FR2837625A1 - Dispositif photovoltaique multi-jonctions a cellules independantes sans effet d'ombrage et procede de realisation d'un tel dispositif - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un dispositif photovoltaïque multi-jonctions à cellules (20, 21, 22, 23) indépendantes, qui comprend des reprises de contact des cellules (20, 21, 22, 23) réalisées en face avant et/ ou arrière par des puits métallisés (24) dont les flancs sont isolés des matériaux constituant les différentes couches semi-conductrices.La présente invention concerne également un procédé de réalisation d'un dispositif photovoltaïque multi-jonctions.
Description
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DISPOSITIF PHOTOVOLTAIQUE MULTI-JONCTIONS A CELLULES
INDEPENDANTES SANS EFFET D'OMBRAGE ET PROCEDE DE
REALISATION D'UN TEL DISPOSITIF
DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un dispositif photovoltaïque multi-jonctions à cellules indépendantes sans effet d'ombrage et un procédé de réalisation d'un tel dispositif.
INDEPENDANTES SANS EFFET D'OMBRAGE ET PROCEDE DE
REALISATION D'UN TEL DISPOSITIF
DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un dispositif photovoltaïque multi-jonctions à cellules indépendantes sans effet d'ombrage et un procédé de réalisation d'un tel dispositif.
ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
Dans un dispositif photovoltaïque multijonctions, les cellules multi-jonctions sont réalisées par empilement de couches de matériaux déposées par épitaxie. Ces cellules étant connectées en série, le courant qui traverse celles-ci reste donc le même, ce qui ne permet pas d'obtenir un optimum de rendement. Un tel optimum de rendement, en effet, serait obtenu avec des courants différents circulant dans les différentes cellules. L'utilisation d'un procédé de croissance par épitaxie impose, de plus, un accord de paramètre de maille cristalline entre les cellules, ce qui limite les possibilités d'optimiser les bandes interdites des jonctions.
Dans un dispositif photovoltaïque multijonctions, les cellules multi-jonctions sont réalisées par empilement de couches de matériaux déposées par épitaxie. Ces cellules étant connectées en série, le courant qui traverse celles-ci reste donc le même, ce qui ne permet pas d'obtenir un optimum de rendement. Un tel optimum de rendement, en effet, serait obtenu avec des courants différents circulant dans les différentes cellules. L'utilisation d'un procédé de croissance par épitaxie impose, de plus, un accord de paramètre de maille cristalline entre les cellules, ce qui limite les possibilités d'optimiser les bandes interdites des jonctions.
Une demande de brevet WO 99 52 155, qui concerne une structure à semi-conducteurs de composant photovoltaïque, permet de pallier ce problème. Cette demande décrit, en effet, des cellules multi-jonctions réalisées par collage oxyde ("wafer bonding") de deux cellules. Les cellules ainsi collées sont
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électriquement indépendantes. Elles peuvent présenter entre elles un désaccord de maille important. La reprise de contact s'effectue par des grilles de métallisation situées de part et d'autre de chaque cellule. Cette demande de brevet précise que les grilles de métallisation supérieures et enterrées ont la même géométrie de manière à limiter l'effet d'ombrage à la seule grille supérieure.
Ainsi, comme illustré sur la figure 1 une cellule multi-jonctions, selon cette demande de brevet WO 99/52151, comprend une première cellule 10 munie de contacts 11, une seconde cellule 12 munie de contacts 13, et une couche de collage isolant 14 disposée entre ces deux cellules 10 et 12.
Une telle réalisation réduit l'effet d'ombrage mais ne le supprime pas. Un effet d'ombrage résiduel limite toujours le rendement de telles cellules.
Ce problème relatif à l'existence d'un effet d'ombrage est encore accentué dans le cas de cellules à concentration. En effet, pour de telles cellules, les densités de courant traversant les métallisations sont très importantes. Pour limiter la résistance série, on pourrait augmenter la taille des métallisations mais cela entraînerait des ombrages d'autant plus importants. On doit donc, en général, limiter les surfaces des cellules.
Dans une cellule à concentration de 1 millimètre carré de surface, avec un rendement de conversion de 20%, sous une concentration de 300, par exemple, le courant est de 15 A/cm2, et la résistance
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des métallisations est de 6 mQ/carré, ce qui, pour une surface de métal de 10% de la surface de la cellule conduit à une résistance de 60 mQ/carré et à une chute de tension de 9 mV. Une telle tension reste faible si on la compare à la tension de la cellule de l'ordre de 1 V.
