EP2435228A1 - Procede et machine de fabrication d'un semi-conducteur, du type cellule photovoltaïque ou composant electronique similaire - Google Patents

Procede et machine de fabrication d'un semi-conducteur, du type cellule photovoltaïque ou composant electronique similaire

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EP2435228A1
EP2435228A1 EP10715978A EP10715978A EP2435228A1 EP 2435228 A1 EP2435228 A1 EP 2435228A1 EP 10715978 A EP10715978 A EP 10715978A EP 10715978 A EP10715978 A EP 10715978A EP 2435228 A1 EP2435228 A1 EP 2435228A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
silicon
substrate
microns
silicon wafer
cutting
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10715978A
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German (de)
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Inventor
Jean-Pierre Medina
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Original Assignee
Individual
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    • H01L21/78—Manufacture or treatment of devices consisting of a plurality of solid state components or integrated circuits formed in, or on, a common substrate with subsequent division of the substrate into plural individual devices
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B28D—WORKING STONE OR STONE-LIKE MATERIALS
    • B28D1/00—Working stone or stone-like materials, e.g. brick, concrete or glass, not provided for elsewhere; Machines, devices, tools therefor
    • B28D1/005—Cutting sheet laminae in planes between faces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28D—WORKING STONE OR STONE-LIKE MATERIALS
    • B28D5/00—Fine working of gems, jewels, crystals, e.g. of semiconductor material; apparatus or devices therefor
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    • B28D5/045—Fine working of gems, jewels, crystals, e.g. of semiconductor material; apparatus or devices therefor by tools other than rotary type, e.g. reciprocating tools by cutting with wires or closed-loop blades
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    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • Method and machine for manufacturing a semiconductor such as a photovoltaic cell or similar electronic component.
  • the present invention relates to a manufacturing method and a machine for manufacturing semiconductor units, in particular photovoltaic cells, and a semiconductor unit obtained by such a method.
  • the constant and growing evolution of today's energy needs translates into a willingness and search for new resources that can protect the environment.
  • Solar energy is one of the preferred answers on this subject.
  • solar technology presents itself as a profitable and competitive industrial alternative. It is therefore an objective of photovoltaic cell manufacturers and electric power solar panels to reduce the production and installation costs of these devices.
  • One of the essential building blocks of a photovoltaic cell is silicon, which is also used for the manufacture of other electronic components. Silicon represents almost a third of the price of the photovoltaic cell as manufactured today.
  • the present invention aims to provide a method and a machine for manufacturing semiconductor units, including photovoltaic cells, which does not reproduce the aforementioned drawbacks.
  • the present invention is intended in particular to provide such a semiconductor unit which is less expensive to manufacture.
  • the present invention also aims to provide such a semiconductor unit, requiring less silicon for its realization.
  • the present invention also aims to provide a method and a machine of this type, to achieve a semiconductor unit whose performance is greater than that obtained by conventional manufacturing processes.
  • the present invention also aims to provide a method and a manufacturing machine that are safe and reliable, limiting the risk of breakage.
  • the present invention also aims to provide a method and a machine for manufacturing semiconductor units, for using both poly-crystalline silicon and monocrystalline silicon.
  • the subject of the present invention is therefore a method for manufacturing semiconductor units, comprising the steps of providing a bar of silicon, to cut at least one silicon wafer in the cross section of said silicon bar, to assemble a substrate on each side of said silicon wafer, and to cut in the thickness in the middle of said silicon wafer, to form two semiconductor units each comprising a substrate and a thin layer of silicon.
  • said silicon bar has a circular or square section, preferably of a width of about 300 mm, and a length of about 500 mm to 1300 mm.
  • the step of cutting at least one silicon wafer is performed by sawing by means of a wire, in particular a steel wire with abrasive lubricant.
  • the step of cutting in the middle of the silicon wafer is performed by sawing by means of a wire, in particular a steel wire with abrasive lubricant.
  • a wire in particular a steel wire with abrasive lubricant.
  • said wire has a diameter of between 80 ⁇ m and 130 ⁇ m, advantageously between 100 ⁇ m and 120 ⁇ m.
  • said at least one silicon wafer has a thickness of between 180 ⁇ m and 280 ⁇ m, advantageously between 200 ⁇ m and 250 ⁇ m, and the thin silicon layer of each semiconductor unit has a thickness of between 40 ⁇ m and 80 ⁇ m. advantageously between 50 ⁇ m and 60 ⁇ m.
  • said substrate is a metal or insulating substrate, preferably having a thickness of between 100 ⁇ m and 300 ⁇ m.
  • the substrate is made of metal, in particular an alloy of iron and nickel with a coefficient of expansion close to that of silicon.
  • said substrate is electrically insulating with a coefficient of expansion close to that of silicon.
  • the step of assembling a substrate on each side of said silicon wafer is performed by gluing.
  • said bonding is performed with a conductive adhesive, such as a conductive ink or a silver film.
  • the step of assembling a substrate on each side of said silicon wafer is carried out at low temperature and / or under vacuum and / or under pressure.
  • the method comprises the step of cleaning each silicon wafer, in particular by rinsing and drying.
  • the method comprises the step of doping each silicon wafer, in particular by N or P doping, in particular by immersion in a bath containing boron or phosphorus.
  • the step of cutting into the thickness in the middle of the silicon wafer is carried out by applying a pressure and / or a vacuum, in particular to the means of electromagnetic and / or pneumatic and / or mechanical forces, on the assembled substrates of each side of the cake.
