EP3369117A1 - Procédé de fabrication d'un substrat composite - Google Patents

Procédé de fabrication d'un substrat composite

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Publication number
EP3369117A1
EP3369117A1 EP16806229.7A EP16806229A EP3369117A1 EP 3369117 A1 EP3369117 A1 EP 3369117A1 EP 16806229 A EP16806229 A EP 16806229A EP 3369117 A1 EP3369117 A1 EP 3369117A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
assembly
bricks
layers
layer
electrical insulation
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Withdrawn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
EP16806229.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Nicolas Coudurier
Wilfried FAVRE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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 CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP3369117A1 publication Critical patent/EP3369117A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • H01L31/047—PV cell arrays including PV cells having multiple vertical junctions or multiple V-groove junctions formed in a semiconductor substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/185—Joining of semiconductor bodies for junction formation
    • 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
    • H01L31/0475—PV cell arrays made by cells in a planar, e.g. repetitive, configuration on a single semiconductor substrate; PV cell microarrays
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the present invention relates to the field of composite substrates, in particular for the manufacture of photovoltaic cells and modules for solar panels, as well as for the manufacture of LED arrays.
  • the invention particularly relates to a method of manufacturing a composite substrate and said composite substrate obtained by this method.
  • the cells are interconnected in series by welding or gluing metal strips arranged alternately above and below successive cells. Mechanical stresses are thus generated on the edges of the latter and promote damage or even breakage of the cells.
  • this interconnection involves respecting a minimum distance between two successive cells so that the ribbon can be correctly placed from the front of one cell to the back of the next. This results in active surface losses and thus power losses.
  • the second disadvantage mentioned above takes even more weight because it is necessary to connect a larger number of cells for the same surface so that the risk of breakage increases.
  • the spacing between the larger cells in total covers a larger area in the final module compared to a conventional module.
  • the present invention thus aims to overcome at least these two disadvantages.
  • the invention proposes a method for manufacturing a composite substrate intended for applications in the photovoltaic or optoelectronic field, the method comprising the following steps: a) providing bricks for assembly to form at least one assembly, bricks having joining surfaces,
  • this process leads in few steps to obtaining a composite substrate suitable for the manufacture of series-connected electronic components, the composite substrate being constituted by the result of the cutting of a plurality of bricks (commonly called Slab in the English terminology), assembled by an electrical conduction layer so as to form at least one assembly, the bricks being electrically isolated from each other by two layers of electrical insulation between which the conduction layer is disposed.
  • a composite substrate suitable for the manufacture of series-connected electronic components
  • the composite substrate being constituted by the result of the cutting of a plurality of bricks (commonly called Slab in the English terminology), assembled by an electrical conduction layer so as to form at least one assembly, the bricks being electrically isolated from each other by two layers of electrical insulation between which the conduction layer is disposed.
  • step e After cutting according to step e), the bricks form cobblestones assembled through the electric conduction layer and the cut brick assembly becomes a pavement, formed of assembled blocks.
  • the assembly plan of the bricks is a plane parallel to the planes defined by the assembly surfaces of said bricks.
  • the composite substrate can thus be used as a precursor in the manufacture of cells and assemblies of photovoltaic cells, capable of delivering high voltage from the serial connection of the blocks via the layer electrical conduction.
  • Part of the interconnection is advantageously obtained by the method of manufacturing the composite substrate itself, using the conduction layer which also plays the role of an assembly layer between the blocks for forming the PV cells.
  • the conventional welding step between the cells is avoided so that the risks of breakage and cell damage are reduced.
  • the lost space for the connection between the cells is limited only by the thickness of the electrical conduction layer and the insulation layers and not by the space required to deposit a conductive ribbon between neighboring cells.
  • this method allows the manufacture of photovoltaic modules (PV) of the desired size by varying the number of blocks or cells put in series and their size (standard 156x156mm 2 or other).
  • the bricks, from which the cells are derived are obtained by cutting, to the desired dimensions, blocks or ingots available commercially.
  • a tiling, of the desired PV module size is obtained.
  • step a) comprises providing bricks made of generally p-doped and / or doped type n-type semiconductor material, the semiconductor material being selected from GaN-based alloys and elements or alloys of elements of column IV, and preferably the semiconductor material is silicon and generally crystalline silicon.
  • the composite substrate is thus formed of materials that are particularly suitable for applications in the photovoltaic field, microelectronics and optoelectronics.
  • the bricks are for example obtained by cutting ingots or from blocks of material, commonly called 'bulk'.
  • the cutting is performed so as to obtain a sufficient thickness of bricks to obtain the optimum yields according to the intended applications. It is generally between 100 and 800 micrometers.
  • the electrical insulating layers are formed in step b) from silicon oxide, such as SiO or Si0 2, or from a Ti0 2 oxide powder, Al 2 0 3 , ZnO, SiO 2, a mixture of these oxide powders, or a mixture of these oxide powders with at least one organic and / or inorganic binder.
  • the layers of electrical insulation between two bricks may be of different natures, especially if it is necessary to passivate surface conditions of one of the bricks.
  • the formation of the SiO 2 silicon oxide electrical insulation layer is conventionally deposited by PECVD (acronym for Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) over a thickness that makes it possible to provide electrical insulation for the conduction layer, once the composite substrate formed.
  • PECVD plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition
  • the thickness is thus from a few tens of nanometers to a few micrometers and preferably the thickness is in a range from 10 nm to 5 micrometers.
  • the SiOx electrical insulation layer is obtained by thermal oxidation of the silicon brick by annealing in an oven to a thickness of a few microns and preferably a thickness in the range of 10 nm to 500 nm.
  • a sintering step is necessary in order to melt the envelope external beads (forming the powder) and ensure the bonding and cohesion of the balls together.
  • This sintering step typically comprises an annealing of 30 to 300 minutes carried out over a temperature range from 700 to 1200 ° C, associated with the application of a pressure exerted in a direction perpendicular to the assembly plane.
  • the use of an organic and / or inorganic binder mixed with these powders advantageously makes it possible to reduce the annealing temperature of the sintering step and a very good mechanical adhesion between the silicon bricks.
  • the final thickness of an electrical insulation layer formed by this method varies between about 20 nm and 200 micrometers.
  • the thickness of the electrical insulation layers varies according to the materials used so as always to have the insulation properties necessary to isolate the two bricks together and isolate them from the conduction layer.
  • Stage d) of the process advantageously makes it possible to anneal the oxide powders mixed or not with binders.
  • the sintering step is obtained.
  • step c) of the method according to the invention comprises:
  • step b) forming a silicon layer directly on the silicon oxide electrical insulation layers formed in step b) and covering the assembly surfaces of the bricks
  • metal layer directly on each of the silicon layers the metal being chosen in particular to form a eutectic with silicon, such as aluminum, silver, gold, platinum, barium, copper or an alloy of these metals, and
  • the advantage of using a metal and especially a low-melting point metal, such as aluminum, to form the electrical conduction layer is that the heat treatment applied in step d) allows to liquefy at least partly the metal layers in contact so as to homogenize the electric conduction layer and to ensure a good bond between the bricks. Furthermore, the heat treatment guarantees the diffusion of the adjacent silicon in the liquid aluminum phase, which, after cooling, allows the formation of an Al-Si alloy whose composition is close to that of the eutectic when the heat treatment applied reaches 650 ° C. In addition, the electrical insulation layers deposited upstream on the silicon bricks form an effective barrier to the diffusion of the metal to the bricks so that the electrical insulation between the bricks is well maintained.
  • electrical insulation layers act as barrier layers for the diffusion of impurities from the metal to the bricks, which could have adverse effects on the performance of the cells.
  • the material of the electrical insulation layers may be of any of the aforementioned types, namely a deposited silicon oxide, thermal, in the form of powder and oxide powders.
  • the metal layer is advantageously formed by sputtering or by evaporation or by full plate screen printing of a conductive paste whose conductive element forms a eutectic with silicon.
  • the nature of the metal of said metal layers is chosen so that the bonding resulting from the contacting and the annealing is resistant to the temperatures applied in the rest of the process, in particular in the case of the manufacture of homojunction or heterojunction photovoltaic cells. .
  • the nature of the metal present in the metal layer is also chosen so that the metal layer has an electrical resistivity of less than or equal to 10 -4 ohm cm.
  • the heat treatment of step d) is carried out at a temperature between the eutectic formation temperature between the silicon and said metal and 900 ° C.
  • step c) comprises the disposition of at least one metal element, such as an Al, Ar, Au, Zn, Cu, Pt or Ba insert, so as to form the electrical conduction between the layers of electrical insulation.
