piste et la couche anti-reflet mais est également contrôlé afin de n'être généré que jusqu'à la couche anti-reflet. Ainsi, les couches sous-jacentes telles que les couches en matériau amorphe ne sont pas soumises à cette apport de chaleur : elles sont thermiquement protégées dudit apport de chaleur du fait de l'application sélective et contrôlée du faisceau laser. Avantageusement, l'apport de chaleur est généré jusqu'à l'interface entre la couche anti-reflet et la couche la recouvrant (la ou les piste(s) métallique(s) par exemple). Selon un mode de réalisation particulier, illustré sur les figures 1 et 2, une cellule photovoltaïque à hétérojonction est formée d'un substrat 1 en matériau semi-conducteur cristallin, et dopé selon un type prédéterminé, de type n par exemple. Ledit substrat 1 comprend une face avant 1 a, sur laquelle est formé successivement :

- une couche en matériau semi-conducteur amorphe intrinsèque 2,

une couche en matériau semi-conducteur amorphe 3, dopé selon un type opposé à celui du substrat 1 , par exemple de type p, pour former l'hétérojonction avec le substrat 1 ,

une couche anti-reflet 4,

- et au moins une piste métallique 5.

Les couches en matériau semi-conducteur amorphe 2 et 3 peuvent être déposée sur le substrat 1 par tout type de méthodes utilisées dans le domaine. Avantageusement la cellule photovoltaïque à hétérojonction est à base de silicium, c'est-à-dire que le substrat 1 , la couche amorphe intrinsèque 2 et la couche amorphe 3 dopée sont en silicium. Cependant, elles pourraient aussi être en un ou plusieurs autres matériaux semi-conducteurs, tels que le germanium ou un alliage silicium-germanium. Préférentiellement, la couche anti-reflet 4 est en oxyde transparent conducteur (ou TCO pour « transparent conductive oxide » en anglais). Plus particulièrement, la couche anti-reflet 4 peut être en oxyde d'indium-étain (ou ITO pour « indium-tin oxide » en anglais). Son épaisseur est, avantageusement, comprise entre 10nm et 100nm et, de préférence, entre 20nm et 100nm.

Une couche anti-reflet 4 présente des caractéristiques optiques permettant d'éviter qu'une proportion trop importante du flux lumineux qui atteint la surface de la cellule ne soit réfléchie. La couche anti-reflet 4 possède également des caractéristiques physico-chimiques particulières permettant de passiver la surface de la couche dopée 3.

La couche anti-reflet 4 est, avantageusement, déposée sur la couche 3, par une technique de dépôt chimique en phase vapeur assistée par plasma. Cette technique permet de combiner une passivation volumique et une passivation, de surface tout en conservant des propriétés anti-reflet recherchées.

Pour éviter une trop grande réflexion de la lumière incidente, la surface de la couche amorphe dopée 3 et/ou la surface du substrat 1 , et, donc, la surface de la couche amorphe 2 peut, avantageusement, présenter en plus une texturation (non représentée sur les figures), par exemple en forme de pyramide.

Ensuite, comme illustré sur la figure 1 , une ou plusieurs pistes métalliques 5 sont avantageusement formées sur la couche anti-reflet 4. Sur les figures, la piste métallique 5 est, par exemple, sous la forme d'un peigne, c'est-à-dire sous forme de lignes parallèles ou sensiblement parallèles (deux lignes sont par exemple représentées sur la figure 1). Les lignes sont connectées entre elles à une de leurs extrémités par une ligne supplémentaire, perpendiculaire aux autres lignes. La piste métallique 5 peut être composée d'un seul peigne ou de plusieurs peignes interdigités.

La piste métallique 5 peut, par exemple, être formée de lignes parallèles, d'une largeur comprise entre 20μηι et 100 vm, de préférence entre 70μιτι et 100μιη, d'une épaisseur comprise entre ^" Ι Ομιη et 60μιτι et avec un espace interligne compris entre 1 mm et 3mm.

La piste métallique 5 peut être déposée par dépôt physique en phase vapeur, par jet d'encre ou par pulvérisation ou toute autre méthode adaptée pour former un motif métallique.