Par contre pour une cellule de 1 centimètre carré, la chute de tension est 100 fois plus grande, et comparable à la tension de la cellule. Toute la puissance de la cellule est ainsi perdue dans la métallisation.
En pratique, une telle difficulté peut être résolue de deux façons différentes.
On peut, d'une part, utiliser des cellules de petite surface, de l'ordre du millimètre carré (cas des cellules sur matériaux III-V). Un grand nombre de cellules est alors nécessaire pour couvrir une surface donnée. Il en découle un coût d'assemblage important.
On peut, d'autre part, en cas de cellule simple placer les contacts sur la face arrière de la cellule. Ces contacts peuvent donc être très larges, sans créer d'effet d'ombrage. Mais une telle solution n'est pas applicable aux cellules multi-jonctions. En effet, les cellules inférieures subiraient, dans ce cas, les effets d'ombrage des contacts des cellules supérieures.
Par ailleurs, la méthode proposée dans la demande de brevet WO 99 52155 considérée ci-dessus, ne décrit pas comment la reprise de contact s'effectue ensuite sur les grilles enterrées. Or, une telle reprise est difficile à réaliser.
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La présente invention a pour objectif de proposer un dispositif photovoltaïque multi-jonctions à cellules indépendantes et un procédé de réalisation d'une telle cellule photovoltaïque permettant de supprimer les effets d'ombrage et de faciliter les reprises de contact.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
L'invention concerne un dispositif photovoltaïque multi-jonctions à cellules indépendantes, caractérisé en ce qu'il comprend des reprises de contact des cellules réalisées en face avant et/ou arrière par des puits métallisés dont les flancs sont isolés des matériaux constituant les différentes couches semi-conductrices.
L'invention concerne un dispositif photovoltaïque multi-jonctions à cellules indépendantes, caractérisé en ce qu'il comprend des reprises de contact des cellules réalisées en face avant et/ou arrière par des puits métallisés dont les flancs sont isolés des matériaux constituant les différentes couches semi-conductrices.
Dans un mode de réalisation avantageux les lignes métallisées de collection du courant issu des puits métallisés et situées en face avant sont de section triangulaire.
Avantageusement les puits métallisés sont réalisés en aluminium. Ils ont leurs flancs isolés des matériaux constituant les différentes couches semiconductrices dudit dispositif par un dépôt de matériau isolant, tel qu'un oxyde ou un nitrure.
L'invention concerne également un procédé de réalisation d'un dispositif photovoltaïque multijonctions caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - réalisation de tout ou partie d'une première cellule,
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- réalisation de tout ou partie d'une deuxième cellule à partir d'un substrat support, cette étape comportant en outre la réalisation d'une zone apte à permettre le retrait du substrat support, - dépôt sur l'une au moins des deux cellules d'une couche isolante, - collage des deux ensembles ainsi constitués, une couche isolante séparant ainsi les deux cellules, - retrait du substrat support de la deuxième cellule, - gravure des puits permettant la reprise de contact en face avant et/ou arrière du dispositif, isolation des flancs des puits, remplissage des puits par dépôt métallique, - réalisation des lignes métallisées permettant la collection du courant des puits en face avant et/ou arrière du dispositif.
Avantageusement, le procédé comprend une étape de finition des cellules réalisée préalablement à la gravure des puits.
Avantageusement, on réalise une passivation des flancs des puits avant l'isolation de ceux-ci. On réalise les lignes métallisées situées en face avant du dispositif de sorte qu'elles aient une section triangulaire. On peut réaliser ces lignes de section triangulaire par dépôt métallique, puis lithographie et enfin gravure. Le collage des deux ensembles peut se faire par adhésion moléculaire.
Avantageusement, la réalisation de la zone apte à permettre le retrait du substrat support
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consiste en la réalisation entre le substrat support et les couches actives de la cellule d'une couche d'arrêt à la gravure chimique du substrat support. Le retrait du substrat support peut s'effectuer par abrasion mécanique puis gravure chimique dudit substrat support.
La réalisation de la zone apte à permettre le retrait du substrat support peut consister en la réalisation dans le substrat support d'une zone fragilisée apte à permettre la séparation de ce substrat support. La réalisation dans le substrat support de la zone fragilisée peut s'effectuer par implantation ionique. Le retrait du substrat support peut s'effectuer par traitement thermique et/ou application de forces mécaniques.
