EP1485951A1 - Dispositif photovoltaique multi-jonctions a cellules independantes sans effet d'ombrage et procede de realisation d'un tel dispositif - Google Patents

Dispositif photovoltaique multi-jonctions a cellules independantes sans effet d'ombrage et procede de realisation d'un tel dispositif

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EP1485951A1
EP1485951A1 EP03725294A EP03725294A EP1485951A1 EP 1485951 A1 EP1485951 A1 EP 1485951A1 EP 03725294 A EP03725294 A EP 03725294A EP 03725294 A EP03725294 A EP 03725294A EP 1485951 A1 EP1485951 A1 EP 1485951A1
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EP
European Patent Office
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support substrate
wells
cell
production
cells
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03725294A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Claude Jaussaud
Eric Jalaguier
Pierre Gidon
Marc Pirot
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP1485951A1 publication Critical patent/EP1485951A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/0224—Electrodes
    • H01L31/022408—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/022425—Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for solar cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
    • H01L31/043—Mechanically stacked PV cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the present invention relates to a multi-junction photovoltaic device with independent cells without shading effect and a method for producing such a device.
  • multi-junction cells are produced by stacking layers of materials deposited by epitaxy. These cells being connected in series, the current flowing through them therefore remains the same, which does not allow optimum performance to be obtained. Such an optimum yield, in fact, would be obtained with different currents flowing in the different cells.
  • the use of a growth method by epitaxy imposes, moreover, an agreement of parameter of crystal lattice between the cells, which limits the possibilities of optimizing the forbidden bands of the junctions.
  • a patent application WO 99 52 155 which relates to a semiconductor structure of a photovoltaic component, makes it possible to alleviate this problem.
  • This application describes, in fact, multi-junction cells produced by oxide bonding ("wafer bonding") of two cells.
  • the cells thus stuck are electrically independent. They can have a significant mesh disagreement between them.
  • Contact is made by metallization grids located on either side of each cell.
  • This patent application specifies that the upper and buried metallization grids have the same geometry so as to limit the shading effect to the single upper grid.
  • a multi-junction cell comprises a first cell 10 provided with contacts 11, a second cell 12 provided with contacts 13, and an insulating bonding layer 14 disposed between these two cells 10 and 12.
  • Such an embodiment reduces the shading effect but does not eliminate it. A residual shading effect always limits the efficiency of such cells.
  • the current is 15 A / cm 2
  • the resistance metallization is 6 m ⁇ / square, which, for a metal surface of 10% of the cell surface leads to a resistance of 60 m ⁇ / square and to a voltage drop of 9 mV.
  • Such a voltage remains low if it is compared to the cell voltage of the order of 1 V.
  • the voltage drop is 100 times greater, and comparable to the voltage of the cell. All the power of the cell is thus lost in metallization.
  • the present invention aims to provide a multi-junction photovoltaic device with independent cells and a method for producing such a photovoltaic cell making it possible to eliminate the effects of shading and to facilitate contact resumption.
  • the invention relates to a multi-junction photovoltaic device with independent cells, characterized in that it comprises contact resumption of the cells produced on the front and / or rear face by metallized wells whose sides are isolated from the materials constituting the different layers. semiconductor.
  • the metallized lines for collecting the current coming from the metallized wells and situated on the front face are of triangular section.
  • the metallized wells are made of aluminum. Their sides are isolated from the materials constituting the various semiconductor layers of said device by a deposit of insulating material, such as an oxide or a nitride.
  • the invention also relates to a method for producing a multi-junction photovoltaic device characterized in that it comprises the following steps: - production of all or part of a first cell, - production of all or part of a second cell from a support substrate, this step further comprising the production of an area capable of allowing the withdrawal of the support substrate, - deposition on at least one of the two cells an insulating layer,
  • the method comprises a step of finishing the cells carried out prior to the etching of the wells.
  • a passivation of the sides of the wells is carried out before their isolation.
  • the metallized lines located on the front face of the device are produced so that they have a triangular section. These triangular section lines can be produced by metallic deposition, then lithography and finally etching.
  • the bonding of the two sets can be done by molecular adhesion.
  • the production of the area able to allow the withdrawal of the support substrate consists in the production between the support substrate and the active layers of the cell of a layer for stopping the chemical etching of the support substrate.
  • the withdrawal of the support substrate can be carried out by mechanical abrasion then chemical etching of said support substrate.
  • the production of the zone capable of allowing the withdrawal of the support substrate may consist in the production in the support substrate of a weakened zone capable of allowing the separation of this support substrate.
  • the weakened zone can be produced in the support substrate by ion implantation.
  • the support substrate can be removed by heat treatment and / or application of mechanical forces.
  • the production of the zone capable of allowing the withdrawal of the support substrate consists of the production between the support substrate and the active layers of the cell of a sacrificial layer having a selective dissolution with respect to the support substrate and to these said layers.
