FR2963704A1 - Cellule photovoltaïque et capteur autonome - Google Patents

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Christophe Regnier
Olivier Hinsinger
Daniel Gloria
Pascal Urard
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STMicroelectronics SA
STMicroelectronics Crolles 2 SAS
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STMicroelectronics SA
STMicroelectronics Crolles 2 SAS
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Abstract

L'invention concerne un dispositif autonome comprenant une plaquette de silicium (1) dont la face avant comporte une première couche d'un premier type de conductivité (2) et une deuxième couche d'un deuxième type de conductivité (3) formant une cellule photovoltaïque ; des premiers vias (4) traversant la plaquette à partir de la face arrière de la première couche (2) et des seconds vias (5) traversant la plaquette à partir de la face arrière de la deuxième couche (3) ; des niveaux de métallisation (9, 10) sur la face arrière de la plaquette, le niveau externe de ces niveaux de métallisation définissant des plots de contact (14) ; une antenne (13) formée dans l'un des niveaux de métallisation ; et une ou plusieurs puces montées sur lesdits plots ; les niveaux de métallisation étant conformés pour assurer des interconnexions choisies entre les différents éléments du dispositif.

Description

B10436 - 10-GR3-172 1 CELLULE PHOTOVOLTAÏQUE ET CAPTEUR AUTONOME
Domaine de l'invention La présente invention concerne une cellule photovoltaïque, et des dispositifs autonomes associant divers composants électroniques, une cellule photovoltaïque et une antenne.
Exposé de l'art antérieur Dans diverses applications, on cherche à former des dispositifs électroniques autonomes, c'est-à-dire des dispositifs assemblant diverses fonctions électroniques et des moyens d'alimentation rechargeables. A titre d'exemple, on cherche à réaliser des capteurs alimentés par une pile rechargeable par effet photovoltaïque, ces capteurs étant susceptibles d'émettre, sur demande ou périodiquement, les informations qu'ils contiennent. De façon générale, de tels dispositifs autonomes sont 15 fabriqués en assemblant des composants séparés. Résumé Un objet de la présente invention est de prévoir une structure de cellule photovoltaïque adaptée en particulier à la réalisation de composants autonomes. 20 Un autre objet de la présente invention est de prévoir un assemblage de composants constituant un dispositif autonome qui soit particulièrement compact.
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2 Un autre objet de la présente invention est de prévoir un tel dispositif autonome réalisé en utilisant des techniques éprouvées dans les domaines de la fabrication et de l'assemblage des semiconducteurs.
Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit une cellule photovoltaïque comprenant une plaquette de silicium dont la face avant comporte une première couche d'un premier type de conductivité et une deuxième couche d'un deuxième type de conductivité formant une cellule photovol- taïque ; des premiers vias traversant la plaquette à partir de la face arrière de la plaquette jusqu'à la face arrière de la première couche ; et des seconds vias traversant la plaquette à partir de la face arrière de la plaquette jusqu'à la face arrière de la deuxième couche.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la face arrière est munie de niveaux de métallisation dont au moins un comprend une antenne. Un mode de réalisation de la présente invention pré-voit un dispositif autonome comprenant une plaquette de silicium dont la face avant comporte une première couche d'un premier type de conductivité et une deuxième couche d'un deuxième type de conductivité formant une cellule photovoltaïque ; des premiers vias traversant la plaquette à partir de la face arrière de la première couche et des seconds vias traversant la plaquette à partir de la face arrière de la deuxième couche ; des niveaux de métallisation sur la face arrière de la plaquette, le niveau externe de ces niveaux de métallisation définissant des plots de contact ; une antenne formée dans l'un des niveaux de métallisation ; et une ou plusieurs puces montées sur lesdits plots ; les niveaux de métallisation étant conformés pour assurer des interconnexions choisies entre les différents éléments du dispositif. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la zone à la verticale de l'antenne est dépourvue de vias.
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3 Selon un mode de réalisation de la présente invention, les puces sont une batterie, un capteur et un générateur radio-fréquence. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 5 la face arrière de la plaquette et les puces sont noyées dans une résine. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante 10 de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 est une vue en coupe schématique illustrant un capteur autonome sans fil selon un exemple particulier de réalisation, et 15 la figure 2 est une vue de dessus schématique illustrant un exemple de la face inférieure d'une partie d'une plaquette de silicium utilisée dans le capteur autonome de la figure 1. Comme cela est habituel dans la représentation des 20 circuits intégrés, les diverses vues en coupe de composants ne sont pas tracées à l'échelle. Description détaillée On considère ici un dispositif autonome sans fil comprenant l'association d'un capteur et d'un émetteur (éven- 25 tuellement d'un récepteur) sans fil. L'émetteur comporte une antenne émettant des signaux de fréquence radio. Ce dispositif comprend une alimentation autonome comportant une batterie reliée à une cellule photovoltaïque. Ce dispositif autonome est réalisé à partir d'une 30 unique plaquette de silicium. Sur une première face de la plaquette, est réalisée une cellule photovoltaïque. Sur une deuxième face de la plaquette, sont réalisés des niveaux d'interconnexion et sont formés des plots de contact aptes à recevoir des composants correspondant aux divers composants du 35 dispositif autonome (capteur, émetteur, éventuellement récep- B10436 - 10-GR3-172
