EP2671260A2 - Structure adaptee a la formation de cellules solaires - Google Patents

Structure adaptee a la formation de cellules solaires

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EP2671260A2
EP2671260A2 EP12706653.8A EP12706653A EP2671260A2 EP 2671260 A2 EP2671260 A2 EP 2671260A2 EP 12706653 A EP12706653 A EP 12706653A EP 2671260 A2 EP2671260 A2 EP 2671260A2
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
barrier layer
sheet
silicon
layer
metal
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP12706653.8A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Guy Chichignoud
Elisabeth Blanquet
Isabelle GELARD
Carmen Jimenez
Eirini SARIGIANNIDOU
Kader ZAIDAT
François WEISS
Michel Pons
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut Polytechnique de Grenoble
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut Polytechnique de Grenoble
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Institut Polytechnique de Grenoble filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP2671260A2 publication Critical patent/EP2671260A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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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

  • the present invention relates to a structure adapted to the formation of photovoltaic cells, commonly called solar cells.
  • the solar cells most commonly used today are cells comprising a PN junction formed in silicon.
  • silicon deposits on various substrates.
  • a silicon layer on a conductive substrate for example metal
  • a conductive substrate for example metal
  • a solar cell formed from amorphous silicon reaches a yield of the order of 5% much lower than that of mono or polycrystalline silicon.
  • the yield is in a range greater than that of amorphous silicon but limited by a high defect rate relative to crystalline silicon.
  • the prior art suggests silicon deposits on a metal support in which: - Or the deposition of silicon is made at a temperature below ⁇ 800 ° C, resulting in a poor crystalline quality of silicon;
  • An object of an embodiment of the present invention is to provide a structure comprising a crystalline silicon layer on a metal sheet for the manufacture of low cost solar cells with a high photovoltaic conversion efficiency (> 15%).
  • Another more particular object of the present inven ⁇ is to provide such a structure wherein the metal foil could serve as an electrode for solar cells.
  • one embodiment of the present invention provides a structure suitable for the formation of solar cells comprising successi vely ⁇ a sheet of textured metal crystal grains of an average size greater than 50 ym, adapted to form an elec ⁇ trode rear face of said cells; a diffusion barrier layer having a thickness of 0.2 to 2 ⁇ m in an electrically conductive material of a metallic character, selected from the group comprising TiN, TiAlN, TaN, CrN and WS12, having crystalline grains of greater average size; at 50 ⁇ m, the barrier layer being formed with an epitaxial relationship with the sheet; and a 30 to 100 ⁇ m thick doped multi-crystalline silicon layer having crystalline grains of average size greater than 50 to 100 ⁇ m, wherein the carrier diffusion length has an average value greater than 50 ⁇ m the multi-crystalline silicon layer being formed with an epitaxial relationship with the barrier layer.
  • the metal sheet is a sheet made of a material selected from the group consisting of an iron-based metal alloy, a nickel-based metal alloy, copper-based metal alloy, austenitic steel, ferritic steel.
  • the average size of the crystalline grains in the metal sheet is greater than 1 mm.
  • An embodiment of the present invention provides a solar cell formed in the silicon layer of the above structure, wherein the metal sheet constitutes the backside electrode.
  • One embodiment of the present invention provides a method of manufacturing a structure as above, wherein the barrier layer and the silicon layer are deposited successively by chemical deposition at temperatures between 800 and 1000 ° C.
  • FIG. 1 represents an exemplary embodiment of a structure adapted to the formation of solar cells according to the present invention
  • FIG. 2 is a perspective view, partial and schematic, of an exemplary embodiment of a solar cell according to the present invention comprising the structure of FIG.
  • FIG. 3 is a partial schematic perspective view of another exemplary embodiment of a solar cell according to the present invention comprising the structure of FIG.
  • a structure adapted to the formation of solar cells comprises on a metal support 1, an electrically conductive barrier layer 2 and a preferably doped multi-crystalline silicon layer. of the electro ⁇ acceptor type (P type) 3.
  • the support 1 is a metal sheet having a thickness sufficient to ensure its mechanical strength, for example a thickness greater than 100 .mu.m.
  • This sheet consists of a structured metal, that is to say presen ⁇ as grains of relatively large size, for example crystalline grains whose average size is greater than 50 microns, and can reach values of the order of 1 to 5 mm.
  • An example of such a metal sheet is a stainless steel sheet, for example comprising a percen tage ⁇ chromium in the order of 15 to 25%.
  • Such a product is currently commercially available.
  • the upper face of this metal sheet is treated so as to be deoxidized at the surface, for example by a treatment with one or more acids such as hydrofluoric acid or nitric acid. Then, this upper surface is preferably polished to have an average roughness of less than 0.1 ⁇ m.
  • the barrier layer is made of a material selected from the group consisting of titanium nitride (TiN), aluminum titanium nitride (TiAIN), tantalum nitride (TaN), chromium nitride (CrN) and tungsten silicide ( WSi2) or a mixture of these materials.
