FR3012674A1 - Substrat composite a base de silicium presentant des zones actives separees par des zones d'isolation electrique comportant un feuillard en carbure de silicium - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un substrat composite (1) à base de silicium, présentant, dans un plan vertical de coupe, des zones actives (10) de silicium dopé p et/ou dopé n, chacune des zones actives s'étendant sur toute l'épaisseur (e) du substrat, deux zones actives étant séparées entre elles par au moins une zone d'isolation électrique (20) formée d'un feuillard en carbure de silicium (21), brasé entre deux couches (22) de carbure de silicium adjacentes auxdites zones actives, par des joints de brasure (23). Elle concerne encore un procédé de fabrication d'un tel substrat composite.

Description

La présente invention se rapporte à un nouveau substrat à base de silicium, divisé verticalement en plusieurs sous-cellules isolées les unes des autres, et à un procédé pour sa préparation. Un tel substrat est particulièrement avantageux dans le cadre de l'élaboration de cellules et modules photovoltaïques. Actuellement, les modules photovoltaïques (PV) sont majoritairement fabriqués à partir de l'assemblage de cellules en silicium mono- ou multi-cristallin, ces cellules étant généralement réalisées à partir de plaquettes, également appelées « wafers », de conductivité électrique p. Les matériaux de type n sont également actuellement en plein développement. Dans des modules PV de taille raisonnable, de l'ordre du m2, le standard de taille pour les plaquettes (156 x 156 mm) fait que les tensions de circuit ouvert (Vo, en terminologie anglo-saxonne) des modules PV sont limitées à quelques dizaines de Volts. Différentes voies ont été explorées pour tenter d'augmenter la tension Vo, des modules PV. Une première option pourrait consister à utiliser des matériaux autres que le silicium (Si) cristallin, notamment des semi-conducteurs présentant des amplitudes de bande interdite (ou « band gap » en langue anglaise) supérieures au 1,1 eV (électron-volt) du silicium, comme par exemple un matériau de type Si amorphe sur Si cristallin, issu de la technologie dite à hétéroj onction, ou encore des matériaux du type CdTe (tellurure de cadmium). Malheureusement, l'amélioration en termes de tensions de circuit ouvert est limitée, car l'utilisation de semi-conducteurs à bande interdite trop élevée (> 2 eV) conduit à une baisse significative de la quantité de photons absorbée et à une perte en rendement de conversion énergétique.

Une autre possibilité serait de réduire la taille des cellules par rapport au standard actuel de 156 x 156 mm, ce qui permettrait, par mise en série d'un plus grand nombre de cellules formant le module, d'accroître la valeur de la tension Vo,. Cependant cette solution rendrait plus délicate les opérations de manutention pour l'élaboration des modules. Par ailleurs, la nécessité de garder un espace entre cellules formant le module PV pour la connectique conduit à une perte de surface utile (i.e. permettant la photogénération de porteurs électriques). Cette perte de surface est plus importante avec la mise en oeuvre d'un plus grand nombre de cellules de taille réduite. Enfin, sauf à utiliser une technologie de cellule à contacts arrière (RCC, Rear Contact Cell en terminologie anglo-saxonne), cette solution pose des problèmes délicats de métallisation et de connectique. Plus récemment, Pozner et al. [1] ont envisagé par modélisation la mise en série de cellules à plans de jonction p/n verticaux, à la différence de la configuration des wafers classiques où le plan de jonction est horizontal. L'intérêt de cette approche est de pouvoir envisager un traitement de type collectif, sur substrat monolithique, pour la réalisation des cellules. Toutefois, la taille des éléments individuels est petite, de l'ordre de la centaine du micromètre, et de nombreuses questions techniques restent ouvertes quant à la réalisation en pratique d'une telle structure, dont le coût risque, par ailleurs, d'être très élevé. Il pourrait encore être envisagé de réaliser une plaquette monolithique de taille standard 156 x 156 mm, et de graver a posteriori des tranchées, par exemple par ablation laser, ce qui aurait pour effet de créer effectivement une pluralité de cellules de plus petite taille. Dans ce cadre, une architecture originale a récemment été proposée par le centre de recherche « Energy research centre of the Netherlands (ECN) » avec une structure de maintien en face avant pour s'affranchir des problèmes de manutention [2]. Cependant, le problème de passivation électrique des surfaces créées par ablation laser est complexe. Par conséquent, il demeure un besoin, en vue de l'élaboration de cellules à forte tension de circuit ouvert pour des applications photovoltaïques, de réaliser des plaquettes de silicium divisées en zones actives (dites encore « sous-cellules »), séparées entre elles par des zones d'isolation électrique. La présente invention vise précisément à proposer un nouveau substrat à base de silicium, divisé verticalement en plusieurs sous-cellules isolées les unes des autres par des zones d'isolation électrique, garantissant une bonne passivation aux interfaces entre zone active et zone d'isolation, ainsi qu'un procédé pour accéder à un tel substrat. Plus précisément, la présente invention concerne, selon un premier de ses aspects, un substrat composite à base de silicium, présentant, dans un plan vertical de coupe, des zones actives de silicium dopé p et/ou dopé n, chacune des zones actives s'étendant sur toute l'épaisseur du substrat, deux zones actives étant séparées entre elles par au moins une zone d'isolation électrique, ladite zone d'isolation électrique étant formée d'un feuillard en carbure de silicium, brasé entre deux couches de carbure de silicium adjacentes auxdites zones actives, par des joints de brasure à base de silicium et d'un ou plusieurs métaux d'apport choisis parmi le nickel, le fer, le cuivre et le praséodyme. Dans la suite du texte, et sauf indication contraire, le substrat est caractérisé lorsqu'il observé dans sa position horizontale. Autrement dit, le substrat s'étend selon au moins une direction normale à la direction verticale. Ainsi, en particulier, le substrat selon l'invention est défini comme étant divisé verticalement en sous-cellules, dans un plan vertical de coupe du substrat positionné horizontalement. Par « zone active », on entend une zone apte à la mise en oeuvre de l'effet photovoltaïque. Il s'agit d'une zone de silicium dopé p ou dopé n.