  • the method comprises performing at least one surface treatment of the silicon surface of each semiconductor unit, such as structuring and / or anti-reflection treatment.
  • a doping step in particular P doping, is performed on the silicon surface of each semiconductor unit, after the step of cutting in the middle of said silicon wafer.
  • the step of providing a silicon bar comprises doping said bar at heart, in particular by N or P doping.
  • said silicon is monocrystalline or polycrystalline.
  • the method is a method of manufacturing a photovoltaic cell, further comprising the step of applying to each semiconductor unit electrical connections.
  • said step of applying electrical connections is carried out by applying, in particular by screen printing, in particular with conductive inks, conductive microcircuits on the silicon surface.
  • said step of applying electrical connections comprises piercing a network of micro-perforations, in particular by micro-sanding, in the silicon layer and the substrate, and inserting in each perforation a conductor adapted to collect the current at the silicon surface and transmit it to the back of the substrate.
  • each connection comprises an electrically conductive element inserted into an insulating frustoconical sleeve.
  • the semiconductor unit is disposed in a frame having a front face closed by a glass wall protecting the silicon surface, and an insulating rear face provided with ventilation holes.
  • the present invention also relates to a manufacturing machine for implementing the above method, comprising means for providing a silicon bar, means for cutting at least one silicon wafer in the cross section of said silicon bar, means for assembling a substrate on each side of said silicon wafer, and means for cutting in the thickness in the middle of said silicon wafer, to form two semiconductor units each having a substrate and a thin silicon wafer.
  • the present invention also relates to a semiconductor unit produced by the above manufacturing method, comprising a substrate, preferably metal, on which is applied a thin layer of silicon.
  • said thin silicon layer has a thickness of 40 ⁇ m to 80 ⁇ m, preferably 50 ⁇ m to 60 ⁇ m.
  • said unit is a photovoltaic cell whose efficiency is greater than 15%, advantageously greater than 18%, preferably greater than 20%.
  • FIG. 1 is a schematic view of a device for manufacturing silicon wafers according to a conventional method of the prior art
  • FIG. 2 schematically shows from top to bottom successive sequences of a manufacturing method according to an advantageous embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a diagram showing different steps numbered from 1 to 11 in the manufacturing method according to an advantageous embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a diagram showing the following steps numbered 12 to 19 of the manufacturing method according to an advantageous embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a photovoltaic cell made according to an advantageous embodiment of the present invention
  • FIGS. 6a and 6b are top views of two alternative embodiments of the electrical connections on the surface of the photovoltaic cell; silicon of a photovoltaic cell, according to the present invention.
  • the method of the present invention is to use a silicon bar or ingot, which may be of conventional size, with a section of about 300 mm x 300 mm and a length of about 500 mm to about 1300 mm.
  • This bar may have a circular or square cross section, or even a cross section of different shape.
  • the method then provides for cutting wafers or silicon wafers from said bar in its cross section, preferably with a thickness of about 200 microns to 250 microns.
  • a substrate is assembled on each side of said cake then the cake is cut in its thickness, from preferably at its center, to thus form two semiconductor units each consisting of a substrate and a thin layer of silicon.
  • a surfacing and cleaning of the wafer before assembling the substrates.
  • a surface cleaning is advantageously carried out, as well as a doping of the silicon surface (N or P, with boron or phosphorus) by a suitable method.
  • a metal or insulating substrate and coefficient of expansion close to that of silicon is assembled on each side of said wafer.
  • the wafer is cut, in the direction of its section and preferably in the middle of the thickness of the silicon, to thus form two semiconductor units each consisting of a substrate and a thin layer thick silicon, as close as possible to the optimal yield thickness of silicon.
  • the fact of making a cut in the thickness of the silicon causes a rupture of the surface layer of the initial doping and consequently of the electrical conductivity between the rear part of the substrate and the front surface of the silicon left free.
  • the structuring of the front surface of the silicon is done by a suitable method, then the application of the antireflection layer is carried out by an appropriate method.
  • the silicon bar is preferably doped at heart, in particular by N and P doping, before it is cut into a slab.
  • the cutting of the wafers, as well as the cutting of the two semiconductor units is carried out by means of a wire, in particular a steel wire, preferably with the addition of an abrasive lubricant, the diameter of which is advantageously about 100 ⁇ m to 120 ⁇ m. Depending on the uses, a slightly greater or slightly smaller diameter is also possible, for example from 80 ⁇ m to 130 ⁇ m.
  • each cut slab has a thickness of about 200 to 250 microns.
  • a greater or smaller thickness may be provided, for example from 180 microns to 280 microns.
  • the substrate is preferably made in the form of a strip which may have a thickness of, for example, between 100 ⁇ m and 200 ⁇ m.
  • this strip is metallic, in particular made of iron and nickel alloy, having a coefficient of expansion close to that of silicon, for example FeN42.
  • Other materials, and in particular other metals, are conceivable for the substrate.
  • the assembly of the substrate on each side of the silicon wafer can be achieved by bonding, in particular by using a conductive adhesive such as a conductive ink or a silver film. In this implementation, because of the conductive nature of the adhesive, the substrate could even be made of an insulating material.
  • the assembly of the substrate on the silicon wafer is carried out at low temperature and / or under vacuum and / or under pressure.
  • the cleaning step which is preferably performed on the wafer prior to assembly of the substrate may include rinsing and drying.
  • the surfacing indicated in FIG. 2 may be associated with immersion doping as described above.