  • at least one metal element such as an Al, Ar, Au, Zn, Cu, Pt or Ba insert
  • the metallic element can take a multitude of forms, such as a perforated metal plate, in which at least one through hole has been formed, a plurality of wires or metal blades, patterns formed by screen printing through a mechanical mask, insofar as regions of the electrical insulation layer on which the metal element is disposed are not covered. The contacting of these regions with the second layer of electrical insulation makes it possible to assemble the bricks in step c) of the process.
  • discontinuous electrical conduction layer must still provide continuity in at least one direction so that current can be collected.
  • the electrical conduction layer is continuous or discontinuous depending on the embodiments considered and for the needs of future applications.
  • the arrangement of at least one metal element is chosen especially in the case where the electrical insulation layers are formed by at least one oxide powder which will be sintered, so as to obtain good electrical conduction.
  • the use of the metallic elements can be combined with layers of electrical insulation formed by thermal Si0 2 or Si0 2 deposited. This configuration makes it possible to combine the advantages of good electrical conduction and good mechanical adhesion of the electrical insulating material.
  • step c) of forming the electrical conduction layer comprises a screen-printing deposit of a layer of conductive paste on at least one of the electrical insulation layers formed in step b).
  • the screen printed conductive paste layer has a thickness of between 20 and 500 microns and preferably about 100 microns.
  • This layer is deposited in the form of patterns, especially if the conducting element of the conductive paste does not form eutectic with silicon.
  • the conductive paste consists, for example, of a fairly viscous mixture of a matrix, such as glass frit, and metal billets, such as aluminum billets.
  • step d) is carried out at a temperature ranging from 300 to 900 ° C and preferably about 500 ° C so as to anneal or activate the screen-printed conductive paste, which increases the conductive character of the conductive paste and increases the bonding efficiency between the layers of electrical insulation forming the assembly between the bricks.
  • step d) of applying a heat treatment is generally involved in reinforcing the bonding energy between the bricks.
  • This bonding is particularly adapted to withstand the temperatures applied for the manufacture of electronic components, such as homojunction or heterojunction cells.
  • the method comprises, after step e), a step f) for forming protection elements of the exposed surfaces of the electrical conduction layer and of the electrical insulation layers of the composite substrate.
  • These protective elements of insulating material are indeed intended to limit the risk of short circuit between two neighboring bricks assembled.
  • the exposed surfaces on which the protective elements are formed may be considered as exposed wafers of said layers of the composite substrate from the cut-out of the assembly.
  • protection elements also serve to protect the layers of insulation and electrical conduction during the chemical treatments performed in the following process for the manufacture of microelectronic components.
  • These protection elements are formed from insulating materials such as silicon oxide, Al 2 O 3 alumina, AlN, SiN, resin, etc.
  • These protective elements are mainly obtained by deposition by PECVD, ALD (Atomic Layer Deposition), by printing a screen-printing resin, such as an epoxy-based polymer, or by spraying through the openings of a mechanical mask.
  • the resin is mainly used in the case where it is intended to remove the protective elements later, or if the subsequent heat treatments are performed at low temperatures.
  • These protection elements have a width of about several tens of micrometers and a thickness of between 1 nm and 10 microns and on average a thickness of a few hundred nanometers according to the deposition technique used. These protection elements make it possible to insulate the insulation layers and the electrical conduction layers of the assembly interface between the blocks and to protect these layers against the attacks of acidic and basic reagents used during the manufacture of the components. such as photovoltaic cells.
  • the method comprises, after step f), a step h) of screen printing of metal contacts configured to ensure the conduction of an electric current, via the electric conduction layer, between two bricks assembled and then cut to size. step e), said cut bricks forming two bonded blocks.
  • a step g) is carried out between step f) and step h) comprising removing a portion of the protection elements so as to discover the surface of the underlying electrical conduction layer.
  • the metal contacts are then easily formed on the exposed surface of the electrical conduction layer.
  • step g) The removal of a portion of the protection elements according to step g) is advantageously carried out by laser ablation.
  • the nature of the dough deposited by screen printing and the deposition temperature used are configured for a targeted consumption of a portion of the protection elements, so that the contacts are formed without requiring a separate step of removing the portions of the protective elements.
  • the method may comprise, before step h), the formation of a layer of n-doped semiconductor material and a layer of p-doped semiconductor material. respectively on both sides of the composite substrate and an antireflection layer on the face intended to receive the light radiation.
  • the process comprises, before step d) a step i) of bonding at least two assemblies.
  • the composite substrate is formed from least two bonded assemblies, suitable for forming modules for photovoltaic applications.
  • step d) The heat treatment of step d) is then useful for reinforcing the bonding energy of the assembly of the bricks and also the bonding of the assemblies together.
  • step i) comprises:
  • step k for forming layers of electrical insulation, so as to cover the assembly faces
  • the electrical insulation layers covering the assembly faces intersect with the electrical conduction layers assembling two neighboring bricks.
  • the electrical conduction layers between two assemblies are isolated from the electrical conduction layers between the bricks by the presence of the electrical insulation layers connecting two assemblies.
  • the present invention proposes a composite substrate, intended for applications in the photovoltaic field, comprising:
  • pavers each comprising joining surfaces, the blocks being assembled via the joining surfaces so as to form at least one paving
  • the electric conduction layer between the electrical insulation layers of the assembled blocks, the electric conduction layer having an electrical resistivity of less than or equal to 10 -4 ohm cm and being electrically insulated by the insulation layers.
  • the at least one paving is the result of the cutting of an assembly of assembled bricks, in a plane perpendicular to the brick assembly plane, each brick becoming a paving unit after having been cut out, in other words a pavement.
  • the blocks are in p-type doped silicon and / or doped n-type.
  • the paving can consist of successive blocks of p-type or n-type silicon, or alternating n-type and p-type blocks.
  • the electrical insulation layers are made of silicon oxide and the electrical conduction layers comprise aluminum. A very good vertical electrical conduction is thus obtained between the blocks.
  • the composite substrate comprises at least two pavements bonded laterally to one another by means of an electrical conduction layer, electrically insulated between two layers of electrical insulation covering the bonded lateral sides of the at least two tilings.
  • the electric conduction layer serves two functions, that of ensuring the assembly / bonding between the paving stones and the tilings respectively, resistant to temperature, and that of ensuring electrical interconnection between the pavers and between the tessellations.
  • the nature of the materials and the thicknesses of the electrical insulation layers are chosen according to the material of the blocks, the nature of the conduction layer and the temperatures that will be applied thereafter, so as to form a barrier to the diffusion of the elements constituting the conduction layer to the cobblestones. Thus, the properties of these are not altered.
  • the composite substrate comprises metal contacts configured to ensure the conduction of the electric current between the blocks and between the at least two tilings bonded via the electric conduction layers.
  • Each of the blocks can thus be used as an active element in an electronic component, such as a photovoltaic cell.
  • these pavings are judiciously used to form LED arrays.
  • the invention relates to a photovoltaic module comprising at least one composite substrate as previously described.
  • FIG. 16 and 17 schematically illustrate a top view of two examples of a photovoltaic cell.
  • Figure 1 illustrates a front view of two bricks 1 (or slab) of silicon having a thickness of 78 mm and side dimensions of 156 mm x 156 mm, provided according to step a) of the method.
  • These silicon bricks 1 are initially obtained by prior steps of cutting silicon ingots (conventionally generated), doped p-type with a boron doping rate of 10 15 atoms. cm "3. Once the ingot cut to the desired dimensions to form bricks 1 Gross, they are etched with a basic solution to remove the silicon regions work-hardened to the cutting step.
  • joining surfaces 2 of bricks 1 then have the flatness and roughness necessary for their subsequent assembly, for example a roughness of less than 10 ⁇ and preferably of 2 ⁇
  • the bricks 1 are then placed in an oxidation furnace thermal treatment for the application of a thermal treatment at 850 ° C. for a period of 30 minutes These conditions allow the formation of a layer of SiOx silicon oxide, a few nanometers thick, on the bricks 1, forming the electrical insulation layers 3 covering the joining surfaces 2.
  • the electrical insulating layers 3 may be formed of other insulating materials such as silicon oxide Si0 2 deposited, an oxide powder based on Ti0 2, AI 2 0 3, from ZnO, SiO 2 powder, a mixture of these oxide powders, or a mixture of these oxide powders with at least one organic binder and / or inorganic.
  • the presence of the binders makes it possible to lower the temperature necessary for sintering the powders.
  • a silicon layer 6 of a few micrometers thick is formed on each electrical insulation layer 3 by evaporation followed by a metal layer 7 of aluminum formed with the same technique to a similar thickness.
  • the metal of the metal layer 7 is chosen among aluminum, silver, gold, platinum, barium, copper or an alloy of these metals to achieve a eutectic with silicon.
  • step d) the joining surfaces 2 of the two bricks 1 are placed facing for a contacting according to step c) of the method and obtaining an assembly 5 of the two bricks 1 ( Figure 2).