  • the withdrawal of the support substrate can be carried out by selective dissolution of the sacrificial layer.
  • the device of the invention can in particular be used in concentration cells.
  • FIG. 1 illustrates an assembly of multi-junction cells of the known art.
  • FIG. 2 illustrates the multi-junction photovoltaic device according to the invention.
  • FIG. 3 illustrates an advantageous characteristic of the device of the invention.
  • FIGS. 4A to 4E illustrate the steps of a first embodiment of a method for producing tips
  • FIGS. 5A to 5G illustrate the steps of a second embodiment of a method for producing tips
  • FIGS. 6A to 6E illustrate an example of a method for producing a cell of the device of the invention.
  • FIGS. 7A to 7D illustrate an alternative embodiment of the method of the invention.
  • the multi-junction photovoltaic device of the invention comprises multi-junction cells independent from a physical point of view (their mesh parameter can be very different) and electric, here four cells 20, 21, 22 and 23 separated from each other by insulating layers 26, 27 and 28, some of whose contacts are reported in front face, which receives the light, the others being transferred to the rear face by metallized wells 24.
  • Each of these cells 20, 21, 22 and 23 comprises several semiconductor layers, here three layers.
  • These wells 24 can have a small section without creating a large series resistance, because their length is short.
  • these wells 24 have a depth of between 5 to 20 micrometers, which depends on the number and thickness of the layers forming the device of the invention, and a section of approximately 10 ⁇ 10 square micrometers.
  • These wells 24 are dug by etching. Their sides are isolated from the semiconductor materials constituting the different layers by deposits of insulating material 25, such as oxides or nitrides.
  • a passivation treatment of the surfaces can be carried out before the deposition of such insulating materials.
  • the metallized lines allowing the collection of the current coming from these metallized wells 24 can advantageously have a triangular section 29 on the front face of the device of the invention, as illustrated in FIG. 3. Such a feature eliminates the shading effects due to metallization on this face.
  • a 10 mm 2 cell has approximately 6000 pads. 6% of the surface is thus covered by studs.
  • a layer of resin is deposited on a semiconductor substrate, and a lithography of this layer of resin is carried out. Then, in the form of trapezoidal metal studs having a determined slope, a wet etching step is used to form the tip of these metal studs. The resin layer can then be removed.
  • this method comprises a step of depositing a full plate with a layer of metal, for example of aluminum, and a layer of resin.
  • a layer of metal for example of aluminum
  • a layer of resin for example around 20 micrometers.
  • the resin is then exposed using techniques well known to those skilled in the art. After lithography, with a suitable light profile, trapezoidal or pointed resin studs are obtained, the slope of which is precisely defined above the places where the metal tracks must be located.
  • a dry etching step is then carried out through such a resin mask. It makes it possible to obtain metal studs with a trapezoidal profile, with very rough sides. Indeed, there is transfer of the slope of each resin pad at the metal pad located below, via a proportionality coefficient which depends on the etching parameters.
  • a chemical etching step with the resin in place makes it possible to smooth the sides of the metal studs and to form the tip of each stud.
  • chemical etching is isotropic: it therefore retains the slope obtained in the metal while smoothing the surface of the stud.
  • wet etching may include one or more steps. For example, in the case of an AlSi deposit, a first wet etching makes it possible to etch the aluminum. It is followed by a second wet etching intended to remove the silicon grains remaining after the first etching.
  • the profile of each metal track is determined, for given dry etching conditions, by the profile of the resin: the slopes of the resin pads and of the metal pads are proportional, with a coefficient which depends on the conditions of dry etching.
  • the resin profile is obtained by controlling the distance between the mask and the plate to be etched: when the mask is in contact with the plate, a vertical resin profile is obtained. When the mask is moved away from the plate, a sloping resin profile is obtained, the profile deviating all the more from the vertical as the mask is more distant. Other parameters are also involved such as the sunshine time and the light density used.
  • the smoothing of the sides of the metal studs can then be obtained by chemical etching in a solution of 75% of H 3 P0 4 , 3.5% of HN0 3 , 15% of CH 3 C0 2 H, and 6.5 % of H 2 0.
  • the method of the invention comprises the following steps: a step of depositing a full plate with a layer of a first resin 70 on a semiconductor substrate 71, as illustrated in FIG. 5A,
  • such a process can comprise the following steps:
  • this cell comprising a silicon support substrate 41 lightly doped (for example of type p) and two zones 42 and 43 heavily doped respectively of type n and p in the example considered in order to make the junction and allow the formation of ohmic contacts,
  • a GalnP cell on a support substrate 44, for example in AsGa, formation of a barrier layer 50 in the chemical etching of the support substrate, for example in AlGaAs and epitaxy of the useful layers forming the AlInP cell, then N-doped GalnP, p-doped GalnP and GalnP (layers 45, 46, 47 and 48 respectively), as illustrated in FIG. 6B,
  • Variants are possible for this process in particular in order to allow the reuse of the support substrate 44.