4 teur, batterie...). L'antenne peut être formée à partir d'un niveau de métallisation faisant partie des niveaux d'inter-connexion. La figure 1 est une vue en coupe d'un exemple de 5 réalisation d'un tel capteur autonome. La partie supérieure de la figure 1 représente une structure particulière de cellule photovoltaïque. La face supérieure d'une plaquette de silicium 1 comprend une couche 2 de type P et une couche 3 de type N formant la jonction PN de la 10 cellule photovoltaïque. Des vias 4 s'étendent à partir de la face inférieure de la couche 2 et traversent toute la plaquette 1 jusqu'à sa face inférieure. De même, des vias 5 s'étendent à partir de la face inférieure de la couche 3 et traversent toute la plaquette 1. Les parois verticales des vias 4 et 5 sont 15 recouvertes d'une couche isolante 6, puis remplies ou gainées sur l'intégralité de leur surface interne, y compris le fond, d'une couche métallique 7. Le fait de prendre des contacts avec les couches 2 et 3 par des vias partant de la face inférieure de la plaquette 1 20 permet d'éviter l'utilisation d'un peigne conducteur de prise de contact sur la surface supérieure de la couche 2. Un tel peigne est ou bien en un conducteur transparent ce qui est coûteux et pose des problèmes technologiques, ou bien en un métal tel que de l'aluminium ce qui obscurcit une partie de la face supérieure 25 de la cellule et réduit son rendement. La face arrière de la plaquette 1 est revêtue d'une couche isolante 8, et porte des niveaux d'interconnexion comprenant un premier niveau de métallisation 9 interne et un second niveau de métallisation 10 externe. Les premier et second 30 niveaux de métallisation sont espacés par une couche isolante 11, au travers de laquelle des trous verticaux 12 remplis de métal établissent les connexions souhaitées entre les premier et second niveaux de métallisation. Bien que l'on ne décrive ici que deux niveaux de métallisation, on comprendra que le nombre B10436 - 10-GR3-172
de niveaux de métallisation sera choisi en fonction des inter-connexions à réaliser entre les éléments du dispositif. Les vias 4 et 5 débouchent sur le niveau de métallisation 9. La couche métallique 7 des vias est connectée élec- 5 triquement à des portions du niveau de métallisation 9. Dans une zone du dispositif, à la verticale de laquelle il n'y pas de via 4 ou 5, une antenne 13 est formée dans un niveau de métallisation, ici le niveau de métallisation 10.
Le niveau de métallisation 10 présente également des plots de contact 14, délimités par des ouvertures dans une couche isolante 15 recouvrant la métallisation 10. Ces plots 14 sont aptes à recevoir des composants sous forme de puces munies de bornes 16. Chacune des bornes 16 des puces est liée à l'un des plots 14 par l'intermédiaire de billes de contacts 17. De gauche à droite, ces composants sont un capteur 18, une batterie 19 et un générateur de fréquence radio 20 qui transforme les signaux électriques émis par le capteur en signaux de fréquence radio destinés à l'antenne 13.
L'ensemble des puces 18, 19 et 20 est noyé dans une résine de protection 21. Les métallisations des niveaux d'interconnexion sont conformés notamment pour que : - l'ensemble des premiers vias 4 soit relié à une première 25 borne de la batterie 19 ; - l'ensemble des seconds vias 5 soit relié à une seconde borne de la batterie 19 ; - la batterie 19 soit connectée au capteur 18 et au générateur de fréquence radio 20 ; et 30 - le capteur 18 soit connecté au générateur de fréquence radio 20. La figure 2 est une vue de dessus schématique illustrant un exemple de la face inférieure d'une partie de la plaquette de silicium 1 du dispositif autonome. En figure 2, B10436 - 10-GR3-172
6 seules les projections des vias 4 et 5 et de l'antenne 13 sont représentées. L'antenne est située en périphérie du dispositif, dans une zone dépourvue de vias 4 ou 5.
Dans cet exemple, l'antenne est de type parapluie. Elle est composée de deux lignes métalliques, chacune en forme de L, juxtaposées dos à dos. Chaque ligne métallique comprend une première branche, respectivement 31, 33, et une deuxième branche, respectivement 32, 34, perpendiculaire à la première branche. Les branches 31, 33 sont parallèles l'une à l'autre. Les deuxièmes branches sont en vis-à-vis. La longueur des premières branches réalise une adaptation d'impédance avec les niveaux d'interconnexion. La longueur des deuxièmes branches détermine la bande spectrale d'émission.
A titre d'exemple, la plaquette de silicium 1 peut avoir une surface de 1 à 4 cm2 (1 à 2 cm de côté). Les dimensions de la plaquette seront choisies, d'une part, pour que la cellule photovoltaïque fournisse une puissance suffisante, d'autre part, pour pouvoir recevoir les puces adaptées au dispositif souhaité. La couche 2 de type de conductivité P peut avoir une épaisseur de 2 à 5 }gym et la couche 3 de type de conductivité N peut avoir une épaisseur de 5 à 15 }gym. La plaquette 1 est de préférence amincie pour avoir une épaisseur de 100 à 200 }gym. Les premiers et seconds vias peuvent avoir des dimensions latérales de 1 à 10 }gym. L'antenne 13 est de préférence destinée à émettre dans le domaine des ondes millimétriques et les bandes de métallisation qui la composent ont par exemple des largeurs de 5 à 10 }gym. Le dispositif décrit permet d'atteindre les objets 30 visés et présente notamment les avantages suivants : - il est particulièrement compact puisque la cellule photovoltaïque, les niveaux d'interconnexion et l'antenne sont formés sur une seule plaquette ; B10436 - 10-GR3-172
7 la réalisation du dispositif ne nécessite que des étapes technologiques éprouvées dans le domaine de la fabrication des semiconducteurs ; la cellule photovoltaïque à base de silicium monocristallin assure un rendement élevé ; la conductivité élevée du silicium monocristallin de la cellule photovoltaïque rend possible d'espacer largement les vias collectant les charges issues de la cellule photo-voltaïque ; la surface de la zone non active de la cellule photo-voltaïque, dépourvue de vias, est faible ; et comme l'illustre la figure 2, aucun via n'est présent dans le demi-espace situé au-dessus de l'antenne ; ainsi aucune région conductrice susceptible de perturber le rayonnement de l'antenne 13 n'est présente. Des variantes de dispositif autonome sans fil peuvent consister à : multiplier le nombre et le type de capteurs connectés à la face inférieure de la plaquette, - ne pas connecter de batterie si les mesures ne doivent être effectuées que sous une condition d'éclairement minimale permettant à la cellule photovoltaïque d'alimenter directement le capteur et le générateur radiofréquence, ajouter des puces de signalisation sonore ou visuelle, pour 25 former un répéteur d'alarme par exemple, et - ajouter une puce de réception de radiofréquence, afin qu'un système distant puisse commander le dispositif. Bien entendu, la présente invention est susceptible de nombreuses variantes en ce qui concerne les épaisseurs des 30 couches et ou du substrat, la position de l'antenne et les dimensions qui seront choisies par l'homme de l'art en fonction des performances désirées du dispositif. Par ailleurs, diverses modifications et variantes connues de réalisation d'une cellule photovoltaïque sur 35 plaquette de silicium pourront être utilisées. En particulier, B10436 - 10-GR3-172
8 les couches constituant la cellule photovoltaïque pourront être déposées sur un support non plan pour augmenter le rendement de la cellule et sa sensibilité à des éclairements obliques. Par exemple, la surface de la jonction peut être développée en utilisant des techniques connues de croissance sélective ou de gravure du silicium pour créer des tranchées dans lesquelles est formée la jonction PN.