  • the assembly 5 is then subjected to a heat treatment commonly called “bonding annealing” according to step d).
  • This treatment is carried out at 650 ° C. for 30 minutes in an oven under atmospheric pressure so as to liquefy the aluminum layer 7, to promote the diffusion of the silicon in the aluminum so as to obtain a layer of Al-Si alloy of the composition of the eutectic after cooling (eutectic: 12.6% weight of silicon at 577 ° C.).
  • the conditions of the heat treatment varies between the temperature of the silicon eutectic with the corresponding metal and 700 ° C.
  • an electric conduction layer 4 comprising an aluminum layer resulting from the assembly of the two aluminum layers 7 initially formed by evaporation.
  • the electrical conduction layer (4) has an electrical resistivity of less than or equal to 10 -4 ohm cm
  • This aluminum layer is framed on either side of a layer of an Al-Si alloy. all aluminum layers 7 and the layers of an Al-Si alloy as the electrically conductive layer 4 also framed by an electrically insulating layer 3 of SiO x.
  • This electrical insulator layer 3 is elsewhere configured to form a barrier to the diffusion of aluminum to the bricks 1 and to ensure good electrical insulation between the two bricks 1.
  • This electrical insulation layer 3 is also configured to electrically isolate the conduction layer 4 and the two bricks one to the other.
  • the necessary thickness of the electric insulating layer 3 is about 15 nm. in case of oxide powder, the thickness of the electrical insulation layer 3 after fri is between about 20 nm and 200 micrometers.
  • the assembly 5 of the two bricks 1 is then cut in a plane perpendicular to the assembly plane of the bricks 1, that is to say in a vertical plane with respect to FIGS. according to step e) of the method.
  • the cut illustrated in FIG. 3 by dashed lines, is carried out by any conventional method known to those skilled in the art such as cutting by band saw, wire with diamond inserts or using grains of SiC as abrasive, of thus form a paving 8, with a thickness chosen according to the desired cell and which may be between 100 to 800 microns, typically about 200 microns, formed by the assembly of two pavers 9 from the two cut bricks 1.
  • the composite substrate 100 thus formed of bricks 1 assembled and then cut is assimilated to a paving 8 consisting of two blocks 9 interconnected by means of an electrical conduction layer 4, insulated between two layers of electrical insulation 3.
  • the FIG. 5 illustrates a perspective view of the composite substrate 100 rotated at an angle of 90 ° with respect to the view of FIG. 4. According to this view, the assembly plane of the bricks 1 is a horizontal plane.
  • more than two bricks 1 can be assembled using the method mentioned above for obtaining a paving 8 consisting of 3, 4 or more blocks 9 assembled (FIGS. 16 and 17).
  • the present invention also proposes the bonding between several assemblies each comprising several bricks, followed by cutting to form a PV module (FIG. 17).
  • the method comprises providing three brick assemblies 1 formed in step c of the method, each of the three assemblies having assembly faces 11 (step j).
  • An electrical insulation layer 3 of the same type as that formed on the assembly surfaces 2 of the bricks 1 is formed on the assembly faces 11 according to step k.
  • an electric conduction layer 4 (step I) of the same type as previously described for the assembly 5 of the bricks 1 is formed between two layers of electrical insulation 3 so as to stick the three assemblies 5 in pairs. Thanks to this method, the electric conduction layers 3 between the three assemblies 5 are electrically isolated from the electrical conduction layers 4 connecting the bricks 1 of the same assembly 5.
  • the bonded assemblies 5 are cut according to step e) of the process so as to obtain the composite substrate 100 comprising the result of the cutting of three assemblies 5 bonded together in pairs comprising each three bricks 1 of silicon, ie a composite substrate 100 comprising three tilings 8 glued in pairs, each of the tessellations 8 comprising three assembled blocks 9 of silicon, as illustrated in FIG. 17.
  • FIGS. 6 to 9 illustrate steps of functionalization of the composite substrate 100, in particular for the manufacture of high voltage photovoltaic modules from a paving 8 comprising two assembled silicon blocks 9 measuring 78 mm wide and 156 mm thick. long, as shown in Figure 5.
  • Protection elements 12 of the exposed surfaces of the assembly interface between the two blocks 9 are formed on either side of the electrical conduction layer 4. These elements 12 are formed by CVD deposition of an electrical insulating material through the openings of a mechanical mask (step f, Figure 6). According to an alternative, the protective elements 12 are deposited by screen printing of a resin or an insulating paste.
  • An n-doped silicon layer is formed by doping the blocks about 500 nm deep from one of the paving surfaces 8 to receive the light, followed by a p-doped silicon layer 10 'formed on the opposite face then an antireflection layer 16 (ARC for Anti Reflective Coat) on the n-doped layer 10 and / or on the p-doped layer 10 '. Then, as illustrated in FIG. 7, a portion of each of the protection elements 12 is removed, for example by laser ablation, so as to discover the underlying electrical conduction layer 4 (step g). Metal contacts 13 (Al and Ag) are then screen-printed at the location of the removed portions, so as to ensure electrical conduction, schematically illustrated by the arrow in FIG. 9, between two blocks 9 via the coating layer. electrical conduction 4 (step h). Of course, other methods of forming conventional contacts and known to those skilled in the art can be used.
  • PV photovoltaic cell
  • the assembly between the bricks 1 and the bonding between the assemblies 5 are configured to withstand the heat treatments used in the manufacture of homo-junction PV cells (850 ° C.) as heterojunction (230 ° C.) thanks to the nature of the materials used. to form the electrical insulation layers 3 and the formation of the electrical conduction layer 4 of bonding and / or assembly, their deposition mode, and the heat treatment applied in step d).
  • the Tiling configuration 8 is adaptable depending on the number of cells desired for example 1x4 (illustrated in Figure 16), 2x2, 3x3 (illustrated in Figure 17), etc.
  • the number of cells formed in a single composite substrate 100 is not limited and may vary depending on the desired applications.
  • the open-circuit voltage is between 30 and 50V. If each of the conventional cells is replaced by a composite substrate 100 comprising 4 cells in series according to the present invention, for a similar PV panel surface, the open-circuit voltage obtained is between 120 and 200V. It is then possible to remove a high voltage conversion stage from the inverter and reduce system costs.
  • FIGS. 10 and 11 illustrate a second embodiment of the invention which differs from the previous one in that step c) is performed by depositing a layer of conductive paste 14 based on aluminum and a matrix of glass frit on an electrical insulation layer 3 of silicon oxide to form the electric conduction layer 4 having finally a thickness of about 100 microns.
  • the metal contained in the conductive paste 14 may be silver or copper.
  • the thickness of the electric conduction layer 4 can vary between 5 and 500 ⁇ and preferably between 10 and 100 micrometers.
  • step d serving to stiffen the conductive paste 14 ensuring the mechanical adhesion of the assembly 5, is applied for 200 minutes at a temperature of about 700 ° C.
  • the duration of the heat treatment may vary between 1 and 300 minutes and the temperature may be between 200 and 900 ° C.
  • FIGS. 12 to 15 illustrate a third embodiment which differs from the first embodiment by the formation of the electric conduction layer 4.
  • the conduction layer formation step c) is carried out by the insertion of several blades. 15 of aluminum (FIG. 12) between the electrical insulation layers 3. As represented in FIGS. 13 and 14, all of these blades 15 thus form a discontinuous conduction layer 4 in the paving 8, and passing vertically at the join between two pavers 9, (also visible on the Figure 15 which is a cross-sectional view of the paving 8 along the plane A of Figure 14, at the level of the electrical contacts 13). Electrical contacts 13, illustrated by a block diagram (FIGS. 14 and 15), are formed from these blades 15 for current conduction in subsequent applications.
  • the inserted metal element 15 can take any form (wire, perforated plate, etc.) insofar as it ultimately allows the electrical conduction and the putting into series of the PV cells.
  • the nature of the metal of the inserted element used may be chosen from Ar, Au, Zn, Cu, Pt or Ba or other insofar as this metal makes it possible to obtain good electrical conduction between the blocks 9 and the tilings 8, resistant to the thermal treatments used later in the manufacture of the desired electronic components.
  • the method of the present invention makes it possible to manufacture composite substrates 100 adapted to the formation of PV cells of desired size, delivering high voltage, a part of the interconnection being made in the manufacturing process of the composite substrate 100
  • This process makes it possible to produce mono or bifacial cells. Since the step of placing the cells in modules represents approximately 40% of the total cost of a PV installation (excluding cabling), this innovation guarantees a significant improvement in the cost / performance ratio of the cells while allowing high-voltage work to be performed directly exit.

