CH636227A5

CH636227A5 - Procede de fabrication d'une cellule photovoltaique possedant un revetement anti-reflechissant.

Info

Publication number: CH636227A5
Application number: CH239880A
Authority: CH
Inventors: Joseph Lindmayer
Original assignee: Solarex Corp
Priority date: 1979-03-28
Filing date: 1980-03-27
Publication date: 1983-05-13
Also published as: ES8106982A1; US4240842A; FR2452793A1; ES489992A0; DE3011285A1; BE882469A; FR2452793B1; IT8020972A0; IT1130575B; ES497700A0; GB2051876A; GB2051876B; ES8104641A1; NL8001784A

Description

La présente invention concerne de façon générale des cellules photovoltaïques possédant des contacts électriques sur leurs surfaces frontale et arrière ainsi qu'un revêtement antiréfléchissant sur la surface frontale de la cellule recevant la lumière. Plus particulièrement, elle concerne une cellule et son procédé de fabrication dans lequel une grille, ou un autre modèle de contact, est formée sur la surface frontale d'ime cellule qui porte également un revêtement anti-réfléchissant pour accroître la concentration de la lumière absorbée par la cellule plutôt que réfléchie depuis celle-ci.

Dans la demande de brevet français antérieure de la déposante n° 80 00872 on a décrit des cellules photovoltaïques qui sont d'un type général bien connu. Dans ces cellules, un matériau de support, par exemple du silicium monocristallin, est dopé par une impureté appropriée pour conférer à la plaquette dopée des caractéristiques p ou n. Ensuite une impureté dont le type de conductivité est opposé à celui de l'agent dopant est diffusée ou appliquée d'une autre manière à la plaquette dopée 5 pour former une jonction photovoltaïque p-n sur, ou à proximité immédiate de, la surface frontale de la plaquette recevant la lumière. Lorsque l'énergie lumineuse frappe la surface frontale de réception de lumière de la cellule, des paires électron-trou sont excitées dans le silicium. Du fait de la présence de la lc jonction p-n, terme qui est utilisé pour désigner à la fois des jonctions p-n et n-p, les électrons sont dirigés vers l'une ou l'autre des surfaces principales de la cellule et les trous vers l'autre surface principale. Dans ime cellule n-p caractéristique les électrons sont dirigés vers la surface frontale recevant la 15 lumière de la cellule et les trous vers la surface arrière. Pour faire fonctionner la cellule, il est généralement nécessaire d'appliquer des contacts électriques à la fois à la surface frontale et à la surface arrière de la cellule de sorte que les électrons excités par l'impact de la lumière sur le silicium ou un autre matériau de 20 support soient conduits à l'écart de la cellule et, après avoir permis l'opération voulue, sont ramenés à la cellule pour fermer le circuit.

De nombreux problèmes associés à l'application d'une grille électriquement conductrice à la surface d'une cellule photovol-25 taïque ont été atténués grâce à l'invention décrite et revendiquée dans la demande antérieure mentionnée ci-dessus. Dans cette demande on a décrit un procédé dans lequel un contact est appliqué à la surface d'une cellule photovoltaïque en formant des particules d'un matériau électriquement conducteur, géné-30 ralement un métal, à une température supérieure à la température d'alliage du matériau et du silicium, lorsque l'on utilise du silicium comme matériau de support de la cellule. Les particules sont ensuite projetées sur une surface de la cellule à une distance telle que ces particules prennent contact avec la surface à 35 une température à laquelle elles sont adhérisées au silicium ou à un autre matériau constituant la cellule. De préférence le contact électrique entre le silicium et le matériau de contact est réalisé sans alliage profond lorsque le contact est appliqué à la surface frontale de la cellule. Un véritable alliage peut avoir 40 lieu. Toutefois, l'utilisation du terme alliage n'est pas limitée à une définition technique stricte de ce terme mais inclut également une adhérisation à des températures quelque peu inférieures, type d'adhérisation pouvant être mieux désigné par le terme de frittage. De telles méthodes de projection, telles que la 45 projection par chalumeau, à l'arc ou au plasma, sont devenues habituelles. Ces trois procédés présentent en commun le fait que des particules fines, des atomes ou des ions d'un matériau métallique tel que l'aluminium sont dirigés vers la surface de travail, dans ce cas la surface d'une cellule solaire. En conséquence, 50 dans le cadre de la présente invention ces trois procédés de projection seront utilisés indifféremment.