  • the doping can also be performed after cutting through the wafer to make the two semiconductor units.
  • the step of cutting the wafer is performed by applying a pressure and / or depression, symbolized by the two arrows in Figure 2, on the substrates. This pressure and / or depression can be achieved by means of electromagnetic forces, especially magnets, and / or by means of pneumatic and / or mechanical forces combined with an air suction, for example by vacuum or suction pad.
  • the sandwich assembly is both held firmly during cutting while keeping the two cut parts apart, thus facilitating the passage of the wire and thus reducing the risk of silicon breaking.
  • the present invention therefore allows a significant reduction in silicon consumption, since instead of using on average about 450 microns thick silicon per cell, less than half is used to obtain two cells having a higher yield. since having a thickness close to or equal to the optimization of 50 microns to 60 microns.
  • the present invention by the savings it generates, makes possible the use of monocrystalline silicon, which is known to be more efficient, but also more expensive than polycrystalline silicon.
  • the silicon economy obtained by virtue of the present invention the additional cost of the single crystal is largely compensated.
  • the use of monocrystalline silicon makes it possible to further improve the efficiency of the photovoltaic cell obtained by the present invention.
  • FIG. 6b shows an example of a circuit applied by screen printing, in particular by means of a conductive ink, on the silicon surface to collect the electric current.
  • the graphics of such a circuit on silicon decreases by about 14 to 17% the effective effective area of the current production of a photovoltaic silicon cell.
  • the present invention therefore advantageously provides so-called "back” connections to reduce the so-called “dead” surfaces to further increase the exposed active surface of the cell.
  • a micro-perforation beam can be produced, in particular by micro sandblasting, in the silicon layer and in the substrate. Partially isolated micro-conductors may be inserted into each micro-perforation to collect the current at the surface of the silicon and transmit it to the back of the substrate.
  • each conductor may comprise a lead inserted for example in a frustoconical and insulating sleeve.
  • Figure 6a shows a top view of such a network of micro-perforations on the silicon layer.
  • the frame in which the photovoltaic cells are assembled advantageously comprises ventilation holes provided on its rear face, visible in Figure 5.
  • a glass wall is arranged to protect the cells.
  • a second glass plate may be interposed between the outer protective wall and the silicon surface.
  • FIGS. 3 and 4 schematically represent the manufacturing process and the manufacturing machine for implementing this method starting from the silicon wafer obtained by cutting the silicon bar, the optional mechanical surfacing of which forms the step having the reference 1 Subsequently, this silicon wafer is subjected to suction, degreasing and possibly doping, as indicated by step 2. The silicon wafer is then brought to temperature in step 3, then transferred to a vacuum zone in step 4. In the entry phase of step 5 it is again brought to temperature to be brought into the vacuum zone where the metal strips will be applied to both sides of the slab to form the substrates.
  • the substrate manufacturing machine is schematically referenced by the reference 7.
  • the vacuum zone thus comprises a loader and a sizing of the pre-sized substrates on the wafer under vacuum or by temperature or pressure, as described previously, as represented by Step 8.
  • the wafer provided with these two substrates forming the sandwich structure is then transferred into the airlock 9, then in steps 10 and 11, the wafer is sawn in its thickness to form the two semiconductor units. .
  • Figure 4 illustrates the continuation of the manufacturing process of the photovoltaic cell.
  • step 12 the vice which holds the two units together during the sawing step is loosened and the two semiconductor units are thus obtained, which are then cleaned, surface-treated, structured according to the needs (steps 13 and 14), as well as subjected to an antireflection treatment, as indicated by step 15. Then intervenes the screen printing and the electrical connections on the silicon. This can be done simultaneously during this same step 15.
  • step 16 provides micro-drilling of the micro-perforations to make the so-called back connections as indicated in steps 16 and 17.
  • Steps 18 & 19 consist of a finish and a check before the transfer of the cell to a mounting in a panel.
  • the present invention makes it possible to supply photovoltaic cells whose efficiency is between 15% and 20%, see more, which places this product among the most efficient, with a manufacturing cost which is significantly lower compared to current cells. It should be noted that the invention has been described with reference to silicon, but it is clear that other materials having equivalent properties could also be used.

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Abstract

Procédé de fabrication d'un semi-conducteur, du type cellule photovoltaïque ou composants électroniques similaires, permettant à partir d'un barreau de silicium, de découper au moins une galette de silicium dans la section transversale dudit barreau de silicium, puis après dopage, d'assembler un substrat de chaque côté de ladite galette de silicium, et de la couper en deux parties dans l'épaisseur du silicium, pour former deux unités semi-conductrices comportant chacune un substrat et une fine couche de silicium.

Description

Procédé et machine de fabrication d'un semiconducteur, du type cellule photovoltaïque ou composant électronique similaire.
