EP2803088A1 - Procede pour realiser un module photovoltaïque avec deux etapes de gravure p1 et p3 et module photovoltaïque correspondant - Google Patents

Procede pour realiser un module photovoltaïque avec deux etapes de gravure p1 et p3 et module photovoltaïque correspondant

Info

Publication number
EP2803088A1
EP2803088A1 EP13704491.3A EP13704491A EP2803088A1 EP 2803088 A1 EP2803088 A1 EP 2803088A1 EP 13704491 A EP13704491 A EP 13704491A EP 2803088 A1 EP2803088 A1 EP 2803088A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
electrode
photovoltaic
metal precursors
annealing
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP13704491.3A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Nicolas Karst
Sevak AMTABLIAN
Simon Perraud
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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 Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Publication of EP2803088A1 publication Critical patent/EP2803088A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
    • H01L31/05—Electrical interconnection means between PV cells inside the PV module, e.g. series connection of PV cells
    • H01L31/0504—Electrical interconnection means between PV cells inside the PV module, e.g. series connection of PV cells specially adapted for series or parallel connection of solar cells in a module
    • H01L31/0516—Electrical interconnection means between PV cells inside the PV module, e.g. series connection of PV cells specially adapted for series or parallel connection of solar cells in a module specially adapted for interconnection of back-contact solar cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L31/0264—Inorganic materials
    • H01L31/032—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only compounds not provided for in groups H01L31/0272 - H01L31/0312
    • H01L31/0322—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only compounds not provided for in groups H01L31/0272 - H01L31/0312 comprising only AIBIIICVI chalcopyrite compounds, e.g. Cu In Se2, Cu Ga Se2, Cu In Ga Se2
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L31/0264—Inorganic materials
    • H01L31/032—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only compounds not provided for in groups H01L31/0272 - H01L31/0312
    • H01L31/0324—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only compounds not provided for in groups H01L31/0272 - H01L31/0312 comprising only AIVBVI or AIIBIVCVI chalcogenide compounds, e.g. Pb Sn Te
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
    • H01L31/0445—PV modules or arrays of single PV cells including thin film solar cells, e.g. single thin film a-Si, CIS or CdTe solar cells
    • H01L31/046—PV modules composed of a plurality of thin film solar cells deposited on the same substrate
    • H01L31/0463—PV modules composed of a plurality of thin film solar cells deposited on the same substrate characterised by special patterning methods to connect the PV cells in a module, e.g. laser cutting of the conductive or active layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/186—Particular post-treatment for the devices, e.g. annealing, impurity gettering, short-circuit elimination, recrystallisation
    • H01L31/1864—Annealing
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/541—CuInSe2 material PV cells