Bien que la demande antérieure citée évite certains problèmes liés à l'application de contacts, il reste que cette demande ne concerne pas spécifiquement les problèmes inhérents 55 à l'application de contacts électriques à des cellules solaires qui possèdent un revêtement anti-réfléchissant appliqué en conjonction avec l'application de contacts électriques. En ce qui concerne l'application d'un revêtement anti-réfléchissant à une cellule solaire, on peut se référer aux demandes de brevet U.S. 60 n° 740 670 du 10 Novembre 1976 et n° 838 093 du 30 Septembre 1977. Cette dernière demande, ainsi que par exemple les brevets U.S. n° 3 533 850 et n° 3 922 744 concernent l'application de tels revêtements anti-réfléchissants à des cellules. En particulier dans les deux demandes précitées, on a décrit un 65 nouveau procédé pour former un revêtement anti-réfléchissant constitué d'une couche de Ta205 sur une cellule.

Comme cela est bien connu, lorsque de la lumière pénètre dans une cellule photovoltaïque, l'indice de réfraction d'une pia-

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quette de silicium -lorsque la cellule est constituée de silicium -est d'approximativement 4,0. Lorsque la lumière pénètre dans la plaquette de silicium depuis l'air, elle vient d'un milieu dont l'indice de réfraction est de 1. En conséquence, du fait des différences entre les indices de réfraction, un pourcentage substantiel 5 de la lumière est réfléchi à l'écart de la cellule plutôt que d'être absorbé par elle. Il est bien connu que certains matériaux, lorsqu'ils sont appliqués comme revêtement sur une cellule solaire et en particulier sur la surface frontale recevant la lumière de cette cellule, fournissent l'indice de réfraction nécessaire pour 10 réduire la réflexion tout en n'affectant pas en même temps de manière néfaste le fonctionnement de la cellule solaire. Il est bien connu que l'indice de réfraction d'un revêtement anti-réflé-chissant optimal pour réduire la réflexion est de préférence supérieur à 2 pour des cellules au silicium. Bien que l'on puisse 15 utiliser pour des revêtements anti-réfléchissants le dioxyde de titane, l'oxyde de tantale, l'oxyde de cérium, l'oxyde de nio-bium, le sulfure de zinc et l'oxyde d'étain, on estime que le matériau préféré pour former un revêtement anti-réfléchissant est l'oxyde de tantale. Dans le cadre de la présente invention, on 20 pense que le choix du revêtement anti-réfléchissant n'a pas une importance critique bien que les essais aient été effectués essentiellement avec de l'oxyde de tantale.

Dans tous les cas, il existe plusieurs problèmes liés à l'application de contacts à une cellule, en particulier à la surface fron- 25 tale de la cellule en conjonction avec l'application d'un revêtement anti-réfléchissant à cette surface de réception de lumière. Ainsi, un procédé conventionnel d'application d'une couche de tantale ou de pentoxyde de tantale à la surface de réception de lumière d'une cellule photovoltaïque consiste à déposer soit du 30 pentoxyde de tantale, soit du tantale pur, soit comme décrit dans les demandes antérieures, un mélange des deux, sur la surface de la cellule par évaporation de faisceaux d'électrons. Cependant, tout procédé de dépôt d'un matériau qui nécessite un fonctionnement sous vide ne se prête pas à un fonctionnement dans 35 une installation en continu, et cela, rien que du fait que le dépôt sous vide nécessite que des groupes de cellules soient placés dans une chambre à vide. Dans cette chambre, un certain temps est nécessaire pour réaliser le vide, provoquer le dépôt, puis supprimer le vide et retirer le groupe de cellules de la chambre. 40 Toute étape de dépôt sous vide dans un procédé de fabrication de cellules photovoltaïques est par conséquent très désavantageuse en ce qui concerne la production de cellules photovoltaïques relativement peu coûteuses.

