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Procédé de traitement de la face arrière d'une cellule solaire photovoltaïque.
L'invention concerne un procédé de traitement de la face arrière d'une cellule solaire photovoltaïque comprenant un substrat de germanium (Ge) ou d'arséniure de gallium (GaAs) couvert à l'avant d'une matière crystalline semi-conductrice, ce traitement comprenant un décapage enlevant de la matière du substrat.
Les substrats de germanium ou d'arséniure de gallium couverts d'une structure de plusieurs couches d'arséniure de gallium (GaAs), d'arséniure d'aluminium-gallium (AlGaAs) et éventuellement de phosphure indium-gallium (InGaP) ou d'autres combinaisons crystallines semi-conductrices constituent des cellules photovoltaïques ayant un rendement voltaïque élevé et donc un très bon rapport entre la puissance électrique et l'unité de surface de la cellule.
Le dépôt d'arséniure de gallium par exemple est effectué par des techniques de film mince, comme le dépôt chimique par vapeurs (ce qu'on appelle"metal-organic chemical vapour deposition"ou MOCVD) ou le dépôt physique par vapeurs (ce qu'on appelle"metal-organic physical vapour deposition"ou MOPVD).
Un tel dépôt donne donc une couche extrêmement mince et la somme des épaisseurs des couches minces déposées par MOCVD ou MOPVD totalise par exemple 5 à 15 micromètres.
Le substrat de GaAs ou de Ge sur lequel ces couches de semi-conducteurs sont déposées constitue la plus grande partie de l'épaisseur et surtout de la masse de la cellule.
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A cause de la fragilité des matériaux Ge et surtout GaAs, ainsi que le nombre de manipulations qu'exige la fabrication des cellules photovoltaïques, l'épaisseur du substrat peut aller par exemple de 150 à 180 micromètres dans le cas du germanium et de 300 à 350 micromètres dans le cas de GaAs qui est quelque peu moins solide que le germanium. Le GaAs tout comme le Ge ayant à peu près la même masse spécifique c. à-d. environ 5,35 gr/cm3, que les couches minces déposées, le substrat susdit constitue plus de 85% de la masse totale de la cellule.
Cette masse relativement grande de la cellule solaire peut être un désavantage sérieux dans certaines applications en particulier dans les applications spatiales.
Or pour ces applications spatiales, la face avant des cellules solaires est traditionnellement recouverte par un verre de protection contre les rayons et débris cosmiques, ce verre assurant une grande partie de la rigidité de l'ensemble de sorte que la cellule proprement dite peut être moins solide.
Il est déjà connu d'alléger la masse d'une cellule solaire en réalisant des cavités par décapage de sa face arrière à l'aide d'un agent chimique liquide, c. à-d. par voie humide.
Ce décapage est relativement difficile, d'une précision relative et peut poser des problèmes pour l'obtention d'une conductivité suffisante de la face arrière après décapage.
L'invention a pour but de remédier aux inconvénients susdits et de procurer un procédé de traitement de la face arrière d'une cellule solaire photovoltaïque qui permet d'alléger d'une façon simple et rapide la masse de cette
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cellule et de rendre plus aisé la réalisation d'une conductivité suffisante de la face arrière.
Selon l'invention ce but est atteint par le fait que le décapage de la face arrière de la cellule est un décapage par plasma gazeux ionisé.
La masse globale de la cellule peut ainsi être réduite de 70%. Cette réduction de la masse résulte en un accroissement du rapport entre la puissance électrique et la masse de la cellule.
Cette opération de décapage par plasma est de préférence réalisée vers la fin du cycle de fabrication de la cellule, c. à-d. après le dépôt des couches minces de semi-conducteur susdites, la métallisation de la face avant, la soudure des contacts électriques sur la face avant et le collage d'un verre de protection de la face avant.
Le décapage par plasma de la face arrière de la cellule peut laisser de la matière semi-conductrice du substrat n'ayant pas une conductivité suffisante.
Le traitement de la face arrière comprend donc une métallisation pour obtenir un bon contact électrique et une solide adhérence mécanique.
Cette métallisation de la face arrière doit normalement être suivie par un traitement thermique appelé"sintering" à des températures de l'ordre de 400 C.
Or, dans le cas où un verre de protection est collé à la face avant de la cellule, ce qui est traditionnel pour les applications spatiales et nécessaire pour renforcer la
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cellule après décapage, la colle entre le verre de protection susdit et la cellule se dégrade à la température susdite.