Definitions

  • CORRESPONDING The invention relates to the field of photovoltaic solar energy and more particularly to thin-film photovoltaic modules.
  • a “thin layer” will be a layer having a thickness of less than 5 ⁇ m.
  • a photovoltaic module comprises several solar cells placed in series. Indeed, the voltage generated at the terminals of a single solar cell, less than 1 volt, is generally too low for many devices. Serialization of many cells is therefore necessary. Thus, the voltage delivered by a photovoltaic module is of the order of 100 volts, for a hundred cells connected in series.
  • the monolithic interconnection process for thin-film solar cells requires three etching steps, conventionally known as P1, P2, P3.
  • the first step (P1) provides electrical isolation of two adjacent cells at the back-side electrode of the solar cells.
  • the second step (P2) makes it possible to connect the electrode on the front face of a given cell to the electrode on the rear face of the adjacent cell.
  • the third step (P3) consists of electrically isolating two adjacent cells at the electrode on the front face.
  • Various techniques are implemented to achieve this monolithic interconnection process.
  • etching techniques have the advantage that they can be used for a wide variety of materials deposited in thin layers, for example CdTe, a-Si, CZTS (of general formula Cu 2 ZnSn (S, Se) 4 ) or CIGS ( of general formula Cu (In, Ga) (S, Se) 2 ).
  • the mechanical etching leads to the damage of the materials due to the presence of mechanical stresses on the layers, to the formation of debris on the surface of the layers near the etching line which can lead to short-term problems. circuit, as well as the wear of the etching tips.
  • the quality of the mechanical etching is very sensitive to many parameters such as the morphology or the properties of the thin layers, as well as to the operating parameters of the etching tips.
  • laser ablation is not easy to implement. Indeed, it can be seen that the removed material can melt and partially reseal the groove made by laser ablation. Thus, this technique does not provide a clean surface necessary to achieve a good quality electrical contact.
  • FIGS. 1a to 1f All these figures are sectional views and show different stages of implementation of this method.
  • Figure 1a shows a substrate 1 which can be made of various materials, including glass, or plastic or metal (eg steel, aluminum, or titanium), flexible or rigid.
  • a substrate 1 which can be made of various materials, including glass, or plastic or metal (eg steel, aluminum, or titanium), flexible or rigid.
  • this substrate is made of soda-lime glass whose thickness is a few millimeters and typically between 1 and 3 mm.
  • a layer of molybdenum 11 is deposited, the thickness of which is generally between 100 nm and 2 ⁇ m, and preferably of the order of 1 ⁇ m.
  • This layer of molybdenum will be used to constitute the electrode on the back of the various cells forming the photovoltaic module.
  • FIG. 1a shows that an etching step is performed after the deposition of the Mo layer. As indicated above, this etching is generally carried out, either mechanically or by laser ablation. It leads to the formation of a groove 110, devoid of molybdenum.
  • This groove 110 makes it possible to define the rear face electrodes 11a and 11b of the adjacent cells 2 and 3 illustrated in FIG. 1f.
  • This etching step corresponds to the step P1 mentioned above.
  • the width of the groove 110 is generally between 10 ⁇ m and 100 ⁇ m, and it is preferably of the order of 50 ⁇ m.
  • FIG. 1b illustrates another step of the process in which a photovoltaic layer is produced and, for example, a crystallized CIGS layer. This layer has a function of light absorber.
  • This step consists firstly in providing, on the rear face electrode 11, metal precursors of Cu, In, Ga, and elements of type Se and / or S, used for the growth of the CIGS layer, a p-type semiconductor material.
  • It may be vacuum processes, such as evaporation or sputtering, or processes carried out at atmospheric pressure, such as electrodeposition, screen printing, doctor-blading, inkjet or slit-coating.
  • precursors of Cu, In and Ga can be deposited by cathodic sputtering.
  • a layer of Se and / or S can then be deposited on the stack obtained by a vacuum method or a method implemented at atmospheric pressure.
  • the chalcogen S or Se can be provided in the form of an elemental gas, in the form of gas (H 2 S or H 2 Se) or in the form of a layer of S or Evaporated, deposited on the surface of the layer metal precursors.
  • H 2 S and H 2 Se gases are highly toxic, which greatly complicates the use of these gases on an industrial scale.
  • the thickness of this layer of metal precursors is generally between 300 nm and 1 ⁇ m.
  • the conversion of the constituents into a layer 12 of crystallized CIGS is carried out by high temperature annealing, referred to as selenization / sulfurization annealing, using a ramp for increasing the temperature between 1 ° C./s and 10 ° C./s.
  • the temperature is generally between 400 and 600 ° C.
  • the layer of constituents may be covered with a cover, preferably made of graphite.
  • This cover makes it possible to ensure a partial pressure of Se and / or S more important during annealing, which leads to increase the diffusion of Se and / or S in the metal precursors.
  • FIG. 1c shows another step of implementing the method, in which an n-type semiconductor layer 13 is deposited on the CIGS layer, in order to form the pn junction.
  • This layer may be deposited by chemical bath, by sputtering or by evaporation.
  • It may for example be composed of CdS and deposited by chemical bath, the layer 13 having a thickness of a few tens of nm.
  • ZnS Zero-semiconductor
  • ZnOS Zero-semiconductor
  • Other materials may be used such as ZnS or ZnOS, for a thickness for example between 5 nm and 30 nm.
  • Figure 1c also illustrates another process step which is optional. This step consists of depositing a layer 14 of intrinsic ZnO whose function will be explained later.
  • This layer 14 is highly transparent in the solar spectrum and highly resistive. It is generally deposited by sputtering and has a thickness of a few tens of nm.
  • the layer 13 prevents reactions between the ZnO and the CIGS and thus protects the layer 12 during the deposition of the layer 14.
  • FIG. 1d illustrates a step of implementing the method in which another etching is performed, either mechanically or by laser ablation.
  • This etching corresponding to the step P2 mentioned above, consists in removing all the layers previously deposited on the layer 11 of molybdenum. This etching thus makes it possible to make an opening referenced 111 in FIG. 1d. It will make it possible to carry out part of the electrical interconnection between two adjacent cells.
  • the width of the aperture 11 is generally between 50 ⁇ m and 150 ⁇ m and is preferably about 100 ⁇ m. Furthermore, the distance between the openings 110 and 11 is generally between 50 ⁇ and 150 pm and is preferably equal to about 100 pm.
  • FIG. 1e illustrates yet another step of implementing the method, in which a layer of a transparent conductive oxide 5 is deposited.
  • This layer may be deposited by sputtering and have a thickness of a few hundred nm.
  • It may especially be Al doped ZnO having a thickness of about 500 nm.
  • This Al doped ZnO layer will be used to form a conductive transparent electrode referenced 15a for the front face electrode of the cell 2 and 15b for the front face electrode of the cell 3 (see FIG. 1f).
  • the n-type semiconductor layer 13 may have discontinuities.
  • the ZnO layer 14 then has the function of providing electrical insulation between the conductive layer 15 and the layer 12 of CIGS.
  • ITO tin-doped indium oxide
  • silver nanowires silver nanowires
  • carbon nanotubes could also be used to make this transparent conductive electrode.
  • other deposit techniques could also be used.
  • the distance between the openings 110 and 111 must be large enough to avoid excessive interconnection resistance between the front face electrode 15a of the cell 2 and the rear face electrode 11b of the cell 3.
  • FIG. 1f illustrates a last step of the method, in which another etching is performed in the stack of layers in order to definitively isolate the cell 2 from the cell 3.
  • This etching step corresponds to the step P3 mentioned above. It can be performed mechanically or by laser ablation and consists in removing all the layers deposited on the rear face electrode 11b.
  • the opening 112 obtained makes it possible to electrically isolate the two cells 2 and 3 at their front face electrodes 15a and 5b.
  • the opening 1 12 more generally has a width of between 10 ⁇ and 200 ⁇ , and is preferably of the order of 100 ⁇ .
  • Figure 1f also illustrates the path of the charges between the two adjacent cells 2 and 3.
  • the front face electrode 15a of the first cell 2 makes it possible to collect on the front face the electric charges generated in this cell 2 and to route them towards the rear face electrode 11b of the adjacent cell 3.
  • step P2 relate to step P2 and their object is to locally increase the conductivity of the CIGS material to conduct the conduction of charges from the front face electrode of a given cell to the back-face electrode of the adjacent cell.
  • the laser treatment makes it possible to create a zone of greater conductivity than the rest of the CIGS layer which replaces the direct contact between the Al-doped ZnO layer and the molybdenum rear-face electrode.
  • the lasers that can make the CIGS conductive are different from those used to burn it, during the step P3.
  • Two types of laser are then necessary, which considerably increases the costs of production.
  • Metal precursors deposited locally on the electrode at the rear face can also play this role by diffusing into the CIGS layer, during the growth thereof at high temperature.
  • CIGS leads locally to the formation of a modified semiconductor which has a higher conductivity than the CIGS but lower than that of a metal.
  • the electrical connection between the front-face electrode of a cell and the back-face electrode of the adjacent cell will be through a modified semiconductor whose resistance is greater than that of a metal.
  • the electrical connection will therefore be of less good quality than that which can be obtained by a conventional interconnection method since, in this case, the electrical connection is made through a conductive and transparent electrode in direct contact with the metal electrode of molybdenum.
  • the object of the invention is to overcome the disadvantages of the state of the art by proposing another method making it possible to ensure electrical contact between the electrode on the front face of a solar cell and the electrode on the rear face of the adjacent cell, without requiring any additional step, whether it is a step of etching, laser treatment or specific deposition, this electrical contact being otherwise of good quality.
  • the invention relates to a method for producing a photovoltaic module comprising a plurality of solar cells in a thin-film structure, in which are successively carried out in the structure, an electrode on the rear face, a photovoltaic layer obtained by depositing components comprising metal precursors and at least one element selected from Se and S and annealing to convert these constituents into a semiconductor material, and another semiconductor layer to create a pn junction with the photovoltaic layer.