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Abstract

Le procédé comprend les étapes suivantes: a)Fournir des briques (1) destinées à être assemblées pour former au moins un assemblage, les briques (1) comportant des surfaces d'assemblage, b)Former des couches d'isolation électrique (3) de sorte à recouvrir les surfaces d'assemblage des briques (1), c)Former une couche de conduction électrique (4) entre les couches d'isolation électrique (3) de sorte à assembler des briques (1) voisines selon un plan d'assemblage et à former au moins un assemblage (5),ladite couche de conduction électrique (4) présentant une résistivité électrique inférieure ou égale à 10-4 ohm.cm. d)Soumettre l'au moins un assemblage (5) à un traitement thermique, et e)Découper l'au moins un assemblage (5) selon un plan perpendiculaire au plan d'assemblage, l'au moins un assemblage (5) découpé formant un pavage de briques (1) découpées. L'invention concerne également un substrat composite obtenu par ledit procédé.

Description

Procédé de fabrication d'un substrat composite
La présente invention concerne le domaine des substrats composites notamment destinés à la fabrication de cellules et de modules photovoltaïques pour panneaux solaires, ainsi qu'à la fabrication de matrices de LED. L'invention concerne en particulier un procédé de fabrication d'un substrat composite et ledit substrat composite obtenu par ce procédé.
Les architectures actuelles des cellules et modules photovoltaïques réalisées à partir du silicium présentent deux inconvénients majeurs :
- La délivrance d'une tension continue (DC) de trop faible valeur (<60 V) pour être distribuée directement sur le réseau. Il est donc indispensable d'ajouter un onduleur complexe pour amplifier cette tension et convertir le courant en courant alternatif.
Les cellules sont interconnectées en série par soudure ou collage de rubans métalliques disposés alternativement au-dessus puis au-dessous de cellules successives. Des contraintes mécaniques sont ainsi générées sur les bords de ces dernières et favorisent l'endommagement, voire la casse des cellules. De plus, cette interconnexion implique de respecter une distance minimale entre deux cellules successives pour que le ruban puisse être correctement placé de l'avant d'une cellule à l'arrière de la suivante. Il s'ensuit des pertes en surface active et donc des pertes de puissance.
Une alternative proposée aujourd'hui à ces modules photovoltaïques standards est la réalisation de modules photovoltaïques à haute tension (HT). Dans ce cas, une partie du premier inconvénient précité est adressé tout en réduisant les pertes résistives. L'intensité du courant généré est diminuée du fait que les cellules d'un module à haute tension présentent une surface plus petite que pour les modules classiques, elles sont donc plus nombreuses.
Toutefois le second inconvénient précité prend encore plus de poids car il est nécessaire de connecter un plus grand nombre de cellules pour une même surface de sorte que le risque de casse augmente. Par ailleurs, l'espacement entre les cellules plus nombreuses couvre au total une plus grande surface dans le module final par rapport à un module classique.
La présente invention vise ainsi à pallier au moins ces deux inconvénients. A cet effet, l'invention propose un procédé de fabrication d'un substrat composite destiné à des applications dans le domaine photovoltaïque ou optoélectronique, le procédé comprenant les étapes suivantes : a) Fournir des briques destinées à être assemblées pour former au moins un assemblage, les briques comportant des surfaces d'assemblage,
b) Former des couches d'isolation électrique de sorte à recouvrir les surfaces d'assemblage des briques,
c) Former une couche de conduction électrique entre les couches d'isolation électrique recouvrant des surfaces d'assemblage de sorte à assembler des briques voisines, selon un plan d'assemblage, et à former au moins un assemblage, ladite couche de conduction électrique présentant une résistivité électrique inférieure ou égale à 10"4 ohm. cm,
d) Soumettre l'au moins un assemblage à un traitement thermique, et
e) Découper l'au moins un assemblage selon un plan perpendiculaire au plan d'assemblage, l'au moins un assemblage découpé formant un pavage de briques découpées.
Ainsi, ce procédé conduit en peu d'étapes à l'obtention d'un substrat composite adapté à la fabrication de composants électroniques reliés en série, le substrat composite étant constitué par le résultat de la découpe d'une pluralité de briques (communément appelées « slab » dans la terminologie anglo-saxonne), assemblées par une couche de conduction électrique de sorte à former au moins un assemblage, les briques étant électriquement isolées les unes des autres par deux couches d'isolation électrique entre lesquelles la couche de conduction est disposée.
Après la découpe selon l'étape e), les briques forment des pavés assemblés par l'intermédiaire de la couche de conduction électrique et l'assemblage des briques découpé devient un pavage, formé de pavés assemblés.
II est entendu dans le présent document que le plan d'assemblage des briques est un plan parallèle aux plans définis par les surfaces d'assemblage desdites briques.
Le substrat composite, tel que défini, peut ainsi être utilisé comme précurseur dans la fabrication de cellules et d'assemblages de cellules photovoltaïques, capables de délivrer de la haute tension à partir de la mise en série des pavés par l'intermédiaire de la couche de conduction électrique. Une partie de l'interconnexion est avantageusement obtenue par le procédé de fabrication du substrat composite lui-même, en utilisant la couche de conduction qui joue également le rôle d'une couche d'assemblage entres les pavés destinés à former les cellules PV. Dans ce procédé, l'étape de soudure classique entre les cellules est évitée de sorte que les risques de casse et d'endommagement des cellules est réduit. De plus, l'espace perdu pour la connexion entre les cellules n'est limité que par l'épaisseur de la couche de conduction électrique et des couches d'isolation et non par l'espace nécessaire pour déposer un ruban conducteur entre des cellules voisines.
Par ailleurs, ce procédé permet la fabrication de modules photovoltaïques (PV) de la taille désirée en variant le nombre de pavé ou cellules mises en série ainsi que leur dimension (standard 156x156mm2 ou autre). En effet, les briques, dont sont issue les cellules, sont obtenues par découpe, aux dimensions souhaitées, de blocs ou lingots disponibles dans le commerce. Ainsi, une fois que les briques aux dimensions souhaitées sont assemblées puis découpées, un pavage, de la dimension du module PV souhaitée, est obtenu.
Ainsi, l'ensemble de ces pavés, ou autrement dit ce pavage, permet de fournir de la haute tension avec un taux de couverture de surface plus élevé qu'un module classique du fait que peu de surface active est perdue et que l'interconnexion est aisément réalisée par l'intermédiaire de la couche de conduction électrique entre les pavés.
De préférence, l'étape a) comprend la fourniture de briques en matériau semi-conducteur, en général cristallin, dopé de type p et/ou dopé de type n, le matériau semi-conducteur étant choisi parmi des alliages à base de GaN et des éléments ou d'alliages d'éléments de la colonne IV, et de préférence le matériau semi- conducteur est du silicium et en général du silicium cristallin. Le substrat composite est ainsi formé de matériaux particulièrement adaptés pour des applications dans le domaine photovoltaïque, de la microélectronique comme de l'optoélectronique.
Les briques sont par exemple obtenues par découpe de lingots ou à partir blocs de matériau, communément appelés 'bulk'. La découpe est réalisée de sorte à obtenir une épaisseur de briques suffisante pour obtenir les rendements optimums selon les applications visées. Elle est généralement comprise entre 100 et 800 micromètres.
Avantageusement, les couches d'isolation électrique sont formées l'étape b) à partir d'oxyde de silicium, tels que le SiOx ou le Si02, ou à partir d'une poudre d'oxyde de Ti02, d'AI203, de ZnO, de Si02, d'un mélange de ces poudres d'oxyde, ou d'un mélange de ces poudres d'oxyde avec au moins un liant organique et /ou inorganique.
Les couches d'isolation électrique entre deux briques peuvent être de natures différentes, notamment s'il est nécessaire de passiver des états de surface de l'une des briques. La formation de la couche d'isolation électrique d'oxyde de silicium Si02 est classiquement déposée par PECVD (acronyme anglais de Plasma Enhanced Chemical Vapor Déposition) sur une épaisseur permettant d'assurer l'isolation électrique de la couche de conduction, une fois le substrat composite formé. L'épaisseur est ainsi de quelques dizaines de nanomètres à quelques micromètres et de préférence l'épaisseur est comprise dans une plage allant de 10 nm à 5 micromètres.
La couche d'isolation électrique en SiOx est obtenue par oxydation thermique de la brique en silicium par recuit dans un four jusqu'à atteindre une épaisseur de quelques micromètres et de préférence une épaisseur comprise dans une plage allant de 10 nm à 500 nm.
Lors de l'utilisation d'une poudre d'oxyde de Ti02, d'AI203, de ZnO, de Si02 ou d'un mélange de ces poudres, une étape de frittage est nécessaire afin de fondre l'enveloppe externe des billes (formant la poudre) et assurer le collage et la cohésion des billes entre elles. Cette étape de frittage comprend typiquement un recuit de 30 à 300 minutes effectué sur une plage de températures allant de 700 à 1200 °C, associé à l'application d'une pression exercée suivant une direction perpendiculaire au plan d'assemblage. L'utilisation d'un liant organique et /ou inorganique mélangé à ces poudres permet avantageusement de réduire la température du recuit de l'étape de frittage et une très bonne adhésion mécanique entre les briques de silicium. L'épaisseur finale d'une couche d'isolation électrique formée par cette méthode varie entre 20 nm et 200 micromètres environ.
