EP2567408A2 - Cellule photovoltaïque à face arrière structurée et procédé de fabrication associé - Google Patents

Cellule photovoltaïque à face arrière structurée et procédé de fabrication associé

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EP2567408A2
EP2567408A2 EP11723678A EP11723678A EP2567408A2 EP 2567408 A2 EP2567408 A2 EP 2567408A2 EP 11723678 A EP11723678 A EP 11723678A EP 11723678 A EP11723678 A EP 11723678A EP 2567408 A2 EP2567408 A2 EP 2567408A2
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EP
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wafer
optical structure
semiconductor material
photovoltaic cell
patterns
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Withdrawn
Application number
EP11723678A
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German (de)
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Inventor
Philippe Thony
Nicolas Chaix
Jean-Paul Garandet
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Publication date
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Definitions

  • the present invention relates to the field of photovoltaic cells.
  • These cells are generally formed from slices of semiconductor material, such as silicon, in which the photovoltaic conversion takes place.
  • the invention relates to a photovoltaic cell comprising at least one wafer of semiconductor material and an electrical contact on the rear face of said wafer, the rear face being the face opposite to the face through which the incident light enters.
  • the present invention also relates to a method for producing such a photovoltaic cell.
  • optical structures may be in the form of pyramidal structures, for which the plane angles of the pyramid correspond to crystalline axes of the silicon.
  • Such optical structures on the front face of the wafer have also been proposed for other materials than silicon. It may for example be surface roughness arranged more or less randomly.
  • the incident light passing through the front face of the slice of semiconductor material thus structured is then deflected due to this structuring, which increases the path length of a photon in the core of the slice of semiconductor material and hence its probability of generating a photovoltaic phenomenon instead of reaching the unlit side of said slice.
  • the rear face of the wafer of semiconductor material is provided with a diffraction grating combined with several alternating layers of different materials forming a Bragg grating.
  • the authors proposed a comparison with a slice of semiconductor material whose back face is provided only with a diffraction grating, without a Bragg grating.
  • the optical structure is formed in the mass of the slice of semiconductor material. All these optical structures do not make it possible to make metal contacts on this rear face with the methods known in the industry.
  • the diffraction grating is made in the silicon forming the slice of semiconductor material.
  • the electrical contact can then be obtained by injecting metal into the patterns formed in the silicon, so that an annealing performed at the silicon / metal melting temperature would lead to the alteration of the patterns forming the diffraction grating.
  • the structure comprises a Bragg grating (made by alternating layers Si / Si 3 N 4 or Si / SiO 2 ) covering the diffraction grating, no electrical contact can be made either because the Bragg grating would also be impaired and could no longer perform his function.
  • the industrialists of the sector also seek to reduce the thickness of the slices of semiconductor material used in these cells. which are currently of the order of 180 ⁇ .
  • the currently feasible pathways are detailed in "Crystalline Si solar cells and the microelectronics experiment", K. Baert et al., Solid State Technology (Internet), August 2009.
  • projections made from these pathways theoretically conceivable suggest that the current thickness of 180 ⁇ ⁇ of a silicon wafer will grow to a thickness of 120pm in 2012, 80 ⁇ in 2015 and 40pm in 2020, while maintaining or improving the performance of current photovoltaic cells .
  • the reduction in the thickness of the silicon wafers is accompanied by a drop in the efficiency of the photovoltaic conversion.
  • the smaller the thickness of a wafer the greater the probability that a photon of the incident light will cross the entire thickness of the wafer without generating a photovoltaic phenomenon.
  • the photons of incident light having passed through the wafer are transmitted through the back side of the wafer and are reflected back to the core in an uncontrolled manner.
  • An object of the invention is thus to provide a photovoltaic cell having an opto-electric conversion efficiency better than that of existing photovoltaic cells.
  • Another object of the invention is to provide a photovoltaic cell having both a reduced thickness compared to existing cells and an opto-electric conversion efficiency identical or possibly better than that of existing cells.
  • the invention proposes a photovoltaic cell comprising at least one slice of semiconductor material, with a front face intended to receive the incident light and a rear face opposite to said front face, characterized in that the rear face comprises an electrical contact and a structure called optical structure, discrete and capable of redirecting the incident light to the core of the wafer.
  • the photovoltaic cell may provide other technical characteristics, taken alone or in combination:
  • the thickness of the slice of semiconductor material is between 10 ⁇ m and 200 ⁇ m, preferably between 10 ⁇ m and 10 ⁇ m, advantageously between 50 ⁇ m and 150 ⁇ m;
  • the optical structure has a periodic pattern of patterns, these patterns thus forming a diffraction grating incident light;
  • the pitch of the patterns of the optical structure is between 300 nm and 2 ⁇ m, in the two directions of the plane formed by the rear face of the slice of semiconductor material;
  • the width of the patterns of the optical structure is between 100 nm and 2 ⁇ m;
  • the height of the patterns of the optical structure is between 20 nm and 5 ⁇ m;
  • the patterns are in the form of lines, studs or holes;
  • the electrical contact is made of a material chosen from one of the following materials: aluminum, silver, copper, nickel, platinum, chromium, tungsten, carbon in the form of a nanotube or transparent conductive oxide;
  • the optical structure is made of a material chosen from silica, silicon nitride, optionally enriched in hydrogen, silicon carbide, alumina, titanium dioxide, titanium nitride, magnesium fluoride and tantalic anhydride; or graphite;
  • the optical structure is disposed between the semiconductor material wafer and the electrical contact
  • the optical structure has an electrical contact function and a passivation layer covers said electrical contact;
  • the front face of the slice of semiconductor material also comprises an optical structure, for example formed by pyramidal structures for which the corners of the pyramid's pikes correspond to crystalline axes of the semiconductor material or by surface roughness disposed more or less randomly.
  • the invention also proposes a method for producing a photovoltaic cell comprising at least one slice of semiconductor material, with a front face intended to receive the incident light and a rear face. opposed to said front face, characterized in that it comprises, from the slice of semiconductor material, the following steps:
  • the method according to the invention may provide other technical characteristics, taken alone or in combination:
  • step (a) comprises the following steps:
  • step (b) depositing a layer of material having a melting point higher than the melting temperature of the material to be deposited in step (b) and covering both the resin and the rear face of the wafer, for forming said optical structure;
  • step (a 4 ) removing the resin with the material deposited in step (az) on the resin.
  • the material forming the optical structure is chosen from a silicon oxide, silicon nitride, silicon carbide, an aluminum oxide or titanium dioxide.
  • step (b) a step is provided between step (b) and step (c) for positioning a heat shield pierced on the metal layer of the structure obtained at the end of step (b); , so that the holes of the screen coincide with the spacings left between two patterns of the optical structure.
  • the invention also proposes a method of alternative embodiment of a photovoltaic cell comprising at least one slice of semiconductor material, with a front face intended to receive the incident light and a rear face opposite said front face, characterized in that it comprises, from the slice of semiconductor material, the following steps: (a ') providing, on the rear face of the wafer, an optical structure filled with an electrically conductive material, discrete and capable of redirecting the incident light towards the core of the wafer;
  • step (a ') comprises the following steps:
  • step (a ' 4 ) removing the resin with the material deposited in step (az) on the resin.
  • a step is provided between step (a ') and step (b') for positioning a heat shield pierced on the optical structure of electrically conductive material of the structure obtained at the end of the step (a '), so that the holes of the screen coincide with the spacings left between two patterns of the optical structure.