La présente invention concerne un procédé de fabrication et une machine de fabrication d'unités semi-conductrices, notamment de cellules photovoltaïques, ainsi qu'une unité semi-conductrice obtenue par un tel procédé. L'évolution constante et croissante des besoins actuels en énergie se traduit par une volonté et une recherche de ressources nouvelles capables de protéger l'environnement. L'énergie solaire fait partie des réponses privilégiées à ce sujet. Face à la hausse des prix de l'énergie fossile, la technologie solaire se présente comme une alternative industrielle rentable et concurrentielle. C'est donc un objectif des fabricants de cellules photovoltaïque et des panneaux solaires producteurs de courant électrique que de réduire les coûts de production et d'installation de ces dispositifs. Un des éléments constitutifs essentiels d'une cellule photovoltaïque est le silicium, qui est également utilisé pour la fabrication d'autres composants électroniques. Or, le silicium représente près d'un tiers du prix de la cellule photovoltaïque telle que fabriquée actuellement. Ceci s'explique notamment du fait que pour réaliser une cellule photovoltaïque, une épaisseur d'environ 400 à 450 μm de silicium est généralement nécessaire. En effet, dans le processus de fabrication conventionnel, on prend un lingot ou un barreau de silicium, généralement d'une dimension de 30 cm de largeur sur 130 cm de longueur, et on coupe des galettes ou rondelles de silicium au moyen d'un fil dont le diamètre est généralement compris entre 160 et 200 μm. La figure 1 représente un dispositif de l'art antérieur de ce type. Le fil, qui peut avoir plusieurs centaines de kilomètres de longueur, est enroulé autour du barreau et lors d'un processus de coupe ou de sciage qui prend environ 7 heures, ce barreau va être découpé en galettes de 150 à 200 μm d'épaisseur chacune. Il n'est pas possible de diminuer l'épaisseur des galettes car sinon le risque de casse est trop important. De même, on ne peut pas diminuer le diamètre du fil qui sinon risque également de casser. Ainsi, en ajoutant l'épaisseur du fil (160-200 μm) à l'épaisseur de chaque galette (150-200 μm), ainsi qu'aux pertes de l'ordre de 50 μm en moyenne dues aux manipulations des plaquettes très fragiles, on arrive à une épaisseur d'environ 450 μm de silicium pour réaliser une cellule. Or, une cellule ayant une épaisseur de 150-
200 μm ne présente pas un rendement optimal. En effet, le rendement optimum pour le silicium est obtenu lorsque l'épaisseur de la couche de silicium est de l'ordre de 50 μm à 60 μm. Avec le procédé de fabrication classique décrit ci-dessus, il est impossible de réaliser un tel dispositif. Ainsi, les procédés conventionnels sont coûteux en silicium tout en ne permettant pas la réalisation de cellules dont le rendement serait optimal. Les documents US 2008/245 408, US 2004/055 634, US-6 870 087 et US-6 534 382 décrivent des systèmes et procédés de l'art antérieur.
La présente invention a pour but de fournir un procédé et une machine de fabrication d'unités semi-conductrices, notamment de cellules photovoltaïques, qui ne reproduit pas les inconvénients susmentionnés.
La présente invention a notamment pour but de fournir une telle unité semi-conductrice qui soit moins coûteuse à fabriquer.
La présente invention a également pour but de fournir une telle unité semi-conductrice, nécessitant moins de silicium pour sa réalisation.
La présente invention a également pour but de fournir un procédé et une machine de ce type, permettant de réaliser une unité semi-conductrice dont le rendement est supérieur à celui obtenu par les procédés de fabrication conventionnels. La présente invention a également pour but de fournir un procédé et une machine de fabrication qui soient sûrs et fiables, en limitant les risques de casse.
La présente invention a également pour but de fournir un procédé et une machine de fabrication d'unités semi-conductrices, permettant d'utiliser à la fois du silicium polychstallin et du silicium monocristallin.
La présente invention a donc pour objet un procédé de fabrication d'unités semi-conductrices, comportant les étapes de fournir un barreau de silicium, de découper au moins une galette de silicium dans la section transversale dudit barreau de silicium, d'assembler un substrat de chaque côté de ladite galette de silicium, et de couper dans l'épaisseur au milieu de ladite galette de silicium, pour former deux unités semi-conductrices comportant chacune un substrat et une fine couche de silicium.
Avantageusement, ledit barreau de silicium a une section circulaire ou carrée, de préférence d'une largeur d'environ 300 mm, et une longueur d'environ 500 mm à 1300 mm.
Avantageusement, l'étape de découper au moins une galette de silicium est réalisée par sciage au moyen d'un fil, notamment un fil d'acier avec lubrifiant abrasif.
Avantageusement, l'étape de couper au milieu de la galette de silicium est réalisée par sciage au moyen d'un fil, notamment un fil d'acier avec lubrifiant abrasif. Avantageusement, ledit fil a un diamètre compris entre 80 μm et 130 μm, avantageusement entre 100 μm et 120 μm.
Avantageusement, ladite au moins une galette de silicium a une épaisseur comprise entre 180 μm et 280 μm, avantageusement entre 200 μm et 250 μm, et la fine couche de silicium de chaque unité semi-conductrice a une épaisseur comprise entre 40 μm et 80 μm, avantageusement entre 50 μm et 60 μm.
Avantageusement, ledit substrat est un substrat métallique ou isolant, de préférence d'une épaisseur comprise entre 100 μm et 300 μm.
Avantageusement, le substrat est en métal, notamment un alliage de fer et nickel avec un coefficient de dilatation proche de celui du silicium.
Avantageusement, ledit substrat est isolant électriquement avec un coefficient de dilatation proche de celui du silicium.
Avantageusement, l'étape d'assembler un substrat de chaque côté de ladite galette de silicium est réalisée par collage. Avantageusement, ledit collage est réalisé avec une colle conductrice, telle qu'une encre conductrice ou un film d'argent. Avantageusement, l'étape d'assembler un substrat de chaque côté de ladite galette de silicium est réalisée à basse température et/ou sous vide et/ou sous pression.