L'objet de la demande de brevet français antérieure n° 45 80 00872 est d'éviter une étape de dépôt sous vide lors de la formation de contacts électriques sur, entre autres, la surface frontale de la cellule. Du fait qu'un tel dépôt sous vide est également un moyen normal d'application de pentoxyde de tantale, ou d'autres revêtements anti-réfléchissants à cette surface fron- 50 tale, il serait également hautement souhaitable d'éviter d'avoir à utiliser une telle étape de dépôt sous vide lors de la formation de ce revêtement. Bien qu'il existe d'autres procédés connus pour appliquer le revêtement anti-réfléchissant, ou qu'il existe tout , au moins des procédés paraissant utilisables, par exemple le 55 revêtement par centrifugation pulvérisation par buse fine, sérigraphie et analogues, tous ces procédés d'application nécessitent une surface propre, relativement lisse, sur laquelle le revêtement anti-réfléchissant doit adhérer. En conséquence bien que par exemple la centrifugation d'un revêtement soit une manière 60 hautement souhaitable d'appliquer un revêtement anti-réflé-chissant à une cellule solaire, lorsqu'on met en œuvre ce procédé sur une cellule qui porte déjà des contacts électriques, des problèmes surviennent du fait que la surface à revêtir est interrompue par les contacts en saillie. Puis, après l'application d'un 65 revêtement anti-réfléchissant à la cellule, le revêtement doit être chauffé à des températures relativement élevées, par exemple de 400 °C jusqu'à 800 °C pour obtenir une oxydation complète du tantale dans les solutions de revêtement. A de telles températures élevées, les contacts métalliques qui sont déjà adhérisés ou alliés au silicium, ont tendance à subir des changements qui peuvent provoquer une diminution de l'efficacité de la cellule, peut-être due à l'endommagement de la jonction p-n.

En outre, on a noté, lorsque des contacts électriques, par exemple en aluminium, sont appliqués sous forme de réseau ou grille de manière normale à la surface de réception de lumière d'une cellule solaire, même en mettant en œuvre la projection à l'arc ou au chalumeau de la demande de brevet français antérieure n° 80 00872, que l'on assure un courant inverse dans la diode avec une tendance concomitante à l'abaissement de la tension photovoltaïque. Des zones de la cellule solaire couvertes par les contacts électriques tendent à avoir des courants inverses plus élevés et il apparaît avantageux de minimiser la zone de contact, par exemple en réalisant des contacts ponctuels repartis entre le métal et le matériau semi-conducteur. De cette manière, on réduit le courant inverse mais la conductivité électrique n'est pas sensiblement affectée.

En conséquence, la présente invention a notamment pour but de permettre la fabrication d'une cellule solaire par un procédé selon lequel l'application des contacts électriques à la surface de la cellule solaire est effectuée sans nécessiter une opération de dépôt sous vide.

Le procédé selon l'invention présente les caractéristiques spécifiées dans la revendication 1.

De préférence, le revêtement anti-réfléchissant qui recouvre la surface de réception de lumière de la cellule est appliqué autrement que par dépôt sous vide.

De préférence, la température et la distance de projection sont choisies de façon que les particules qui traversent le revêtement anti-réfléchissant puis prennent contact avec la surface de la cellule forment des contacts ponctuels avec le silicium

Lorsque la surface sur laquelle doivent être appliqués à la fois le revêtement anti-réfléchissant et les contacts électriques sous la forme d'une grille ou d'un réseau est la surface frontale de la cellule, la température à laquelle les particules sont appliquées à la cellule est telle que la jonction p-n sousjacente ne soit pas sensiblement endommagée. Egalement dans ce cas, on utilise des moyens de masquage pour amener les particules à se déposer sur le revêtement selon un modèle de grille. Un moyen de masquage particulièrement avantageux est utilisé en appliquant une peinture ou une encre aux parties du revêtement antiréfléchissant qui ne sont pas en contact avec les particules chaudes du matériau de contact. Dans ce mode de réalisation, qui, en fait, est un masquage négatif, le matériau de contact est appliqué aux portions non peintes du revêtement anti-réfléchissant puis pénètre dans le revêtement jusqu'à ce que les particules viennent en contact avec la surface frontale de la cellule. En ce qui concerne l'application du revêtement anti-réfléchis-sant, il est préférable que ce revêtement soit appliqué par centrifugation après quoi le revêtement est chauffé pour retirer le solvant du revêtement puis est chauffé pour fixer le revêtement anti-réfléchissant sur la surface de la cellule et compléter son oxydation.