  • TiN titanium nitride
  • TiAIN aluminum titanium nitride
  • TaN tantalum nitride
  • CrN chromium nitride
  • WSi2 tungsten silicide
  • the inventors have however demonstrated that, contrary to what was expected, the materials TiN, TiAIN, TaN, CrN and WSi2 can be used to produce the barrier layer 2.
  • the inventors have shown that, particularly in Because of the conditions of manufacture and use of the multilayer structure according to the invention, the kinetics of the reactions of these materials with silicon is sufficiently slow so that the material of the barrier layer remains substantially stable at least during the lifetime of the products made from the structure according to the invention.
  • the selection of a material selected from the group comprising TiN, TiAlN, TaN, CrN and WS12 for producing the barrier layer 2 allows the formation of a barrier layer 2 having advantageous properties.
  • the barrier layer 2 has substantially similar behavior to a metal.
  • the material TiN, TiAlN, TaN, CrN and WS12 of the barrier layer 2 is an electrically conductive material with a metallic character (that is to say that the electrical conduction is mainly provided by free electrons and the resistivity electrical material is strictly less than 1.10 "5 ohm.m and preferably strictly less than 1.10 -7 ohm.m), at least in thin layer.
  • the barrier layer 2 forms an ohmic contact between the sheet 1 and the multi-crystalline silicon layer 3.
  • the barrier layer 2 reflects the light radiation passing through the silicon layer 3 in a wide range of the solar spectrum, especially for wavelengths ranging from 0.5 ⁇ m to 2 ⁇ m.
  • the document "Optical properties of TiN films deposited by direct current reactive sputtering" of S. Adachi and M. Takahashi makes state of a reflectance reduction by a factor greater than 2 for a TiN layer.
  • the photons In a structure in which the barrier layer is made of a transparent or partially transparent material, the photons must pass through the barrier layer 2 to reflect on the metal sheet 1. Photons can then be absorbed in the barrier layer 2, which decreases the photovoltaic efficiency of the solar cell made from this multilayer structure.
  • the barrier layer 2 has, in addition, a good thermal conductivity, that is to say a thermal conductivity greater than 10 W / (mK).
  • An increase in temperature generally causes a decrease in the photovoltaic efficiency of a solar cell.
  • the efficiency of a cell established from a standardized procedure at room temperature (20 ° C), decreases by a factor of close to 0.1% per additional degree, an order of magnitude given by the document "The effect of Radziemska's "temperature on the power drop in crystalline silicon solar cells” (Renewable Energy, Vol 28, Number 1, pl-12, January 2003).
  • a cell exposed to the sun, especially if its support is thermal insulator can see its temperature rise to over 60 ° C, which results in a significant reduction in efficiency.
  • the solar cell In order for the solar cell to operate in an optimum range, it may be necessary to provide a cooling system for the solar cell.
  • the good thermal conductivity of the barrier layer 2 makes it possible to limit the heating of the cell under illumination, or even the couple to an effective cooling system by the metal foil 1.
  • the material of the barrier layer 2 is further selected to adopt, upon deposition, crystalline characteristics substantially in accordance with those of the underlying support and those of the silicon.
  • the material of the barrier layer 2 allows the formation of the barrier layer 2 with an epitaxial relationship with the sheet 1.
  • the TiN, TiAlN, TaN, CrN and WS12 materials have, in addition, the advantage of not reacting chemically with the material of the support 1.
  • This layer 2 which will act as a barrier layer to prevent the diffusion of silicon from the subsequently deposited layer to the metal and especially the metal to this silicon layer may have a thickness of the order of 0.2 to 2 ⁇ m. Typically, this thickness may be of the order of 1 .mu.m.
  • the deposition of this layer may be made by chemical vapor deposition, for example from chlorinated titanium (T1Cl3) and aluminum (AlCl3) compounds in the presence of nitrogen or from organometallic precursors such as tetrakis ( dimethylamino) titanium (TDMAT) or tetrakis (ethylmethylamido) titanium (TEMAT) in the presence of hydrogen or ammonia.
  • the deposit may for example be carried out at a low pressure, of the order of 10 Pa at a temperature of the order of 800 to 1000 ° C.
  • LPCVD and PACVD (Ti, Al) N films: morphology and mechanical properties An exemplary embodiment is described in the document "LPCVD and PACVD (Ti, Al) N films: morphology and mechanical properties", by S. Anderbouhr et al. (Surf Coat Tech, 1999, 115, 2-3, 103-110).
  • the deposition of this layer can also be made by chemical deposition in liquid phase or MOD for MetalOrganic
  • TiN by this method is described in the document "Formation of TiN by nitridation of T1O 2 films deposited by ultrasoundically assisted sol-gel technique" by C. Jiménez and M.Langlet (Surface and Coatings Technology, 68 - 69 249-252, 1994).