  • the electrically conductive material is chosen by one of the following materials: aluminum, silver, gold, copper, nickel, platinum, chromium or tungsten, carbon under nanotube shape or transparent conductive oxide.
  • FIG. 1 is a diagram showing, in a sectional view, a photovoltaic cell according to the invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing, in a sectional view, a variant of a photovoltaic cell according to the invention.
  • FIG. 3 represents the different steps of a method for producing the photovoltaic cell of FIG. 1;
  • FIG. 4 represents the different steps of a method for producing the photovoltaic cell of FIG. 2.
  • the photovoltaic cell 1 comprises at least one wafer 2 of semiconductor material, with a front face 21 intended to receive the incident light (represented by the arrow L in FIGS. 1 and 2) and a rear face 22 opposite to said front face. 21.
  • electrical contact 32 on the rear face 22 of the wafer 2 and an electrical contact 31 on the front face 21 of the wafer 2, generally in the form of a grid in order to let the incident light pass.
  • electrical contact means the combination of the material chosen to form the contact and the alloy zone between said material and the wafer of semiconductor material.
  • the rear face 22 comprises a structure, hereinafter called optical structure 4, discrete and capable of redirecting the incident light to the core of the wafer.
  • Discrete structure means a structure formed of independent patterns, so that the structure is discontinuous.
  • this optical structure 4 is arranged to redirect the incident light at different angles to the rays of the incident light. This increases the path length of a photon in the core of the wafer.
  • the optical structure 4 has a periodic patterning of patterns 41, these patterns 41 thus forming a diffraction grating incident light.
  • the patterns 41 may be arranged in the form of lines, pads or holes.
  • These lines or these pads may have various shapes depending on the nature of the manufacturing process. Thus, they may have a profile (cross section) rectangular, triangular or rounded or even half-circular.
  • the pitch P of the patterns 41 that is to say the distance between two patterns, is between 300 nm and 2 ⁇ m, in both directions of the plane formed by the rear face 22 of the wafer 2 of semiconductor material.
  • the width of these patterns is between 10nm and 2pm.
  • the height of these patterns is between 20nm and 5pm.
  • a pattern 41 may have a height h of 100 nm and a width l of 40 nm.
  • the pitch P between two patterns can be 1 pm.
  • the applicant could, after making these patterns on the back of a silicon wafer and deposited an aluminum layer to form the electrical contact, determine a reflection coefficient of 38% for the zero order and 62% for the higher orders.
  • the cell shown in FIG. 1 comprises an optical structure 4 distinct from the electrical contact 32.
  • the optical structure 4 is disposed between the semiconductor material wafer 2 and the electrical contact 32.
  • the material chosen to form the electrical contact 32 can be taken from one of the following metals: Aluminum (Al), Silver (Ag), Gold (Au), Copper (Cu), Nickel (Ni), Platinum (Pt), Chromium (Cr) or Tungsten (W).
  • the electrical contact 32 is then a metal contact.
  • this material may be a non-metallic material, but still electrically conductive, such as carbon nanotubes or transparent conductive oxides (better known by the acronym TCO for "Transparent Conductive Oxide” according to English terminology).
  • electrically conductive such as carbon nanotubes or transparent conductive oxides (better known by the acronym TCO for "Transparent Conductive Oxide” according to English terminology).
  • the optical structure 4 is made of a material chosen from silicon oxide, silicon nitride, silicon carbide, an aluminum oxide (alumina) or titanium dioxide, all of which may be amorphous or crystalline, perfectly stoichiometric or non-stoichiometric , perfectly pure or not. It is also possible to use, for this optical structure 4, titanium nitride (TiN), magnesium fluoride (gF2), tantalic anhydride (Ta 2 Os), graphite or porous silicon.
  • the annealing temperatures generally used in the manufacture of photovoltaic cells are less than or equal to 900 ° C. (these materials are obviously also chemically stable up to this temperature).
  • the optical structure 4 a physically stable material up to at least 900 ° C, even at the interface with another material capable of creating a eutectic. This material will therefore remain in solid phase up to this temperature, including at the interfaces mentioned above.
  • the optical structure 4 can not be suppressed or even impaired during annealing.
  • These materials also have the advantage of not creating a recombinant defect at the interface with the wafer semiconductor material 2, which is for example made of silicon.
  • a photovoltaic cell 1 according to the invention may for example comprise a silicon wafer 2, an optical structure 4 made of silicon dioxide, and an electrical contact 32 made of aluminum.
  • the annealing can be carried out at the temperature of the eutectic between aluminum and silicon, namely approximately 577 ° C., the SiO 2 remaining in the solid phase at this temperature, both at the S1O2 interface / AI, SiO 2 / Si interface at the very heart of SiO 2 .
  • the fusion of aluminum with silicon does not imply any alteration of the optical structure of silicon dioxide.
  • an alloy zone 23 is shown between the metal and the wafer of semiconductor material.
  • the photovoltaic cell 1 may include a silicon wafer 2, an optical structure 4 titanium nitride and an electrical contact copper.
  • the optical structure 4 is constituted by the electrical contact 32.
  • the electrical contact 32 is in the form of discrete patterns disposed at the rear face 22 of the slice of semiconductor material 2.
  • the material chosen to form the electrical contact 32 can be taken from one of the following metals: Aluminum (Al), Silver (Ag), Gold (Au), Copper (Cu), Nickel (Ni), Platinum (Pt), Chromium (Cr) or Tungsten (W).
  • the electrical contact 32 then forms a metal contact.
  • this material may be a non-metallic material, but still electrically conductive, such as carbon nanotubes or transparent conductive oxides.
  • passivation layer 5 a layer of non-conductive material of electricity, called passivation layer 5, covering the electrical contact 32 forming the optical structure 4.
  • This passivation layer 5 also comes into contact with the face rear 22 of the slice of semiconductor material 2, between the patterns 41 of the optical structure 4.
  • This passivation layer 5 can be made of silicon nitride, optionally hydrogenated, or of silicon oxide, silicon nitride, silicon carbide, aluminum oxide (alumina) or titanium dioxide.
  • the material forming the electrical contact 32 of the rear face 22 may be selected, but not limited to, one of the following metals: aluminum, silver, gold, copper, nickel, platinum, chromium or tungsten. It may also be chosen from non-metallic but electrically conductive materials, such as carbon nanotubes or transparent conductive oxides.
  • the front face 21 of the semiconductor material wafer 2 may also comprise an optical structure (not shown) in order to further improve the photovoltaic conversion efficiency of the cell 1.
  • this additional optical structure may be formed by pyramidal structures for which the plane angles of the pyramid correspond to crystalline axes of the semiconductor material 2 or surface roughness arranged more or less randomly.
  • the thickness e of the slice of semiconductor material 2 may be that of the existing slices, that is to say from 180 ⁇ m to 200 ⁇ m.
  • this thickness e may be strictly less than 180 ⁇ m. More precisely, the thickness e of the slice of semiconductor material 2 can be strictly less than 180 ⁇ m while being greater than or equal to 10 ⁇ m. For example, this thickness e can be between 50 ⁇ and 50 ⁇ .
  • FIGS. 3 and 4 The methods for producing the photovoltaic cells of FIGS. 1 and 2 are shown in FIGS. 3 and 4 respectively, with the exception of the step of forming the electrical contact 31 on the front face 21 of the slice of semiconductor material.