Avantageusement, avant l'étape d'assembler un substrat, le procédé comporte l'étape de nettoyer chaque galette de silicium, notamment par rinçage et séchage.
Avantageusement, avant l'étape d'assembler un substrat, le procédé comporte l'étape de doper chaque galette de silicium, notamment par dopage N ou P, notamment par immersion dans un bain contenant du bore ou du phosphore.
Avantageusement, l'étape de couper dans l'épaisseur au milieu de la galette de silicium est réalisée en appliquant une pression et/ou une dépression, notamment aux moyens de forces électromagnétiques et/ou pneumatiques et/ou mécaniques, sur les substrats assemblés de chaque côté de la galette.
Avantageusement, après l'étape de couper au milieu de la galette, le procédé comprend de réaliser au moins un traitement de surface de la surface de silicium de chaque unité semi-conductrice, tel qu'une structuration et/ou un traitement anti-reflet. Avantageusement, une étape de dopage, notamment de dopage P, est réalisée sur la surface de silicium de chaque unité semi-conductrice, après l'étape de couper au milieu de ladite galette de silicium.
Avantageusement, l'étape de fournir un barreau de silicium comprend de doper le dit barreau à cœur, notamment par dopage N ou P. Avantageusement, ledit silicium est monocristallin ou polycristallin
Avantageusement, le procédé est un procédé de fabrication d'une cellule photovoltaïque, comportant en outre l'étape d'appliquer sur chaque unité semi-conductrice des connexions électriques.
Avantageusement, ladite étape d'appliquer des connexions électriques est réalisée en appliquant, notamment par sérigraphie, notamment avec des encres conductrices, des microcircuits conducteurs sur la surface de silicium. Avantageusement, ladite étape d'appliquer des connexions électriques comprend de percer un réseau de micro-perforations, notamment par micro-sablage, dans la couche de silicium et le substrat, et d'insérer dans chaque perforation un conducteur adapté à collecter le courant à la surface du silicium et à la transmettre à l'arrière du substrat.
Avantageusement, chaque connexion comporte un élément conducteur électrique inséré dans un manchon tronconique isolant.
Avantageusement, l'unité semi-conductrice est disposée dans un châssis comportant une face avant fermée par une paroi de verre protégeant la surface de silicium, et une face arrière isolante pourvue d'orifices de ventilation.
La présente invention a aussi pour objet une machine de fabrication pour mettre en œuvre le procédé ci-dessus, comprenant des moyens pour fournir un barreau de silicium, des moyens pour découper au moins une galette de silicium dans la section transversale dudit barreau de silicium, des moyens pour assembler un substrat de chaque côté de ladite galette de silicium, et des moyens pour couper dans l'épaisseur au milieu de ladite galette de silicium, pour former deux unités semi-conductrices comportant chacune un substrat et une fine tranche de silicium. La présente invention a aussi pour objet une unité semi-conductrice réalisée par le procédé de fabrication ci-dessus, comportant un substrat, de préférence métallique, sur lequel est appliquée une fine couche de silicium.
Avantageusement, ladite fine couche de silicium a une épaisseur de 40 μm à 80 μm, de préférence de 50 μm à 60 μm. Avantageusement, ladite unité est une cellule photovoltaïque dont le rendement est supérieur à 15%, avantageusement supérieur à 18%, de préférence supérieur à 20%.
Ces caractéristiques et avantages et d'autres de la présente invention apparaîtront plus clairement au cours de la description détaillée suivante, faite en référence aux dessins joints, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif de fabrication de galettes de silicium selon un procédé conventionnel de l'art antérieur,
- la figure 2 montre de manière schématique de haut en bas des séquences successives d'un procédé de fabrication selon un mode de réalisation avantageux de la présente invention,
- la figure 3 est un schéma qui montre différentes étapes numérotées de 1 à 11 dans le procédé de fabrication selon un mode de réalisation avantageux de la présente invention,
- la figure 4 est un schéma montrant les étapes suivantes numérotées 12 à 19 du procédé de fabrication selon un mode de réalisation avantageux de la présente invention,
- la figure 5 est une vue schématique en section transversale d'une cellule photovoltaïque réalisée selon un mode de réalisation avantageux de la présente invention - les figures 6a et 6b sont des vues de dessus de deux variantes de réalisation des connexions électriques sur la surface de silicium d'une cellule photovoltaïque, selon la présente invention.
En se référant aux figures, le procédé de l'invention qui sera décrit ci- après, ainsi que la machine de fabrication pour mettre en œuvre ce procédé, seront principalement décrits en référence à la fabrication d'une cellule photovoltaïque. Il est toutefois entendu que la présente technologie peut également s'appliquer à la fabrication d'autres composants électroniques, tels que des diodes par exemple.
Le procédé de la présente invention consiste à utiliser un barreau ou lingot de silicium, qui peut être de dimension classique, avec une section d'environ 300 mm x 300 mm et une longueur de 500 mm à 1300 mm environ. Ce barreau peut avoir une section transversale circulaire ou carrée, voire même une section transversale de forme différente. Le procédé prévoit alors de couper des galettes ou pastilles ou rondelles de silicium à partir dudit barreau, dans sa section transversale, avec de préférence une épaisseur d'environ 200 μm à 250 μm. Ensuite, un substrat est assemblé de chaque côté de ladite galette puis la galette est coupée dans son épaisseur, de préférence en son centre, pour former ainsi deux unités semi-conductrices constituées chacune d'un substrat et d'une fine couche de silicium.