  • the silicon layer 3 is formed by depositing on the barrier layer 2 under conditions suitable for obtaining at least partial texture preservation.
  • the material of the barrier layer 2 allows the formation of the silicon layer 3 with an epitaxial relationship with the barrier layer 2.
  • the silicon, of face-centered cubic structure (cfc), is produced with a preferential orientation along the ⁇ 100> or ⁇ 111> axis depending on the growing conditions to maximize the mesh parameter agreement with the material constituting the barrier layer.
  • This can be done by conventional CVD silicon deposition processes, however, not exceeding a temperature of 1000 ° C and preferably 800 to 900 ° C to remain compatible with the presence of metal 1 which, as indicated is, for example, steel. It is thus found that the texture of the silicon layer 3 is indeed a multi-crystalline silicon texture having grains of the same size order as the grains of the metal support 1. In FIG. 1, a continuity of the grain boundaries is represented. between the metal support 1, the barrier layer 2 and the multi-crystalline silicon layer 3.
  • the crystallographic structure transfer makes it possible to obtain final grain dimensions of the order of 50 to 100 ⁇ m or more. These characteristics of multi-crystalline silicon enable it to reach, once used in solar cells, photovoltaic conversion efficiencies higher than 15%.
  • the proposed deposition method makes it possible to perform an in-situ doping during the deposition of the silicon layer, for example boron.
  • the silicon layer is doped.
  • An advantage of its formation by CVD deposition at a temperature of 800 to 1000 ° C is that the crystallographic quality of the grains obtained is excel ⁇ slow, which is characterized by the fact that the diffusion length of the carriers in this layer reaches a value average greater than 50 ym.
  • FIG. 2 schematically represents an exemplary embodiment of a solar cell 10.
  • the solar cell 10 comprises a multilayer structure represented in FIG. 1 comprising the metal foil 1, the barrier layer 2 and the multi-crystalline silicon layer. 3.
  • Implantation of N-type dopants has been carried out in the multi-crystalline silicon layer 3 which is, by way of example, initially doped with P.
  • the multi-crystalline silicon layer 3 then comprises a doped region 12. of type N covering a P type doped region 13, the region 13 being in contact with the barrier layer 2.
  • a PN junction is therefore present between the P and N doped regions 12, 13, which results in the formation a depletion zone 14 shown in Figure 2 by dashed lines.
  • the solar cell 10 further comprises:
  • the light radiation causes the formation of electron / hole pairs in the multicrystalline silicon layer 3.
  • the electrons are collected by the metal grid 20.
  • the choice of materials for the production of the sheet 1 and the barrier layer 2 and the thicknesses of the sheet 1, the barrier layer 2 and the silicon layer 3 give the structure a flexible character.
  • the structure can therefore be deformed without this causing degradation of the properties of the silicon layer 3.
  • the solar cell according to the invention can be deformed to have a curved shape with, at least locally, a radius of curvature greater than or equal to 1 cm, preferably greater than or equal to 10 cm, more preferably greater than or equal to 50 cm.
  • the shape of the solar cell can be adapted according to the intended use of the solar cell.
  • the structure according to the invention is therefore suitable for producing a non-planar solar cell having a high photovoltaic conversion efficiency (> 15%).
  • the protective layer 16 or one or more other layers covering the protective layer 16 may have properties adapted to confer on the solar cell one or more additional functions in addition to the function of supplying an electric current.
  • the solar cell can, in addition, play the role of a structural element or a facing element, for example a panel, a slab, a tile, etc.
  • FIG. 3 represents an exemplary embodiment of a solar cell 30 in the form of a half-cylinder of axis D and of radius R.
  • the different layers constituting the solar cell are not represented.
  • the radius R is greater than or equal to 1 cm, preferably greater than or equal to 10 cm, more preferably greater than or equal to 50 cm.
  • the solar cell 30 is adapted to the realization of a tile.
  • the material of the textured metal sheet it will be possible to choose any conformable metal material in thin sheet, and whose crystalline structure has a mesh parameter compatible with growth of the barrier and crystalline silicon layers. May in particular choose one of the following materials: a metal alloy based on iron, a metal alloy based on nickel, a metal alloy ⁇ lic based on copper, an austenitic steel, a ferritic steel.
  • a buffer layer as mentioned above makes it possible to produce gas by means of a high temperature. (T> 800 ° C) directly on an electrically conductive substrate a doped multi-crystalline silicon layer conducive to obtaining high photovoltaic conversion efficiencies
  • This yield results from the development of a silicon polycrystal having both a low grain boundary density and structural defects, resulting from the formation of the silicon layer at a temperature greater than 800 ° C having a epitaxial relationship with the barrier layer which, itself, has an epitaxial relationship with the metal sheet.
  • This layer may have a thickness of between 30 and 100 ⁇ m.