  • FIG. 1 The entire process leading to the photovoltaic cell of FIG. 1 is represented in FIG.
  • the following method is employed from the slice of semiconductor material 2: (a) the optical structure 4, discrete and capable of redirecting the incident light towards the core of the wafer 2, is produced on the rear face 22 of the wafer 2;
  • step (a) may be carried out by a method known as "lift-off" according to the English terminology.
  • step (a) comprises the following steps:
  • step (a_i) removing the resin with the material deposited on the resin in step (a 3 ).
  • the thickness of the layer deposited in step (a 3 ) can be controlled, for example by controlling the duration of the deposition.
  • the optical structure 4 may or may not allow diffusion of ionic elements in the semiconductor material 2, for example silicon. This is the case when the material intended to be deposited in step (b) is a metal: the ionic elements are then ions metal from the metal layer and passing through the optical structure 4.
  • Step (b) may be carried out by vacuum evaporation, ion beam sputtering or by other techniques known to those skilled in the art.
  • the annealing step (c) reveals an alloy zone 23 between the semiconductor material of the wafer 2, for example silicon, and the material 3, for example a metal such as aluminum.
  • the shape of the patterns 41 of the optical structure 4 is not affected by this annealing step (c), so that, unlike the teachings of the document D1, this step does not modify the expected optical properties of this optical structure 4 .
  • step (c) It is possible to locate the annealing by positioning, prior to the implementation of step (c), a pierced heat shield (not shown) on the metal layer 3 of the structure obtained at the end of step (b).
  • the positioning of the pierced heat shield is such that the holes thereof coincide with the spacings left between two patterns 41 of the optical structure 4, the screen then coinciding with the patterns 41 of the optical structure 4.
  • the heat shield modulates the temperature distribution on the structure.
  • the wafer of semiconductor material 2 will be locally less hot than at the piercing zones.
  • the melting point of the eutectic is thus more rapidly reached at the piercing areas of the screen and the areas of the metal in contact with the screen are not transformed.
  • it is then necessary to take account of this fact for example by protecting the rear face during the impurity diffusion steps, if one does not wish to boost this area.
  • the use of a heat shield is particularly advantageous if the annealing is carried out in a lamp furnace, for example.
  • the alloy zone in particular in the case of a silicon / aluminum alloy, has the advantage of creating a field effect repelling the electric charges generated, in use, by the photovoltaic conversion far from the rear face 22 of the wafer 2. where are the recombinant defects.
  • the annealing can be carried out at the melting temperature at Koectique, namely of the order of 577 ° C. .
  • the material forming the optical structure 4 is physically (and chemically) stable.
  • the duration of the annealing is especially optimized for the desired optical function: reflection coefficient on the rear face, diffraction efficiency.
  • FIG. 4 The entire process leading to the photovoltaic cell of FIG. 2 is shown in FIG. 4.
  • (a ') is made on the rear face 22 of the wafer 2, an optical structure 4 of an electrically conductive material 3, discrete and capable of redirecting the incident light to the core of the wafer 2;
  • step (a 1 ) can be performed by the "lift-off" method.
  • step (a) comprises the following steps:
  • step (a ' 4 ) removing the resin with the material deposited on the resin in step (83). All that remains is the material deposited on the rear face 22 itself.
  • Step (a ' 3 ) may be carried out by vacuum evaporation, ion beam sputtering or by other techniques known to those skilled in the art.
  • the annealing step (b ') reveals an alloy zone 23 between the semiconductor material of the wafer 2, for example silicon, and the electrical contact 32, for example made with aluminum with the resulting passivation properties.
  • the annealing can be carried out at the eutectic melting temperature, namely of the order of 577 ° C.
  • the shape of the patterns 41 of the optical structure 4 is not affected by this annealing step (b '), so that, unlike the teachings of the document D1, this step does not modify the optical properties expected from this optical structure 4.
  • step (b ') it is possible, prior to the implementation of step (b '), to positioning a pierced heat shield (not shown) above the optical structure of electrically conductive material 3 obtained at the end of step (a ').
  • the positioning of the pierced heat shield is such that the holes thereof coincide with the patterns of the optical structure 4, the screen then coinciding with the spacings between the patterns 41 of the optical structure 4.
  • the heat shield modulates the temperature distribution on the structure.
  • the wafer of semiconductor material 2 will be locally less hot than at the piercing zones.
  • the melting point of the eutectic is thus more rapidly reached at the level of the screen piercing zones, that is to say at the level of the patterns, and the zones of the semiconductor material wafer in contact with the screen are not transformed.
  • the use of a heat shield is particularly advantageous if the annealing is carried out in a lamp furnace, for example.
  • the step (c ') of depositing a passivation layer can be carried out by chemical vapor deposition, possibly assisted by plasma.
  • an additional step to improve passivation can be envisaged, for example by hydrogenation.
  • the lithography steps implemented in the various embodiments of the above can be carried out by laser lithography, interference lithography which are capable of working well on non-flat surfaces, having significant non-negligible flatness defects. that is greater than 0.1 pm in height. These flatness defects are more generally between 0.1 pm and 10 pm in height. It is also possible to use other lithographic methods, having previously smoothed, for example by chemical means, the surface to be lithographed. These different techniques are known to those skilled in the art.

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Abstract

L'invention concerne une cellule photovoltaïque (1) comprenant au moins une tranche (2) de matériau semi-conducteur, avec une face avant (21) destinée à recevoir la lumière incidente et une face arrière (22) opposée à ladite face avant, ainsi que des procédés de réalisation de cette cellule photovoltaïque. La face arrière (22) comprend un contact électrique (32) et une structure (4) dite structure optique, discrète et susceptible de rediriger la lumière incidente vers le cœur de la tranche.

Description

CELLULE PHOTOVOLTAIQUE A FACE ARRIERE STRUCTUREE ET PROCEDE DE FABRICATION ASSOCIE
La présente invention se rapporte au domaine des cellules photovoltaïques.
Ces cellules sont généralement formées à partir de tranches de matériau semi-conducteur, tel que le silicium, au sein desquelles la conversion photovoltaïque a lieu.
L'invention concerne une cellule photovoltaïque comprenant au moins une tranche de matériau semi-conducteur et un contact électrique sur ia face arrière de ladite tranche, la face arrière étant la face opposée à la face par laquelle entre la lumière incidente.
La présente invention concerne également un procédé de réalisation d'une telle cellule photovoltaïque.
Afin de réduire les coûts de fabrication des cellules photovoltaïques et par suite, les coûts de production d'électricité avec ces cellules, les industriels du secteur cherchent à augmenter leurs rendements.
A cet effet, on a déjà proposé de modifier la propagation optique des photons dans la tranche de silicium.
Par exemple, il a été proposé de structurer la géométrie de la face avant de la tranche de siiicium exposée à la lumière incidente pour modifier son comportement optique. Ces structures optiques peuvent se présenter sous la forme de structures pyramidales, pour lesquelles les angles des plans de la pyramide correspondent à des axes cristallins du silicium.
De telles structures optiques sur la face avant de la tranche ont également été proposées pour d'autres matériaux que le silicium. Il peut par exemple s'agir de rugosités de surface disposées plus ou moins aléatoirement.