Il est entendu dans le présent document que l'épaisseur des couches d'isolation électrique varie selon les matériaux utilisés de sorte à toujours présenter les propriétés d'isolation nécessaire pour isoler les deux briques entre elles et les isoler de la couche de conduction.
L'étape d) du procédé permet avantageusement de réaliser le recuit des poudres d'oxydes mélangées ou non avec des liants. Lorsqu'il est associé avec l'application d'une pression, l'étape de frittage est obtenue.
Selon un mode de réalisation, l'étape c) du procédé selon l'invention comprend :
- la formation d'une couche de silicium directement sur les couches d'isolation électrique en oxyde de silicium formées à l'étape b) et recouvrant les surfaces d'assemblage des briques, et
- la formation d'une couche métallique directement sur chacune des couches de silicium, le métal étant notamment choisi pour former un eutectique avec le silicium, tel que l'aluminium, l'argent, l'or, du platine, du baryum, du cuivre ou un alliage de ces métaux, et
- la mise en contact des couches métalliques deux à deux, de sorte à obtenir la couche de conduction électrique entre les couches d'isolation électrique et à assembler les briques.
L'avantage de l'utilisation d'un métal et notamment d'un métal à bas point de fusion, tel que l'aluminium, pour former la couche de conduction électrique réside en ce que le traitement thermique appliqué à l'étape d) permet de liquéfier au moins en partie les couches métalliques en contact de sorte à homogénéiser la couche de conduction électrique et à assurer un très bon collage entre les briques. Par ailleurs, le traitement thermique garantit la diffusion du silicium adjacent dans la phase d'aluminium liquide ce qui permet, après refroidissement, la formation d'un alliage Al-Si dont la composition est proche de celle de l'eutectique lorsque le traitement thermique appliqué atteint 650°C. De plus, les couches d'isolation électrique déposées en amont sur les briques de silicium forment une barrière efficace à la diffusion du métal vers les briques de sorte que l'isolation électrique entre les briques est bien maintenue.
Un autre avantage à la présence des couches d'isolation électrique réside en ce qu'elles ont le rôle de couches barrières à la diffusion des impuretés du métal vers les briques, qui pourrait avoir des effets néfastes sur les performances des cellules.
Dans ce mode de réalisation, le matériau des couches d'isolation électrique peut être de toutes les natures susmentionnées, à savoir un oxyde de silicium déposé, thermique, sous forme de poudre et poudres d'oxyde.
La couche métallique est avantageusement formée par pulvérisation ou par évaporation ou par sérigraphie pleine plaque d'une pâte conductrice dont l'élément conducteur forme un eutectique avec le silicium.
Bien entendu, la nature du métal desdites couches métalliques est choisie de sorte que le collage résultant de la mise en contact et du recuit résiste aux températures appliquées dans la suite du procédé, notamment dans le cas de la fabrication de cellules photovoltaïques à homojonction ou hétérojonction.
La nature du métal présent dans la couche métallique est également choisie pour que la couche métallique présente une résistivité électrique inférieure ou égale à 10"4 ohm. cm. De préférence, le traitement thermique de l'étape d) est réalisé à une température comprise entre la température de formation d'un eutectique entre le silicium et ledit métal et 900°C.
Ces conditions sont en effet favorables à l'obtention de la diffusion du silicium dans le métal de sorte à obtenir après refroidissement, un assemblage de briques collées entre elles par l'intermédiaire d'un empilement formé d'une couche d'isolation électrique, par exemple d'oxyde thermique SiOx, d'une couche résiduelle de silicium, d'une couche d'un alliage Si-métal, d'une couche résiduelle de métal, d'une couche de l'alliage Si-métal, d'une couche résiduelle de silicium et d'une couche d'isolation électrique de SiOx.
Selon une variante de réalisation, l'étape c) comprend la disposition d'au moins un élément métallique, tel qu'un insert de Al, Ar, Au, Zn, Cu, Pt ou de Ba, de sorte à former la couche de conduction électrique entre les couches d'isolation électrique.
L'élément métallique peut prendre une multitude de formes, telle qu'une plaque métallique perforée, dans laquelle au moins un orifice traversant a été ménagé, une pluralité de fils ou de lames de métal, motifs formés par sérigraphie par l'intermédiaire d'un masque mécanique, dans la mesure où des régions de la couche d'isolation électrique sur laquelle l'élément métallique est disposé ne sont pas recouvertes. La mise en contact de ces régions avec la deuxième couche d'isolation électrique permettent d'assembler les briques à l'étape c) du procédé.
Il est entendu dans le présent document que la couche de conduction électrique discontinue doit tout de même offrir une continuité dans au moins une direction de sorte à ce que le courant puisse être collecté.
Ainsi la couche de conduction électrique est continue ou discontinue selon les modes de réalisation considérés et pour les besoins des applications futures.
La disposition d'au moins un élément métallique est notamment choisie dans le cas où les couches d'isolation électrique sont formées par au moins une poudre d'oxyde qui sera frittée, de sorte à obtenir une bonne conduction électrique. Bien entendu, l'utilisation des éléments métalliques peut être combinée avec des couches d'isolation électrique formées par du Si02 thermique ou du Si02 déposés. Cette configuration permet de combiner les avantages d'une bonne conduction électrique et d'une bonne adhésion mécanique du matériau isolant électrique.
Selon encore une autre variante, l'étape c) de formation de la couche de conduction électrique comprend un dépôt par sérigraphie d'une couche de pâte conductrice sur au moins une des couches d'isolation électriques formées à l'étape b). La couche de pâte conductrice sérigraphiée présente une épaisseur comprise entre 20 et 500 micromètres et de préférence environ 100 micromètres.
Cette couche est déposée sous forme de motifs, notamment si l'élément conducteur de la pâte conductrice ne forme pas d'eutectique avec le silicium.
La pâte conductrice est constituée, par exemple, d'un mélange assez visqueux d'une matrice, telle que de la fritte de verre, et de billettes de métal, tel que des billettes d'aluminium.
Dans ce cas, l'étape d) est réalisée à une température allant de 300 à 900°C et de préférence environ 500°C de sorte à recuire ou activer la pâte conductrice sérigraphiée, ce qui augmente le caractère conducteur de la pâte conductrice et augmente l'efficacité du collage entre les couches d'isolation électrique formant l'assemblage entre les briques.
Ainsi, quel que soit le mode de réalisation utilisé, l'étape d) d'application d'un traitement thermique participe d'une façon générale, au renforcement de l'énergie de collage entre les briques. Ce collage est notamment adapté pour résister aux températures appliquées pour la fabrication de composants électroniques, tel que des cellules homojonction ou hétérojonction.
De préférence, le procédé comprend après l'étape e), une étape f) de formation d'éléments de protection des surfaces exposées de la couche de conduction électrique et des couches d'isolation électrique du substrat composite. Ces éléments de protection en matériau isolant sont en effet destinés à limiter les risques de court- circuit entre deux briques voisines assemblées. Les surfaces exposées sur lesquelles les éléments de protection sont formées peuvent être considérées comme des tranches exposées desdites couches du substrat composite, provenant de la découpe de l'assemblage.
Ces éléments de protection servent également à protéger les couches d'isolation et de conduction électrique lors des traitements chimiques réalisés dans la suite du procédé pour la fabrication de composants microélectroniques.
Ces éléments de protection sont formés à partir de matériaux isolants tels que l'oxyde de silicium, l'alumine Al203, l'AIN, le SiN, la résine... Ces éléments de protection sont principalement obtenus par un dépôt par PECVD, ALD (acronyme anglais pour Atomic Layer Depostion), par impression d'une résine par sérigraphie, telle qu'un polymère à base d'époxy, ou par pulvérisation à travers les ouvertures d'un masque mécanique. La résine est principalement utilisée dans le cas où il est prévu de retirer les éléments de protection ultérieurement, ou si les traitements thermiques ultérieurs sont réalisés à des températures peu élevées.
Ces éléments de protection présentent une largeur d'environ plusieurs dizaines de micromètre et une épaisseur comprise entre 1 nm et 10 micromètres et en moyenne une épaisseur de quelques centaines de nanomètres selon la technique de dépôt utilisée. Ces éléments de protection permettent d'isoler les couches d'isolation et les couches de conduction électrique de l'interface d'assemblage entre les pavés ainsi que de protéger ces couches contre les attaques de réactifs acides et basiques utilisés lors de la fabrication des composants tels que des cellules photovoltaïques.