  • the metal precursors form, on the electrode on the rear face, a continuous layer, whereas the said at least one element forms a layer having at least one discontinuity allowing, after the annealing, to leave a zone of the layer of metallic precursors in the metallic state at the level of said discontinuity.
  • the method thus makes it possible to avoid the step of etching P2 which is provided in conventional interconnection methods.
  • said at least one element is deposited in a localized manner
  • the metal precursors are of the type
  • the annealing is advantageously carried out at a temperature of between 400 and 600 ° C. and preferably of the order of 550 ° C.
  • the other semiconductor layer has a discontinuity at said zone.
  • the invention also relates to a photovoltaic module comprising a plurality of solar cells connected in series on a common substrate, each cell comprising a front electrode, transparent to light, and an electrode on the rear face, spaced from the opposite electrode. before by a photovoltaic layer and another layer of semiconductor to create a pn junction.
  • the front-face electrode of a cell is electrically connected to the back-face electrode of the adjacent cell, via an area of the photovoltaic layer which is made of metal precursors.
  • this module does not include type P2 etching, it has, between two adjacent cells, only one opening resulting from an etching step P3 opening onto the substrate.
  • the electrical connection between the front face electrode of a cell and the back side electrode of the adjacent cell is, moreover, of good quality.
  • the other semiconductor layer advantageously has a discontinuity at the metal zone of the photovoltaic layer.
  • the photovoltaic layer is advantageously made of CIGS or CZTS.
  • FIGS. 2a to 2e are sectional views which represent various stages of the method according to the invention.
  • FIG. 3 is also a sectional view showing a variant of the method according to the invention.
  • Figure 2a shows a substrate 4 which may be made of various materials, typically glass, plastic or metal covered with a thin insulating layer.
  • this substrate is made of soda-lime glass whose thickness is a few millimeters and, for example, 3 mm.
  • a metal layer 41 forming a rear face electrode for the different cells of the photovoltaic module that will be obtained by the method according to the invention.
  • This layer is made, for example molybdenum, and its thickness is between 100 nm and 2 pm and in particular equal to about 1 pm.
  • the deposition of the molybdenum layer may in particular be carried out by sputtering.
  • the layer 41 may also be made of a semiconductor material such as ITO or a nitride-based conductive material, such as ZrN or TiN.
  • FIG. 2a shows that an etching step is performed after the deposition of the layer 41.
  • this etching is generally carried out, either mechanically or by laser ablation. It leads to the formation of a groove 410, which is therefore devoid of metal.
  • This groove 410 makes it possible to define the rear face electrodes 41a and 41b of the adjacent cells 5 and 6 illustrated in FIG. 2e.
  • This etching step corresponds to the step P1 mentioned above.
  • the width of this groove 410 is generally between 10 and 100 ⁇ m and is preferably of the order of 50 ⁇ m.
  • FIG. 2b illustrates the process step in which the layer 42 comprising the constituents which will lead to the formation of the photovoltaic layer is produced.
  • This layer 42 comprises a layer 420 of metal precursors, for example Cu, Ga and In, and a layer 421, for example of selenium.
  • the metal precursors may be deposited on the layer 41 by printing or sputtering methods.
  • These precursors can be deposited in elemental form, that is to say in the form of Cu, Ga and In, in successive layers. They can also be deposited simultaneously in the form of alloys, for example CuGa, Culn or InGa.
  • the metal precursors are deposited in the form of at least two layers, with a first layer composed of CuGa alloy and a second layer composed of Indium.
  • the homogeneity of the metal precursor layer can be improved by performing an alternative deposition of CuGa and Indium thin layers. These layers may in particular have a thickness of about 50 nm, the deposition of successive layers being carried out until the desired thickness for the layer 420 is obtained.
  • This thickness is generally between 300 nm and 1 ⁇ m and is preferably equal to 750 nm.
  • the metal precursors are preferably deposited so that the following ratios are respected:
  • the layer 421 of selenium is then deposited, for example by evaporation under vacuum, on the layer 420.
  • this layer 421 is not continuous. On the contrary, it has a discontinuity 422.
  • the layer 420 of metal precursors is free of selenium in a zone 423 left free.
  • the distance between the discontinuity 422 and etching 410 will advantageously be between 50 and 150 ⁇ and, preferably, of the order of 100 ⁇ .
  • This discontinuity in the layer 421 can be obtained by different methods.
  • the deposition of selenium can be carried out in a localized manner, by carrying out evaporation under vacuum through a mask.
  • This mask may, for example, have the following characteristics: be made of electro-deposited nickel and comprise one or more slots (the number of slots depending on the number of photovoltaic cells provided in the module to be produced), each slot having a width of between 50 and 150 ⁇ and preferably equal to substantially 100 ⁇ .
  • the layer 421 may also be deposited by printing methods (screen printing or ink jet for example), in particular using an ink based on selenium nanoparticles, dispersed in an organic solvent. This method has the advantage of being less expensive because the printing methods can be implemented at atmospheric pressure.
  • the thickness of the layer 421 depends on the thickness of the layer 420 of metal precursors.
  • FIG. 2c illustrates another process step in which the constituent layer 42 is converted into a layer of semiconductor material 43.
  • the conversion is conventionally carried out by high temperature annealing carried out under a neutral atmosphere, nitrogen or argon, for example.
  • This annealing may be carried out at a temperature between 400 and 600 ° C and preferably at a temperature of about 550 ° C.
  • the duration of the annealing is generally between 30 s and 5 min and is preferably of a duration of about 1 min.
  • the metal precursors and selenium react to form a CIGS semiconductor layer 43 that is localized.
  • zone 423 the metal precursors were not in contact with the selenium and they will therefore remain in metallic form.
  • the area of the layer 43 in which the precursors remain in metallic form is identified by the reference 430 in Figure 2c.
  • the metal precursors will be in the form of alloys of InGa, CuGa alloy, Cuin alloy, elemental indium, elemental Ga or elemental Cu. , or a mixture of some or all of these elements.
  • the width of the zone 430 is less than the width of the opening 422.
  • the width of the zone 430 will be of the order of 85 ⁇ m for an opening 422 with a width of 100 ⁇ m.
  • the longer the annealing time the smaller the width of the zone 430.
  • This metal zone 430 will make it possible to provide the electrical connection between the front face electrode of a cell of the photovoltaic module with the back-face electrode of the adjacent cell, without it being necessary to carry out a step of etching in the photovoltaic layer, etching corresponding to step P2 according to the state of the art.
  • the width of the zone 430 will be between 50 and 150 pm, while the width of the discontinuity 422 will be between 60 and 160 pm.
  • FIGs 2d and 2e describe the other steps of the method according to the invention, which are similar to those described with reference to Figures 1c, 1e and 1f.
  • an n-type semiconductor layer 44 is deposited on the layer 46, in order to form the pn junction.
  • the material used can be CdS, ZnS or ZnOS, in particular deposited by chemical bath.
  • FIG. 2d illustrates another step of the method of depositing a layer of a transparent and conductive oxide 45 on the layer 44.
  • a ZnO intermediate layer may be deposited between the layers 44 and 45.
  • This intermediate layer is optional. Its function has been described above with reference to FIG.
  • This layer 45 may consist of Al doped ZnO, this layer being deposited by sputtering.
  • the thickness of the layer 45 is between 100 and 800 nm and preferably equal to about 500 nm.
  • FIG. 2e illustrates a last step of the method, in which another etching is performed in the stack of layers.
  • This etching step corresponds to step P3.
  • the opening 431 obtained makes it possible to define two adjacent cells 5 and 6 and to isolate them electrically, at their front face electrodes 45a and 45b.
  • Figure 2e also illustrates the path of charges between two adjacent cells 5 and 6.
  • the front face electrode 45a of the first cell 5 makes it possible to collect, on the front face, the electrical charges generated in this cell 5 and to route them towards the rear face electrode 41b of the adjacent cell 6, at the through the metal zone 430 of the layer 43.
  • the thickness of the layer 44 is sufficiently small to allow the passage of electrical charges from the electrode 45a to the area 430.
  • the thickness of the layer 44 is less than 100 nm and is preferably of the order of 10 nm.
  • the method which has just been described has the advantage of eliminating one of the etching steps conventionally provided for in the monolithic interconnection processes, in this case step P2, and thus of avoiding the disadvantages related to this etching step.
  • the selenium layer 421 may be replaced by a layer of sulfur or a mixture of sulfur and selenium.
  • the sulfur can be deposited on the layer 420 by the same deposition processes as those mentioned for selenium. However, to deposit a mixture of sulfur and selenium, one can use a printing method such as inkjet, from an ink based on sulfur and selenium.
  • the sulfur and selenium deposition may also be carried out under vacuum by alternating the selenium layer (s) and the sulfur layer (s) to obtain a distribution in a S / Se bilayer or a S / Se multilayer, alternating sulfur and selenium.
  • the formation of a multilayer makes it possible to improve the distribution of the two components.
  • the annealing will then lead to the formation of Cu (In, Ga) (S, Se) 2 .
  • the metallic constituents forming the layer 420 may also be of the Cu, Zn and Sn type.
  • the metal precursors are preferably deposited in such a way that the following ratios are respected:
  • the method according to the invention then leads to obtaining solar cells whose photovoltaic layer is made of material of the CZTS type and, in particular, Cu 2 ZnSnSe 4 , Cu 2 ZnSnS or Cu 2 ZnSn (S, Se) 4 , according to that the layer 421 comprises selenium, sulfur or a mixture of the two components.
  • the germanium may also be integrated into the CZTS mesh to form a Cu 2 Zn (Sn, Ge) material (S, Se) 4 , when the layer 421 comprises a mixture of selenium and sulfur.
  • the metal constituents forming the layer 420 may also be of the Cu, Al and In type.
  • the method according to the invention then leads to obtaining solar cells whose photovoltaic layer is made of a material of the Cu (ln, Al) (S, Se) 2 type .
  • FIG. 3 shows that the layer 44, in particular made of ZnOS, is not continuously deposited on the photovoltaic layer 43.
  • the layer 44 has discontinuities 440 at the zones 430 of the photovoltaic layer 43.
  • This localized deposit may, for example, be made by ink jet. It has the advantage, compared to the embodiment illustrated in FIG. 2e, of avoiding the addition of a resistance which would come from the presence of the layer 44 between the electrode 45a and the zone 430.