  • a weakened zone is created in the support substrate 44 for example by implantation of hydrogen ions through the support substrate ("smart-cut" process described in US Pat. No. 5,374,564).
  • the support substrate is then separated at the level of this weakened area by heat treatment and / or application of mechanical forces.
  • a third variant consists in using a sacrificial layer produced between the support substrate 44 and the active layers 45 to 48, for example made of AlAs. To separate the support substrate, this layer is subsequently selectively dissolved.
  • a fourth variant which relates to a solution with elimination of an AsGa substrate by dissolution, is illustrated in FIGS. 7A to 7D.
  • an epitaxy of an etching stop layer 61 is carried out, then of a layer 62 serving for the resumption of epitaxy (AsGa), and the deposition of a layer 63 of oxide or nitride.
  • an oxide layer 65 is deposited on a silicon substrate 64.
  • all or part of the technology can be carried out before the bonding of the two substrates, which is illustrated on the Figure 7B.
  • FIG. 7B are illustrated the bonding of the two substrates 60 and 64 via the two oxide layers 63 and 65, and the elimination of the substrate AsGa 60, by chemical dissolution or abrasion + chemical dissolution.
  • FIG. 7C are illustrated the elimination of the stop layer 61, and the epitaxy of four layers 67, 68, 69 and 70 forming the cell (p layers GalnP; GalnP; n GalnP; n AlInP).
  • FIG. 7D is illustrated the implementation of the technology according to the invention for such an AsGa cell 72, with metallized wells 72 whose sides are isolated from semiconductor materials by deposits of insulating material 73, and deposits 74 on areas of doping 75 and 76.
  • the cell Si there is then realization of the technological stages which were not carried out before the bonding of the two substrates.
  • the cell thus produced is lit from the AsGa cell side (light 77).
  • This variant can be carried out with recovery of the substrate, by replacing the barrier layer with a weakened area in the substrate and then separation.
  • stacking junctions can be: • Cell with two junctions.
  • GalnP (gap 1.8 eV)
  • - first semiconductor GalnP
  • - second semiconductor GaAs
  • the device according to the invention therefore makes it possible to overcome the drawbacks of the prior art by allowing a simple contact resumption on the independent multi-junction cells and this, without shading effect of the metallizations.
  • the gain is important. It can be estimated at around 10% additional incident light for a two-cell device whose contacts of the first cell are taken up on the front of the device.

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif photovoltaïque multi-jonctions ô cellules (20, 21, 22, 23) indépendantes, qui comprend des reprises de contact des cellules (20, 21, 22, 23) réalisées en face avant et/ou arrière par des puits métallisés (24) dont les flancs sont isolés des matériaux constituant les différentes couches semi-conductrices. La présente invention concerne également un procédé de réalisation d'un dispositif photovoltaïque multi-jonctions.

Description

DISPOSITIF PHOTOVOLTAÏQUE MULTI-JONCTIONS A CELLULES
INDEPENDANTES SANS EFFET D'OMBRAGE ET PROCEDE DE
REALISATION D'UN TEL DISPOSITIF
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un dispositif photovoltaïque multi-jonctions à cellules indépendantes sans effet d'ombrage et un procédé de réalisation d'un tel dispositif.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
Dans un dispositif photovoltaïque multi- jonctions, les cellules multi-jonctions sont réalisées par empilement de couches de matériaux déposées par épitaxie. Ces cellules étant connectées en série, le courant qui traverse celles-ci reste donc le même, ce qui ne permet pas d'obtenir un optimum de rendement. Un tel optimum de rendement, en effet, serait obtenu avec des courants différents circulant dans les différentes cellules. L'utilisation d'un procédé de croissance par épitaxie impose, de plus, un accord de paramètre de maille cristalline entre les cellules, ce qui limite les possibilités d'optimiser les bandes interdites des jonctions . Une demande de brevet WO 99 52 155, qui concerne une structure à semi-conducteurs de composant photovoltaïque, permet de pallier ce problème. Cette demande décrit, en effet, des cellules multi-jonctions réalisées par collage oxyde ("wafer bonding") de deux cellules. Les cellules ainsi collées sont électriquement indépendantes. Elles peuvent présenter entre elles un désaccord de maille important. La reprise de contact s'effectue par des grilles de métallisation situées de part et d'autre de chaque cellule. Cette demande de brevet précise que les grilles de métallisation supérieures et enterrées ont la même géométrie de manière à limiter l'effet d'ombrage à la seule grille supérieure.