Avantageusement, le procédé comprend après l'étape f) une étape h) de sérigraphie de contacts métalliques configurés pour assurer la conduction d'un courant électrique, par l'intermédiaire de la couche de conduction électrique, entre deux briques assemblées puis découpées à l'étape e), lesdites briques découpées formant deux pavés collés.
Selon une possibilité, une étape g) est réalisée entre l'étape f) et l'étape h) comprenant le retrait d'une portion des éléments de protection de sorte à découvrir la surface de la couche de conduction électrique sous-jacente. Les contacts métalliques sont ensuite facilement formés sur la surface découverte de la couche de conduction électrique.
Le retrait d'une portion des éléments de protection selon l'étape g) est avantageusement effectué par ablation laser.
En variante, la nature de la pâte déposée par sérigraphie et la température de dépôt utilisée sont configurées pour une consommation ciblée d'une portion des éléments de protection, de sorte que les contacts sont formés sans nécessiter d'étape distincte de retrait des portions des éléments de protection.
Il est entendu dans le présent document qu'en vue de la fabrication de cellule photovoltaïque, le procédé peut comprendre avant l'étape h), la formation d'une couche de matériau semiconducteur dopé n et d'une couche de matériau semiconducteur dopé p respectivement de part et d'autre des faces du substrat composite et d'une couche antireflet sur la face destinée à recevoir le rayonnement lumineux.
De façon avantageuse, le procédé comprend avant l'étape d) une étape i) de collage d'au moins deux assemblages. Ainsi le substrat composite est formé d'au moins deux assemblages collés, adaptés à la formation de modules pour des applications photovoltaïques.
Le traitement thermique de l'étape d) est alors utile pour renforcer l'énergie de collage de l'assemblage des briques et également du collage des assemblages entre eux.
Plus précisément, l'étape i) comprend :
- une étape j) de fourniture d'au moins deux assemblages comprenant des faces d'assemblage,
- une étape k) de formation de couches d'isolation électrique, de sorte à recouvrir les faces d'assemblage, et
- une étape I) de formation d'une couche de conduction électrique entre deux couches d'isolation électrique recouvrant les faces d'assemblage de sorte à coller les au moins deux assemblages.
Selon une possibilité, les couches d'isolation électrique recouvrant les faces d'assemblage présentent une intersection avec les couches de conduction électrique assemblant deux briques voisines.
Ainsi, les couches de conduction électrique entre deux assemblages sont isolées des couches de conduction électrique entre les briques par la présence des couches d'isolation électrique reliant deux assemblages.
Selon un second aspect, la présente invention propose un substrat composite, destiné à des applications dans le domaine photovoltaïque, comportant :
-des pavés comprenant chacun des surfaces d'assemblage, les pavés étant assemblés par l'intermédiaire des surfaces d'assemblage de sorte à former au moins un pavage,
-une couche d'isolation électrique recouvrant une surface d'assemblage des pavés, et
-une couche de conduction électrique entre les couches d'isolation électrique des pavés assemblés, la couche de conduction électrique présentant une résistivité électrique inférieure ou égale à 10"4 ohm. cm et étant électriquement isolée par les couches d'isolation.
Il est entendu dans le présent document que l'au moins un pavage est le résultat de la découpe d'un assemblage de briques assemblées, selon un plan perpendiculaire au plan d'assemblage des briques, chaque brique devenant une unité de pavage après avoir été découpée, autrement dit un pavé. De préférence, les pavés sont en un silicium dopé de type p et/ou dopé de type n. Ainsi, le pavage peut être constitué, de pavés successifs de silicium de type p ou de type n, ou d'une alternance de pavés de type n et de type p.
Selon une disposition, les couches d'isolation électrique sont en oxyde de silicium et les couches de conduction électriques comprennent de l'aluminium. Une très bonne conduction électrique verticale est ainsi obtenue entre les pavés.
Avantageusement, le substrat composite comprend au moins deux pavages collés latéralement entre eux par l'intermédiaire d'une couche de conduction électrique, électriquement isolée entre deux couches d'isolation électrique recouvrant les côtés latéraux collés des au moins deux pavages. Ainsi, la couche de conduction électrique remplit deux fonctions, celle d'assurer l'assemblage/collage entre respectivement les pavés et les pavages, résistant à la température, et celle d'assurer une interconnexion électrique entre les pavés et entre les pavages.
D'une façon générale, la nature des matériaux et les épaisseurs des couches d'isolation électrique sont choisies en fonction du matériau des pavés, de la nature de la couche de conduction et des températures qui seront appliquées par la suite, de sorte à former une barrière à la diffusion des éléments constituant la couche de conduction vers les pavés. Ainsi, les propriétés de ces derniers ne sont pas altérées.
De préférence, le substrat composite comprend des contacts métalliques configurés pour assurer la conduction du courant électrique entre les pavés et entre les aux moins deux pavages collés par l'intermédiaire des couches de conduction électrique. Chacun des pavés peut ainsi être utilisé comme élément actif dans un composant électronique, tel qu'une cellule photovoltaïque.
Lorsque les pavés sont formés d'un alliage à base de GaN, ces pavages sont judicieusement utilisés pour former des matrices pour LED.
Selon un troisième aspect, l'invention concerne un module photovoltaïque comprenant au moins un substrat composite tel que précédemment décrit.
D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description suivante de trois modes de réalisation de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés. Les figures ne respectent pas nécessairement l'échelle de tous les éléments représentés de sorte à améliorer leur lisibilité. Dans la suite de la description, par souci de simplification, des éléments identiques, similaires ou équivalents des différentes formes de réalisation portent les mêmes références numériques. - Les figures 1 à 9 illustrent schématiquement un premier mode de réalisation du procédé selon l'invention.
- Les figures 10 à 11 illustrent schématiquement un deuxième mode de réalisation du procédé selon l'invention.
- Les figures 12 à 15 illustrent schématiquement un troisième mode de réalisation du procédé selon l'invention.
- Les figures 16 et 17 illustrent schématiquement une vue du dessus de deux exemples d'une cellule photovoltaïque.
La figure 1 illustre une vue de face de deux briques 1 (ou slab) de silicium présentant une épaisseur de 78 mm et des dimensions latérales de 156 mm x 156 mm, fournies selon l'étape a) du procédé. Ces briques 1 de silicium sont initialement obtenues par des étapes préalables de découpe de lingots de silicium (générés de manière conventionnelle), dopées de type p avec un taux de dopage au bore de 1015 atomes. cm"3. Une fois le lingot taillé aux dimensions souhaitées pour former des briques 1 brutes, ces dernières sont gravées par une solution basique pour retirer les zones de silicium écrouies à l'étape de découpe. Les surfaces d'assemblage 2 des briques 1 présentent alors la planéité et la rugosité nécessaires à leur assemblage ultérieur, par exemple une rugosité inférieure à 10 μιη et de préférence de 2 μιη. Conformément à l'étape b) du procédé, les briques 1 sont ensuite disposées dans un four d'oxydation thermique pour l'application d'un traitement thermique à 850°C pendant une durée de 30 min. Ces conditions permettent la formation d'une couche d'oxyde de silicium SiOx, de quelques nanomètres d'épaisseur sur les briques 1, formant les couches d'isolation électrique 3 recouvrant les surfaces d'assemblage 2.
Selon une variante, les couches d'isolation électrique 3 peuvent être formées d'autres matériaux isolants, tels que l'oxyde de silicium Si02 déposé, une poudre d'oxyde à base de Ti02, d'AI203, de ZnO, de Si02 en poudre, d'un mélange de ces poudres d'oxyde, ou d'un mélange de ces poudres d'oxyde avec au moins un liant organique et /ou inorganique. La présence des liants permet d'abaisser la température nécessaire au frittage des poudres.
Puis une couche de silicium 6 de quelques micromètres d'épaisseur est formée sur chaque couche d'isolation électrique 3 par évaporation suivi d'une couche métallique 7 en aluminium formée avec la même technique sur une épaisseur similaire.
En variante, selon les applications futures souhaitées et les températures de traitement thermique associées, le métal de la couche métallique 7 est choisi parmi l'aluminium, l'argent, l'or, le platine, le baryum, le cuivre ou un alliage de ces métaux permettant d'atteindre un eutectique avec le silicium.
Ensuite, les surfaces d'assemblage 2 des deux briques 1 sont placées en regard pour une mise en contact selon l'étape c) du procédé et l'obtention d'un assemblage 5 des deux briques 1 (figure 2). L'assemblage 5 est alors soumis à un traitement thermique communément appelé « recuit de collage » selon l'étape d). Ce traitement est réalisé à 650°C pendant 30 minutes dans une étuve sous pression atmosphérique de sorte à liquéfier la couche d'aluminium 7, favoriser la diffusion du silicium dans l'aluminium de sorte à obtenir une couche d'alliage Al-Si proche de la composition de l'eutectique après refroidissement (eutectique :12.6% poids de silicium à 577°C).