La piste métallique 5 peut, plus particulièrement, être formée par dépôt sérigraphique d'une pâte métallique. La pâte est déposée sur un masque comprenant des ouvertures. Le motif des ouvertures correspond à la géométrie de la piste métallique.

Préférentiellement, la pâte comprend un métal choisi pour ses propriétés de conductivité électrique et pour ses capacités à réaliser de bons contacts ohmiques. Elle est, avantageusement, à base d'argent, comme celle utilisée pour former les contacts électriques d'une cellule photovoltaïque à homojonction, c'est-à-dire une pâte à base d'argent capable de résister thermiquement à des températures de l'ordre de 900°C pendant 1 à 2 minutes. Ladite pâte comporte, par exemple, entre 70% et 85% de poudre d'argent ainsi que du verre fritté et des additifs. Le verre fritté comporte, avantageusement, des billes de silice. Cette pâte présente l'avantage d'être moins chère que les pâtes spéciales normalement utilisées dans un procédé de réalisation d'une cellule à hétérojonction.

Ainsi, la piste métallique 5 peut, avantageusement, être constituée à base d'argent.

Selon un autre mode particulier de réalisation, la piste métallique 5 peut être en cuivre. La conductivité du cuivre (63.10 ⁶ S. m ^"1 ) est sensiblement meilleure que celle de l'argent (59,6.10 ^e S.rrï ¹ ). Ainsi, l'utilisation d'une piste métallique 5 en cuivre permet, avantageusement, de réduire les coûts d'élaboration. De plus, le cuivre peut être avantageusement utilisé dans le cadre de l'invention car la réalisation de la prise de contact du cuivre avec la couche anti-reflet est réalisée grâce à un traitement thermique localisé à haute température, dans des conditions telles que le cuivre diffuse uniquement jusqu'à la couche anti-reflet 4. Le cuivre ne diffusera alors pas dans les couches sous-jacentes, c'est-à-dire dans les couches amorphes 2 et 3 et/ou dans la jonction p/n sous-jacente. Il n'y aura donc pas de risque de court-circuit.

De plus, l'utilisation d'une couche anti-reflet 4, et plus particulièrement une couche anti-reflet 4 en ITO, permet d'empêcher, encore plus, cette diffusion en jouant le rôle de couche « barrière », c'est-à-dire que cette couche empêche la diffusion du cuivre, qui a une forte propension à diffuser lors d'un traitement thermique à basse température comme dans l'art antérieur. C'est pour cette raison qu'il n'est pas courant d'utiliser du cuivre dans la métallisation de cellule photovoltaïque.

Ainsi, la couche anti-reflet 4 est, non seulement, utilisée pour collecter les charges photogénérées à la surface de la cellule photovoltaïque, mais elle peut aussi servir de barrière à la diffusion du cuivre lorsque celui-ci est utilisé pour former la ou les piste(s) métallique(s). Dans le cas d'une piste métallique en cuivre, celle-ci peut être aussi réalisée par dépôt sérigraphique à partir d'une pâte de cuivre. Ladite pâte de cuivre contient, préférentiellement, entre 70% et 85% de poudre de cuivre. Elle comporte également du verre fritté, par exemple des billes de silice.

Une fois la piste 5 formée, un faisceau laser est appliqué sélectivement au niveau de la piste 5 (flèches F sur la figure 1). Par application sélective d'un faisceau laser, on entend que le faisceau laser est appliqué localement, de manière contrôlée et uniquement au niveau de la piste 5. Ainsi, sur la figure 1 , celui-ci est appliqué à partir d'une source (non représentée) disposée au- dessus de la cellule photovoltaïque à hétérojonction et est capable de se déplacer pour suivre la piste 5.

Ainsi, l'apport de chaleur est localisé à la piste métallique 5, sur sa largeur et son épaisseur et sur sa longueur par déplacement du faisceau laser.