Ainsi, comme illustré sur la figure 1 une cellule multi-jonctions, selon cette demande de brevet WO 99/52151, comprend une première cellule 10 munie de contacts 11, une seconde cellule 12 munie de contacts 13, et une couche de collage isolant 14 disposée entre ces deux cellules 10 et 12. Une telle réalisation réduit l'effet d'ombrage mais ne le supprime pas. Un effet d'ombrage résiduel limite toujours le rendement de telles cellules .
Ce problème relatif à l'existence d'un effet d'ombrage est encore accentué dans le cas de cellules à concentration. En effet, pour de telles cellules, les densités de courant traversant les metallisations sont très importantes. Pour limiter la résistance série, on pourrait augmenter la taille des metallisations mais cela entraînerait des ombrages d'autant plus importants. On doit donc, en général, limiter les surfaces des cellules.
Dans une cellule à concentration de 1 millimètre carré de surface, avec un rendement de conversion de 20%, sous une concentration de 300, par exemple, le courant est de 15 A/cm2, et la résistance des metallisations est de 6 mΩ/carré, ce qui, pour une surface de métal de 10% de la surface de la cellule conduit à une résistance de 60 mΩ/carré et à une chute de tension de 9 mV. Une telle tension reste faible si on la compare à la tension de la cellule de l'ordre de 1 V.
Par contre pour une cellule de 1 centimètre carré, la chute de tension est 100 fois plus grande, et comparable à la tension de la cellule. Toute la puissance de la cellule est ainsi perdue dans la métallisation.
En pratique, une telle difficulté peut être résolue de deux façons différentes.
On peut, d'une part, utiliser des cellules de petite surface, de l'ordre du millimètre carré (cas des cellules sur matériaux III-V) . Un grand nombre de cellules est alors nécessaire pour couvrir une surface donnée. Il en découle un coût d'assemblage important.
On peut, d'autre part, en cas de cellule simple placer les contacts sur la face arrière de la cellule. Ces contacts peuvent donc être très larges, sans créer d'effet d'ombrage. Mais une telle solution n'est pas applicable aux cellules multi-jonctions. En effet, les cellules inférieures subiraient, dans ce cas, les effets d'ombrage des contacts des cellules supérieures .
Par ailleurs, la méthode proposée dans la demande de brevet WO 99 52155 considérée ci-dessus, ne décrit pas comment la reprise de contact s'effectue ensuite sur les grilles enterrées. Or, une telle reprise est difficile à réaliser. La présente invention a pour objectif de proposer un dispositif photovoltaïque multi-jonctions à cellules indépendantes et un procédé de réalisation d'une telle cellule photovoltaïque permettant de supprimer les effets d'ombrage et de faciliter les reprises de contact.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
L'invention concerne un dispositif photovoltaïque multi-jonctions à cellules indépendantes, caractérisé en ce qu'il comprend des reprises de contact des cellules réalisées en face avant et/ou arrière par des puits métallisés dont les flancs sont isolés des matériaux constituant les différentes couches semi-conductrices .
Dans un mode de réalisation avantageux les lignes métallisées de collection du courant issu des puits métallisés et situées en face avant sont de section triangulaire. Avantageusement les puits métallisés sont réalisés en aluminium. Ils ont leurs flancs isolés des matériaux constituant les différentes couches semi- conductrices dudit dispositif par un dépôt de matériau isolant, tel qu'un oxyde ou un nitrure.
L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un dispositif photovoltaïque multi- jonctions caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - réalisation de tout ou partie d'une première cellule, - réalisation de tout ou partie d'une deuxième cellule à partir d'un substrat support, cette étape comportant en outre la réalisation d'une zone apte à permettre le retrait du substrat support, - dépôt sur 1 ' une au moins des deux cellules d'une couche isolante,
- collage des deux ensembles ainsi constitués, une couche isolante séparant ainsi les deux cellules, - retrait du substrat support de la deuxième cellule,
- gravure des puits permettant la reprise de contact en face avant et/ou arrière du dispositif, isolation des flancs des puits, remplissage des puits par dépôt métallique,
- réalisation des lignes métallisées permettant la collection du courant des puits en face avant et/ou arrière du dispositif.
Avantageusement, le procédé comprend une étape de finition des cellules réalisée préalablement à la gravure des puits .
Avantageusement, on réalise une passivation des flancs des puits avant l'isolation de ceux-ci. On réalise les lignes métallisées situées en face avant du dispositif de sorte qu'elles aient une section triangulaire. On peut réaliser ces lignes de section triangulaire par dépôt métallique, puis lithographie et enfin gravure.
Pour réaliser ces lignes de section rectangulaire on peut avoir les étapes suivantes : - une étape de dépôt d'une couche de résine sur un substrat en semi-conducteur,
- une étape de lithographie de cette couche de résine, - une étape de mise en forme de plots de métal trapézoïdaux ayant une pente déterminée,
- une étape de gravure humide permettant de former la pointe de ces plots de métal,
- une étape d'élimination de la couche de résine.