Selon le métal utilisé dans la couche métallique 7, les conditions du traitement thermique varie entre la température de l'eutectique du silicium avec le métal correspondant et 700°C.
Comme illustré à la figure 3, à l'interface d'assemblage des deux briques 1 comprend une couche de conduction électrique 4 comportant une couche d'aluminium résultant de l'assemblage des deux couches d'aluminium 7 formées initialement par évaporation. La couche de conduction électrique (4) présente une résistivité électrique inférieure ou égale à 10"4 ohm. cm. Cette couche d'aluminium est encadrée de part et d'autre d'une couche d'un alliage Al-Si. L'ensemble des couches d'aluminium 7 et des couches d'un alliage Al-Si forme la couche de conduction électrique 4, par ailleurs encadrée d'une couche d'isolation électrique 3 de SiOx. Cette couche d'isolation électrique 3 est par ailleurs configurée pour former une barrière à la diffusion de l'aluminium vers les briques 1 et pour garantir une bonne isolation électrique entre les deux briques 1 assemblées. Cette couche d'isolation électrique 3 est également configurée pour isoler électriquement la couche de conduction 4 et les deux briques 1 l'une de l'autre. Lorsqu'elle est formée par du Si02, l'épaisseur nécessaire de la couche d'isolation électrique 3 est d'environ 15 nm. En cas de poudre d'oxyde, l'épaisseur la couche d'isolation électrique 3 après frittage est comprise entre environ 20 nm et 200 micromètres.
Comme illustré aux figures 3 et 4, l'assemblage 5 des deux briques 1 est ensuite découpé selon un plan perpendiculaire au plan d'assemblage des briques 1, c'est-à-dire selon un plan vertical au regard des figures 3 et 4, conformément à l'étape e) du procédé. La découpe, illustrée figure 3 par des traits pointillés, est réalisée par toute méthode classique connue de l'homme du métier tel qu'une découpe par scie à bande, fil avec inserts de diamant ou utilisant des grains de SiC comme abrasif, de sorte former un pavage 8, avec une épaisseur choisie selon la cellule souhaitée et qui peut être comprise entre 100 à 800 micromètres, typiquement d'environ 200 micromètres, formé par l'assemblage de deux pavés 9 provenant des deux briques 1 découpées.
Le substrat composite 100 ainsi formé de briques 1 assemblées puis découpées est assimilé à un pavage 8 constitué de deux pavés 9 reliés entre eux par l'intermédiaire d'une couche de conduction électrique 4, isolée entre deux couches d'isolation électrique 3. La figure 5 illustre une vue en perspective du substrat composite 100, tournée selon un angle de 90° par rapport à la vue de la figure 4. Selon cette vue, le plan d'assemblage des briques 1 est un plan horizontal.
Selon une variante, plus de deux briques 1 peuvent être assemblées en utilisant la méthode citée ci-dessus pour l'obtention d'un pavage 8 constitué de 3, 4 ou plus de pavés 9 assemblés (figure 16 et 17).
Bien entendu, la présente invention propose également le collage entre plusieurs assemblages comprenant chacun plusieurs briques, suivi de la découpe en vue de former un module PV (figure 17). Selon une possibilité, le procédé comprend la fourniture de trois assemblages 5 de briques 1 formés à l'étape c du procédé, chacun des trois assemblages présentant des faces d'assemblage 11 (étape j)-. Une couche d'isolation électrique 3 du même type que celle formée sur les surfaces d'assemblage 2 des briques 1 est formée sur les faces d'assemblage 11 selon l'étape k. Puis une couche de conduction électrique 4 (étape I) du même type que précédemment décrit pour l'assemblage 5 des briques 1, est formée entre deux couches d'isolation électrique 3 de sorte à coller les trois assemblages 5 deux à deux. Grâce à ce procédé, les couches de conduction électrique 3 entre les trois assemblages 5 sont électriquement isolées des couches de conduction électrique 4 reliant les briques 1 d'un même assemblage 5.
Après recuit selon l'étape d) du procédé, les assemblages 5 collés sont découpés selon l'étape e) du procédé de sorte à obtenir le substrat composite 100 comprenant le résultat de la découpe de trois assemblages 5 collés entre eux deux à deux comportant chacun trois briques 1 de silicium, soit un substrat composite 100 comportant trois pavages 8 collés deux à deux, chacun des pavages 8 comportant trois pavés 9 de silicium assemblés, tel qu'illustré à la figure 17.
Les figures 6 à 9 illustrent des étapes de fonctionnalisation du substrat composite 100, notamment en vue de la fabrication de modules photovoltaïques à haute tension à partir d'un pavage 8 comprenant deux pavés 9 de silicium assemblés mesurant 78 mm de large et 156 mm de long, tel qu'illustré à la figure 5. Des éléments de protection 12 des surfaces exposées de l'interface d'assemblage entre les deux pavés 9 sont formés de part et d'autre de la couche de conduction électrique 4. Ces éléments 12 sont formés par dépôt CVD d'un matériau isolant électrique au travers des ouvertures d'un masque mécanique (étape f, figure 6). Selon une alternative, les éléments de protection 12 sont déposés par sérigraphie d'une résine ou d'une pâte isolante. Une couche de silicium 10 dopée n est formée par dopage des pavés sur environ 500 nm de profondeur à partir de l'une des surfaces du pavage 8, destinée à recevoir la lumière, suivi d'une couche de silicium 10' dopée p formée sur la face opposée puis d'une couche antireflet 16 (ARC pour Anti Réflective Coat) sur la couche dopée n 10 et/ou sur la couche dopée p 10'. Puis, comme illustré à la figure 7, une portion de chacun des éléments de protection 12 est retirée, par exemple par ablation laser, de sorte à découvrir la couche de conduction électrique 4 sous-jacente (étape g). Des contacts métalliques 13 (Al et Ag) sont ensuite sérigraphiés à l'emplacement des portions retirées, de sorte à assurer la conduction électrique, illustrée schématiquement par la flèche sur la figure 9, entre deux pavés 9 par l'intermédiaire de la couche de conduction électrique 4 (étape h). Bien entendu, d'autres méthodes de formation des contacts classiques et connues de l'homme du métier peuvent être utilisées.
Il est ainsi obtenu une cellule photovoltaïque (PV) d'une taille d'environ 156x156mm2 comprenant deux pavés 9 assemblés, ou deux cellules en silicium homo- jonction de type p, électriquement reliées en série. Grâce au procédé de la présente invention, la mise en série des pavés 9 ou cellules PV est effectuée par des plots 13 d'argent et d'aluminium, connectés entre eux par l'intermédiaire de la couche de conduction 4 en aluminium, également utilisée pour l'assemblage et le collage respectivement entre les pavés 9 et les pavages 8. Ainsi, l'interconnexion classique par soudure générant de la casse et limitant la surface active est évitée.
L'assemblage entre les briques 1 et le collage entre les assemblages 5 sont configurés pour résister aux traitements thermiques utilisés dans la fabrication des cellules PV homo-jonction (850°C) comme hétérojonction (230°C) grâce à la nature des matériaux utilisés pour former les couches d'isolation électrique 3 et la formation de la couche de conduction électrique 4 de collage et/ou assemblage, de leur mode de dépôt, et du traitement thermique appliqué à l'étape d).
Bien entendu, le même procédé s'applique pour la mise en série de plus de deux cellules PV dans un même pavage 8 et de la mise en série de plusieurs cellules PV (par collage de plusieurs pavages 8) pour fabriquer des panneaux PV. La configuration du pavage 8 est adaptable en fonction du nombre de cellules souhaitées par exemple 1x4 (illustré figure 16), 2x2, 3x3 (illustré figure 17), etc.
Ainsi, le nombre de cellules formées dans un seul substrat composite 100 n'est pas limité et peut varier en fonction des applications désirées.
Lorsqu'un panneau PV classique comportant entre 60 et 72 cellules classiques de 156x156mm2 mises en série, la tension de circuit-ouvert est comprise entre 30 et 50V. Si chacune des cellules classiques est remplacée par un substrat composite 100 comprenant 4 cellules en série selon la présente invention, pour une surface de panneau PV similaire, la tension de circuit-ouvert obtenue est comprise entre 120 et 200V. Il est alors possible de retirer un étage de conversion en haute tension de l'onduleur et réduire les coûts du système.
Pour des applications nomades qui nécessitent souvent une tension inférieure à 12V, des pavages 8 plus compacts peuvent être fournis par comparaison à des pavages de cellules classiques.