Le faisceau laser a, de préférence, une longueur d'onde comprise, entre 248nm et 1025nm, et plus particulièrement entre 248nm et 552nm. La durée de pulsation est, de préférence, comprise entre 15ps et 300ns. De bons résultats ont été obtenus pour des durées comprises entre 15ps et 150ns et entre 15ns et 300ns. La fréquence de pulsation de préférentiellement de 80MHz. La puissance, ^" ou fluence, du laser est, de préférence, comprise entre 1 et 4J/cm ² et, plus particulièrement, entre 1 et 3J/cm ² .

La température du traitement thermique, c'est-à-dire la température appliquée à la piste métallique pendant l'application du faisceau laser, est avantageusement supérieure ou égale à la température permettant la fusion des billes de silice, et, de préférence comprise, entre 600°C et 900°C.

Le couplage entre l'énergie du laser et le métal de la piste métallique 5 est important. En effet, ce couplage permet, à la fois, de prendre le contact sur la couche anti-reflet 4 et d'améliorer les propriétés de conduction de la piste métallique 5. L'utilisation d'un traitement thermique par faisceau laser permet avantageusement de générer un apport de chaleur homogène mais contrôlé notamment dans l'espace et le temps. De plus, il permet, avantageusement, de générer un apport de chaleur uniquement jusqu'à l'interface entre la piste métallique 5 et la couche anti-reflet 4. Selon un autre mode de réalisation, comme représenté sur les figures 3 et 4, une couche en matériau diélectrique 7, aussi appelée couche diélectrique, peut être interposée entre la couche anti-reflet 4 et la piste métallique 5, avant la formation de ladite piste. La piste métallique 5 est donc déposée, dans ce cas, directement sur la couche diélectrique 7.

La prise de contact, assurée par l'étape d'irradiation par faisceau laser (flèches F sur la figure 3), est alors réalisée sur la piste métallique 5, elle même déposée sur la couche diélectrique 7. L'irradiation par faisceau laser permet d'apporter localement de la chaleur à la piste métallique 5 et lui permet de pénétrer dans la couche diélectrique 7 (du fait de la nature de celle-ci) et de venir prendre un contact sur la couche anti-reflet 4, comme représenté sur la figure 4.

Préférentiellement, sous irradiation laser, la piste métallique 5 et la couche diélectrique 7 fondent afin de réaliser la prise de contact. La couche diélectrique 7 fond partiellement, de manière localisée, au niveau de l'irradiation laser et jusqu'à l'interface avec la couche anti-reflet 4. Le verre fritté, présent dans la pâte métallique, favorise la traversée de la couche diélectrique 7.

La couche en matériau diélectrique 7 est, de préférence, en oxyde de silicum ou en nitrure de silicium. Son épaisseur est comprise entre 10nm et 100nm et, de préférence, entre 20nm et 100nm.

La couche diélectrique 7 est, préférentiellement, déposée à basse température, par exemple par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (ou PECVD, pour « Plasma-Enhanced Chemical Vapor Déposition » en anglais) à une température inférieure à 300°C. La couche diélectrique peut aussi être déposée par dépôt à la tournette (ou « spin-coating » en anglais).

L'utilisation d'une couche de matériau diélectrique 7 permet d'avoir une couche anti-reflet 4 avec une épaisseur plus fine que dans le mode de réalisation illustré sur les figures 1 et 2, c'est-à-dire sans couche diélectrique 7 intermédiaire. Ainsi, la perte en courant généré par une trop forte absorption de la lumière, notamment la lumière ultra-violette, dans la couche anti-reflet 4, est diminuée.

De plus, la présence de la couche diélectrique 7 dans la cellule photovoltaïque à hétérojonction permet de conserver de bonnes propriétés anti-réfléchissantes. Ainsi, l'empilement de la couche anti-reflet 4 avec la couche diélectrique 7 induit une faible réflexion de la lumière. Dans un tel empilement, l'épaisseur de la couche anti-reflet 4, préférentiellement en ITO, peut être comprise entre 10nm et 50nm avec une résistance carrée comprise entre 20 ohm/carré et 80 ohm/carré.