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Description

STRUCTURE ADAPTEE A LA FORMATION DE CELLULES SOLAIRES
Domaine de 1 ' invention
La présente invention concerne une structure adaptée à la formation de cellules photovoltaïques, couramment appelées cellules solaires.
Exposé de 1 ' art antérieur
De façon générale, les cellules solaires les plus couramment utilisées aujourd'hui sont des cellules comprenant une jonction PN formée dans du silicium.
Pour la fabrication de cellules solaires, on est notamment parti dans la technique de trois types de substrat :
- des plaquettes de silicium monocristallin ;
- des plaquettes de silicium polycristallin ;
- des dépôts de silicium sur divers substrats.
L'utilisation de plaquettes de silicium monocristallin conduit aux meilleurs rendements (rendement expérimental maximum de 23%) mais conduit également à des produits extrêmement coûteux et de telles cellules ne sont pratiquement utilisées que quand des cellules de très haute qualité sont nécessaires, par exemple dans des satellites.
L'utilisation de plaquettes de silicium polycristallin conduit à un compromis plus avantageux entre le rendement des photocellules et le coût de production, mais exige d'utiliser des installations complexes de fabrication de lingots de silicium polycristallin. Surtout, les différentes opérations de conditionnement des lingots (éboutage, écroutage) ainsi que le sciage des plaquettes conduisent à une perte de matière importante, de près de 50 % du poids du lingot et de plus de 50% de la charge initiale en silicium.
Le dépôt d'une couche de silicium sur un substrat conducteur, par exemple métallique, constitue la solution la moins coûteuse mais, dans les techniques actuelles, cela amène à des dépôts de silicium amorphe ou microcristallisé. Or, une cellule solaire constituée à partir de silicium amorphe atteint un rendement de l'ordre de 5 % beaucoup plus faible que celui de silicium mono ou polycristallin. Dans le cas de silicium microcristallisé, le rendement est compris dans une gamme supérieure à celle du silicium amorphe mais limitée par un taux de défauts élevé par rapport au silicium cristallin. Ces défauts sont générés par une forte densité de joints de grains et par l'accumulation de défauts (dislocations, défauts ponctuels, impuretés,...) dans les grains eux-mêmes.
Ainsi, les procédés courants de fabrication de substrats de cellules solaires présentent divers inconvénients en ce qui concerne le compromis coût-rendement. Plusieurs approches visant à pallier ces défauts ont été proposées parmi lesquelles ont peut mentionner les trois suivantes.
1) Elaboration de silicium cristallin à basse température (T<630°C) par des techniques de dépôt physique en phase vapeur (pulvérisation cathodique assistée par ions) sur un substrat, tel que présenté dans la demande de brevet US2006/0208257. Ce document décrit essentiellement la forma- tion de silicium cristallin sur une couche intermédiaire formée sur un support électriquement isolant et amorphe tel que du verre. En outre l'élaboration de silicium cristallin à des températures inférieures à 800 °C conduit à un matériau présentant un fort taux de défauts structuraux, ce qui est préjudiciable au rendement de conversion, et limite la vitesse de croissance.
2) Dépôt de silicium cristallisé directement sur un substrat métallique cristallographiquement optimisé, tel que décrit dans les demandes de brevet EP2031082A1 et JP201018307. Cette solution présente l'avantage de transférer des caractéristiques cristallographiques au silicium élaboré sur le substrat métallique. La réactivité à l'interface entre le silicium et le substrat n'est pas bloquée, ce qui limite les procédés d'élaboration du silicium à des techniques de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) à basse température (T<600°C) . Le matériau élaboré présente de fait les mêmes inconvénients que celui décrit précédemment, à savoir un fort taux de défauts structuraux et une vitesse de croissance très faible.
3) Dépôt de silicium sur un support métallique protégé par une couche barrière à caractère isolant électrique (silice, borosilicate, phosphosilicate) , tel que décrit dans le brevet US3961997. Ceci permet de réaliser un dépôt de silicium polycristallin à plus haute température, ce qui conduit à un matériau de meilleure qualité cristalline et permet d'atteindre de plus fortes épaisseurs déposées. La réactivité entre le silicium et le substrat est traitée par la réalisation d'une couche barrière isolante électrique. Dans un tel procédé le substrat ne peut de fait pas jouer de rôle actif dans la cellule photovoltaïque et ne représente qu'un support mécanique du silicium déposé.
4) Dépôt de silicium sur un support métallique protégé par une couche barrière en un matériau semiconducteur ou métallique optiquement transparent, tel que décrit dans le brevet US4571448. La couche de silicium est déposée par voie liquide. Une texturation de surface du support est réalisée pour augmenter la réflexion de la lumière sur le support.
Ainsi, l'art antérieur suggère des dépôts de silicium sur un support métallique dans lesquels : - ou bien le dépôt de silicium est fait à une tempéra¬ ture inférieure à 800 °C, d'où il résulte une mauvaise qualité cristalline du silicium ;
- ou bien il existe une couche d'interface électrique- ment isolante ou optiquement transparente entre le silicium et un support métallique.