La lumière incidente traversant la face avant de la tranche de matériau semi-conducteur ainsi structurée est alors déviée en raison de cette structuration, ce qui augmente la longueur de parcours d'un photon dans le cœur de la tranche de matériau semi-conducteur et par suite, sa probabilité de générer un phénomène photovoltaïque au lieu d'atteindre la face non éclairée de ladite tranche.
Jusqu'à présent, on s'est principalement contenté de proposer des structures optiques théoriques susceptibles d'améliorer le rendement de la cellule photovoltaïque, sans pouvoir les fabriquer de façon industrielle.
En effet, la formation de ces structures au niveau de la face avant du matériau semi-conducteur est mal maîtrisée, en particulier du fait que la formation du contact électrique avant détériore ces structures.
Par suite, on ne maîtrise pas l'augmentation réelle du rendement d'une cellule photovoltaïque pouvant être obtenu avec ces structures.
Des structures susceptibles d'améliorer le rendement d'une cellule photovoltaïque ont également été proposées au niveau de la face arrière du matériau semi-conducteur.
On peut par exemple citer l'article " Efficiency enhancement in Si Solar ceils by textured photonic crystal back reflector", L. Zeng & al., Applied Physics Letters 89, 111111 (2006).
Dans cet article, la face arrière de la tranche de matériau semi-conducteur est munie d'un réseau de diffraction combiné à plusieurs couches alternées de matériaux distincts formant un réseau de Bragg. Avec la mise en œuvre de ces structures, la lumière arrivant au niveau de la face arrière de la tranche de matériau semi-conducteur est réfléchie de façon contrôlée en direction du coeur de la tranche de matériau semi-conducteur.
Pour mettre en évidence les performances obtenues avec ces structures, les auteurs ont proposé une comparaison avec une tranche de matériau semi-conducteur dont la face arrière est munie uniquement d'un réseau de diffraction, sans réseau de Bragg. La structure optique est formée dans la masse de la tranche de matériau semi-conducteur. Toutes ces structures optiques ne permettent pas de réaliser des contacts métalliques sur cette face arrière avec les procédés connus dans l'industrie.
En effet, dans cet article, le réseau de diffraction est réalisé dans le silicium formant la tranche de matériau semi-conducteur. Le contact électrique ne peut alors être obtenu qu'en injectant du métal dans les motifs formés dans le silicium, si bien qu'un recuit effectué à la température de fusion silicium/métal conduirait à l'altération des motifs formant le réseau de diffraction. Par ailleurs, lorsque la structure comporte un réseau de Bragg (réalisé par des couches alternées Si/Si3N4 ou Si/Si02) recouvrant le réseau de diffraction, aucun contact électrique ne peut non plus être réalisé car le réseau de Bragg serait également altéré et ne pourrait plus exercer sa fonction.
Pour cette raison, les auteurs ont reporté la fonction normalement assurée par le contact électrique arrière sur les côtés de la tranche en silicium.
Ceci est gênant pour obtenir des cellules photovoitaïques à l'échelle industrielle, notamment pour des raisons d'encombrement.
Il apparaît donc que l'idée d'effectuer une structuration de l'une des faces avant et/ou arrière d'une tranche de matériau semi-conducteur de la cellule photovoltaïque afin d'améliorer le rendement de cette cellule a déjà été proposée.
Cependant, les solutions techniques connues s'avèrent difficilement contrôlables. En outre, leur industrialisation est difficile voire même incompatible avec la réalisation d'un contact électrique arrière.
Afin de réduire encore plus les coûts de fabrication des cellules photovoitaïques et par suite, les coûts de production d'électricité avec ces cellules, les industriels du secteur cherchent également à diminuer l'épaisseur des tranches de matériau semi-conducteur employées dans ces cellules, lesquelles sont actuellement de l'ordre de 180μιη. A cet effet, les voies actuellement envisageables sont détaillées dans « Crystalline Si solar cells and the microelectronics expérience », K. Baert & al., Solid State Technology (Internet), Août 2009. Par ailleurs, les projections faites à partir de ces voies théoriquement envisageables laissent entrevoir que l'épaisseur actuelle de 180μηη d'une tranche de silicium pourra passer à une épaisseur de 120pm en 2012, 80μιη en 2015 puis 40pm en 2020, tout en conservant, voire en améliorant, le rendement des cellules photovoltaïques actuelles.
En effet, les cellules photovoltaïques actuelles mettent généralement en oeuvre des tranches de silicium, lesquelles représentent environ 40% du coût du kilowattheure produit par la cellule. Ainsi, une réduction d'un facteur deux de l'épaisseur des tranches de Silicium impliquerait une réduction de 20% du coût du kilowattheure produit par la cellule.
Malheureusement, la réduction de l'épaisseur des tranches de Silicium s'accompagne d'une chute du rendement de la conversion photovoltaïque. En effet, plus l'épaisseur d'une tranche est réduite, plus la probabilité qu'un photon de la lumière incidente traverse toute l'épaisseur de la tranche sans générer de phénomène photovoltaïque augmente. Les photons de !a lumière incidente ayant traversés la tranche sont transmis par la face arrière de la tranche et sont réfléchis vers le coeur de façon non contrôlée.
Ainsi, on a proposé d'associer une tranche d'épaisseur réduite à des structures optiques telles que décrites précédemment, afin de réduire les coûts de fabrication tout en conservant un rendement de conversion photovoltaïque identique, voire meilleur.
Malheureusement, dans ce cas également, on rencontre les mêmes difficultés liées à la mise en place de structures optiques sur les faces de la tranche de matériau semi-conducteur. Un objectif de l'invention est ainsi de proposer une cellule photovoltaïque présentant un rendement de conversion opto-électrique meilleur que celui des cellules photovoltaïques existantes.
Un autre objectif de l'invention est de proposer une cellule photovoltaïque présentant à la fois une épaisseur réduite par rapport aux cellules existantes et un rendement de conversion opto-électrique identique, ou éventuellement meilleur, que celui des cellules existantes.
Pour atteindre ('un au moins de ces objectifs, l'invention propose une cellule photovoltaïque comprenant au moins une tranche de matériau semi-conducteur, avec une face avant destinée à recevoir la lumière incidente et une face arrière opposée à ladite face avant, caractérisée en ce que la face arrière comprend un contact électrique et une structure dite structure optique, discrète et susceptible de rediriger la lumière incidente vers le cœur de la tranche.
La cellule photovoltaïque pourra prévoir d'autres caractéristiques techniques, prises seules ou en combinaison :
- l'épaisseur de la tranche de matériau semi-conducteur est comprise entre 10μιη et 200μιη, de préférence entre 10 m et Ιδθμιη, avantageusement entre 50pm et 150μιη ;
- la structure optique présente une structuration périodique de motifs, ces motifs formant ainsi un réseau de diffraction de la lumière incidente ;
- le pas des motifs de la structure optique est compris entre 300nm et 2pm, dans les deux directions du plan formé par la face arrière de la tranche de matériau semi-conducteur ;
- la largeur des motifs de la structure optique est comprise entre 100nm et 2μηι ;
- la hauteur des motifs de la structure optique est comprise entre 20nm et 5μιη ;
- les motifs sont sous la forme de lignes, plots ou trous ; - le contact électrique est réalisé avec un matériau choisi par l'un des matériaux suivants : aluminium, argent, cuivre, nickel, platine, chrome, tungstène, carbone sous forme de nanotube ou oxyde conducteur transparent ;
- la structure optique est en un matériau choisi parmi la silice, le nitrure de silicium éventuellement enrichi en hydrogène, le carbure de silicium, l'alumine, le dioxyde de titane, le nitrure de titane, le fluorure de magnésium, l'anhydride tantalique ou le graphite ;
- la structure optique est disposée entre la tranche de matériau semiconducteur et le contact électrique ;
- la structure optique présente une fonction de contact électrique et une couche de passivation recouvre ledit contact électrique ;
- la face avant de la tranche de matériau semi-conducteur comprend également une structure optique, par exemple formée par des structures pyramidales pour lesquelles les angles des pians de la pyramide correspondent à des axes cristallins du matériau semiconducteur ou par des rugosités de surface disposées plus ou moins aléatoirement.