La cellule photovoltaïque ainsi produite possède une surface frontale recevant la lumière et un revêtement anti-réfléchissant recouvrant cette surface en adhérant à elle. De préférence, le revêtement anti-réfléchissant est constitué de pentoxyde de tantale. De préférence le matériau métallique qui traverse le revêtement anti-réfléchissant et prend contact avec la surface de réception de lumière de la cellule forme une grille ou un réseau. Dans cette structure, les contacts électriques ne sont, de préférence, pas couverts par le revêtement anti-réfléchissant sur la partie s'étendant vers le haut des contacts qui sont exposés. On a ainsi produit une cellule dans laquelle le courant inverse a été minimisé et dans laquelle l'application à la fois du revêtement

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anti-réfléchissant et des contacts électriques a été effectuée au- 3. Comme on peut le voir le revêtement 13 possède maintenant trement que dans une chambre à vide. un corps de matériau de contact appliqué à lui, le matériau de

Les avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront contact étant à titre uniquement d'illustration, sous la forme de à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation doigts allongés dont chacun se termine à une barre collectrice en se référant au dessin annexé dans lequel: 516. De cette manière, un contact électrique a été allié ou au la figure 1 est une vue en perspective d'une plaquette de moins adhérisé à la surface frontale de la cellule solaire, cette silicium auquel on a appliqué un revêtement anti-réfléchissant, surface portant un revêtement anti-réfléchissant 13. L'encre ou la figure 2 est une vue en perspective partiellement arrachée peinture utilisée pour réaliser le moyen de masquage était le de la plaquette de la figure 1 à laquelle on a appliqué un moyen produit connu sous la dénomination «Womow Plating Resist» de masquage, io n° PR-1000 commercialisé par Wornow Products, City of In-

la figure 3 représente la plaquette de la figure 2 avec un dustry, CA. L'équipement de projection à l'arc utilisé est com-

contact électriquement conducteur appliqué aux zones de la fi- mercialisé par Taf a Thermal Spray Equipment, de Bow, N.H.. gure 2 qui n'ont pas été peintes, la peinture ayant été enlevée, et Le pistolet est du modèle 375 EFS, la commande est du modèle la figure 4 est une vue en coupe selon IV-IV de la figure 3 47-51, l'alimentation en énergie est du modèle 30-8A. L'opé-représentant schématiquement une cellule selon l'invention. 15 ration a été effectuée à une pression d'air de 6,3 kg/cm2 à 38

En se référant au dessin et en particulier à la figure 1, on voit volts et 25 ampères. La projection a été effectuée en jets d'une une plaquette de silicium conçue pour présenter des contacts sur demi-seconde, 20 à 30 jets étant nécessaires. Le pistolet a été sa surface frontale. La plaquette possède un corps de silicium 11 maintenu à une distance d'environ 40 à 50 centimètres de la dans lequel on a formé une jonction p-n (non représentée). A la cellule pendant la projection à l'arc.

surface frontale de réception de lumière 12 de la plaquette 10, 20 Les détails de la structure de ce qui constitue maintenant on a appliqué une couche d'un revêtement anti-réfléchissant 13 une cellule solaire 17, à l'exception seulement des contacts ar-recouvrant complètement la surface frontale 12. rières et du câblage de connexion pour engendrer de l'électri-