En se référant notamment à la figure 2, on réalise de préférence un surfaçage et un nettoyage de la galette avant l'assemblage des substrats. Avant coupage de la galette dans l'épaisseur en son milieu, on réalise avantageusement un nettoyage de surface, ainsi qu'un dopage de la surface de silicium (N ou P, avec du bore ou du phosphore), par un procédé approprié. Ensuite, un substrat métallique ou isolant et de coefficient de dilatation proche de celui du silicium, est assemblé de chaque côté de ladite galette. Après fixation par un procédé approprié, la galette est coupée, dans le sens de sa section et de préférence au milieu de l'épaisseur du silicium, pour former ainsi deux unités semi-conductrices constituées chacune d'un substrat et d'une fine couche de silicium d'épaisseur, la plus proche possible de l'épaisseur de rendement optimal du silicium. Le fait d'effectuer une coupe dans l'épaisseur du silicium provoque une rupture de la couche superficielle du dopage initial et par conséquent de la conductibilité électrique entre la partie arrière du substrat et la surface avant du silicium laissée libre.
La structuration de la surface avant du silicium est faite par un procédé approprié, puis on procède à l'application, par un procédé approprié, de la couche antireflet.
La mise en place par sérigraphie, ou tout autre procédé approprié, du circuit collecteur est faite, ainsi que les connexions électriques.
Il est à noter que le barreau de silicium est, de préférence, dopé à cœur, notamment par dopage N et ou P, avant qu'il soit découpé en galette.
Avantageusement, le coupage des galettes, ainsi que le découpage des deux unités semi-conductrices est réalisé au moyen d'un fil, notamment un fil d'acier, de préférence avec ajout d'un lubrifiant abrasif, dont le diamètre est avantageusement d'environ 100 μm à 120 μm. Selon les utilisations, un diamètre légèrement supérieur ou légèrement inférieur est aussi envisageable, par exemple de 80 μm à 130 μm. Avantageusement, chaque galette découpée a une épaisseur d'environ 200 à 250 μm. Ici aussi, selon les besoins, une épaisseur supérieure ou inférieure peut être prévue, par exemple de 180 μm à 280 μm. Ainsi, avec une épaisseur de 200 à 250 μm pour chaque galette, et une épaisseur du fil d'environ 100 μm, on obtient après coupage au centre de chaque galette deux unités semi-conductrices ayant chacune un substrat et une fine couche de silicium dont l'épaisseur sera d'environ 50 à 60 μm. On obtient ainsi l'épaisseur la plus favorable pour un rendement optimal d'une cellule photovoltaïque. Du fait qu'un substrat est fixé de chaque côté de la galette, et maintenu fermement, par un procédé adapté, lors de l'étape de coupage, il y a très peu de risque que la fine couche de silicium ne se casse lors de cette étape de coupage. La présente invention permet donc de fournir un procédé de fabrication plus sûr et plus fiable, et de réaliser une unité semi-conductrice ayant des dimensions et caractéristiques optimales, pour être réalisée en tant que cellule photovoltaïque. Le substrat est de préférence réalisé sous la forme d'un feuillard qui peut avoir une épaisseur comprise par exemple entre 100 μm et 200 μm. De préférence ce feuillard est métallique, notamment en alliage de fer et de nickel, ayant un coefficient de dilatation proche de celui du silicium, par exemple du FeN42. D'autres matériaux, et notamment d'autres métaux, sont envisageables pour le substrat. L'assemblage du substrat de chaque côté de la galette de silicium peut être réalisé par collage, notamment en utilisant une colle conductrice telle qu'une encre conductrice ou un film d'argent. Dans cette mise en œuvre, du fait du caractère conducteur de la colle, le substrat pourrait même être réalisé en un matériau isolant. De préférence, l'assemblage du substrat sur la galette de silicium est réalisé à basse température et/ou sous vide et/ou sous pression.
L'étape de nettoyage qui est de préférence réalisée sur la galette avant l'assemblage du substrat peut comporter un rinçage et un séchage. De même, le surfaçage indiqué sur la figure 2 peut être associé à un dopage par immersion tel que décrit ci-dessus. En variante, le dopage peut aussi être réalisé après coupage à travers la galette pour réaliser les deux unités semi- conductrices. Avantageusement, l'étape de coupage de la galette est réalisée en appliquant une pression et/ou une dépression, symbolisée par les deux flèches sur la figure 2, sur les substrats. Cette pression et/ou dépression peut être réalisée au moyen de forces électromagnétiques, notamment des aimants, et/ou au moyen de forces pneumatiques et/ou mécaniques combinées avec une aspiration d'air, par exemple par vide ou ventouse. De cette manière, l'ensemble formant sandwich est à la fois maintenu fermement lors du découpage tout en maintenant écartée les deux parties découpées, facilitant ainsi le passage du fil et réduisant donc les risques de casse du silicium. Après coupage et réalisation des deux unités semi- conductrices, il est avantageux de prévoir au moins un traitement de surface de la surface de silicium de chaque unité semi-conductrice, tel que par exemple une structuration de surface et/ou un traitement anti-reflet.
La présente invention permet donc une réduction significative de la consommation de silicium, puisqu'au lieu d'utiliser en moyenne environ 450 μm d'épaisseur de silicium par cellule, on en utilise moins de la moitié, pour obtenir deux cellules ayant un rendement supérieur puisque ayant une épaisseur proche ou égale à l'optimisation de 50 μm à 60 μm.