Afin de résoudre ce problème dans les cellules couvertes par un verre de protection, l'invention prévoit que la métallisation de la face arrière est effectuée avant le décapage et le collage du verre, cette métallisation étant effectuée de manière à ne couvrir qu'une partie, de préférence moins de 15%, de cette face et par exemple sous forme d'une grille, uniquement la surface non recouverte de la face arrière étant décapée.
Le substrat résiduel dans ce cas doit être le plus conducteur possible, ce qui peut être réalisé par un dopage très élevé du substrat.
Dans une autre forme de réalisation de l'invention, le problème susdit est résolu en réalisant la métallisation de la face arrière après le décapage par une technique qui n'exige pas de traitement thermique à une température supérieure à environ 250 C, comme par exemple par la technique appelée"sputtering".
Pour plus de clarté, un exemple de réalisation d'un procédé de traitement de la face arrière d'une cellule solaire photovoltaïque selon l'invention est décrit ci-après à titre illustratif et non restrictif, référence étant faite au dessin annexé qui représente d'une manière schématique et en coupe une cellule solaire fabriquée par le procédé selon l'invention.
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La cellule solaire représentée à la figure comprend un substrat 1 de germanium couvert à l'avant de couches minces 2 d'arséniure de gallium.
La face avant est partiellement métallisée, par exemple avec un alliage argenté, et donc couverte par une couche mince de métal 3, par exemple un couche en forme d'un peigne, à laquelle sont soudés des contacts électriques 4.
Un verre de protection 5 ayant par exemple une épaisseur de 100 à 500 micromètres est collé à l'aide d'une couche de colle 6 transparente à la face avant.
Afin de réduire la masse de la cellule solaire photovoltaïque, le substrat 1 est pourvu à l'arrière de cavités rectangulaires 7.
Autour de ces cavités 7 la face arrière est égalemetn métallisée et donc couverte d'une couche de métal 8 formant donc une grille.
La cellule susdite est fabriquée de manière traditionnelle par le dépôt par des techniques de films minces des couches 2 susdites sur le substrat l, suivi de la métallisation de la face avant et de la soudure des contacts électriques 4 sur la couche de métal 3, après quoi le verre de protection 5 est collé.
Les cavités 7 dans le substrat 1 sont réalisées par décapage par plasma gazeux ionique.
La face arrière du substrat 1 est métallisée de manière à ne couvrir qu'une faible partie de sa surface, tout comme la métallisation de la face avant du substrat 1.
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Cette métallisation de la face arrière a lieu avant le décapage et avant le collage du verre de protection 5 et est constituée d'une grille métallique à grandes ouvertures, cette grille ne couvrant que moins de 20 % et de préférence moins de 10% de la surface de la face arrière.
La métallisation est suivie d'un traitement thermique comme traditionnellement à 400 C par exemple.
La formation des cavités 7 par est réalisée après la soudure des contacts avant 4, le collage du verre de protection 5 et la métallisation de la face arrière du substrat 1, par décapage de la surface non recouverte métalliquement de la face arrière par un plasma de gaz ionisés, par exemple des gaz fluorés, ce qui peut nécessiter le masquage de la partie métallisée par exemple par une résine photo-sensible pour empêcher que cette partie métallisée ne soit dégradée pendant le décapage.
Ce décapage doit être très directionnel pour que les parois des cavités 7 formées soient bien verticales. Pour cette raison le décapage par un plasma inductif appelé "inductively coupled plasma etching System"est préfère par rapport au décapage par un décapage réactif ionique, dit "reactive ion etch system". Un appareil convenant pour ce décapage inductif est par exemple mis sur le marché par la société"Surface Technology Systems Limited"du Royaume Uni sous le nom"Multiplex ICP".
Les fonds et les parois des cavités 7 réalisées par le décapage susdit doivent être conducteurs électriques. Ceci
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peut exiger que le germanium du substrat soit préalablement 18 dopé, par exemple par de l'antimoine, au-delà de 1018
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3 19 3 atomes/cm3, par exemple au delà de 1019 atomes/cm3 afin que la résistance électrique de la face arrière soit compatible avec un maintien élevé du rendement de la cellule, tenant compte du fait que que la grille métallique non attaquée par le plasma n'occupe que moins de 20% de la surface de la face arrière.
Le germanium enlevé par décapage peut éventuellement être récupéré par évacuation des gaz d'échappement de la pompe à vide du dispositif de décapage vers un tour de lavage.
Dans une autre forme de réalisation, le décapage par plasma susdit est effectué avant la métallisation de la face arrière. Par conséquent, le substrat en germanium est couvert de la manière susdécrite par les couches minces de semi-conducteur, la face avant est métallisée, les contacts électriques avant sont soudées et le verre protecteur est collé à cette face avant, après quoi le décapage de la face arrière a lieu réduisant l'épaisseur du substrat sur toute la surface de cette face arrière.