Avantageusement le collage des deux ensembles peut se faire par adhésion moléculaire.
Avantageusement, la réalisation de la zone apte à permettre le retrait du substrat support consiste en la réalisation entre le substrat support et les couches actives de la cellule d'une couche d'arrêt à la gravure chimique du substrat support. Le retrait du substrat support peut s'effectuer par abrasion mécanique puis gravure chimique dudit substrat support. La réalisation de la zone apte à permettre le retrait du substrat support peut consister en la réalisation dans le substrat support d'une zone fragilisée apte à permettre la séparation de ce substrat support. La réalisation dans le substrat support de la zone fragilisée peut s'effectuer par implantation ionique. Le retrait du substrat support peut s'effectuer par traitement thermique et/ou application de forces mécaniques.
Avantageusement, la réalisation de la zone apte à permettre le retrait du substrat support consiste en la réalisation entre le substrat support et les couches actives de la cellule d'une couche sacrificielle présentant une dissolution sélective par rapport au substrat support et à ces dites couches. Le retrait du substrat support peut s'effectuer par dissolution sélective de la couche sacrificielle.
Le dispositif de 1 ' invention peut notamment être utilisé dans des cellules à concentration.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 illustre un assemblage de cellules multi-jonctions de l'art connu.
La figure 2 illustre le dispositif photovoltaïque multi-jonctions selon l'invention.
La figure 3 illustre une caractéristique avantageuse du dispositif de l'invention.
- Les figures 4A à 4E illustrent les étapes d'un premier mode de réalisation d'un procédé de réalisation de pointes,
- Les figures 5A à 5G illustrent les étapes d'un second mode de réalisation d'un procédé de réalisation de pointes,
Les figures 6A à 6E illustrent un exemple de procédé de réalisation d'une cellule du dispositif de 1 ' invention . Les figures 7A à 7D illustrent une variante de réalisation du procédé de l'invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Comme illustré sur la figure 2, le dispositif photovoltaïque multi-jonctions de l'invention comporte des cellules multi-jonctions indépendantes d'un point de vue physique (leur paramètre de maille peut être très différent) et électrique, ici quatre cellules 20, 21, 22 et 23 séparées entre elles par des couches isolantes 26, 27 et 28, dont certains contacts sont reportés en face avant, qui reçoit la lumière, les autres étant reportés en face arrière par des puits métallisés 24. Chacune de ces cellules 20, 21, 22 et 23 comporte plusieurs couches semi-conductrices, ici trois couches. Ces puits 24 peuvent avoir une faible section sans créer une résistance série importante, car leur longueur est faible.
Typiquement, ces puits 24 ont une profondeur comprise entre 5 à 20 micromètres, qui dépend du nombre et de l'épaisseur des couches formant le dispositif de l'invention, et une section d'environ 10X10 micromètres carrés.
Ces puits 24 sont creusés par gravure. Leurs flancs sont isolés des matériaux semi-conducteurs constituant les différentes couches par des dépôts de matériau isolant 25, tels que des oxydes ou des nitrures .
Un traitement de passivation des surfaces peut être réalisé avant le dépôt de tels matériaux isolants.
Les lignes métallisées permettant la collection du courant issu de ces puits métallisés 24 peuvent avantageusement présenter une section triangulaire 29 sur la face avant du dispositif de l'invention, comme illustré sur la figure 3. Une telle caractéristique permet de supprimer les effets d'ombrage dus aux metallisations sur cette face.
Ces pointes ou sections triangulaires 29, du fait de leur forme et du matériau utilisé, typiquement de l'aluminium, permettent de rediriger la lumière incidente 30 vers l'intérieur des cellules.
Les dimensions typiques de telles pointes 31 sont données ci-dessous :
- distance entre les parois correspondantes de deux pointes 31 : p≡50 μm,
- distance entre deux pointes 31 : d=35 μm,
- largeur d'une pointe 31 : 1=15 μm,
- hauteur de chaque pointe 31 : h≡28 μm. Une cellule de 10 mm2 comporte environ 6000 plots. 6% de la surface est ainsi couverte par des plots .
Exemple d'un procédé de réalisation de telles pointes
Dans un procédé de réalisation de telles pointes ou sections triangulaires, on dépose une couche de résine sur un substrat en semi-conducteur, et on réalise une lithographie de cette couche de résine. On met, alors, en forme des plots de métal trapézoïdaux ayant une pente déterminée, une étape de gravure humide permettant de former la pointe de ces plots de métal. La couche de résine peut alors être éliminée.
Dans un premier mode de réalisation, ce procédé comprend une étape de dépôt pleine plaque d'une couche de métal, d'aluminium par exemple, et d'une couche de résine. Les épaisseurs de ces couches sont de l'ordre par exemple de 20 micromètres. La résine est ensuite insolée selon des techniques bien connues de l'homme de métier. On obtient après lithographie, avec un profil de lumière adapté, des plots de résine trapézoïdaux ou pointus dont la pente est précisément définie au-dessus des endroits où doivent se situer les pistes métalliques.