Résumé
Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir une structure comprenant une couche de silicium cristallin sur une feuille métallique pour la fabrication de cellules solaires à bas coût et à rendement de conversion photovoltaïque élevé (>15%) .
Un autre objet plus particulier de la présente inven¬ tion est de prévoir une telle structure dans laquelle la feuille métallique puisse servir d'électrode pour les cellules solaires.
Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, un mode de réalisation de la présente invention prévoit une structure adaptée à la formation de cellules solaires comprenant successi¬ vement une feuille d'un métal texturé à grains cristallins d'une dimension moyenne supérieure à 50 ym, adaptée à former une élec¬ trode de face arrière desdites cellules ; une couche barrière de diffusion d'une épaisseur de 0,2 à 2 ym en un matériau électriquement conducteur à caractère métallique, choisi dans le groupe comprenant TiN, TiAIN, TaN, CrN et WS12, présentant des grains cristallins d'une dimension moyenne supérieure à 50 um, la couche barrière étant formée avec une relation d'épitaxie avec la feuille ; et une couche de silicium multi-cristallin dopé d'une épaisseur de 30 à 100 ym présentant des grains cristallins d'une dimension moyenne supérieure à 50 à 100 ym, dans laquelle la longueur de diffusion des porteurs a une valeur moyenne supérieure à 50 ym, la couche de silicium multi-cristallin étant formée avec une relation d'épitaxie avec la couche barrière.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la feuille de métal est une feuille en un matériau choisi dans le groupe comprenant un alliage métallique à base de fer, un alliage métallique à base de nickel, un alliage métallique à base de cuivre, un acier austénitique, un acier ferritique.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la dimension moyenne des grains cristallins dans la feuille de métal est supérieure à 1 mm.
Un mode de réalisation de la présente invention prévoit une cellule solaire formée dans la couche de silicium de la structure ci-dessus, dans laquelle la feuille de métal constitue l'électrode de face arrière.
Un mode de réalisation de la présente invention prévoit un procédé de fabrication d'une structure telle que ci- dessus, dans lequel la couche barrière et la couche de silicium sont déposées successivement par dépôt chimique à des températures comprises entre 800 et 1000 °C.
Brève description des dessins
Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures ci-jointes parmi lesquelles :
la figure 1 représente un exemple de réalisation d'une structure adaptée à la formation de cellules solaires selon la présente invention ;
la figure 2 est une vue en perspective, partielle et schématique, d'un exemple de réalisation d'une cellule solaire selon la présente invention comprenant la structure de la figure
1 ; et
la figure 3 est une vue en perspective, partielle et schématique, d'un autre exemple de réalisation d'une cellule solaire selon la présente invention comprenant la structure de la figure 1.
Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation de structures multicouches, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. Description détaillée
Comme l'illustre la figure 1, une structure adaptée à la formation de cellules solaires selon un mode de réalisation de la présente invention comprend sur un support métallique 1, une couche barrière électriquement conductrice 2 et une couche de silicium multi-cristallin dopé de préférence de type électro¬ accepteur (type P) 3.
Le support 1 est une feuille métallique ayant une épaisseur suffisante pour assurer sa tenue mécanique, par exemple une épaisseur supérieure à 100 um. Cette feuille est constituée à partir d'un métal structuré, c'est-à-dire présen¬ tant des grains cristallins de relativement grande dimension, par exemple des grains cristallins dont la dimension moyenne est supérieure à 50 um, et peut atteindre des valeurs de l'ordre de 1 à 5 mm. Un exemple d'une telle feuille métallique est une feuille d'acier inoxydable, comprenant par exemple un pourcen¬ tage de chrome de l'ordre de 15 à 25 %. Un tel produit est couramment disponible commercialement. La face supérieure de cette feuille métallique est traitée de façon à être désoxydée en surface par exemple par un traitement par un ou plusieurs acides tel que l'acide fluorhydrique ou l'acide nitrique. Ensuite, cette surface supérieure est de préférence polie pour avoir une rugosité moyenne inférieure à 0,1 ym.