Contrairement à la forme de réalisation représentée à la figure, le substrat 1 n'est pas pourvu de cavités mais est sur toute sa surface plus mince.
Après ce décapage, la métallisation de la face arrière est réalisée par une technique n'exigeant pas de traitement thermique à une température supérieure à 250 C, par exemple une technique dite de"sputtering".
Dans les deux formes de réalisation, une cellule solaire légère est obtenue de manière facile.
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Ces formes de réalisation sont également applicables à des cellules dans lesquelles le substrat, au lieu d'être en germanium, est en arséniure de gallium.
Il est évident que les couches minces en arséniure de gallium peuvent être remplacées par ou combinées avec une ou plusieurs couches d'autres matières crystallines semi-conductrices, comme par exemple une ou plusieurs couches de AlGaAs ou de InGaP.
Il est évident que l'invention n'est nullement limitée aux formes de réalisation décrites ci-devant et que bien des modifications peuvent y être apportées sans sortir du cadre de l'invention telle que définie dans les revendications suivantes.
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Method for treating the rear face of a photovoltaic solar cell.
The invention relates to a method for treating the rear face of a photovoltaic solar cell comprising a germanium (Ge) or gallium arsenide (GaAs) substrate covered at the front with a semiconductor crystalline material, this treatment including stripping removing material from the substrate.
Germanium or gallium arsenide substrates covered with a structure of several layers of gallium arsenide (GaAs), aluminum-gallium arsenide (AlGaAs) and possibly indium-gallium phosphide (InGaP) or d Other crystalline semiconductor combinations constitute photovoltaic cells having a high voltaic efficiency and therefore a very good ratio between the electric power and the unit area of the cell.
The deposition of gallium arsenide for example is carried out by thin film techniques, such as chemical vapor deposition (what is called "metal-organic chemical vapor deposition" or MOCVD) or physical vapor deposition (what 'we call "metal-organic physical vapor deposition" or MOPVD).
Such a deposit therefore gives an extremely thin layer and the sum of the thicknesses of the thin layers deposited by MOCVD or MOPVD totals for example 5 to 15 micrometers.
The GaAs or Ge substrate on which these semiconductor layers are deposited constitutes most of the thickness and especially of the mass of the cell.
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Because of the brittleness of the Ge materials and especially GaAs, as well as the number of manipulations required for the production of photovoltaic cells, the thickness of the substrate can range for example from 150 to 180 micrometers in the case of germanium and from 300 to 350 micrometers in the case of GaAs which is somewhat less solid than germanium. GaAs just like Ge having roughly the same specific mass c. i.e. approximately 5.35 gr / cm3, that the thin layers deposited, the aforementioned substrate constitutes more than 85% of the total mass of the cell.
This relatively large mass of the solar cell can be a serious disadvantage in certain applications, in particular in space applications.
However for these space applications, the front face of the solar cells is traditionally covered by a glass for protection against cosmic rays and debris, this glass ensuring a large part of the rigidity of the assembly so that the cell itself can be less solid.
It is already known to lighten the mass of a solar cell by making cavities by pickling its rear face using a liquid chemical agent, c. i.e. wet.
This pickling is relatively difficult, of relative precision and can pose problems for obtaining a sufficient conductivity of the rear face after pickling.
The object of the invention is to remedy the above-mentioned drawbacks and to provide a method for treating the rear face of a photovoltaic solar cell which makes it possible to lighten the mass of this mass in a simple and rapid manner.
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cell and to make it easier to achieve sufficient conductivity of the rear face.
According to the invention this object is achieved by the fact that the pickling of the rear face of the cell is a pickling by ionized gas plasma.
The overall mass of the cell can thus be reduced by 70%. This reduction in mass results in an increase in the ratio between the electrical power and the mass of the cell.
This plasma pickling operation is preferably carried out towards the end of the cell manufacturing cycle, c. i.e. after depositing the aforementioned thin semiconductor layers, metallizing the front face, soldering the electrical contacts on the front face and sticking a protective glass on the front face.
The etching by plasma of the rear face of the cell can leave semiconductor material of the substrate not having sufficient conductivity.
The treatment of the rear face therefore includes metallization to obtain good electrical contact and solid mechanical adhesion.
This metallization of the rear face should normally be followed by a heat treatment called "sintering" at temperatures of the order of 400 C.
However, in the case where a protective glass is glued to the front face of the cell, which is traditional for space applications and necessary to reinforce the
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cell after pickling, the adhesive between the aforementioned protective glass and the cell degrades at the above temperature.