Une étape de gravure sèche est alors réalisée à travers un tel masque de résine. Elle permet d'obtenir des plots en métal de profil trapézoïdal, avec des flancs très rugueux. En effet, il y a transfert de la pente de chaque plot de résine au niveau du plot en métal situé en dessous, via un coefficient de proportionnalité qui dépend des paramètres de gravure.
Une étape de gravure chimique avec la résine en place permet de lisser les flancs des plots de métal et de former la pointe de chaque plot . En effet, la gravure chimique est isotrope : elle conserve donc la pente obtenue dans le métal tout en lissant la surface du plot . Selon la nature du métal déposé la gravure humide peut comporter une ou plusieurs étapes. Par exemple dans le cas d'un dépôt d'AlSi, une première gravure humide permet de graver l'aluminium. Elle est suivie d'une deuxième gravure humide destinée à éliminer les grains de silicium restant après la première gravure .
Les restes de résine peuvent ensuite être éliminés par les techniques classiques, bien connues de l'homme de métier. Ainsi, comme illustré sur les figures 4A à 4E, ce procédé comprend donc, plus précisément :
- une étape de dépôts pleine plaque d'une couche de métal 60 et d'une couche de résine 61 sur un substrat en semi-conducteur 62, comme illustré sur la figure 4A,
- une étape de lithographie de la couche de résine 61 qui permet d'obtenir, comme illustré sur la figure 4B, des plots de résine pointus 63 de pente α, ou encore des plots trapézoïdaux de pente α,
- une étape de gravure sèche réalisée à travers le masque de résine ainsi formé qui permet d'obtenir des plots de métal 64 de forme trapézoïdale de pente αa avec des flancs rugueux, situés sous les plots de résine, comme illustré sur la figure 4C,
- une étape de gravure humide qui permet de lisser les flancs des plots de métal 64 et de former la pointe de ceux-ci, tout en conservant la pente αa imposée lors de la gravure sèche, comme illustré sur la figure 4D,
- une étape d'élimination de la résine qui permet d'obtenir le résultat désiré, comme illustré sur la figure 4E.
Après l'étape de gravure humide, on peut obtenir des pistes métalliques ayant comme illustré sur la figure 4D environ les dimensions, hauteur h, période p, 1 largeur : h = 22 μm 1 = 12 μm p = 35 μm Le profil de chaque piste métallique est déterminé, pour des conditions de gravure sèche données, par le profil de la résine : les pentes des plots de résine et des plots de métal sont proportionnelles, avec un coefficient qui dépend des conditions de gravure sèche.
Par exemple, avec une pente dans la couche de résine de 56° et une gravure par un mélange de C12, BC13 et N2 sous une pression de 200 mTorr et une puissance de 200 W, on obtient pour des pistes métalliques en aluminium des plots ayant une pente de 70° à 75°.
Le profil de la résine est obtenu en contrôlant la distance entre le masque et la plaque à graver : lorsque le masque est en contact avec la plaque, on obtient un profil de résine vertical. Lorsqu'on éloigne le masque de la plaque, on obtient un profil de résine en pente, le profil s ' écartant d'autant plus de la verticale que le masque est plus éloigné. D'autres paramètres interviennent également comme le temps d'insolation et la densité lumineuse utilisée.
Le lissage des flancs des plots de métal peut, alors, être obtenu par gravure chimique dans une solution de 75% de H3P04, 3,5% de HN03, 15% de CH3C02H, et 6,5% de H20.