Claims (6)

  1. REVENDICATIONS1. Cellule photovoltaïque comprenant : une plaquette de silicium (1) dont la face avant comporte une première couche d'un premier type de conductivité (2) et une deuxième couche d'un deuxième type de conductivité (3) formant une cellule photovoltaïque ; des premiers vias (4) traversant la plaquette à partir de la face arrière de la plaquette jusqu'à la face arrière de la première couche (2) ; et des seconds vias (5) traversant la plaquette à partir 10 de la face arrière de la plaquette jusqu'à la face arrière de la deuxième couche (3).
  2. 2. Cellule photovoltaïque selon la revendication 1, dans laquelle la face arrière est munie de niveaux de métallisation dont au moins un comprend une antenne. 15
  3. 3. Dispositif autonome comprenant : une plaquette de silicium (1) dont la face avant comporte une première couche d'un premier type de conductivité (2) et une deuxième couche d'un deuxième type de conductivité (3) formant une cellule photovoltaïque ; 20 des premiers vias (4) traversant la plaquette à partir de la face arrière de la première couche (2) et des seconds vias (5) traversant la plaquette à partir de la face arrière de la deuxième couche (3) ; des niveaux de métallisation (9, 10) sur la face 25 arrière de la plaquette, le niveau externe de ces niveaux de métallisation définissant des plots de contact (14) ; une antenne (13) formée dans l'un des niveaux de métallisation ; et une ou plusieurs puces montées sur lesdits plots ; 30 les niveaux de métallisation étant conformés pour assurer des interconnexions choisies entre les différents éléments du dispositif.B10436 - 10-GR3-172 10
  4. 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel la zone à la verticale de l'antenne (13) est dépourvue de nias (4,
  5. 5). 5. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, dans 5 lequel les puces sont une batterie (19), un capteur (18) et un générateur radiofréquence (20).
  6. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel la face arrière de la plaquette et les puces sont noyées dans une résine (21).
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