La couche barrière est en un matériau choisi parmi le groupe comprenant le nitrure de titane (TiN) , le nitrure de titane aluminium (TiAIN) , le nitrure de tantale (TaN) , le nitrure de chrome (CrN) et le siliciure de tungstène (WSi2) ou un mélange de ces matériaux. Il existe un préjugé contre l'utilisation des matériaux TiN, TiAIN, TaN, CrN et WSi2 pour la formation de la couche barrière 2. En effet, il s'agit de matériaux qui sont connus pour ne pas être stables thermodynamiquement au contact du silicium ou au contact de l'acier (notamment en raison de la présence de fer) . Il est notamment connu qu'au contact de silicium à haute température, notamment à une température supérieure à 800 °C, les matériaux TiN, TiAIN, TaN, CrN et WSi2 tendent à réagir avec le silicium pour former de nouvelles phases, ce qui modifie et dégrade l'interface entre le matériau et le silicium. A titre d'exemple, le document "Interfacial reactions in Ti/Si3N4 and TiN-Si diffusion couples" de M. Paulasto, J.K. Kivilahti et F.J. van Loo (Journal of Applied Physics volume 77, numéro 9, pages 4412- 4416, 1995) décrit qu'au contact du silicium, le nitrure de titane réagit pour former une nouvelle phase de siliciure de titane. Les inventeurs ont toutefois mis en évidence que, contrairement a ce qui était attendu, les matériaux TiN, TiAIN, TaN, CrN et WSi2 peuvent être utilisés pour réaliser la couche barrière 2. En effet, les inventeurs ont mis en évidence que, notamment en raison des conditions de fabrication et d'utilisation de la structure multicouche selon l'invention, la cinétique des réactions de ces matériaux avec le silicium est suffisamment lente pour que le matériau de la couche barrière reste sensiblement stable au moins pendant la durée de vie des produits réalisés à partir de la structure selon l'invention.
La sélection d'un matériau choisi dans le groupe comprenant TiN, TiAIN, TaN, CrN et WS12 pour la réalisation de la couche barrière 2 permet la formation d'une couche barrière 2 ayant des propriétés avantageuses.
En effet, la couche barrière 2 a sensiblement un comportement similaire à un métal. En particulier, le matériau TiN, TiAIN, TaN, CrN et WS12 de la couche barrière 2 est un matériau électriquement conducteur à caractère métallique (c'est-à-dire que la conduction électrique est assurée majoritairement par des électrons libres et que la résistivité électrique du matériau est strictement inférieure à 1.10"5 ohm.m et de préférence strictement inférieure à 1.10-7 ohm.m) , au moins en couche mince.
En outre, la couche barrière 2 forme un contact ohmique entre la feuille 1 et la couche de silicium multi- cristallin 3. De plus, la couche barrière 2 réfléchit le rayonnement lumineux traversant la couche de silicium 3 dans une large gamme du spectre solaire, notamment pour des longueurs d'onde variant de 0,5 ym à 2 ym. Pour des longueurs d'onde supérieures à 2 ym, le document « Optical properties of TiN films deposited by direct current reactive sputtering » de S. Adachi et M. Takahashi (Journal of Applied Physics volume 87, numéro 3, p.1264) fait état d'une réduction de la réflectance d'un facteur supérieur à 2 pour une couche de TiN. Dans une structure dans laquelle la couche barrière est réalisée en un matériau transparent ou partiellement transparent, les photons doivent traverser la couche barrière 2 pour se réfléchir sur la feuille métallique 1. Des photons peuvent alors être absorbés dans la couche barrière 2, ce qui diminue le rendement photovoltaïque de la cellule solaire réalisée à partir de cette structure multicouche .
La couche barrière 2 a, en outre, une bonne conductivité thermique, c'est-à-dire une conductivité thermique supérieure à 10 W/ (m.K) . Une augmentation de température provoque généralement une diminution du rendement photovoltaïque d'une cellule solaire. Le rendement d'une cellule, établi à partir d'une procédure normalisée à température ambiante (20°C), diminue d'un facteur proche de 0,1 % par degré supplémentaire, ordre de grandeur donné par le document « The effect of température on the power drop in crystalline silicon solar cells » de Radziemska (Renewable Energy, Vol. 28, numéro 1, p.l- 12, janvier 2003) . Une cellule exposée au soleil, a fortiori si son support est isolant thermique, peut voir sa température monter à plus de 60 °C, ce qui se traduit par une réduction notable d'efficacité. Pour que la cellule solaire fonctionne dans une plage optimale, il peut être nécessaire de prévoir un système de refroidissement de la cellule solaire. La bonne conductivité thermique de la couche barrière 2 permet de limiter 1' échauffement de la cellule sous éclairement, voire de la coupler à un système de refroidissement efficace par la feuille métallique 1.
Le matériau de la couche barrière 2 est, en outre, choisi pour adopter lors de son dépôt des caractéristiques cristallines sensiblement conformes à celles du support sous- jacent et à celles du silicium. En particulier, le matériau de la couche barrière 2 permet la formation de la couche barrière 2 avec une relation d'épitaxie avec la feuille 1.
Les matériaux TiN, TiAIN, TaN, CrN et WS12 présentent, en outre, l'avantage de ne pas réagir chimiquement avec le matériau du support 1.