Par conséquent, la présente invention par les économies qu'elle génère, rend possible l'utilisation de silicium monocristallin, dont on sait qu'il est plus performant, mais aussi plus coûteux que le silicium polycristallin. Toutefois par l'économie de silicium obtenue grâce à la présente invention, le surcoût du monocristallin est largement compensé. De fait, l'utilisation du silicium monocristallin permet encore d'améliorer davantage le rendement de la cellule photovoltaïque obtenue par la présente invention.
Un autre avantage par rapport au procédé de l'art antérieur est que dans le système classique, il est nécessaire de chanfreiner les bords de chaque pastille ou galette de silicium afin d'éviter des courts circuits entre les bornes positives et négatives du circuit électrique. De part le découpage de la galette en son épaisseur, pour créer deux unités semi-conductrices séparées, la présente invention permet d'éviter cette phase de découpage du bord périphérique de la galette, ce qui tant à réduire les coûts de fabrication. Pour réaliser une cellule photovoltaïque à partir de l'unité semi- conductrice obtenue tel que décrit ci-dessus, des connexions électriques sont appliquées. Dans l'exemple de la figure 2, des bornes positives et négatives sont respectivement appliquées sur la face avant en silicium et la face arrière du substrat. La figure 6b montre un exemple d'un circuit apposé par sérigraphie, notamment au moyen d'une encre conductrice, sur la surface de silicium pour collecter le courant électrique. Bien entendu, le graphisme d'un tel circuit sur le silicium diminue d'environ 14 à 17% la surface effective utile de la à la production du courant d'une cellule photovoltaïque en silicium. La présente invention prévoit donc de manière avantageuse de réaliser des connexions dites « arrières » afin de réduire les surfaces dites « mortes » pour accroître encore davantage la surface active exposée de la cellule. Pour ce faire, un faisceau de micro-perforations peut être réalisé, notamment par micro sablage, dans la couche de silicium et dans le substrat. Des micros conducteurs, isolés en partie, peuvent être insérés dans chaque micro-perforation pour collecter le courant à la surface du silicium et pour le transmettre à l'arrière du substrat. Cette mise en œuvre est représentée plus clairement sur la figure 5, qui montre que chaque conducteur peut comporter un fil conducteur inséré par exemple, dans un manchon tronconique et isolant. La figure 6a représente une vue de dessus d'un tel réseau de micro perforations sur la couche de silicium. Avec cette mise en œuvre, la surface utile du silicium est augmentée par rapport au circuit sérigraphie traditionnel.
Pour combattre l'élévation de la température de la cellule, qui est un facteur pénalisant puisque le rendement de la cellule décroît avec l'élévation de sa température, on prévoit avantageusement une ventilation, soit par air soit par un circuit caloporteur. Pour ce faire, le châssis dans lequel les cellules photovoltaïques sont assemblées comporte avantageusement des orifices de ventilation prévus sur sa face arrière, visibles sur la figure 5. De l'autre côté sur la face avant du châssis, une paroi en verre est disposée pour protéger les cellules. Eventuellement, une seconde plaque de verre peut être interposée entre la paroi externe de protection et la surface de silicium.
Les figures 3 et 4 représentent schématiquement le procédé de fabrication et la machine de fabrication pour mettre en œuvre ce procédé en partant de la galette de silicium obtenue par coupage du barreau de silicium, dont le surfaçage mécanique facultatif forme l'étape ayant la référence 1. Par la suite cette galette de silicium est soumise à une aspiration, à un dégraissage et éventuellement à un dopage, comme indiqué par l'étape 2. La galette de silicium est alors mise en température dans l'étape 3, puis transférée vers une zone sous vide dans l'étape 4. Dans la phase d'entrée de l'étape 5 elle est à nouveau mise en température pour être amenée dans la zone sous vide où les feuillards métalliques vont être appliqués des deux côtés de la galette pour former les substrats. La machine de fabrication des substrats est schématiquement référencée par la référence 7. La zone sous vide comporte donc un chargeur et un encollage des substrats pré- dimensionnés sur la galette sous vide ou par température ou par pression, tel que décrit précédemment, comme représenté par l'étape 8. La galette pourvue de ces deux substrats formant la structure de sandwich est alors transférée dans le sas de sortie 9, puis dans les étapes 10 et 11 , la galette est sciée dans son épaisseur pour former les deux unités semi-conductrices.
La figure 4 illustre la suite du procédé de fabrication de la cellule photovoltaïque. Ainsi dans l'étape 12, l'étau qui maintient les deux unités ensemble lors de l'étape de sciage est desserré et on obtient donc les deux unités semi-conductrices qui sont alors nettoyées, traitées en surface, structurées selon les besoins (étapes 13 et 14), ainsi que soumis à un traitement anti-reflet, comme indiqué par l'étape 15. Puis intervient la sérigraphie et les connexions électriques sur le silicium. Ceci peut être réalisé simultanément au cours de cette même étape 15.
En variante, l'étape 16 prévoit le micro perçage des micros perforations afin de réaliser les connexions dites arrières comme indiqué dans les étapes 16 et 17. Les étapes 18 & 19 consistent en une finition et un contrôle avant le transfert de la cellule vers un montage dans un panneau. Avec cette mise en œuvre, la présente invention permet de fournir des cellules photovoltaïques dont le rendement est compris entre 15% et 20%,voir davantage, ce qui place ce produit parmi les plus performants, avec un coût de fabrication nettement inférieur par rapport aux cellules actuelles. II est à noter que l'invention a été décrite en référence au silicium, mais il est clair que d'autres matériaux présentant des propriétés équivalentes pourraient également être utilisés.