Abstract

Procédé de réalisation d'un module photovoltaïque comportant une pluralité de cellules solaires dans une structure en couches minces, dans lequel sont réalisées successivement dans la structure, une électrode en face arrière (41), une couche photovoltaïque (43) obtenue par dépôt de constituants comprenant des précurseurs métalliques et au moins un élément pris parmi Se et S et par recuit pour convertir ces constituants en matériau semi-conducteur, et une autre couche (44) de semi-conducteur pour créer une jonction pn avec la couche photovoltaïque (43), caractérisé en ce que les précurseurs métalliques forment, sur l'électrode en face arrière (41), une couche continue, alors que ledit au moins un élément forme une couche présentant au moins une discontinuité permettant, à l'issue du recuit, de laisser une zone (430) de la couche de précurseurs métalliques à l'état métallique au niveau de ladite discontinuité.

Description

PROCEDE POUR REALISER UN MODULE PHOTOVOLTAÏQUE AVEC DEUX ETAPES DE GRAVURE P1 ET P3 ET MODULE PHOTOVOLTAÏQUE
CORRESPONDANT L'invention concerne le domaine de l'énergie solaire photovoltaïque et plus particulièrement les modules photovoltaïques en couches minces.
Dans le cadre de la présente demande, une « couche mince » sera une couche présentant une épaisseur inférieure à 5 pm.
Un module photovoltaïque comprend plusieurs cellules solaires mises en série. En effet, la tension électrique générée aux bornes d'une seule cellule solaire, inférieure à 1 Volt, est en général trop faible pour de nombreux dispositifs. Une mise en série de nombreuses cellules est donc nécessaire. Ainsi, la tension délivrée par un module photovoltaïque est de l'ordre de 100 Volt, pour une centaine de cellules reliées en série.
Pour les modules photovoltaïques en couches minces, cette mise en série peut être obtenue par des étapes de gravure et de dépôt réalisées sur un même substrat. On réalise ainsi une interconnexion monolithique. Ceci présente un avantage considérable par rapport à la technologie classique du silicium cristallin massif. En effet, la réalisation de modules en silicium cristallin nécessite des opérations lourdes et laborieuses de connexion filaire et de soudure. Toutes ces opérations sont rendues inutiles avec la technologie des couches minces.
Le procédé d'interconnexion monolithique des cellules solaires en couches minces nécessite trois étapes de gravure, classiquement dénommées P1 , P2, P3.
La première étape (P1 ) assure l'isolation électrique de deux cellules adjacentes au niveau de l'électrode en face arrière des cellules solaires.
La deuxième étape (P2) permet de connecter l'électrode en face avant d'une cellule donnée à l'électrode en face arrière de la cellule adjacente.
La troisième étape (P3) consiste à isoler électriquement deux cellules adjacentes au niveau de l'électrode en face avant. Différentes techniques sont mises en œuvre pour réaliser ce procédé d'interconnexion monolithique.
Les plus classiques sont la gravure mécanique ou l'ablation laser.
On peut ainsi se référer au document US-4 502 225 qui décrit un dispositif comportant une pointe de gravure destinée à des dispositifs semi-conducteurs.
L'utilisation de laser dans des cellules solaires en couche mince est notamment décrite dans les articles « Sélective ablation of thin films with short and ultrashort laser puises », Hermann et al., Appl. Surf. Sci. 252 (2006) 4814 ou encore « Laser applications in thin-film photovoltaics », Bartolme et al., Appl Phys B 100 (2010) 427-436.
Ces techniques de gravure présentent l'avantage de pouvoir être employées pour une grande variété de matériaux déposés en couches minces, comme par exemple CdTe, a-Si, CZTS (de formule générale Cu2ZnSn(S,Se)4) ou CIGS (de formule générale Cu(ln, Ga)(S, Se)2).
Cependant, ces techniques de gravure présentent chacune des inconvénients.
Ainsi, la gravure mécanique conduit à l'endommagement des matériaux du fait de la présence de contraintes mécaniques sur les couches, à la formation de débris sur la surface des couches à proximité de la ligne de gravure qui peuvent conduire à des problèmes de court-circuit, ainsi qu'à l'usure des pointes de gravure. De plus, de façon générale, la qualité de la gravure mécanique est très sensible à de nombreux paramètres comme la morphologie ou les propriétés des couches minces, ainsi qu'aux paramètres de fonctionnement des pointes de gravure.
Par ailleurs, l'ablation laser n'est pas simple à mettre en œuvre. En effet, on peut constater que le matériau retiré peut fondre et reboucher en partie la rainure réalisée par l'ablation laser. Ainsi, cette technique ne permet pas d'obtenir une surface propre nécessaire pour réaliser un contact électrique de bonne qualité.
On peut également utiliser des méthodes de gravure chimique. Cependant, ces méthodes sont plus compliquées et plus coûteuses à mettre en œuvre que les méthodes classiques de gravure mécanique ou d'ablation laser.
Afin de mieux situer le contexte de l'invention, un procédé classique d'interconnexion monolithique pour un module photovoltaïque en couches minces va maintenant être décrit en référence aux figures 1 a à 1f. Toutes ces figures sont des vues en coupe et représentent différentes étapes de mise en oeuvre de ce procédé.
La figure 1a représente un substrat 1 qui peut être réalisé en divers matériaux, notamment en verre, ou encore en plastique ou en métal (par exemple acier, aluminium, ou titane), souple ou rigide.
En général, ce substrat est réalisé en verre sodocalcique dont l'épaisseur est de quelques millimètres et typiquement comprise entre 1 et 3 mm.
Sur ce substrat 1 , est déposée une couche de molybdène 11 dont l'épaisseur est généralement comprise entre 100 nm et 2 pm, et préférentiellement de l'ordre de 1 pm.
Cette couche de molybdène servira à constituer l'électrode en face arrière des différentes cellules formant le module photovoltaïque.
La figure 1 a montre qu'une étape de gravure est réalisée après le dépôt de la couche de Mo. Comme indiqué précédemment, cette gravure est généralement réalisée, soit mécaniquement, soit par ablation laser. Elle conduit à la formation d'une rainure 110, dépourvue de molybdène.
Cette rainure 110 permet de définir les électrodes de face arrière 11 a et 11 b des cellules adjacentes 2 et 3 illustrées sur la figure 1f.
Cette étape de gravure correspond à l'étape P1 mentionnée précédemment.
La largeur de la rainure 110 est généralement comprise entre 10 pm et 100 pm, et elle est préférentiellement de l'ordre de 50 pm.
La figure 1 b illustre une autre étape du procédé dans laquelle est réalisée une couche photovoltaïque et, à titre d'exemple, une couche de CIGS cristallisée. Cette couche a une fonction d'absorbeur de la lumière.
Cette étape consiste tout d'abord à apporter, sur l'électrode de face arrière 1 1 , des précurseurs métalliques de Cu, In, Ga, et des éléments de type Se et/ou S, servant à la croissance de la couche de CIGS, matériau semi-conducteur de type p.
De nombreux procédés de dépôt adaptés aux couches minces peuvent être utilisés.
II peut s'agir de procédés sous vide, tels que l'évaporation ou la pulvérisation cathodique ou des procédés mis en oeuvre à pression atmosphérique, tels que l'électrodépôt, la sérigraphie, le doctor-blading, le jet d'encre ou le slit-coating.
Ainsi, des précurseurs de Cu, In et Ga peuvent être déposés par pulvérisation cathodique. Une couche de Se et/ou S peut être ensuite déposée sur l'empilement obtenu par une méthode sous vide ou une méthode mise en oeuvre à pression atmosphérique.
De façon générale, un apport massif de S ou Se est toujours nécessaire. Le chalcogène S ou Se peut être apporté sous la forme de gaz élémentaire, sous la forme de gaz (H2S ou H2Se) ou sous la forme d'une couche de S ou Se évaporé, déposée à la surface de la couche de précurseurs métalliques.
Il convient de noter que les gaz H2S et H2Se sont hautement toxiques, ce qui complexifie grandement l'utilisation de ces gaz à l'échelle industrielle.
L'épaisseur de cette couche de précurseurs métalliques est généralement comprise entre 300 nm et 1 pm.
La conversion des constituants en une couche 12 de CIGS cristallisée s'effectue par un recuit à haute température, dénommé recuit de sélénisation/sulfurisation en utilisant une rampe de montée en température comprise entre 1 °C/s et 10°C/s.
On peut notamment se référer au document US-5 578 503 qui décrit un procédé d'obtention d'un semi-conducteur du type CuXY2 où X est In et/ou Ga et Y est Se ou S.
La température est généralement comprise entre 400 et 600°C.
La couche de constituants peut être recouverte d'un capot, de préférence en graphite. Ce capot permet d'assurer une pression partielle de Se et/ou S plus importante lors du recuit, ce qui conduit à augmenter la diffusion de Se et/ou S dans les précurseurs métalliques.