Avantageusement, la réalisation de la zone apte à permettre le retrait du substrat support consiste en la réalisation entre le substrat support et les couches actives de la cellule d'une couche sacrificielle présentant une dissolution sélective par rapport au substrat support et à ces dites couches. Le retrait du substrat support peut s'effectuer par dissolution sélective de la couche sacrificielle.
Le dispositif de l'invention peut notamment être utilisé dans des cellules à concentration.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La figure 1 illustre un assemblage de cellules multi-jonctions de l'art connu.
La figure 1 illustre un assemblage de cellules multi-jonctions de l'art connu.
La figure 2 illustre le dispositif photovoltaïque multi-jonctions selon l'invention.
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La figure 3 illustre une caractéristique avantageuse du dispositif de l'invention.
Les figures 4A à 4E illustrent un exemple de procédé de réalisation d'une cellule du dispositif de l'invention.
Les figures 5A à 5D illustrent une variante de réalisation du procédé de l'invention.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Comme illustré sur la figure 2, le dispositif photovoltaïque multi-jonctions de l'invention comporte des cellules multi-jonctions indépendantes d'un point de vue physique (leur paramètre de maille peut être très différent) et électrique, ici quatre cellules 20,21, 22 et 23 séparées entre elles par des couches isolantes 26, 27 et 28, dont certains contacts sont reportés en face avant, qui reçoit la lumière, les autres étant reportés en face arrière par des puits métallisés 24. Chacune de ces cellules 20,21, 22 et 23 comporte plusieurs couches semi-conductrices, ici trois couches.
Comme illustré sur la figure 2, le dispositif photovoltaïque multi-jonctions de l'invention comporte des cellules multi-jonctions indépendantes d'un point de vue physique (leur paramètre de maille peut être très différent) et électrique, ici quatre cellules 20,21, 22 et 23 séparées entre elles par des couches isolantes 26, 27 et 28, dont certains contacts sont reportés en face avant, qui reçoit la lumière, les autres étant reportés en face arrière par des puits métallisés 24. Chacune de ces cellules 20,21, 22 et 23 comporte plusieurs couches semi-conductrices, ici trois couches.
Ces puits 24 peuvent avoir une faible section sans créer une résistance série importante, car leur longueur est faible.
Typiquement, ces puits 24 ont une profondeur comprise entre 5 à 20 micromètres, qui dépend du nombre et de l'épaisseur des couches formant le dispositif de l'invention, et une section d'environ 10x10 micromètres carrés.
Ces puits 24 sont creusés par gravure.
Leurs flancs sont isolés des matériaux semi-conducteurs
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constituant les différentes couches par des dépôts de matériau isolant 25, tels que des oxydes ou des nitrures.
Un traitement de passivation des surfaces peut être réalisé avant le dépôt de tels matériaux isolants.
Les lignes métallisées permettant la collection du courant issu de ces puits métallisés 24 peuvent avantageusement présenter une section triangulaire 29 sur la face avant du dispositif de l'invention, comme illustré sur la figure 3. Une telle caractéristique permet de supprimer les effets d'ombrage dus aux métallisations sur cette face.
Ces pointes ou sections triangulaires 29, du fait de leur forme et du matériau utilisé, typiquement de l'aluminium, permettent de rediriger la lumière incidente 30 vers l'intérieur des cellules.
Les dimensions typiques de telles pointes 31 sont données ci-dessous : - distance entre les parois correspondantes de deux pointes 31 : p#50 m, - distance entre deux pointes 31 : d=35 m, - largeur d'une pointe 31 : 1=15 m, - hauteur de chaque pointe 31 : h#28 m.
Une cellule de 10 mm2 comporte environ 6000 plots. 6% de la surface est ainsi couverte par des plots.