Bien que la présente invention ait été décrite en référence à un mode de réalisation particulier de celle-ci, il est entendu que diverses modifications sont envisageables pour l'homme du métier sans sortir du cadre de la présente invention tel que défini par les revendications annexées.

Claims

Revendications
1.- Procédé de fabrication d'unités semi-conductrices, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes :
- fournir un barreau de silicium,
- découper au moins une galette de silicium dans la section transversale dudit barreau de silicium,
- assembler un substrat de chaque côté de ladite galette de silicium, et
- couper dans l'épaisseur au milieu de ladite galette de silicium, pour former deux unités semi-conductrices comportant chacune un substrat et une fine couche de silicium.
2.- Procédé selon la revendication 1 , dans lequel ledit barreau de silicium a une section circulaire ou carrée, de préférence d'une largeur d'environ 300 mm, et une longueur d'environ 500 mm à 1300 mm.
3.- Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel l'étape de découper au moins une galette de silicium est réalisée par sciage au moyen d'un fil, notamment un fil d'acier avec lubrifiant abrasif.
4.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape de couper au milieu de la galette de silicium est réalisée par sciage au moyen d'un fil, notamment un fil d'acier avec lubrifiant abrasif.
5.- Procédé selon les revendications 3 ou 4, dans lequel ledit fil a un diamètre compris entre 80 μm et 130 μm, avantageusement entre 100 μm et 120 μm.
6.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite au moins une galette de silicium a une épaisseur comprise entre 180 μm et 280 μm, avantageusement entre 200 μm et 250 μm, et la fine couche de silicium de chaque unité semi- conductrice a une épaisseur comprise entre 40 μm et 80 μm, avantageusement entre 50 μm et 60 μm.
7.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit substrat est un substrat métallique ou isolant, de préférence d'une épaisseur comprise entre 100 μm et 300 μm.
8.- Procédé selon la revendication 7, dans lequel le substrat est en métal, notamment un alliage de fer et nickel avec un coefficient de dilatation proche de celui du silicium.
9.- Procédé selon la revendication 7, dans lequel ledit substrat est isolant électriquement avec un coefficient de dilatation proche de celui du silicium.
10.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape d'assembler un substrat de chaque côté de ladite galette de silicium est réalisée par collage.
11.- Procédé selon la revendication 10, dans lequel ledit collage est réalisé avec une colle conductrice, telle qu'une encre conductrice ou un film d'argent.
12.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape d'assembler un substrat de chaque côté de ladite galette de silicium est réalisée à basse température et/ou sous vide et/ou sous pression.
13.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel avant l'étape d'assembler un substrat, le procédé comporte l'étape de nettoyer chaque galette de silicium, notamment par rinçage et séchage.
14.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel avant l'étape d'assembler un substrat, le procédé comporte l'étape de doper chaque galette de silicium, notamment par dopage N ou P, notamment par immersion dans un bain contenant du bore ou du phosphore.
15.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape de couper dans l'épaisseur au milieu de la galette de silicium est réalisée en appliquant une pression et/ou une dépression, notamment aux moyens de forces électromagnétiques et/ou pneumatiques et/ou mécaniques, sur les substrats assemblés de chaque côté de la galette.
16.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel après l'étape de couper au milieu de la galette, le procédé comprend de réaliser au moins un traitement de surface de la surface de silicium de chaque unité semi-conductrice, tel qu'une structuration et/ou un traitement anti-reflet.
17.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une étape de dopage, notamment de dopage P, est réalisée sur la surface de silicium de chaque unité semi- conductrice, après l'étape de couper au milieu de ladite galette de silicium.
18.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape de fournir un barreau de silicium comprend de doper le dit barreau à cœur, notamment par dopage N ou P.
19.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit silicium est monocristallin ou polycristallin
20.- Procédé de fabrication d'une cellule photovoltaïque, comprenant un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, et comportant en outre l'étape suivante :
- appliquer sur chaque unité semi-conductrice des connexions électriques.
21.- Procédé selon la revendication 20, dans lequel ladite étape d'appliquer des connexions électriques est réalisée en appliquant, notamment par sérigraphie, notamment avec des encres conductrices, des microcircuits conducteurs sur la surface de silicium.
22.- Procédé selon la revendication 20, dans lequel ladite étape d'appliquer des connexions électriques comprend de percer un réseau de micro-perforations, notamment par micro-sablage, dans la couche de silicium et le substrat, et d'insérer dans chaque perforation un conducteur adapté à collecter le courant à la surface du silicium et à la transmettre à l'arrière du substrat.
23.- Procédé selon la revendication 22, dans lequel chaque connexion comporte un élément conducteur électrique inséré dans un manchon tronconique isolant.
24.- Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'unité semi-conductrice est disposée dans un châssis comportant une face avant fermée par une paroi de verre protégeant la surface de silicium, et une face arrière isolante pourvue d'orifices de ventilation.
25.- Machine de fabrication pour mettre en œuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elles comprennent:
- des moyens pour fournir un barreau de silicium,
- des moyens pour découper au moins une galette de silicium dans la section transversale dudit barreau de silicium, - des moyens pour assembler un substrat de chaque côté de ladite galette de silicium, et
- des moyens pour couper dans l'épaisseur au milieu de ladite galette de silicium, pour former deux unités semi-conductrices comportant chacune un substrat et une fine tranche de silicium.
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