La figure 1 c montre une autre étape de mise en oeuvre du procédé, dans laquelle une couche 13 de semi-conducteur de type n est déposée sur la couche de CIGS, afin de former la jonction pn.
Cette couche peut être déposée par bain chimique, par pulvérisation cathodique ou encore par évaporation.
Elle peut par exemple être composée de CdS et déposée par bain chimique, la couche 13 présentant une épaisseur de quelques dizaines de nm.
D'autres matériaux peuvent être utilisés tels que ZnS ou ZnOS, pour une épaisseur par exemple comprise entre 5 nm et 30 nm.
La figure 1 c illustre également une autre étape du procédé qui est facultative. Cette étape consiste à déposer une couche 14 de ZnO intrinsèque dont la fonction sera expliquée plus loin.
Cette couche 14 est fortement transparente dans le spectre solaire et fortement résistive. Elle est généralement déposée par pulvérisation cathodique et présente une épaisseur de quelques dizaines de nm.
On peut noter que la couche 13 empêche les réactions entre le ZnO et le CIGS et protège ainsi la couche 12, pendant le dépôt de la couche 14.
La figure 1d illustre une étape de mise en œuvre du procédé dans laquelle est réalisée une autre gravure, soit mécaniquement, soit par ablation laser.
Cette gravure, correspondant à l'étape P2 mentionnée plus haut, consiste à retirer toutes les couches préalablement déposées sur la couche 11 de molybdène. Cette gravure permet donc de réaliser une ouverture référencée 111 sur la figure 1d. Elle va permettre de réaliser une partie de l'interconnexion électrique entre deux cellules adjacentes.
La largeur de l'ouverture 1 11 est généralement comprise entre 50 pm et 150 pm et elle est de préférence égale à environ 100 pm. Par ailleurs, la distance entre les ouvertures 110 et 1 11 est généralement comprise entre 50 μιτι et 150 pm et elle est préférentiellement égale à environ 100 pm.
La figure 1e illustre encore une autre étape de mise en œuvre du procédé, dans laquelle est déposée une couche d'un oxyde transparent conducteur 5.
Cette couche peut être déposée par pulvérisation cathodique et présenter une épaisseur de quelques centaines de nm.
Il peut notamment s'agir de ZnO dopé Al, présentant une épaisseur d'environ 500 nm.
Cette couche de ZnO dopé Al servira à former une électrode transparente conductrice référencée 15a pour l'électrode de face avant de la cellule 2 et 15b pour l'électrode de face avant de la cellule 3 (voir figure 1f).
Il est généralement admis que la couche 13 de semi- conducteur de type n peut présenter des discontinuités. La couche 14 de ZnO a alors pour fonction d'assurer une isolation électrique entre la couche conductrice 15 et la couche 12 de CIGS.
D'autres matériaux, tels que l'oxyde d'indium dopé en étain (ITO), des nanofils d'argent, des nanotubes de carbone pourraient également être employés pour réaliser cette électrode transparente conductrice. De même, d'autres techniques de dépôt pourraient également être utilisées.
On comprend que la distance entre les ouvertures 110 et 111 doit être suffisamment importante pour éviter une résistance d'interconnexion trop importante entre l'électrode en face avant 15a de la cellule 2 et l'électrode de face arrière 11 b de la cellule 3.
La figure 1f illustre une dernière étape du procédé, dans laquelle une autre gravure est réalisée dans l'empilement de couches afin d'isoler définitivement la cellule 2 de la cellule 3.
Cette étape de gravure correspond à l'étape P3 mentionnée plus haut. Elle peut être réalisée mécaniquement ou par ablation laser et consiste à retirer toutes les couches déposées sur l'électrode de face arrière 11 b. L'ouverture 112 obtenue permet d'isoler électriquement les deux cellules 2 et 3 au niveau de leurs électrodes 15a et 5b de face avant.
L'ouverture 1 12 présente plus généralement une largeur comprise entre 10 μιτι et 200 μηι, et elle est de préférence de l'ordre de 100 μιη.
La figure 1f illustre également le chemin des charges entre les deux cellules adjacentes 2 et 3.
Ainsi, l'électrode de face avant 15a de la première cellule 2 permet de collecter en face avant les charges électriques générées dans cette cellule 2 et de les acheminer vers l'électrode de face arrière 11 b de la cellule adjacente 3.
Compte tenu des inconvénients présentés par les techniques de gravure classiques, des solutions ont été proposées dans l'état de la technique.
Elles concernent l'étape P2 et elles ont pour objet d'augmenter localement la conductivité du matériau CIGS pour réaliser la conduction des charges depuis l'électrode de face avant d'une cellule donnée à l'électrode de face arrière de la cellule adjacente.
Il peut s'agir d'un traitement laser permettant de donner localement un comportement métallique au CIGS. On peut notamment se référer à l'article de Westin et al., « Laser patterning of P2 interconnect via thin-film CIGS PV modules », Solar Energy Materials and Solar Cells 92 (2008) 1230.
Ainsi, le traitement laser permet de créer une zone de conductivité plus importante que le reste de la couche de CIGS qui remplace le contact direct entre la couche de ZnO dopé Al et l'électrode en face arrière en molybdène.
Cependant, les lasers pouvant rendre conducteur le CIGS sont différents de ceux utilisés pour le graver, au cours de l'étape P3. On peut notamment se référer à l'article « Application of a Puise Programmable Fiber Laser to a Broad Range of Micro-Processing Applications », Rekow et al., NRC publications archives. Ainsi, deux types de laser sont alors nécessaires, ce qui augmente de façon considérable les coûts de production. Des précurseurs métalliques déposés localement sur l'électrode en face arrière peuvent aussi jouer ce rôle en diffusant dans la couche de CIGS, lors de la croissance de celle-ci à haute température. On peut notamment à cet égard se référer au document US-2010/0000589.
Cependant, cette technique présente également des inconvénients. En effet, elle nécessite tout d'abord l'ajout d'une étape de dépôt supplémentaire de bandes d'éléments dopants, par rapport aux procédés d'interconnexion monolithique classiques. Ceci rend le procédé plus complexe et augmente les coûts de production.
Par ailleurs, la diffusion des éléments dopants au sein du
CIGS conduit localement à la formation d'un semi-conducteur modifié qui présente une conductivité supérieure au CIGS mais inférieure à celle d'un métal. Ainsi, la connexion électrique entre l'électrode de face avant d'une cellule et l'électrode de face arrière de la cellule adjacente se fera à travers un semi-conducteur modifié dont la résistance est supérieure à celle d'un métal. La connexion électrique sera donc de moins bonne qualité que celle qui peut être obtenue par un procédé d'interconnexion classique puisque, dans ce cas, la connexion électrique s'effectue à travers une électrode conductrice et transparente en contact direct avec l'électrode métallique de molybdène.
L'invention a pour objet de pallier les inconvénients de l'état de la technique en proposant un autre procédé permettant d'assurer le contact électrique entre l'électrode en face avant d'une cellule solaire et l'électrode en face arrière de la cellule adjacente, sans nécessiter d'étape supplémentaire, que ce soit une étape de gravure, de traitement laser ou de dépôt spécifique, ce contact électrique étant par ailleurs de bonne qualité.
Ainsi, l'invention concerne un procédé de réalisation d'un module photovoltaïque comportant une pluralité de cellules solaires dans une structure en couches minces, dans lequel sont réalisées successivement dans la structure, une électrode en face arrière, une couche photovoltaïque obtenue par dépôt de constituants comprenant des précurseurs métalliques et au moins un élément pris parmi Se et S et par recuit pour convertir ces constituants en matériau semi-conducteur, et une autre couche de semiconducteur pour créer une jonction pn avec la couche photovoltaïque. Selon l'invention, les précurseurs métalliques forment, sur l'électrode en face arrière, une couche continue, alors que ledit au moins un élément forme une couche présentant au moins une discontinuité permettant, à l'issue du recuit, de laisser une zone de la couche de précurseurs métalliques à l'état métallique au niveau de ladite discontinuité.
Le procédé permet donc d'éviter l'étape de gravure P2 qui est prévue dans les procédés d'interconnexion classiques.
Dans une première forme de réalisation, ledit au moins un élément est déposé de façon localisée,
De façon préférée, les précurseurs métalliques sont du type
Cu, Ga et In ou Cu, Zn et Sn.
Le recuit est avantageusement réalisé à une température comprise entre 400 et 600°C et, de préférence, de l'ordre de 550°C.
De façon avantageuse, l'autre couche de semi-conducteur présente une discontinuité au niveau de ladite zone.
L'invention concerne également un module photovoltaïque comportant une pluralité de cellules solaires connectées en série sur un substrat commun, chaque cellule comportant une électrode en face avant, transparente à la lumière, et une électrode en face arrière, espacée de l'électrode en face avant par une couche photovoltaïque et une autre couche de semi-conducteur permettant de créer une jonction pn.