Dans un mode de mise en œuvre préféré de l'invention, le cité, peuvent être le mieux vus dans la figure 4. Comme on le revêtement anti-réfléchissant est mis en place par centrifugation voit, la cellule 17 est constituée d'un corps de silicium 11 dopé sur la surface de la cellule en déposant quelques gouttes de 2s de manière telle qu'une jonction p-n 18 a été formée à proxi-liquide sur un mandrin de centrifugeuse que l'on fait ensuite mité de la surface frontale 12 du corps. Du fait que la figure 4 tourner à une vitesse d'environ 3 000 à 4 000 tours/minute. est une vue en coupe longitudinale à travers l'un des doigts Cette opération laisse un revêtement unfirome de matériau sur électriquement conducteurs 15 et à travers la barre de contact la surface de la cellule. La solution particulière de revêtement 16, un doigt 15 et une barre de contact 16 sont indiqués dans anti-réfléchissant que l'on utilise actuellement sur le mandrin de 30 leurs proportions respectives dans la figure 4 bien que la ligne de centrifugeuse est un produit vendu par «Allied Chemical Corp.» démarcation entre eux soit simplement schématisée en traits sous la référence TA-151. Ce revêtement est cuit pendant envi- interrompus en 19. Comme on le voit dans la figure 4, le doigt ron 15 secondes à environ 90 °C pour sécher le solvant dans le 15 et la barre collectrice 16 traversent à certains emplacements, produit commercial, puis chauffé à environ 450 °C pendant 60 la couche de matériau de revêtement anti-réfléchissant 13 de secondes pour transformer le tantale du produit commercial en 35 manière à former des contacts ponctuels discontinus 20 qui sont pentoxyde de tantale et faire fortement adhérer la composition en contact électrique avec la surface frontale 12 du corps de anti-réfléchissante à la surface de la plaquette. L'épaisseur opti- silicium 11.

maie du revêtement anti-réfléchissant utilisant du TA-151, qui est une solution contenant du tantale était de 600Â c'est-à-dire Comme indiqué précédemment le processus de projection,

un quart de la longueur d'ondes choisie. Trois applications par 40 au cours duquel les doigts 15 et la barre collectrice 16 sont centrifugation de TA-151 liquide ont été nécessaires pour obte- appliqués à la surface anti-réfléchissante de la cellule, est plus nir cette épaisseur. Bien qu'il soit possible de projeter ou même complètement décrit dans la demande de brevet français anté-d'appliquer par sérigraphie le revêtement anti-réfléchissant sur rieure n° 80 00872. Bien que l'aluminium, comme indiqué pré-la cellule, une centrifugation constitue le mode de mise en cédemment, soit le matériau préféré on peut également utiliser

œuvre préféré lorsque, comme dans ce cas, le revêtement est 45 d'autres matériaux à condition qu'ils soient électriquement con-facilement appliqué par centrifugation sur la surface frontale 12 ducteurs. Le canon dont sortent les particules de métal fondu du corps de silicium 11, cette surface étant sensiblement propre doit être suffisamment proche de la plaquette et dè son revête-et ininterrompue, par exemple par des contacts. ment anti-réfléchissant pour que, en fonction du matériel utilisé,

Afin de former ime grille ou un réseau qui comprend le de la température à laquelle le matériau réfléchissant, le résultat contact électrique frontal de la cellule, on peut utiliser de nom- so illustré à la figure 4 du dessin soit atteint.