Cette couche 2, qui aura un rôle de couche barrière pour éviter la diffusion de silicium de la couche déposée ultérieurement vers le métal et surtout du métal vers cette couche de silicium pourra avoir une épaisseur de l'ordre de 0,2 à 2 ym. Typiquement, cette épaisseur pourra être de l'ordre de 1 um. Le dépôt de cette couche pourra être fait par dépôt chimique en phase vapeur, par exemple à partir de composés chlorés de titane (T1CI3) et d'aluminium (AICI3) en présence d'azote ou bien à partir de précurseurs organométalliques comme le tétrakis (diméthylamino) titanium (TDMAT) ou le tétrakis (éthylméthylamido) titanium (TEMAT) en présence d'hydrogène ou ammoniac. Le dépôt pourra par exemple être effectué à une faible pression, de l'ordre de 10^ Pa à une température de l'ordre de 800 à 1000°C. Un exemple de réalisation est décrit dans le document "LPCVD and PACVD (Ti,Al)N films: morphology and mechanical properties", de S. Anderbouhr et al. (Surf. Coat. Tech., 1999,115, 2-3, 103-110). Le dépôt de cette couche pourra aussi être aussi fait par dépôt chimique en phase liquide ou MOD pour MetalOrganic
Décomposition. Un exemple de réalisation de TiN par cette méthode est décrit dans le document "Formation of TiN by nitridation of T1O2 films deposited by ultrasonically assisted sol-gel technique" de C. Jiménez et M.Langlet (Surface and Coatings Technology, 68 - 69:249 - 252, 1994). La couche de silicium 3 est formée par dépôt sur la couche barrière 2 dans des conditions propres à obtenir une conservation au moins partielle de texture. En particulier, le matériau de la couche barrière 2 permet la formation de la couche de silicium 3 avec une relation d'épitaxie avec la couche barrière 2. Le silicium, de structure cubique à face centrée (cfc) , est élaboré avec une orientation préférentielle suivant l'axe <100> ou <111> en fonction des conditions de croissance afin de maximiser l'accord de paramètre de maille avec le matériau constitutif de la couche barrière. Ceci peut se faire par des procédés classiques de dépôts CVD de silicium en ne dépassant toutefois pas une température de 1000 °C et de préférence de 800 à 900 °C pour rester compatible avec la présence du métal 1 qui, comme on l'a indiqué, est par exemple de l'acier. On constate ainsi que la texture de la couche de silicium 3 est bien une texture de silicium multi-cristallin présentant des grains du même ordre de dimension que les grains du support métallique 1. En figure 1, on a représenté une continuité des limites de grain entre le support métallique 1, la couche barrière 2 et la couche de silicium multi-cristallin 3. Le transfert de structure cristallographique permet d'obtenir des dimensions finales de grain de l'ordre de 50 à 100 ym ou plus. Ces caractéristiques du silicium multi-cristallin lui permettent d'atteindre, une fois utilisé en cellule solaire, des rendements de conversion photovoltaïque supérieurs à 15 %. La méthode de dépôt proposée permet de réaliser un dopage in-situ, lors du dépôt de la couche de silicium, par exemple au bore.
La couche de silicium est dopée. Un avantage de sa formation par dépôt CVD à une température de 800 à 1000 °C est que la qualité cristallographique des grains obtenus est excel¬ lente, ce qui se caractérise par le fait que la longueur de diffusion des porteurs dans cette couche atteint une valeur moyenne supérieure à 50 ym.
On pourra ensuite, de façon classique former des cellules solaires dans la couche de silicium 3 par formation de zones dopées dans la surface supérieure de cette couche, et dépôt d'électrodes de face supérieure. La feuille métallique 1 est alors utilisée comme électrode de face arrière.
La figure 2 représente, de façon schématique, un exemple de réalisation d'une cellule solaire 10. La cellule solaire 10 comprend une structure multicouches représentée en figure 1 comportant la feuille métallique 1, la couche barrière 2 et la couche de silicium multi-cristallin 3. Une implantation de dopants de type N a été réalisée dans la couche de silicium multi-cristallin 3 qui est, à titre d'exemple, initialement dopée de type P. La couche de silicium multi-cristallin 3 comprend alors une région 12 dopée de type N recouvrant une région 13 dopée de type P, la région 13 étant au contact de la couche barrière 2. Une jonction PN est donc présente entre les régions 12, 13 dopées de type P et N, ce qui se traduit par la formation d'une zone de déplétion 14 représentée en figure 2 par des traits pointillés.
La cellule solaire 10 comprend, en outre :
une couche de protection 16 qui recouvre la feuille métallique 1 ;
une couche antireflet 18 transparente, qui recouvre la couche de silicium multi-cristallin 3 ; et
une grille métallique 20 en surface de la couche antireflet 18.
En fonctionnement, le rayonnement lumineux entraîne la formation de paires électrons/trous dans la couche de silicium multicristallin 3. Les électrons sont collectés par la grille métalliques 20.