Pour atteindre l'un au moins de ces objectifs, l'invention propose également un procédé de réalisation d'une cellule photovoltaïque comprenant au moins une tranche de matériau semi-conducteur, avec une face avant destinée à recevoir la lumière incidente et une face arrière opposée à ladite face avant, caractérisé en ce qu'il comprend, à partir de la tranche de matériau semi-conducteur, les étapes suivantes:
(a) réaliser, sur la face arrière de la tranche, une structure dite structure optique, discrète et susceptible de rediriger la lumière incidente vers le c ur de la tranche ;
(b) déposer une couche de matériau conducteur électrique, recouvrant la structure optique et la face arrière de la tranche ;
(c) effectuer un recuit de l'ensemble ainsi formé par la tranche en matériau semi-conducteur, la structure optique et la couche de matériau conducteur électrique à une température inférieure à la température de fusion du matériau formant la structure optique, afin de former un contact électrique entre la couche de matériau conducteur électrique et la tranche en matériau semi-conducteur.
Le procédé selon l'invention pourra prévoir d'autres caractéristiques techniques, prises seules ou en combinaison :
- l'étape (a) comprend les étapes suivantes :
(ai) dépôt d'une couche de résine sur la tranche de matériau semiconducteur, sur la face arrière de la tranche de matériau semi-conducteur ;
(82) lithographie d'un motif inverse dans la couche de résine ;
(83) dépôt d'une couche de matériau présentant une température de fusion supérieure à la température de fusion du matériau destiné à être déposé à l'étape (b) et recouvrant à la fois la résine et la face arrière de la tranche, en vue de former ladite structure optique ;
(a4) retrait de la résine avec le matériau déposé à l'étape (az) situé sur la résine.
- le matériau formant la structure optique est choisi parmi un oxyde de silicium, le nitrure de silicium, le carbure de silicium, un oxyde d'aluminium ou le dioxyde de titane.
- il est prévu, entre l'étape (b) et l'étape (c), une étape de positionnement d'un écran thermique percé sur la couche de métal de la structure obtenue à l'issue de l'étape (b), de sorte que les perçages de l'écran coïncident avec les espacements laissés entre deux motifs de la structure optique.
L'invention propose également un procédé de réalisation alternatif d'une cellule photovoltaïque comprenant au moins une tranche de matériau semi-conducteur, avec une face avant destinée à recevoir la lumière incidente et une face arrière opposée à ladite face avant, caractérisé en ce qu'il comprend, à partir de la tranche de matériau semi-conducteur, les étapes suivantes : (a') réaliser, sur la face arrière de la tranche, une structure optique remplie en matériau conducteur électrique, discrète et susceptible de rediriger la lumière incidente vers le cœur de la tranche;
(b') effectuer un recuit de l'ensemble ainsi formé par la tranche en matériau semi-conducteur et la structure optique remplie en matériau conducteur électrique afin de former un contact électrique entre ledit matériau et la tranche en matériau semi-conducteur ;
(c1) déposer une couche de passivation recouvrant la structure optique remplie en matériau conducteur électrique et la face arrière de la tranche.
Le procédé alternatif selon l'invention pourra prévoir d'autres caractéristiques techniques :
- l'étape (a') comprend les étapes suivantes :
(a'i) dépôt d'une couche de résine sur la face arrière de la tranche de matériau semi-conducteur ;
(a'2) lithographie d'un motif inverse dans la couche de résine ;
(a'3) dépôt d'une couche de matériau conducteur électrique recouvrant à la fois la résine et la face arrière de la tranche, en vue de former ladite structure optique ;
(a'4) retrait de la résine avec le matériau déposé à l'étape (az) situé sur la résine.
- il est prévu, entre l'étape (a') et l'étape (b'), une étape de positionnement d'un écran thermique percé sur la structure optique en matériau conducteur électrique de la structure obtenue à l'issue de l'étape (a'), de sorte que les perçages de l'écran coïncident avec les espacements laissés entre deux motifs de la structure optique.
Enfin, l'un ou l'autre des procédés selon l'invention pourra prévoir que le matériau conducteur électrique est choisi par l'un des matériaux suivants : aluminium, argent, or, cuivre, nickel, platine, chrome ou tungstène, carbone sous forme de nanotube ou oxyde conducteur transparent. D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention seront énoncés dans la description détaillée ci-après faite en référence aux figures suivantes:
- la figure 1 est un schéma représentant, selon une vue de coupe, une cellule photovoltaïque selon l'invention ;
- la figure 2 est un schéma représentant, selon une vue de coupe, une variante d'une cellule photovoltaïque selon l'invention ;
- la figure 3 représente les différentes étapes d'un procédé de réalisation de la cellule photovoltaïque de la figure 1 ;
- la figure 4 représente les différentes étapes d'un procédé de réalisation de la cellule photovoltaïque de la figure 2.
La cellule photovoltaïque 1 comprend au moins une tranche 2 de matériau semi-conducteur, avec une face avant 21 destinée à recevoir la lumière incidente (représentée par la flèche L sur les figures 1 et 2) et une face arrière 22 opposée à ladite face avant 21.
Elle comprend également un contact électrique 32 sur la face arrière 22 de la tranche 2 et un contact électrique 31 sur la face avant 21 de la tranche 2, généralement sous la forme d'une grille afin de laisser passer la lumière incidente. Par contact électrique, on entend l'association du matériau choisi pour former le contact et de la zone d'alliage entre ledit matériau et la tranche de matériau semi-conducteur.
La face arrière 22 comprend une structure, ci-après nommée structure optique 4, discrète et susceptible de rediriger la lumière incidente vers le cœur de la tranche.
Par structure discrète, on entend une structure formée de motifs indépendants, de telle sorte que la structure est discontinue.
De préférence, cette structure optique 4 est agencée de façon à rediriger la lumière incidente selon des angles différents aux rayons de la lumière incidente. On augmente ainsi la longueur de parcours d'un photon dans le cœur de la tranche. A cet effet, la structure optique 4 présente une structuration périodique de motifs 41 , ces motifs 41 formant ainsi un réseau de diffraction de la lumière incidente.
Les motifs 41 peuvent être agencés sous la forme de lignes, de plots ou encore trous.
Ces lignes ou ces plots peuvent présenter des formes variées en fonction de la nature du procédé de fabrication. Ainsi, ils peuvent présenter un profil (section transversale) rectangulaire, triangulaire ou encore arrondi voire demi-circulaire.
Le pas P des motifs 41 , c'est-à-dire la distance entre deux motifs, est compris entre 300nm et 2pm, dans les deux directions du plan formé par la face arrière 22 de la tranche 2 de matériau semi-conducteur. La largeur de ces motifs est comprise entre 10nm et 2pm. Enfin, la hauteur de ces motifs est comprise entre 20nm et 5pm.