Exemple d'un procédé de réalisation d'une cellule
Dans un exemple d'empilement GaInP (gap 1,7 ev)/Si (gap ev) permettant un rendement de
Dans un exemple d'empilement GaInP (gap 1,7 ev)/Si (gap ev) permettant un rendement de
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conversion potentiel de 43%, comme illustré sur les figures 4A à 4E, un tel procédé peut comprendre les étapes suivantes : - réalisation d'une cellule silicium (sauf métal) comme illustré sur la figure 4A, cette cellule comportant un substrat support silicium 41 faiblement dopé (par exemple de type p) et deux zones 42 et 43 fortement dopées respectivement de type n et p dans l'exemple considéré afin de réaliser la jonction et permettre la formation de contacts ohmiques, - réalisation d'une cellule GaInP : sur un substrat support 44 par exemple en AsGa, formation d'une couche d'arrêt 50 à la gravure chimique du substrat support, par exemple en AlGaAs et épitaxie des couches utiles formant la cellule AlInP, puis GaInP dopé n, GaInP et GaInP dopé p (respectivement couches 45,46, 47 et 48), comme illustré sur la figure 4B, - dépôt d'une couche d'oxyde sur au moins une des deux cellules, formant dans l'exemple considéré la couche 49de la deuxième cellule, - collage des deux ensembles ainsi constitués par les techniques classiques de collage, par adhésion moléculaire par exemple. La couche isolante sépare ainsi les deux cellules, - retrait du substrat support 44 par exemple par abrasion mécanique puis chimique avec arrêt de la gravure chimique sur la couche d'arrêt. On obtient ainsi la structure illustrée sur la figure 4C, - formation des contacts : gravure des puits, passivation et isolation électrique des flancs des puits (dépôts 52), remplissage des puits par dépôt
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métallique (typiquement en aluminium), par exemple un dépôt CVD 51 ("Chemical Vapor Déposition"), comme illustré sur la figure 4D, - réalisation des métallisations de collection du courant de section triangulaire 53 sur la face avant : dépôt d'aluminium par pulvérisation, lithographie, gravure aluminium par voie sèche (gaz chlorés : BC13, C12 ; gaz neutre : argon), comme illustré sur la figure 4E.
Des variantes sont possibles pour ce procédé en particulier afin de permettre la réutilisation du substrat support 44. Au lieu d'une couche d'arrêt, on crée dans le substrat support 44 une zone fragilisée par exemple par implantation d'ions hydrogène à travers le substrat support (procédé "smart-cut" décrit dans le brevet américain US 5 374 564). Après formation des couches actives de la cellule, et collage sur la première cellule, on sépare ensuite le substrat support au niveau de cette zone fragilisée par traitement thermique et/ou application de forces mécaniques.
Une troisième variante consiste à utiliser une couche sacrificielle réalisée entre le substrat support 44 et les couches actives 45 à 48 par exemple en AlAs. Pour séparer le substrat support, cette couche est par la suite sélectivement dissoute.
Une quatrième variante, qui concerne une solution avec élimination d'un substrat AsGa par dissolution, est illustrée sur les figures 5A à 5D.
Comme illustré sur la figure 5A, sur le substrat AsGa 60 sont réalisés une épitaxie d'une
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couche d'arrêt à la gravure 61, puis d'une couche 62 servant à la reprise d'épitaxie (AsGa), et le dépôt d'une couche 63 d'oxyde ou de nitrure. D'autre part, sur un substrat en silicium 64 est réalisé le dépôt d'une couche d'oxyde 65. Pour cette cellule Si, tout ou partie de la technologie peut être réalisée avant le collage des deux substrats, qui est illustré sur la figure 5B.
Sur cette figure 5B sont illustrés le collage des deux substrats 60 et 64 par l'intermédiaire des deux couches d'oxyde 63 et 65, et l'élimination du substrat AsGa 60, par dissolution chimique ou abrasion + dissolution chimique.
Sur la figure 5C sont illustrées l'élimination de la couche d'arrêt 61, et l'épitaxie de quatre couches 67,68, 69 et 70 formant la cellule (couches p GaInP ; GaInP ; n GaInP ; n AlInP).
Sur la figure 5D est illustrée la réalisation de la technologie selon l'invention pour une telle cellule AsGa 72, avec des puits métallisés 72 dont les flancs sont isolés des matériaux semiconducteurs par des dépôts de matériau isolant 73, et des dépôts 74 sur des zones de dopage 75 et 76. Pour la cellule Si, il y a alors réalisation des étapes technologiques qui n'ont pas été réalisées avant le collage des deux substrats. La cellule ainsi réalisée est éclairée du côté cellule AsGa (lumière 77).
Cette variante peut être réalisée avec récupération du substrat, en remplaçant la couche d'arrêt par une zone fragilisée dans le substrat puis séparation.