Le choix des matériaux pour la réalisation de la feuille 1 et de la couche barrière 2 et les épaisseurs de la feuille 1, de la couche barrière 2 et de la couche de silicium 3 confèrent à la structure un caractère flexible. La structure peut donc être déformée sans que cela entraîne une dégradation des propriétés de la couche de silicium 3. La cellule solaire selon l'invention peut être déformée pour avoir une forme courbe avec, au moins localement, un rayon de courbure supérieur ou égal à 1 cm, de préférence supérieur ou égal à 10 cm, plus préférentiellement supérieur ou égal à 50 cm. La forme de la cellule solaire peut être adaptée en fonction de l'utilisation prévue de la cellule solaire. La structure selon l'invention est donc adaptée à la réalisation d'une cellule solaire non plane ayant un rendement de conversion photovoltaïque élevé (>15%) .
En outre, la couche de protection 16 ou une ou plusieurs autres couches recouvrant la couche de protection 16 peuvent avoir des propriétés adaptées à conférer à la cellule solaire une ou plusieurs fonctions supplémentaires en plus de la fonction de fourniture d'un courant électrique. A titre d'exemple, la cellule solaire peut, en outre, jouer le rôle d'un élément structurel ou d'un élément de parement, par exemple un panneau, une dalle, une tuile, etc.
La figure 3 représente un exemple de réalisation d'une cellule solaire 30 ayant la forme d'un demi-cylindre d'axe D et de rayon R. En figure 3, les différentes couches constituant la cellule solaire ne sont pas représentées. A titre d'exemple, le rayon R est supérieur ou égal à 1 cm, de préférence supérieur ou égal à 10 cm, plus préférentiellement supérieur ou égal à 50 cm. La cellule solaire 30 est adaptée à la réalisation d'une tuile.
La présente invention est susceptible de nombreuses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art.
En ce qui concerne le matériau de la feuille de métal texturé, on pourra choisir tout matériau métallique conformable en feuille mince, et dont la structure cristalline présente un paramètre de maille compatible avec une croissance des couches barrière et de silicium cristallin. On pourra notamment choisir l'un des matériaux suivants : un alliage métallique à base de fer, un alliage métallique à base de nickel, un alliage métal¬ lique à base de cuivre, un acier austénitique, un acier ferritique .
Le choix d'une couche tampon telle que susmentionnée permet d'élaborer par voie gazeuse à température élevée (T>800°C) directement sur un substrat électriquement conducteur une couche de silicium multi-cristallin dopé propice à l'obtention de rendements de conversion photovoltaïque élevés
(>15%) . Ce rendement résulte de l'élaboration d'un polycristal de silicium ayant à la fois une faible densité de joints de grains et de défauts structuraux, ce qui résulte de la formation de la couche de silicium à une température supérieure à 800 °C ayant une relation d'épitaxie avec la couche barrière qui, elle- même, a une relation d'épitaxie avec la feuille métallique. Cette couche pourra avoir une épaisseur comprise entre 30 et 100 ym.
On notera que la feuille de métal décrite ici a une triple fonction :
elle sert de support mécanique de la structure, elle transmet sa texturation cristallographique aux couches sus-jacentes, et
elle est destinée à constituer l'électrode de face arrière des cellules formées à partir de la structure.

Claims

REVENDICATIONS
1. Structure adaptée à la formation de cellules solaires comprenant successivement :
une feuille (1) d'un métal texturé à grains cristal¬ lins d'une dimension moyenne supérieure à 50 um, adaptée à former une électrode de face arrière desdites cellules ;
une couche barrière (2) de diffusion d'une épaisseur de 0,2 à 2 ym en un matériau électriquement conducteur à caractère métallique, choisi dans le groupe comprenant TiN, TiAIN, TaN, CrN et WS12, présentant des grains cristallins d'une dimension moyenne supérieure à 50 ym, la couche barrière étant formée avec une relation d'épitaxie avec la feuille ; et
une couche de silicium multi-cristallin dopé (3) d'une épaisseur de 30 à 100 ym présentant des grains cristallins d'une dimension moyenne supérieure à 50 à 100 um, dans laquelle la longueur de diffusion des porteurs a une valeur moyenne supérieure à 50 um, la couche de silicium multi-cristallin étant formée avec une relation d'épitaxie avec la couche barrière.
2. Structure selon la revendication 1, dans laquelle la feuille de métal (1) est une feuille en un matériau choisi dans le groupe comprenant un alliage métallique à base de fer, un alliage métallique à base de nickel, un alliage métallique à base de cuivre, un acier austénitique, un acier ferritique.
3. Structure selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la dimension moyenne des grains cristallins dans la feuille de métal (1) est supérieure à 1 mm.
4. Structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle la couche barrière (2) est réfléchissante.
5. Cellule solaire formée dans la couche de silicium de la structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle la feuille de métal (1) constitue l'électrode de face arrière.
6. Cellule solaire selon la revendication 5, comprenant au moins une zone ayant un rayon de courbure supérieur à 1 cm.
7. Procédé de fabrication d'une structure selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la couche barrière et la couche de silicium sont déposées successivement par dépôt chimique à des températures comprises entre 800 et 1000°C.
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