Par exemple, un motif 41 peut présenter une hauteur h de 100nm et une largeur l de 40nm. Le pas P entre deux motifs peut être de 1 pm. Le demandeur a pu, après avoir réalisé ces motifs en face arrière d'une tranche de silicium et déposé une couche en aluminium pour former le contact électrique, déterminer un coefficient de réflexion de 38% pour l'ordre zéro et de 62% pour les ordres supérieur.
La cellule représentée sur la figure 1 comporte une structure optique 4 distincte du contact électrique 32. La structure optique 4 est disposée entre la tranche de matériau semi-conducteur 2 et le contact électrique 32.
Le matériau choisi pour former le contact électrique 32 peut être pris parmi l'un des métaux suivants : Aluminium (Al), Argent (Ag), Or (Au), Cuivre (Cu), Nickel (Ni), Platine (Pt), Chrome (Cr) ou Tungstène (W). Le contact électrique 32 est alors un contact métallique.
En variante, ce matériau peut être un matériau non métallique, mais toujours conducteur de l'électricité, comme les nanotubes de carbone ou les oxydes conducteurs transparents (plus connu sous l'acronyme TCO pour « Transparent Conductive Oxide » selon la terminologie anglo- saxonne).
La structure optique 4 est en un matériau choisi parmi un oxyde de silicium, le nitrure de silicium, le carbure de silicium, un oxyde d'aluminium (alumine) ou le dioxyde de titane, tous pouvant être amorphes ou cristallins, parfaitement stoechiométriques ou non, parfaitement purs ou non. On peut également utiliser, pour cette structure optique 4, le nitrure de titane (TiN), le fluorure de magnésium ( gF2), l'anhydride tantalique (Ta2Os), le graphite ou le silicium poreux.
Ces matériaux sont physiquement stables à des températures supérieures aux températures de recuit habituelles. Les températures de recuit généralement utilisées dans la fabrication de cellules photovoltaïques sont inférieures ou égales à 900°C (ces matériaux sont évidemment également chimiquement stables jusqu'à cette température).
Plus généralement, on choisira, pour former la structure optique 4, un matériau physiquement stable jusqu'à au moins 900°C, même au niveau de l'interface avec un autre matériau susceptible de créer un eutectique. Ce matériau restera donc en phase solide jusqu'à cette température, y compris au niveau des interfaces mentionnées ci-dessus.
De ce fait, la structure optique 4 ne peut pas être supprimée, ou même altérée lors d'un recuit.
Ces matériaux ont également l'avantage de ne pas créer de défaut recombinant au niveau de l'interface avec la tranche en matériau semiconducteur 2, laquelle est par exemple réalisée en silicium.
Une cellule photovoltaïque 1 conforme à l'invention pourra par exemple comporter une tranche 2 en silicium, une structure optique 4 en dioxyde de silicium, et un contact électrique 32 réalisé avec de l'aluminium.
Dans ce cas, le recuit peut être effectué à la température de l'eutectique entre l'aluminium et le silicium, à savoir environ 577°C, le SiO2 restant en phase solide à cette température, tant au niveau de l'interface S1O2/AI, de l'interface SiO2/Si qu'au cœur même du SiO2. La fusion de l'aluminium avec le silicium n'implique alors pas d'altération de la structure optique en dioxyde de silicium. On peut se reporter à la figure 3 où une zone d'alliage 23 est représentée entre le métal et la tranche de matériau semi-conducteur.
D'autres associations des matériaux mentionnés ci-dessus sont évidemment envisageables.
Pour donner un autre exemple à titre non limitatif, la cellule photovoltaïque 1 pourra comporter une tranche 2 en silicium, une structure optique 4 en nitrure de titane et un contact électrique en cuivre.
En variante, et comme représenté sur la figure 2, la structure optique 4 est constituée par le contact électrique 32.
Dans ce cas, le contact électrique 32 se présente sous la forme de motifs discrets disposés au niveau de la face arrière 22 de la tranche de matériau semi-conducteur 2.
Le matériau choisi pour former le contact électrique 32 peut être pris parmi l'un des métaux suivants : Aluminium (Al), Argent (Ag), Or (Au), Cuivre (Cu), Nickel (Ni), Platine (Pt), Chrome (Cr) ou Tungstène (W). Le contact électrique 32 forme alors un contact métallique.
En variante, ce matériau peut être un matériau non métallique, mais toujours conducteur de l'électricité, comme les nanotubes de carbone ou les oxydes conducteurs transparents.
Dans ce cas également, il est prévu une couche en un matériau non-conducteur de l'électricité, dite couche de passivation 5, recouvrant le contact électrique 32 formant la structure optique 4. Cette couche de passivation 5 vient également au contact de la face arrière 22 de la tranche de matériau semi-conducteur 2, entre les motifs 41 de la structure optique 4.
Cette couche de passivation 5 peut être réalisée en nitrure de silicium, éventuellement hydrogéné ou encore en oxyde de silicium, en nitrure de silicium, en carbure de silicium, en oxyde d'aluminium (alumine) ou en dioxyde de titane. Là encore, le matériau formant le contact électrique 32 de la face arrière 22 peut être choisi, de façon non exhaustive, parmi l'un des métaux suivants : aluminium, argent, or, cuivre, nickel, platine, chrome ou tungstène. Il peut également être choisi parmi des matériaux non métalliques mais conducteurs électriques, tels que des nanotubes de carbone ou des oxydes conducteurs transparents.
Par ailleurs, la face avant 21 de la tranche de matériau semiconducteur 2 peut également comprendre une structure optique (non représentée) afin d'améliorer encore le rendement de conversion photovoltaïque de la cellule 1. Par exemple, cette structure optique additionnelle pourra être formée par des structures pyramidales pour lesquelles les angles des plans de la pyramide correspondent à des axes cristallins du matériau semi-conducteur 2 ou par des rugosités de surface disposées plus ou moins aléatoirement.
Pour toutes les structures représentées sur les figures 1 et 2, l'épaisseur e de la tranche de matériau semi-conducteur 2 pourra être celle des tranches existantes, c'est-à-dire de 180pm à 200 m.
En variante, cette épaisseur e peut être strictement inférieure à 180μιη. Plus précisément, l'épaisseur e de la tranche de matériau semiconducteur 2 peut être strictement inférieure à 180pm tout en étant supérieure ou égale à 10pm. Par exemple, cette épaisseur e peut être comprise entre 50μηη et 50μιη.
Les procédés de réalisation des cellules photovoitaïques des figures 1 et 2 sont représentés sur les figures 3 et 4 respectivement, à l'exception de l'étape de formation du contact électrique 31 sur la face avant 21 de la tranche de matériau semi-conducteur.
L'ensemble du procédé conduisant à la cellule photovoltaïque de la figure 1 est représenté sur la figure 3.
Pour réaliser la cellule photovoltaïque représentée sur la figure 1 , le procédé suivant est employé à partir de la tranche de matériau semi-conducteur 2 : (a) on réalise, sur la face arrière 22 de la tranche 2, la structure optique 4, discrète et susceptible de rediriger la lumière incidente vers le cœur de la tranche 2;
(b) on dépose une couche de matériau 3 conducteur électrique recouvrant la structure optique 4 et la face arrière 22 de la tranche 2;
(c) on effectue un recuit de l'ensemble ainsi formé par la tranche en matériau semi-conducteur 2, la structure optique 4 et la couche en matériau 3 conducteur électrique à une température inférieure à la température de fusion du matériau formant la structure optique 4, afin de former le contact électrique 32 entre la couche de matériau 3 conducteur électrique et la tranche en matériau semi-conducteur 2.