In order to solve this problem in the cells covered by a protective glass, the invention provides that the metallization of the rear face is carried out before the etching and bonding of the glass, this metallization being carried out so as to cover only part , preferably less than 15%, of this face and for example in the form of a grid, only the uncoated surface of the rear face being pickled.
The residual substrate in this case must be as conductive as possible, which can be achieved by very high doping of the substrate.
In another embodiment of the invention, the abovementioned problem is resolved by carrying out the metallization of the rear face after pickling by a technique which does not require heat treatment at a temperature above about 250 ° C., such as for example by the technique called "sputtering".
For clarity, an exemplary embodiment of a method for treating the rear face of a photovoltaic solar cell according to the invention is described below by way of illustration and without limitation, reference being made to the appended drawing which represents d 'schematically and in section a solar cell manufactured by the method according to the invention.
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The solar cell shown in the figure comprises a germanium substrate 1 covered at the front with thin layers 2 of gallium arsenide.
The front face is partially metallized, for example with a silver alloy, and therefore covered by a thin layer of metal 3, for example a layer in the shape of a comb, to which electrical contacts 4 are welded.
A protective glass 5 having for example a thickness of 100 to 500 micrometers is bonded using a layer of adhesive 6 transparent to the front face.
In order to reduce the mass of the photovoltaic solar cell, the substrate 1 is provided at the rear with rectangular cavities 7.
Around these cavities 7 the rear face is also metallized and therefore covered with a layer of metal 8 therefore forming a grid.
The aforementioned cell is manufactured in the traditional way by the deposition by thin film techniques of the above-mentioned layers 2 on the substrate l, followed by the metallization of the front face and the welding of the electrical contacts 4 on the metal layer 3, after what the protective glass 5 is glued.
The cavities 7 in the substrate 1 are produced by pickling by ionic gas plasma.
The rear face of the substrate 1 is metallized so as to cover only a small part of its surface, just like the metallization of the front face of the substrate 1.
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This metallization of the rear face takes place before pickling and before bonding of the protective glass 5 and consists of a metal grid with large openings, this grid covering only less than 20% and preferably less than 10% of the rear surface.
The metallization is followed by a heat treatment as traditionally at 400 C for example.
The formation of the cavities 7 is carried out after the soldering of the front contacts 4, the bonding of the protective glass 5 and the metallization of the rear face of the substrate 1, by etching of the surface not metallically covered on the rear face by a plasma of ionized gases, for example fluorinated gases, which may require masking of the metallized part for example with a photo-sensitive resin to prevent this metallized part from being degraded during pickling.
This pickling must be very directional so that the walls of the cavities 7 formed are vertical. For this reason, pickling with an inductive plasma called "inductively coupled plasma etching System" is preferred compared to pickling with an ionic reactive pickling, called "reactive ion etch system". A device suitable for this inductive pickling is for example placed on the market by the company "Surface Technology Systems Limited" of the United Kingdom under the name "Multiplex ICP".
The bottoms and the walls of the cavities 7 produced by the aforementioned pickling must be electrically conductive. This
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may require that the germanium in the substrate be doped beforehand, for example with antimony, beyond 1018
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3 19 3 atoms / cm3, for example beyond 1019 atoms / cm3 so that the electrical resistance of the rear face is compatible with a high maintenance of the cell efficiency, taking into account that the metal grid not attacked by the plasma occupies only less than 20% of the surface of the rear face.
The germanium removed by pickling can optionally be recovered by evacuating the exhaust gases from the vacuum pump from the pickling device to a washing tower.
In another embodiment, the aforementioned plasma etching is carried out before the metallization of the rear face. Consequently, the germanium substrate is covered in the manner described above by the thin layers of semiconductor, the front face is metallized, the front electrical contacts are welded and the protective glass is bonded to this front face, after which the pickling of the rear face takes place reducing the thickness of the substrate over the entire surface of this rear face.
Unlike the embodiment shown in the figure, the substrate 1 is not provided with cavities but is on its entire surface thinner.
After this pickling, the metallization of the rear face is carried out by a technique which does not require heat treatment at a temperature above 250 ° C., for example a technique called "sputtering".
In both embodiments, a light solar cell is easily obtained.
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These embodiments are also applicable to cells in which the substrate, instead of being made of germanium, is made of gallium arsenide.
It is obvious that the thin layers of gallium arsenide can be replaced by or combined with one or more layers of other semiconductor crystalline materials, such as for example one or more layers of AlGaAs or InGaP.
It is obvious that the invention is in no way limited to the embodiments described above and that many modifications can be made without departing from the scope of the invention as defined in the following claims.