Selon l'invention, l'électrode de face avant d'une cellule est connectée électriquement à l'électrode de face arrière de la cellule adjacente, par l'intermédiaire d'une zone de la couche photovoltaïque qui est constituée de précurseurs métalliques.
Ce module ne comportant pas de gravure de type P2, il ne présente, entre deux cellules adjacentes, qu'une seule ouverture résultant d'une étape de gravure P3 débouchant sur le substrat.
La connexion électrique entre l'électrode de face avant d'une cellule et l'électrode de face arrière de la cellule adjacente est, de plus, de bonne qualité. Par ailleurs, l'autre couche de semi-conducteur présente avantageusement une discontinuité au niveau de la zone métallique de la couche photovoltaïque.
La couche photovoltaïque est avantageusement réalisée en CIGS ou CZTS.
L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit et qui est faite au regard des figures annexées sur lesquelles :
- les figures 2a à 2e sont des vues en coupe qui représentent différentes étapes du procédé selon l'invention et
- la figure 3 est également une vue en coupe qui représente une variante du procédé selon l'invention.
La figure 2a représente un substrat 4 qui peut être réalisé en divers matériaux, classiquement en verre, en plastique ou en métal recouvert d'une couche mince isolante. En général, ce substrat est réalisé en verre sodocalcique dont l'épaisseur est de quelques millimètres et, par exemple, de 3 mm.
Sur ce substrat 4, est déposée une couche métallique 41 formant une électrode de face arrière pour les différentes cellules du module photovoltaïque qui sera obtenu par le procédé selon l'invention. Cette couche est réalisée, par exemple en molybdène, et son épaisseur est comprise entre 100 nm et 2 pm et notamment égale à environ à 1 pm.
Le dépôt de la couche de molybdène peut notamment être réalisé par pulvérisation cathodique.
Il convient de noter que la couche 41 peut également être réalisée en un matériau semi-conducteur tel que ITO ou en un matériau conducteur à base de nitrure, tel que ZrN ou TiN.
La figure 2a montre qu'une étape de gravure est réalisée après le dépôt de la couche 41. Comme indiqué précédemment, cette gravure est généralement réalisée, soit mécaniquement, soit par ablation laser. Elle conduit à la formation d'une rainure 410, qui est donc dépourvue de métal. Cette rainure 410 permet de définir les électrodes de face arrière 41 a et 41 b des cellules adjacentes 5 et 6 illustrées sur la figure 2e.
Cette étape de gravure correspond à l'étape P1 mentionnée plus haut.
La largeur de cette rainure 410 est généralement comprise entre 10 et 100 pm et elle est, de préférence, de l'ordre de 50 pm.
La figure 2b illustre l'étape du procédé dans laquelle est réalisée la couche 42 comprenant les constituants qui conduiront à la formation de la couche photovoltaïque.
Cette couche 42 comporte une couche 420 de précurseurs métalliques, par exemple Cu, Ga et In, et une couche 421 , par exemple de sélénium.
Les précurseurs métalliques peuvent être déposés sur la couche 41 par des méthodes d'impression ou de pulvérisation cathodique.
Ces précurseurs peuvent être déposés sous forme élémentaire, c'est-à-dire sous la forme de Cu, Ga et In, selon des couches successives. Ils peuvent également être déposés simultanément sous forme d'alliages, par exemple CuGa, Culn ou InGa.
De façon préférée et avec ces mêmes exemples de constituants, les précurseurs métalliques sont déposés sous la forme d'au moins deux couches, avec une première couche composée de l'alliage CuGa et une seconde couche composée d'Indium.
Dans ce cas, l'homogénéité de la couche de précurseurs métalliques pourra être améliorée en procédant à un dépôt alternatif de couches fines de CuGa et d'Indium. Ces couches peuvent notamment présenter une épaisseur d'environ 50 nm, le dépôt de couches successives étant effectué jusqu'à obtenir l'épaisseur souhaitée pour la couche 420.
Cette épaisseur est généralement comprise entre 300 nm et 1 pm et elle est, de préférence, égale à 750 nm.
Toujours dans l'exemple considéré, les précurseurs métalliques sont, de préférence, déposés de façon à ce que les ratios suivants soient respectés :
0.75≤Cu/(ln+Ga)<0.95; 0.55<ln/(ln+Ga)<0.85 et 0.15<Ga/(ln+Ga)<0.45. Ces ratios sont classiquement choisis pour conserver les propriétés électriques et optiques souhaitées pour ce type de semiconducteur.
La couche 421 de sélénium est ensuite déposée, par exemple par évaporation sous vide, sur la couche 420.
Comme l'illustre la figure 2b, cette couche 421 n'est pas continue. Au contraire, elle présente une discontinuité 422. En d'autres termes, la couche 420 de précurseurs métalliques est dépourvue de sélénium dans une zone 423 laissée libre.
Pour éviter les courts-circuits, la distance entre la discontinuité 422 et la gravure 410 sera avantageusement comprise entre 50 et 150 μιη et, de préférence, de l'ordre de 100 μιη.
Cette discontinuité dans la couche 421 peut être obtenue par des procédés différents.
Tout d'abord, le dépôt de sélénium peut être effectué de façon localisée, en réalisant une évaporation sous vide au travers d'un masque.
Ce masque peut, par exemple, présenter les caractéristiques suivantes : être réalisé en nickel électro-déposé et comporter une ou plusieurs fentes (le nombre de fentes dépendant du nombre de cellules photovoltaïques prévues dans le module à réaliser), chaque fente présentant une largeur comprise entre 50 et 150 μηι et, de préférence, égale à sensiblement 100 μηι.
La couche 421 peut également être déposée par des méthodes d'impression (sérigraphie ou jet d'encre par exemple), en utilisant notamment une encre à base de nanoparticules de sélénium, dispersées dans un solvant organique. Ce procédé présente l'avantage d'être moins onéreux car les méthodes d'impression peuvent être mises en oeuvre à la pression atmosphérique.
Par ailleurs, l'épaisseur de la couche 421 dépend de l'épaisseur de la couche 420 de précurseurs métalliques.
A titre d'exemple, pour une couche 420 dont l'épaisseur est comprise entre 500 nm et 1 μιη, la couche 421 de sélénium présentera une épaisseur comprise entre 1 et 2 μιη. Par ailleurs, pour une couche 420 présentant une épaisseur de 775 nm, la couche 421 de sélénium présentera une épaisseur de 1 ,5 pm. En effet, il est nécessaire de respecter une sur- stcechiométrie en Se d'environ 40% sachant que la stcechiométrie théorique du Cu(ln,Ga)Se2 est telle que Se/Cu=2. Il en est de même lorsque les précurseurs métalliques choisis conduisent à la formation de CZTS.
La figure 2c illustre une autre étape du procédé dans laquelle la couche de constituants 42 est convertie en une couche de matériau semiconducteur 43.
La conversion s'effectue classiquement par un recuit à haute température réalisée sous atmosphère neutre, d'azote ou d'argon par exemple.
Ce recuit peut être réalisé à une température comprise entre 400 et 600°C et, de préférence, à une température d'environ 550°C.
La durée du recuit est généralement comprise entre 30 s et 5 min et elle est, de préférence, d'une durée d'environ 1 min.
Une fois le recuit effectué, les précurseurs métalliques et le sélénium réagissent pour former une couche de semi-conducteur 43 de CIGS qui est localisée.
En effet, dans la zone 423, les précurseurs métalliques n'étaient pas en contact avec le sélénium et ils vont donc rester sous forme métallique.
La zone de la couche 43 dans laquelle les précurseurs restent sous forme métallique est identifiée par la référence 430 sur la figure 2c.
Dans cette zone 430 et en fonction de la température de recuit, les précurseurs métalliques seront sous la forme d'alliage de InGa, d'alliage de CuGa, d'alliage de Cuin, d'Indium élémentaire, de Ga élémentaire ou de Cu élémentaire, ou encore d'un mélange d'une partie ou de l'ensemble de ces éléments.
Il convient de noter que, pendant le recuit, une partie du sélénium diffuse également à proximité de la discontinuité 422 et réagit donc avec les précurseurs métalliques présents dans la couche 420, au niveau de la zone 423. Par conséquent, la largeur de la zone 430 est inférieure à la largeur de l'ouverture 422. A titre d'exemple, dans des conditions de recuit telles que la rampe de montée en température est de 10°C/s avec un maximum à 550°C pendant 1 min et à une pression d'argon de 900 mbar, et avec une épaisseur de la couche 421 de sélénium de 1 ,5 μιη, la largeur de la zone 430 sera de l'ordre de 85 pm pour une ouverture 422 d'une largeur de 100 pm.
De façon générale, on constate que plus l'épaisseur de la couche de sélénium est importante, plus la largeur de la zone 430 métallique est faible.
De même, plus la durée du recuit est importante, plus la largeur de la zone 430 est faible.