Les figures 10 et 11 illustrent un deuxième mode de réalisation de l'invention qui diffère du précédent en ce que l'étape c) est réalisée par dépôt d'une couche de pâte conductrice 14 à base d'aluminium et d'une matrice de fritte de verre sur une couche d'isolation électrique 3 en oxyde de silicium pour former la couche de conduction électrique 4 présentant au final une épaisseur d'environ 100 micromètres.
Selon une variante, le métal contenu dans la pâte conductrice 14 peut être de l'argent ou du cuivre. Selon encore d'autres variantes, l'épaisseur de la couche de conduction électrique 4 peut varier entre 5 et 500 μιη et de préférence comprise entre 10 et 100 micromètres.
Enfin, le traitement thermique selon l'étape d), servant à rigidifier la pâte conductrice 14 assurant l'adhésion mécanique de l'assemblage 5, est appliqué pendant 200 minutes à une température d'environ 700°C.
Selon la nature des matériaux utilisés en variante, la durée du traitement thermique peut varier entre 1 et 300 minutes et la température peut être comprise entre 200 à 900 "C.
Les figures 12 à 15 illustrent un troisième mode de réalisation qui diffère du premier mode de réalisation par la formation de la couche de conduction électrique 4. L'étape c) de formation de la couche de conduction est réalisée par l'insertion de plusieurs lames 15 d'aluminium (figure 12) entre les couches d'isolation électrique 3. Comme représenté aux figures 13 et 14 l'ensemble de ces lames 15 forment ainsi une couche de conduction 4 discontinue dans le pavage 8, et traversante en verticale à la jointure entre deux pavés 9, (visibles également sur la figure 15 qui est une vue en section transversale du pavage 8 selon le plan A de la figure 14, au niveau des contacts électriques 13). Des contacts électriques 13, illustrés par un schéma de principe (figures 14 et 15), sont formés à partir de ces lames 15 pour la conduction du courant dans les applications ultérieures.
L'élément métallique 15 inséré peut prendre toute forme (fil, plaque perforée...) dans la mesure où il permet à terme la conduction électrique et la mise en série des cellules PV. La nature du métal de l'élément 15 inséré utilisé peut être choisi parmi l'Ar, Au, Zn, Cu, Pt ou le Ba ou autre dans la mesure où ce métal permet d'obtenir une bonne conduction électrique, entre les pavés 9 et les pavages 8, résistant aux traitements thermiques utilisés ultérieurement dans la fabrication des composants électroniques souhaités.
Selon les applications visées, d'autres matériaux semi-conducteurs peuvent être utilisés à la place des briques de silicium dans les modes de réalisation décrit ci-dessus, notamment des alliages à base de GaN et des éléments ou des alliages d'éléments de la colonne IV du tableau périodique.
Ainsi, le procédé de la présente invention permet de fabriquer des substrats composites 100 adaptés à la formation de cellules PV de taille désirée, délivrant de la haute tension, une partie de l'interconnexion étant réalisé au niveau du procédé de fabrication du substrat composite 100. Ce procédé permet de réaliser des cellules mono ou bifaciales. L'étape de mise des cellules en module représentant environ 40% du coût total d'une installation PV (hors câblage), cette innovation garantit une amélioration significative du ratio coût/performance des cellules tout en permettant de travailler en haute-tension directement en sortie.
Il va de soi que l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus à titre d'exemples mais qu'elle comprend tous les équivalents techniques et les variantes des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d'un substrat composite (100) destiné à des applications dans le domaine photovoltaïque ou optoélectronique, le procédé comprenant les étapes suivantes :
a) Fournir des briques (1) destinées à être assemblées pour former au moins un assemblage, les briques (1) comportant des surfaces d'assemblage (2), b) Former des couches d'isolation électrique (3) de sorte à recouvrir les surfaces d'assemblage (2) des briques (1),
c) Former une couche de conduction électrique (4) entre les couches d'isolation électrique (3) de sorte à assembler des briques (1) voisines, selon un plan d'assemblage, et à former au moins un assemblage (5), ladite couche de conduction électrique (4) présentant une résistivité électrique inférieure ou égale à 10"4 ohm.cm,
d) Soumettre l'au moins un assemblage (5) à un traitement thermique, et
e) Découper l'au moins un assemblage (5) selon un plan perpendiculaire au plan d'assemblage, l'au moins un assemblage (5) découpé formant un pavage (8) de briques (1) découpées.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape a) comprend la fourniture de briques (1) en matériau semi-conducteur dopé de type p et/ou dopé de type n, le matériau semi-conducteur étant choisi parmi des alliages à base de GaN et des éléments ou d'alliages d'éléments de la colonne IV, et de préférence le matériau semiconducteur est un matériau cristallin et de préférence encore, le matériau semiconducteur est du silicium cristallin.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel, à l'étape b), les couches d'isolation électrique (3) sont formées à partir d'oxyde de silicium, tels que le SiOx ou le Si02, ou à partir d'une poudre d'oxyde de Ti02, d'AI203, de ZnO, d'un mélange de ces poudres d'oxyde, ou d'un mélange de ces poudres d'oxyde avec au moins un liant organique et /ou inorganique.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel l'étape c) comprend : - la formation d'une couche de silicium (6) sur les couches d'isolation électrique (3) en oxyde de silicium recouvrant les surfaces d'assemblage (2) des briques (1) formées à l'étape b), et
- la formation d'une couche métallique (7) sur au moins une des couches de silicium, le métal étant notamment choisi pour former un eutectique avec le silicium, tel que l'aluminium, l'argent, l'or, du platine, du baryum, du cuivre ou un alliage de ces métaux, et
- la mise en contact des couches métalliques (7) deux à deux, de sorte à obtenir la couche de conduction électrique (4) entre les couches d'isolation électrique (3) et à assembler les briques (1).
5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel le traitement thermique de l'étape d) est réalisé à une température comprise entre la température de formation d'un eutectique entre le silicium et ledit métal et 900°C.
6. Procédé selon la revendication 3, dans lequel l'étape c) comprend la disposition d'au moins un élément métallique, tel qu'un insert de Al, Ar, Au, Zn, Cu, Pt ou de Ba, de sorte à former la couche de conduction électrique (4) entre les couches d'isolation électrique (3).
7. Procédé selon la revendication 3, dans lequel l'étape c) de formation d'une couche de conduction électrique (4) comprend un dépôt par sérigraphie d'une couche de pâte conductrice (14) sur au moins une couche d'isolation électrique (3) formée à l'étape b).
8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, comprenant après l'étape e), une étape f) de formation d'éléments de protection (12) des surfaces exposées de la couche de conduction électrique (4) et des couches d'isolation électrique (3) du substrat composite (100).
9. Procédé selon la revendication 8, comprenant après l'étape f) une étape h) de sérigraphie de contacts métalliques (13) configurés pour assurer la conduction d'un courant électrique, par l'intermédiaire de la couche de conduction électrique (4), entre deux briques (1) assemblée puis découpées à l'étape e).
10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, comprenant avant l'étape d) une étape i) de collage d'au moins deux assemblages (5).
11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel l'étape i) comprend :
- une étape j) de fourniture d'au moins deux assemblages (5) comprenant des faces d'assemblage (11),
- une étape k) de formation de couches d'isolation électrique (3), de sorte à recouvrir les faces d'assemblage (11), et
- une étape I) de formation d'une couche de conduction électrique (4) entre deux couches d'isolation électrique (3) recouvrant les faces d'assemblage (11) de sorte à coller les au moins deux assemblages (5).
12. Substrat composite (100) destiné à des applications dans le domaine photovoltaïque ou optoélectronique, le substrat composite (100) comportant :
-des pavés (9) comportant chacun des surfaces d'assemblage (2), les pavés (9) étant assemblés par l'intermédiaire des surfaces d'assemblage (2) de sorte à former un pavage (8),
-des couches d'isolation électrique (3) recouvrant chacune une surface d'assemblage (2), et
-une couche de conduction électrique (4) entre les couches d'isolation électrique (3) de pavés (9) assemblés, la couche de conduction électrique (4) présentant une résistivité électrique inférieure ou égale à 10"4 ohm. cm et étant isolée entre deux couches d'isolation électrique (3).
13. Substrat composite (100) selon la revendication 12, comprenant au moins deux pavages (8) collés latéralement entre eux par l'intermédiaire d'une couche de conduction électrique (4), électriquement isolée entre deux couches d'isolation électrique (3) recouvrant les côtés latéraux collés des au moins deux pavages (8).
14. Substrat composite (100) selon l'une des revendications 12 ou 13, comprenant des contacts métalliques (15) configurés pour assurer la conduction du courant électrique par l'intermédiaire de couches de conduction électrique (4) entre les pavés (9) et entre les aux moins deux pavages (8) collés.
15. Module photovoltaïque comprenant au moins un substrat composite selon l'une des revendications 12 à 14.
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