Dans un second mode de réalisation, comme illustré sur les figures 5A à 5G, le procédé de l'invention comprend les étapes suivantes : - une étape de dépôt pleine plaque d'une couche d'une première résine 70 sur un substrat en semi-conducteur 71, comme illustré sur la figure 5A,
- une étape d'insolation et de développement de cette couche d'une première résine pour former un moule 72 pour un dépôt métallique ultérieur, comme illustré sur la figure 5B. La pente de ce moule dans cette première résine est obtenue par lithographie avec un profil de lumière de forme adéquate, en utilisant une résine négative,
- une étape de dépôt de métal, du cuivre par exemple, par électrolyse, le métal remplissant le moule 72 formé précédemment par la première résine, en formant des plots métalliques trapézoïdaux 73, comme illustré sur la figure 5C,
- une étape de dépôt d'une seconde résine 74 et de lithographie pour que cette seconde résine recouvre le haut des plots métalliques trapézoïdaux, comme illustré sur la figure 5D (la pente de ces plots étant donc parfaitement contrôlée car imposée par la pente du moule) ,
- une étape de retrait de la première résine, comme illustré sur la figure 5E,
- une étape de gravure humide des plots en métal 73 permettant de former la pointe de ceux-ci, comme illustré sur la figure 5F,
- une étape de retrait de la seconde résine, comme illustré sur la figure 5G. Exemple d'un procédé de réalisation d'une cellule
Dans un exemple d'empilement GalnP
(gap 1,7 ev) /Si (gap 1,1 ev) permettant un rendement de conversion potentiel de 43%, comme illustré sur les figures 6A à 6E, un tel procédé peut comprendre les étapes suivantes :
- réalisation d'une cellule silicium (sauf métal) comme illustré sur la figure 6A, cette cellule comportant un substrat support silicium 41 faiblement dopé (par exemple de type p) et deux zones 42 et 43 fortement dopées respectivement de type n et p dans l'exemple considéré afin de réaliser la jonction et permettre la formation de contacts ohmiques,
- réalisation d'une cellule GalnP : sur un substrat support 44 par exemple en AsGa, formation d'une couche d'arrêt 50 à la gravure chimique du substrat support, par exemple en AlGaAs et épitaxie des couches utiles formant la cellule AlInP, puis GalnP dopé n, GalnP et GalnP dopé p (respectivement couches 45, 46, 47 et 48), comme illustré sur la figure 6B,
- dépôt d'une couche d'oxyde sur au moins une des deux cellules, formant dans l'exemple considéré la couche 49 de la deuxième cellule,
- collage des deux ensembles ainsi constitués par les techniques classiques de collage, par adhésion moléculaire par exemple. La couche isolante sépare ainsi les deux cellules,
- retrait du substrat support 44 par exemple par abrasion mécanique puis chimique avec arrêt de la gravure chimique sur la couche d'arrêt. On obtient ainsi la structure illustrée sur la figure 6C, - formation des contacts : gravure des puits, passivation et isolation électrique des flancs des puits (dépôts 52) , remplissage des puits par dépôt métallique (typiquement en aluminium) , par exemple un dépôt CVD 51 ("Chemical Vapor Déposition"), comme illustré sur la figure 6D,
- réalisation des metallisations de collection du courant de section triangulaire 53 sur la face avant : dépôt d'aluminium par pulvérisation, lithographie, gravure aluminium par voie sèche (gaz chlorés : BC13, C12 ; gaz neutre : argon), comme illustré sur la figure 6E.
Des variantes sont possibles pour ce procédé en particulier afin de permettre la réutilisation du substrat support 44. Au lieu d'une couche d'arrêt, on crée dans le substrat support 44 une zone fragilisée par exemple par implantation d'ions hydrogène à travers le substrat support (procédé "smart-cut" décrit dans le brevet américain US 5 374 564) . Après formation des couches actives de la cellule, et collage sur la première cellule, on sépare ensuite le substrat support au niveau de cette zone fragilisée par traitement thermique et/ou application de forces mécaniques. Une troisième variante consiste à utiliser une couche sacrificielle réalisée entre le substrat support 44 et les couches actives 45 à 48 par exemple en AlAs . Pour séparer le substrat support, cette couche est par la suite sélectivement dissoute. Une quatrième variante, qui concerne une solution avec élimination d'un substrat AsGa par dissolution, est illustrée sur les figures 7A à 7D.
Comme illustré sur la figure 7A, sur le substrat AsGa 60 sont réalisés une épitaxie d'une couche d'arrêt à la gravure 61, puis d'une couche 62 servant à la reprise d' épitaxie (AsGa), et le dépôt d'une couche 63 d'oxyde ou de nitrure . D'autre part, sur un substrat en silicium 64 est réalisé le dépôt d'une couche d'oxyde 65. Pour cette cellule Si, tout ou partie de la technologie peut être réalisée avant le collage des deux substrats, qui est illustré sur la figure 7B.
Sur cette figure 7B sont illustrés le collage des deux substrats 60 et 64 par l'intermédiaire des deux couches d'oxyde 63 et 65, et l'élimination du substrat AsGa 60, par dissolution chimique ou abrasion + dissolution chimique.
Sur la figure 7C sont illustrées l'élimination de la couche d'arrêt 61, et l' épitaxie de quatre couches 67, 68, 69 et 70 formant la cellule (couches p GalnP ; GalnP ; n GalnP ; n AlInP) .
Sur la figure 7D est illustrée la réalisation de la technologie selon 1 ' invention pour une telle cellule AsGa 72, avec des puits métallisés 72 dont les flancs sont isolés des matériaux semiconducteurs par des dépôts de matériau isolant 73, et des dépôts 74 sur des zones de dopage 75 et 76. Pour la cellule Si, il y a alors réalisation des étapes technologiques qui n'ont pas été réalisées avant le collage des deux substrats. La cellule ainsi réalisée est éclairée du côté cellule AsGa (lumière 77) .
Cette variante peut être réalisée avec récupération du substrat, en remplaçant la couche d'arrêt par une zone fragilisée dans le substrat puis séparation.