L'épaisseur de la couche diélectrique 7 est adaptée à celle de la couche anti- reflet 4 de telle sorte que le minimum de réflectivité de l'ensemble soit situé entre 600nm et 630nm. La quantité de photons transmis, dans le cas d'une cellule photovoltaïque en silicium par exemple, est ainsi maximisée.

Dans le cas d'un dépôt sérigraphique pour former la piste métallique 5, la pâte métallique comporte du verre fritté qui va entrer en fusion lors de l'irradiation laser et favoriser la pénétration de la pâte métallique dans la couche diélectrique 7.

La face arrière 1 b du substrat 1 est, sur les figures 1 à 4, plane. Cette face arrière 1 b peut, avantageusement, être recouverte d'une électrode. Elle peut, cependant, dans d'autres cas, être texturée et/ou recouverte d'un empilement multicouche.

A titre d'exemple, une cellule photovoltaïque à hétérojonction comportant un substrat 1 de type n, comme représentée sur les figures 5 et 6, est réalisée selon les étapes suivantes :

- Texturation chimique de la surface du substrat 1 , par exemple avec une solution de KOH 1 % à 80°C pendant 40 min,

- Dépôt PECVD d'une couche en silicium amorphe intrinsèque 2 (a-Si(i)), sur la face avant du substrat 1 , l'épaisseur de la couche est comprise entre 5nm et 10nm,

- Dépôt PECVD d'une couche en silicium amorphe dopée 3 (p a-Si(p)) sur la couche amorphe intrinsèque 2, l'épaisseur de la couche est comprise entre 5nm et 10nm,

- Dépôt d'une couche anti-reflet 4 par pulvérisation d'ITO sur la couche amorphe dopée 3, l'épaisseur de la couche anti-reflet est comprise entre 20nm et 100nm, - Dépôt PECVD d'une couche diélectrique 7 en SiNx sur la couche anti-reflet 4, l'épaisseur de la couche diélectrique est comprise entre 20nm et 100nm,

- Dépôt PECVD sur la face arrière du substrat d'une couche en silicium amorphe intrinsèque 8 (a-Si(i)) d'épaisseur comprise entre 2nm et 8nm,

- Dépôt PECVD sur la couche amorphe intrinsèque 8 d'une couche en silicium amorphe dopée n 9 (a-Si(n)), d'épaisseur comprise entre 2nm et 8nm,

- Dépôt MOCVD (pour dépôt chimique en phase vapeur de composés organo- métalliques ou « metalorganic chemical vapour déposition » en anglais) d'une couche anti-reflet 10 sur la couche en silicium amorphe dopée 9 en face arrière, la couche anti-reflet 10 est soit une couche d'oxyde de zinc dopé au bore ZnO(B) d'une épaisseur comprise entre 100nm et 500nm, soit une couche d'ITO d'une épaisseur comprise entre 80nm et 100nm,

- Dépôt en face arrière d'une pâte d'argent (ou d'une pâte de cuivre) par sérigraphie, afin de former la piste métallique 5 de largeur 70μΓη-100μηι avec un espacement de 2.1 mm entre les lignes,

- Dépôt en face avant d'une pâte d'argent (ou d'une pâte de cuivre) par sérigraphie afin de former la piste métallique 5 de largeur 30μιη-150μηη, et préférentiellement de largeur 70μιτ)-100μιη avec un espacement de 2.1 mm entre les lignes.

Toutes les étapes du procédé sont réalisées à des températures inférieures à 220°C.

Finalement, une irradiation par faisceau laser localisée (flèches F sur la figure 5) est réalisée sur les pistes métalliques 5 en argent en face avant et arrière. Avantageusement, une couche d'aluminium ou d'argent peut aussi être déposée par pulvérisation, en face arrière, sur la piste métallique. L'épaisseur de cette couche est avantageusement comprise entre 200nm et 500nm.

Ainsi, le procédé de réalisation de cellules photovoltaïques à hétérojonction selon l'invention permet d'obtenir une faible résistance de ligne des contacts électriques et, en même temps, permet de conserver les propriétés de passivation de la couche amorphe. De plus, ce procédé présente l'avantage d'être robuste et facile à mettre en œuvre.