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Des exemples d'empilement de jonctions peuvent être les suivants : # Cellule à deux jonctions.
- premier semi-conducteur : GaInP (gap 1,8 eV), - second semi-conducteur : silicium (1,1 eV).
# Cellule à quatre jonctions.
- premier semi-conducteur : GaInP, - second semi-conducteur : GaAs, - troisième semi-conducteur . silicium, - quatrième semi-conducteur . GaInAs.
Le dispositif selon l'invention permet donc de pallier les inconvénients de l'art antérieur en permettant une reprise de contact simple sur les cellules multi-jonctions indépendantes et ce, sans effet d'ombrage des métallisations. Le gain est important. On peut le chiffrer à environ 10% de lumière incidente supplémentaire pour un dispositif à deux cellules dont les contacts de la première cellule sont repris en face avant du dispositif.
Claims (19)
1. Dispositif photovoltaïque multijonctions à cellules (20,21, 22,23) indépendantes, caractérisé en ce qu'il comprend des reprises de contact des cellules réalisées en face avant et/ou arrière par des puits métallisés (24) dont les flancs sont isolés des matériaux constituant les différentes couches semi-conductrices.
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les lignes métallisées de collection du courant issu des puits métallisés et situées en face avant sont de section triangulaire (29).
3. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les puits métallisés (24) sont réalisés en aluminium.
4. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les puits métallisés (24) ont leurs flancs isolés des matériaux constituant les différentes couches semi-conductrices dudit'dispositif par un dépôt de matériau isolant (25).
5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel ce matériau isolant est un oxyde ou un nitrure.
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6. Procédé de réalisation d'un dispositif photovoltaïque multi-jonctions, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - réalisation de tout ou partie d'une première cellule (41,42,43), - réalisation de tout ou partie d'une deuxième cellule à partir d'un substrat support (44), cette étape comportant en outre la réalisation d'une zone apte à permettre le retrait du substrat support (44) , - dépôt sur l'une au moins des deux cellules d'une couche isolante (49), - collage des deux ensembles ainsi constitués, une couche isolante séparant ainsi les deux cellules, - retrait du substrat support (44) de la deuxième cellule, - gravure des puits (51) permettant la reprise de contact en face avant et/ou arrière du dispositif, isolation des flancs des puits (52), remplissage des puits par dépôt métallique, - réalisation des lignes métallisées permettant la collection du courant des puits en face avant et/ou arrière du dispositif.
7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel une étape de finition des cellules est réalisée préalablement à la gravure des puits.
<Desc/Clms Page number 15>
8. Procédé selon la revendication 6, dans lequel on réalise une passivation des flancs des puits (51) avant l'isolation de ceux-ci.
9. Procédé selon la revendication 6, dans lequel on réalise les lignes métallisées situées en face avant du dispositif de sorte qu'elles aient une section triangulaire (53).
10. Procédé selon la revendication 9, dans lequel on réalise ces lignes de section triangulaire par dépôt métallique, puis lithographie et enfin gravure.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 10, dans lequel le collage des deux ensembles se fait par adhésion moléculaire.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, dans lequel la réalisation de la zone apte à permettre le retrait du substrat support (44) consiste en la réalisation entre le substrat support et les couches actives de la cellule d'une couche d'arrêt à la gravure chimique du substrat support.
13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel le retrait du substrat support s'effectue par abrasion mécanique puis gravure chimique dudit substrat support.
<Desc/Clms Page number 16>
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, dans lequel la réalisation de la zone apte à permettre le retrait du substrat support (44) consiste en la réalisation dans le substrat support (44) d'une zone fragilisée apte à permettre la séparation de ce substrat support.
15. Procédé selon la revendication 14, dans lequel la réalisation dans le substrat support de la zone fragilisée s'effectue par implantation ionique.
16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 14 ou 15, dans lequel le retrait du substrat support s'effectue par traitement thermique et/ou application de forces mécaniques.
17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, dans lequel la réalisation de la zone apte à permettre le retrait du substrat support (44) consiste en la réalisation entre le substrat support et les couches actives de la cellule d'une couche sacrificielle présentant une dissolution sélective par rapport au substrat support et à ces dites couches.
18. Procédé selon la revendication 17, dans lequel le retrait du substrat support s'effectue par dissolution sélective de la couche sacrificielle.
<Desc/Clms Page number 17>
19. Utilisation du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 dans une cellule de concentration.
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