Afin d'obtenir la cellule photovoltaïque représentée sur la figure 1 , l'étape (a) peut être réalisée par un procédé connu sous le nom de « lift-off » selon la terminologie anglo-saxonne. Dans ce cas, l'étape (a) comprend les étapes suivantes :
(ai) dépôt d'une couche de résine 6 sur la face arrière 22 de la tranche 2 de matériau semi-conducteur ;
(82) lithographie d'un motif inverse dans la couche de résine 6 ;
(az) dépôt d'une couche de matériau 41 présentant une température de fusion supérieure à la température de fusion du matériau conducteur électrique destiné à être déposé à l'étape (b) et recouvrant à la fois la résine et la face arrière de ia tranche, en vue de former ladite structure optique ;
(a_i) retrait de la résine avec le matériau déposé sur la résine à l'étape (a3).
Il ne reste alors que le matériau déposé sur la face arrière proprement dite.
Il faut noter que l'épaisseur de la couche déposée à l'étape (a3) peut être maîtrisée, par exemple par le contrôle de la durée du dépôt. En effet, en fonction de son épaisseur, la structure optique 4 peut autoriser ou non une diffusion d'éléments ioniques dans le matériau semi-conducteur 2, par exemple en silicium. C'est le cas lorsque le matériau destiné à être déposé à l'étape (b) est un métal : les éléments ioniques sont alors des ions métalliques provenant de la couche de métal et traversant la structure optique 4.
En cours de fonctionnement, ceci renforce l'effet de champ repoussant les charges électriques générées par la conversion photovoltaïque et devant être extraites par la face avant, loin de la face arrière 22 de la tranche 2 où sont situés les défauts recombinants, pièges pour ces charges électriques. En effet, aux interfaces, il existe toujours des défauts dits recombinant qui piègent les charges électriques libres.
L'étape (b) peut être réalisée par une évaporation sous vide, par une pulvérisation par faisceau d'ions ou par d'autres techniques connues de l'homme du métier.
L'étape (c) de recuit fait apparaître une zone d'alliage 23 entre le matériau semi-conducteur de la tranche 2, par exemple du silicium, et le matériau 3, par exemple un métal tel que l'aluminium.
La forme des motifs 41 de la structure optique 4 n'est pas affectée par cette étape (c) de recuit, si bien que, contrairement notamment aux enseignements du document D1 , cette étape ne modifie pas les propriétés optiques escomptées de cette structure optique 4.
Il est possible de localiser le recuit en positionnant, préalablement à la mise en œuvre de l'étape (c), un écran thermique percé (non représenté) sur la couche de métal 3 de la structure obtenue à l'issue de l'étape (b). Le positionnement de l'écran thermique percé est tel que les perçages de celui-ci coïncident avec les espacements laissés entre deux motifs 41 de la structure optique 4, l'écran coïncidant alors avec les motifs 41 de la structure optique 4.
Ainsi, lors du recuit, l'écran thermique permet de moduler la distribution de température sur la structure. Au niveau des zones de contact avec l'écran, la tranche de matériau semi-conducteur 2 sera localement moins chaude qu'au niveau des zones de perçage. Le point de fusion de l'eutectique est ainsi plus rapidement atteint au niveau des zones de perçage de l'écran et les zones du métal en contact avec l'écran ne sont pas transformées. Lors des étapes de fabrication ultérieures, il faut alors tenir compte de ce fait, par exemple en protégeant la face arrière lors des étapes de diffusion d'impuretés, si l'on ne souhaite pas doper cette zone.
L'utilisation d'un écran thermique est particulièrement intéressante si le recuit s'effectue dans un four à lampe, par exemple.
La zone d'alliage, notamment dans le cas d'un alliage silicium/aluminium a l'avantage de créer un effet de champ repoussant les charges électriques générées, en utilisation, par la conversion photovoitaïque loin de la face arrière 22 de la tranche 2 où sont situés les défauts recombinants.
Par exemple, dans le cas d'un contact électrique 32 réalisé avec de l'aluminium et d'une tranche 2 en silicium, le recuit peut être effectué à la température de fusion à Peutectique, à savoir de l'ordre de 577°C. A cette température, le matériau formant la structure optique 4 est physiquement (et chimiquement) stable.
La durée du recuit est notamment optimisée en vue de la fonction optique recherchée : coefficient de réflexion sur la face arrière, efficacité de diffraction.
L'ensemble du procédé conduisant à la cellule photovoitaïque de la figure 2 est représenté sur la figure 4.
Pour réaliser la cellule photovoitaïque représentée sur la figure 2, le procédé suivant est employé à partir de la tranche de matériau semi-conducteur 2 :
(a') on réalise, sur la face arrière 22 de la tranche 2, une structure optique 4 en un matériau 3 conducteur électrique, discrète et susceptible de rediriger la lumière incidente vers le cœur de la tranche 2;
(b') on effectue un recuit de l'ensemble formé par la tranche en matériau semi-conducteur 2 et la structure optique 4 remplie en matériau conducteur électrique, afin de former le contact électrique 32 entre ie matériau 3 conducteur électrique et la tranche en matériau semi-conducteur 2. (c') on dépose une couche de passivation 5 recouvrant la structure optique 4 remplie du matériau conducteur électrique et la face arrière 22 de la tranche 2.
Afin d'obtenir la cellule photovoltaïque représentée sur la figure 2, l'étape (a1) peut être réalisée par le procédé « lift-off ». Dans ce cas, l'étape (a) comprend les étapes suivantes :
(a'i) dépôt d'une couche de résine sur la face arrière de la tranche de matériau semi-conducteur ;
(a'2) lithographie d'un motif inverse dans la couche de résine ;
(a'3) dépôt d'une couche de matériau conducteur électrique recouvrant à la fois la résine et la face arrière de la tranche, en vue de former ladite structure optique ;
(a'4) retrait de la résine avec le matériau déposé sur la résine à l'étape (83). Il ne reste alors que le matériau déposé sur la face arrière 22 proprement dite.
L'étape (a'3) peut être réalisée par une évaporation sous vide, par une pulvérisation par faisceau d'ions ou par d'autres techniques connues de l'homme du métier.
Par ailleurs, l'étape (b') de recuit fait apparaître une zone d'alliage 23 entre le matériau semi-conducteur de la tranche 2, par exemple du silicium, et le contact électrique 32, par exemple réalisé avec de l'aluminium avec les propriétés de passivation qui en découlent. Dans le cas d'un contact électrique réalisé avec de l'aluminium sur une tranche de silicium, le recuit peut être effectué à la température de fusion à l'eutectique, à savoir de l'ordre de 577°C.
Là encore, la forme des motifs 41 de la structure optique 4 n'est pas affectée par cette étape (b') de recuit, si bien que, contrairement notamment aux enseignements du document D1 , cette étape ne modifie pas les propriétés optiques escomptées de cette structure optique 4.