Des exemples d'empilement de jonctions peuvent être les suivants : • Cellule à deux jonctions.
- premier semi-conducteur : GalnP (gap 1,8 eV) ,
- second semi-conducteur : silicium (1,1 eV) . • Cellule à quatre jonctions.
- premier semi-conducteur : GalnP, - second semi-conducteur : GaAs,
- troisième semi-conducteur : silicium,
- quatrième semi-conducteur : GalnAs.
Le dispositif selon l'invention permet donc de pallier les inconvénients de l'art antérieur en permettant une reprise de contact simple sur les cellules multi-jonctions indépendantes et ce, sans effet d'ombrage des metallisations. Le gain est important. On peut le chiffrer à environ 10% de lumière incidente supplémentaire pour un dispositif à deux cellules dont les contacts de la première cellule sont repris en face avant du dispositif.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif photovoltaïque multi- jonctions à cellules (20, 21, 22, 23) indépendantes, caractérisé en ce qu'il comprend des reprises de contact des cellules réalisées en face avant et/ou arrière par des puits métallisés (24) dont les flancs sont isolés des matériaux constituant les différentes couches semi-conductrices.
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les lignes métallisées de collection du courant issu des puits métallisés et situées en face avant sont de section triangulaire (29) .
3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les puits métallisés (24) sont réalisés en aluminium.
4. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les puits métallisés (24) ont leurs flancs isolés des matériaux constituant les différentes couches semi-conductrices dudit dispositif par un dépôt de matériau isolant (25) .
5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel ce matériau isolant est un oxyde ou un nitrure.
6. Procédé de réalisation d'un dispositif photovoltaïque multi-jonctions, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
- réalisation de tout ou partie d'une première cellule (41,42,43),
- réalisation de tout ou partie d'une deuxième cellule à partir d'un substrat support (44), cette étape comportant en outre la réalisation d'une zone apte à permettre le retrait du substrat support (44),
- dépôt sur l'une au moins des deux cellules d'une couche isolante (49),
- collage des deux ensembles ainsi constitués, une couche isolante séparant ainsi les deux cellules,
- retrait du substrat support (44) de la deuxième cellule,
- gravure des puits (51) permettant la reprise de contact en face avant et/ou arrière du dispositif, isolation des flancs des puits (52) , remplissage des puits par dépôt métallique,
- réalisation des lignes métallisées permettant la collection du courant des puits en face avant et/ou arrière du dispositif.
7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel une étape de finition des cellules est réalisée préalablement à la gravure des puits.
8. Procédé selon la revendication 6, dans lequel on réalise une passivation des flancs des puits (51) avant l'isolation de ceux-ci.
9. Procédé selon la revendication 6, dans lequel on réalise les lignes métallisées situées en face avant du dispositif de sorte qu'elles aient une section triangulaire (53) .
10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel on réalise ces lignes de section triangulaire par dépôt métallique, puis lithographie et enfin gravure .
11. Procédé selon la revendication 9, qui, pour réaliser ces lignes de section triangulaire, comprend les étapes suivantes :
- une étape de dépôt d'une couche de résine (41; 70) sur un substrat en semi-conducteur, - une étape de lithographie de cette couche de résine,
- une étape de mise en forme de plots de métal trapézoïdaux (44; 73) ayant une pente déterminée,
- une étape de gravure humide permettant de former la pointe de ces plots de métal (44; 73),
- une étape d'élimination de la couche de résine (41; 70) .
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, dans lequel le collage des deux ensembles se fait par adhésion moléculaire.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 12 , dans lequel la réalisation de la zone apte à permettre le retrait du substrat support (44) consiste en la réalisation entre le substrat support et les couches actives de la cellule d'une couche d'arrêt à la gravure chimique du substrat support .
14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel le retrait du substrat support s'effectue par abrasion mécanique puis gravure chimique dudit substrat support .
15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 12, dans lequel la réalisation de la zone apte à permettre le retrait du substrat support (44) consiste en la réalisation dans le substrat support (44) d'une zone fragilisée apte à permettre la séparation de ce substrat support.
16. Procédé selon la revendication 15, dans lequel la réalisation dans le substrat support de la zone fragilisée s'effectue par implantation ionique.
17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 14 ou 15, dans lequel le retrait du substrat support s'effectue par traitement thermique et/ou application de forces mécaniques.
18. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 12, dans lequel la réalisation de la zone apte à permettre le retrait du substrat support (44) consiste en la réalisation entre le substrat support et les couches actives de la cellule d'une couche sacrificielle présentant une dissolution sélective par rapport au substrat support et à ces dites couches.
19. Procédé selon la revendication 18, dans lequel le retrait du substrat support s'effectue par dissolution sélective de la couche sacrificielle.
20. Utilisation du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 dans une cellule de concentration.
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