Cette zone 430 métallique va permettre d'assurer la connexion électrique entre l'électrode de face avant d'une cellule du module photo voltaïque avec l'électrode de face arrière de la cellule adjacente, sans qu'il soit nécessaire de réaliser une étape de gravure dans la couche photovoltaïque, gravure correspondant à l'étape P2 selon l'état de la technique.
De façon générale, la largeur de la zone 430 sera comprise entre 50 et 150 pm, tandis que la largeur de la discontinuité 422 sera comprise entre 60 et 160 pm.
Les figures 2d et 2e décrivent les autres étapes du procédé selon l'invention, lesquelles sont similaires à celles décrites en référence aux figures 1c, 1e et 1f.
Ainsi, en référence à la figure 2d, une couche 44 de semiconducteur de type n est déposée sur la couche 46, afin de former la jonction pn. Comme indiqué au regard de la figure 1c, le matériau utilisé peut être du CdS, ZnS ou ZnOS, notamment déposé par bain chimique.
La figure 2d illustre une autre étape du procédé qui consiste à déposer une couche d'un oxyde transparent et conducteur 45, sur la couche 44.
On peut noter qu'une couche intermédiaire en ZnO peut être déposée entre les couches 44 et 45. Cette couche intermédiaire est facultative. Sa fonction a été décrite plus haut en référence à la figure 1 e. Cette couche 45 peut être constituée de ZnO dopé Al, cette couche étant déposée par pulvérisation cathodique.
L'épaisseur de la couche 45 est comprise entre 100 et 800 nm et, de préférence, égale à environ 500 nm.
Enfin, la figure 2e illustre une dernière étape du procédé, dans laquelle une autre gravure est réalisée dans l'empilement de couches.
Cette étape de gravure correspond à l'étape P3.
L'ouverture 431 obtenue permet de définir deux cellules adjacentes 5 et 6 et de les isoler électriquement, au niveau de leurs électrodes de face avant 45a et 45b.
De façon générale, les indications données pour la mise en œuvre des étapes illustrées aux figures 1c, 1e et 1f valent également pour les étapes illustrées au regard des figures 2d et 2e.
La figure 2e illustre également le chemin des charges entre deux cellules adjacentes 5 et 6.
Ainsi, l'électrode de face avant 45a de la première cellule 5 permet de collecter, en face avant, les charges électriques générées dans cette cellule 5 et de les acheminer vers l'électrode de face arrière 41 b de la cellule adjacente 6, au travers de la zone métallique 430 de la couche 43.
A ce propos, il convient de noter que l'épaisseur de la couche 44 est suffisamment faible pour permettre le passage des charges électriques depuis l'électrode 45a vers la zone 430.
De façon générale, l'épaisseur de la couche 44 est inférieure à 100 nm et elle est, de préférence, de l'ordre de 10 nm.
Ainsi, le procédé qui vient d'être décrit présente l'avantage d'éliminer l'une des étapes de gravure classiquement prévue dans les procédés d'interconnexion monolithique, en l'occurrence l'étape P2, et donc de s'affranchir des inconvénients liés à cette étape de gravure.
A titre de variante, la couche 421 de sélénium peut être remplacée par une couche de soufre ou d'un mélange de soufre et de sélénium.
Le soufre peut être déposé sur la couche 420 par les mêmes procédés de dépôt que ceux évoqués pour le sélénium. Cependant, pour déposer un mélange de soufre et de sélénium, on pourra utiliser une méthode d'impression telle que le jet d'encre, à partir d'une encre à base de soufre et de sélénium.
Le dépôt de soufre et de sélénium peut également s'effectuer sous vide en alternant la ou les couches de sélénium et la ou les couches de soufre pour obtenir une répartition selon un bicouche S/Se ou un multicouche S/Se, en alternant le soufre et le sélénium. La formation d'un multicouche permet d'améliorer la répartition des deux composants. Ainsi, le recuit conduira alors à la formation de Cu(ln, Ga)(S, Se)2.
Les constituants métalliques formant la couche 420 peuvent également être du type Cu, Zn et Sn.
Les précurseurs métalliques sont, de préférence, déposés de façon à ce que les ratios suivants soient respectés :
0.75<Cu/(Zn+Sn) <0.95 et 1.05≤Zn/Sn≤1.35.
Le procédé selon l'invention conduit alors à l'obtention de cellules solaires dont la couche photovoltaïque est en matériau du type CZTS et, en particulier, Cu2ZnSnSe4, Cu2ZnSnS ou Cu2ZnSn(S,Se)4, selon que la couche 421 comprenne du sélénium, du soufre ou un mélange des deux composants.
Le germanium peut également être intégré dans la maille du CZTS pour former un matériau du type Cu2Zn(Sn,Ge)(S,Se)4, lorsque la couche 421 comprend un mélange de sélénium et de soufre.
Les constituants métalliques formant la couche 420 peuvent également être du type Cu, Al et In.
Le procédé selon l'invention conduit alors à l'obtention de cellules solaires dont la couche photovoltaïque est en un matériau du type Cu(ln, AI)(S, Se)2.
Une autre variante de mise en œuvre du procédé est décrite en référence à la figure 3.
La figure 3 montre que la couche 44, notamment en ZnOS, n'est pas déposée de manière continue sur la couche photovoltaïque 43. Au contraire, la couche 44 comporte des discontinuités 440 au niveau des zones 430 de la couche photovoltaïque 43. Ce dépôt localisé peut, par exemple, être réalisé par jet d'encre. Il présente l'intérêt, par rapport au mode de réalisation illustré à la figure 2e, d'éviter l'ajout d'une résistance qui proviendrait de la présence de la couche 44 entre l'électrode 45a et la zone 430.
Les signes de référence insérés après les caractéristiques techniques figurant dans les revendications ont pour seul but de faciliter la compréhension de ces dernières et ne sauraient en limiter la portée.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de réalisation d'un module photovoltaïque comportant une pluralité de cellules solaires dans une structure en couches minces, dans lequel sont réalisées successivement dans la structure, une électrode en face arrière (41 ), une couche photovoltaïque (43) obtenue par dépôt de constituants comprenant des précurseurs métalliques et au moins un élément pris parmi Se et S et par recuit pour convertir ces constituants en matériau semi-conducteur, et une autre couche (44) de semi-conducteur pour créer une jonction pn avec la couche photovoltaïque (43), caractérisé en ce que les précurseurs métalliques forment, sur l'électrode en face arrière (41), une couche continue (420), alors que ledit au moins un élément forme une couche (421 ) présentant au moins une discontinuité (422) permettant, à l'issue du recuit, de laisser une zone (430) de la couche (420) de précurseurs métalliques à l'état métallique au niveau de ladite discontinuité.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la couche (421 ) dudit au moins un élément est déposée de façon localisée.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les précurseurs métalliques sont du type Cu, Ga et In ou Cu, Zn et Sn.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce le recuit est réalisé à une température comprise entre 400 et 600°C et, de préférence, de l'ordre de 550°C.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'autre couche (44) de semi-conducteur présente une discontinuité (440) au niveau de ladite zone (430).
6. Module photovoltaïque comportant une pluralité de cellules solaires connectées en série sur un substrat commun (4), chaque cellule comportant une électrode en face avant, transparente à la lumière, et une électrode en face arrière (41 ), espacée de l'électrode en face avant (45), par une couche photovoltaïque (43) et une autre couche (44) de semiconducteur, pour créer une jonction pn avec la couche photovoltaïque, caractérisé en ce que l'électrode de face avant (45a) d'une cellule (5) est connectée électriquement à l'électrode de face arrière (41 b) de la cellule adjacente (6), par l'intermédiaire d'une zone (430) qui est constituée de précurseurs métalliques.
7. Module selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il présente, entre deux cellules adjacentes (5, 6), une seule ouverture (431 ) débouchant sur le substrat (4).
8. Module selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que l'autre couche (44) de semi-conducteur présente une discontinuité (440) au niveau de la zone (430) à l'état métallique.
9. Module selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que la couche photovoltaïque (43) est réalisée en CIGS ou CZTS.
EP13704491.3A 2012-01-11 2013-01-09 Procede pour realiser un module photovoltaïque avec deux etapes de gravure p1 et p3 et module photovoltaïque correspondant Withdrawn EP2803088A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1250291A FR2985607B1 (fr) 2012-01-11 2012-01-11 Procede pour realiser un module photovoltaique avec deux etapes de gravure p1 et p3 et module photovoltaique correspondant.
PCT/IB2013/050167 WO2013105024A1 (fr) 2012-01-11 2013-01-09 Procede pour realiser un module photovoltaïque avec deux etapes de gravure p1 et p3 et module photovoltaïque correspondant