breux types de masques, par exemple des caches de masquage ou des moyens photolithographiques. Dans le cas présent, on a D'autres détails de réalisation sont décrits dans la demande de préférence utilisé un processus de sérigraphie négative, dans de brevet français antérieure n° 80 00872. Toutefois, il est clair lequel la peinture ou l'encre a été appliquée au revêtement anti- que les matériaux autres que l'aluminium peuvent être utilisés réfléchissant 13 à travers une trame pour former les zones qui ne 55 pour former les contacts électriques, et que des moyens de mas-devaient pas être couvertes par le contact. Comme représenté quage autres que de la peinture peuvent être utilisés. Cependant dans la figure 2, uniquement à titre d'illustration la peinture a il est important pour l'invention que le matériau de contact été appliquée à la couche de revêtement anti-réfléchissant 13 électriquement conducteur, non seulement adhère au revête-pour former des barreaux en saillie 14 de peinture sur le revête- ment anti-réfléchissant qui recouvre la surface frontale de rément 13. Puis par projection à l'arc, au chalumeau ou au plasma, fio ception de lumière de la cellule, mais qu'il s'étende vers le bas à delà même manière que décrite dans la demande de brevet travers ce revêtement en contact avec le corps de silicium 11 de français antérieure précitée n° 80 00872 un corps de matériau la cellule lui-même. De cette manière, non seulement le maté-de contact électriquement conducteur, de préférence de l'alumi- riau de contact électrique peut être fermement adhérisé à la nium est formé sur les zones de la surface de revêtement anti- cellule, mais il n'est pas couvert par le revêtement anti-réfléchis-réfléchissant 13 non couvertes par la peinture 14. Après refroi- 65 sant et son contact avec le corps de silicium est effectué à des dissement du matériau de contact, la totalité de la plaquette est emplacements espacés, ce qui limite l'amplitude du courant in-plongée dans un solvant de la peinture, dans ce cas de l'acétone, verse. Le revêtement anti-réfléchissant et les contacts frontaux laissant une structure sensiblement telle qu'illustrée à la figure ont été appliqués sans nécessiter de processus de dépôt sous vide

bien que le revêtement anti-réfléchissant puisse être également, dans le cadre de la présente invention, appliqué par un processus de dépôt sous vide.

Le procédé selon l'invention présente en outre l'avantage de permettre de réaliser le revêtement anti-réfléchissant, lorsque le

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revêtement doit être chauffé à des températures relativement élevées pour assurer une oxydation complète du métal de revêtement, de façon telle que l'étape de revêtement soit effectuée avant que le contact électrique ait été appliqué à la surface de la 5 cellule.

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1 feuille dessins

Claims

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REVENDICATIONS

1. Procédé de fabrication d'une cellule photovoltaïque au silicium, caractérisé par le fait que l'on recouvre la surface de réception de lumière de la cellule par un revêtement antiréfléchissant, que l'on forme des particules de matériau métallique à une température supérieure à la température d'alliage dudit matériau et du silicium, et que l'on projette lesdites particules vers ladite surface à une distance telle que ces particules prennent contact avec ledit revêtement, traversent ce revêtement et viennent en contact électrique avec ladite surface.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la surface de réception de lumière de la cellule possède une jonction p-n placée à proximité immédiate en-dessous d'elle et que lesdites particules prennent contact avec ladite surface et se lient à elle à une température à laquelle lesdites particules ne pénètrent pas dans ladite surface à un degré suffisant pour endommager sensiblement ladite jonction p-n.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'on utilise un moyen de masquage pour amener lesdites particules à se déposer sur ledit revêtement selon un modèle occupant une partie mineure de celui-ci.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que lesdits moyens de masquage sont sous la forme d'une peinture appliquée aux parties du revêtement qui ne doivent pas être mises en contact avec lesdites particules.
5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit revêtement anti-réfléchissant est appliqué à ladite surface par contrifugation.
6. Procédé selon la revendication 3, caractérisé par le fait que ledit moyen de masquage est un cache de masquage.
7. Cellule photovoltaïque, obtenue par le procédé selon la revendication 1, possédant une surface frontale conçue pour recevoir la lumière incidente sur elle, un revêtement antiréfléchissant recouvrant une majeure partie de cette surface et adhérant à elle et un contact électrique recouvrant une partie mineure de ladite surface, caractérisée par le fait que ledit contact présente des parties traversant ledit revêtement et en contact électrique avec des parties espacées de la surface de réception de lumière de ladite cellule.
8. Cellule photovoltaïque selon la revendication 7, caractérisée par le fait que ledit contact électrique est constitué de segments linéaires dont l'un au moins présente des parties espacées en contact électrique avec ladite surface de réception de lumière de ladite cellule.
9. Cellule photovoltaïque selon la revendication 8, caractérisée par le fait que ledit contact est exposé aux conditions ambiantes à sa surface supérieure et que ledit revêtement est adjacent à, mais ne recouvre pas ladite surface supérieure.
10. Cellule photovoltaïque selon la revendication 8, caractérisée par le fait que ledit revêtement anti-réfléchissant est constitué de pentoxyde de tantale.