Il est possible de localiser le recuit au niveau des motifs. Pour cela, il est possible, préalablement à la mise en œuvre de l'étape (b'), de positionner un écran thermique percé (non représenté) au-dessus de la structure optique en matériau conducteur électrique 3 obtenue à l'issue de l'étape (a'). Le positionnement de l'écran thermique percé est tel que les perçages de celui-ci coïncident avec les motifs de la structure optique 4, ['écran coïncidant alors avec les espacements entre les motifs 41 de la structure optique 4.
Ainsi, lors du recuit, l'écran thermique permet de moduler la distribution de température sur la structure. Au niveau des zones de contact avec l'écran, la tranche de matériau semi-conducteur 2 sera localement moins chaude qu'au niveau des zones de perçage. Le point de fusion de l'eutectique est ainsi plus rapidement atteint au niveau des zones de perçage de l'écran, c'est-à-dire au niveau des motifs, et les zones de la tranche de matériau semiconducteur en contact avec l'écran ne sont pas transformées.
Lors des étapes de fabrication ultérieures, il faut alors tenir compte de ce fait, par exemple en protégeant la face arrière lors des étapes de diffusion d'impuretés, si l'on ne souhaite pas doper cette zone.
L'utilisation d'un écran thermique est particulièrement intéressante si ie recuit s'effectue dans un four à lampe, par exemple.
L'étape (c') consistant à déposer une couche de passivation peut être effectuée par dépôt chimique sous phase vapeur, éventuellement assisté par plasma.
Quels que soient les procédés de réalisation envisagés, une étape additionnelle visant à améliorer la passivation peut être envisagée, par exemple par hydrogénation.
Les étapes de lithographie mises en œuvre dans les différents procédés de réalisation ci-dessus peuvent être effectués par lithographie par laser, lithographie par interférences qui sont susceptibles de bien fonctionner sur des surfaces non planes, présentant des défauts de planéité non négligeables, c'est-à-dire supérieurs à 0,1 pm de hauteur. Ces défauts de planéité sont plus généralement compris entre 0,1 pm et 10pm de hauteur. Il est également possible d'employer d'autres méthodes lithographiques, en ayant préalablement lissé, par exemple par voie chimique, la surface à lithographier. Ces différentes techniques sont connues de l'homme du métier.

Claims

REVENDICATIONS
1. Cellule photovoltaïque (1) comprenant au moins une tranche (2) de matériau semi-conducteur, avec une face avant (21) destinée à recevoir la lumière incidente et une face arrière (22) opposée à ladite face avant, caractérisée en ce que la face arrière (22) comprend un contact électrique (32) et une structure (4) dite structure optique, discrète et susceptible de rediriger la lumière incidente vers le cœur de la tranche, ladite structure optique (4) étant réalisée en un matériau choisi parmi la silice, un oxyde de silicium, le nitrure de silicium éventuellement enrichi en hydrogène, le carbure de silicium, l'alumine ou plus généralement un oxyde d'aluminium, le dioxyde de titane, le nitrure de titane, le fluorure de magnésium, l'anhydride tantalique, le graphite ou le silicium poreux.
2. Cellule photovoltaïque selon la revendication 1 , dans laquelle l'épaisseur de la tranche (2) de matériau semi-conducteur est comprise entre 10pm et 200pm, de préférence entre 10pm et 180pm, avantageusement entre 50pm et 150pm.
3. Cellule photovoltaïque selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la structure optique (4) présente une structuration périodique de motifs, ces motifs formant ainsi un réseau de diffraction de la lumière incidente.
4. Cellule photovoltaïque selon la revendication précédente, dans laquelle le pas des motifs de la structure optique (4) est compris entre 300nm et 2μηι, dans les deux directions du plan formé par la face arrière de la tranche de matériau semi-conducteur.
5. Cellule photovoltaïque selon l'une des revendications 3 ou 4, dans laquelle la largeur des motifs de la structure optique (4) est comprise entre 100nm et 2pm.
6. Cellule photovoltaïque selon l'une des revendications 3 à 5, dans laquelle la hauteur des motifs de la structure optique (4) est comprise entre 20nm et 5pm.
7. Cellule photovoltaïque selon l'une des revendications 3 à 6, dans laquelle les motifs sont sous la forme de lignes, plots ou trous.
8. Cellule photovoltaïque selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle le contact électrique (32) est réalisé avec un matériau choisi par l'un des matériaux suivants : aluminium, argent, cuivre, nickel, platine, chrome, tungstène, carbone sous forme de nanotube ou oxyde conducteur transparent.
9. Cellule photovoltaïque selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la structure optique (4) est disposée entre la tranche de matériau semi-conducteur (2) et le contact électrique (32).
10. Cellule photovoltaïque selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la face avant (21) de la tranche (2) de matériau semiconducteur comprend également une structure optique, par exemple formée par des structures pyramidales pour lesquelles les angles des plans de la pyramide correspondent à des axes cristallins du matériau semiconducteur ou par des rugosités de surface disposées plus ou moins aléatoirement.
11. Procédé de réalisation d'une cellule photovoltaïque (1) comprenant au moins une tranche (2) de matériau semi-conducteur, avec une face avant (21) destinée à recevoir la lumière incidente et une face arrière (22) opposée à ladite face avant, caractérisé en ce qu'il comprend, à partir de la tranche de matériau semi-conducteur, les étapes suivantes:
(a) réaliser, sur la face arrière (22) de la tranche (2), une structure (4) dite structure optique, discrète et susceptible de rediriger la lumière incidente vers le cœur de la tranche, avec un matériau choisi parmi la silice, un oxyde de silicium, le nitrure de silicium éventuellement enrichi en hydrogène, le carbure de silicium, l'alumine ou plus généralement un oxyde d'aluminium, le dioxyde de titane, le nitrure de titane, le fluorure de magnésium, l'anhydride tantalique, le graphite ou le silicium poreux ;
(b) déposer une couche de matériau (3) conducteur électrique, recouvrant la structure optique et la face arrière de la tranche ;
(c) effectuer un recuit de l'ensemble ainsi formé par la tranche en matériau semi-conducteur, la structure optique et la couche de matériau conducteur électrique à une température inférieure à la température de fusion du matériau formant la structure optique, afin de former un contact électrique (32) entre la couche de matériau conducteur électrique et la tranche en matériau semi-conducteur.
12. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel l'étape (a) comprend les étapes suivantes :
(ai ) dépôt d'une couche de résine sur la tranche de matériau semiconducteur, sur la face arrière de la tranche de matériau semi-conducteur ; (a2) lithographie d'un motif inverse dans la couche de résine ;
(a3) dépôt d'une couche de matériau présentant une température de fusion supérieure à la température de fusion du matériau destiné à être déposé à l'étape (b) et recouvrant à la fois la résine et la face arrière de la tranche, en vue de former ladite structure optique ; (a4) retrait de la résine avec le matériau déposé à l'étape (83) situé sur la résine.
13. Procédé selon l'une des revendications 11 ou 12, dans lequel il est prévu, entre l'étape (b) et l'étape (c), une étape de positionnement d'un écran thermique percé sur la couche de métal (3) de la structure obtenue à l'issue de l'étape (b), de sorte que les perçages de l'écran coïncident avec les espacements laissés entre deux motifs (41) de la structure optique (4).
14. Procédé selon l'une des revendications 11 à 13, dans lequel le matériau (3) conducteur électrique est choisi par l'un des matériaux suivants : aluminium, argent, or, cuivre, nickel, platine, chrome ou tungstène, carbone sous forme de nanotube ou oxyde conducteur transparent.
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