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP2803088A1 true EP2803088A1 (fr) 2014-11-19

Family

ID=47716130

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP13704491.3A Withdrawn EP2803088A1 (fr) 2012-01-11 2013-01-09 Procede pour realiser un module photovoltaïque avec deux etapes de gravure p1 et p3 et module photovoltaïque correspondant

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9583660B2 (fr)
EP (1) EP2803088A1 (fr)
CN (1) CN104160508B (fr)
FR (1) FR2985607B1 (fr)
WO (1) WO2013105024A1 (fr)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3026228A1 (fr) * 2014-09-19 2016-03-25 Commissariat Energie Atomique Dispositif semi-photovoltaique semi-transparent a cellules en serie par interconnexion monolithique
KR102276847B1 (ko) * 2014-09-23 2021-07-14 삼성전자주식회사 가상 오브젝트 제공 방법 및 그 전자 장치
US11329177B2 (en) 2018-11-08 2022-05-10 Swift Solar Inc Stable perovskite module interconnects
US11631777B2 (en) * 2019-03-11 2023-04-18 Swift Solar Inc. Integration of bypass diodes within thin film photovoltaic module interconnects

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100000589A1 (en) * 2008-07-03 2010-01-07 Amelio Solar, Inc. Photovoltaic devices having conductive paths formed through the active photo absorber

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4502225A (en) 1983-05-06 1985-03-05 Rca Corporation Mechanical scriber for semiconductor devices
JP3386127B2 (ja) * 1992-09-22 2003-03-17 シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト 基板上に黄銅鉱半導体を迅速に作成する方法
US20080105303A1 (en) * 2003-01-03 2008-05-08 Bp Corporation North America Inc. Method and Manufacturing Thin Film Photovoltaic Modules
JP4064340B2 (ja) * 2003-12-25 2008-03-19 昭和シェル石油株式会社 集積型薄膜太陽電池の製造方法
DE102007032283A1 (de) * 2007-07-11 2009-01-15 Stein, Wilhelm, Dr. Dünnschichtsolarzellen-Modul und Verfahren zu dessen Herstellung
US20090145472A1 (en) * 2007-12-10 2009-06-11 Terra Solar Global, Inc. Photovoltaic devices having conductive paths formed through the active photo absorber
JP2010282998A (ja) * 2009-06-02 2010-12-16 Seiko Epson Corp 太陽電池、太陽電池の製造方法
US20110155219A1 (en) * 2009-12-29 2011-06-30 Du Pont Apollo Limited Thin film solar cell and method for fabricating the same
JP2011171605A (ja) * 2010-02-19 2011-09-01 Sumitomo Metal Mining Co Ltd カルコパイライト膜の製造方法
FR2985606B1 (fr) * 2012-01-11 2014-03-14 Commissariat Energie Atomique Procede pour realiser un module photovoltaique avec deux etapes de gravure p2 et p3 et module photovoltaique correspondant.

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100000589A1 (en) * 2008-07-03 2010-01-07 Amelio Solar, Inc. Photovoltaic devices having conductive paths formed through the active photo absorber

Also Published As

Publication number Publication date
US20150007866A1 (en) 2015-01-08
CN104160508B (zh) 2017-05-03
FR2985607A1 (fr) 2013-07-12
CN104160508A (zh) 2014-11-19
FR2985607B1 (fr) 2018-01-26
WO2013105024A1 (fr) 2013-07-18
US9583660B2 (en) 2017-02-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2013105031A2 (fr) Procede pour realiser un module photovoltaïque avec deux etapes de gravure p2 et p3 et module photovoltaïque correspondant
EP2172981B1 (fr) Cellule photovoltaïque à hétérojonction à deux dopages et procédé de fabrication
EP2777075B1 (fr) Substrat conducteur pour cellule photovoltaïque
EP2577737B1 (fr) Composant photovoltaïque pour application sous flux solaire concentré
WO2013105024A1 (fr) Procede pour realiser un module photovoltaïque avec deux etapes de gravure p1 et p3 et module photovoltaïque correspondant
FR2945670A1 (fr) Dispositif photovoltaique et procede de fabrication
WO2013150423A1 (fr) Procédé pour réaliser un module photovoltaïque avec une étape de gravure p3 et une éventuelle étape p1.
WO2013150440A1 (fr) Procede pour realiser un module photovoltaïque avec une etape de gravure p3 et une eventuelle etape p2
EP3776665B1 (fr) Optimisation du contact électrique métal/métal dans un dispositif photovoltaïque semi-transparent en couches minces
EP3005425B1 (fr) Procédé de réalisation de la jonction p-n d&#39;une cellule photovoltaïque en couches minces et procédé d&#39;obtention correspondant d&#39;une cellule photovoltaïque
EP3069386B1 (fr) Substrat de contact arrière pour cellule photovoltaïque
FR3031240A3 (fr) Substrat conducteur pour cellule photovoltaique
EP4177967A1 (fr) Cellule photovoltaïque munie d au moins une couche d`oxyde transparent conducteur perfectionnee
FR3018392A1 (fr) Module solaire photovoltaique semi-transparent en couches minces et son procede de fabrication
FR2910712A1 (fr) Heterojonction a interface dopee
WO2015015367A1 (fr) Procédé de réalisation d&#39;une jonction pn dans une cellule photovoltaïque à base de czts et cellule photovoltaïque en configuration superstrat et à base de czts
WO2016075236A1 (fr) Procédé de fabrication d&#39;une cellule photovoltaique

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20140730

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAX Request for extension of the european patent (deleted)
17Q First examination report despatched

Effective date: 20190607

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20191018