Par « zone d'isolation électrique », on entend une zone du substrat présentent une forte résistivité électrique, en particulier supérieure ou égale à 2 kflcm et avantageusement supérieure ou égale à 10 kflcm. On désignera plus simplement, dans la suite du texte, ces zones sous les appellations « zones d'isolation » ou « zones isolantes ». Selon un autre de ses aspects, la présente invention propose un procédé permettant d'accéder, de manière aisée, à un tel substrat, via la découpe d'une brique préalablement formée par assemblage de tranches de silicium dopé n et/ou dopé p, après création entre lesdites tranches de couches isolantes. La présente invention concerne ainsi un procédé de préparation d'un substrat composite à base de silicium, par découpe d'une brique présentant, dans au moins un plan de coupe, des couches actives de silicium dopé p et/ou dopé n séparées entre elles par des couches d'isolation électrique, comprenant au moins les étapes consistant en : (a) disposer de tranches de silicium dopé n et/ou p, lesdites tranches étant destinées à former, par assemblage et après création des couches d'isolation électrique, ladite brique souhaitée ; (b) former, en surface de chacune des faces des tranches destinées à être assemblées, une couche de carbure de silicium (SiC) d'épaisseur supérieure ou égale à 5 pm ; (c) intercaler un feuillard en carbure de silicium entre les faces carburées des tranches à assembler, et assembler l'ensemble par brasage à l'aide d'un alliage de brasage comprenant du silicium et un ou plusieurs métaux d'apport choisis parmi le nickel, le fer, le cuivre et le praséodyme ; et (d) découper ladite brique obtenue à l'issue de l'assemblage des tranches en étape (c), perpendiculairement aux plans d'assemblage, pour obtenir ledit substrat souhaité. On parlera indifféremment dans la suite du texte de « tranches » ou « slabs » de silicium.

De manière avantageuse, ce procédé permet, par assemblage des tranches de silicium dopé n ou p après création des couches isolantes, de maîtriser avec précision la taille des zones actives n et/ou p, ainsi que la taille des zones d'isolation électrique, dans le substrat de silicium formé. Egalement, il est possible selon l'invention, comme développé dans la suite du texte, de réaliser des structures bidimensionnelles, par exemple avec une disposition des zones actives en damier, ce qui permet avantageusement d'accroître encore le nombre de sous-cellules du substrat. Selon encore un autre de ses aspects, la présente invention concerne un dispositif photovoltaïque, en particulier une cellule photovoltaïque, comportant un substrat composite à base de silicium tel que défini précédemment. Les cellules photovoltaïques selon l'invention, divisées en une pluralité de sous-cellules de tailles contrôlées, permettent avantageusement de produire des modules PV présentant une tension de circuit ouvert accrue, tout en conservant une taille raisonnable standard de l'ordre du m2.

D'autres caractéristiques, avantages et modes d'application du substrat selon l'invention, et du procédé pour sa préparation, ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée qui va suivre, de l'exemple de réalisation de l'invention et à l'examen des dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 représente, de manière schématique, dans un plan vertical de coupe, la structure d'un substrat composite (1) conforme à l'invention, présentant quatre zones actives (10) séparées entre elles par des zones d'isolation électrique (20) ; - la figure 2 représente, en vue de dessus, l'agencement des zones actives (10) suivant un motif de type damier dans un substrat, selon un mode de réalisation particulier de l'invention ; - la figure 3 représente, de manière schématique, les différentes étapes d'un procédé de préparation d'un substrat composite conforme à l'invention.

Il convient de noter que, pour des raisons de clarté, les différents éléments sur les figures sont représentés en échelle libre, les dimensions réelles des différentes parties n'étant pas respectées.

Dans la suite du texte, les expressions « compris entre ... et ... », « allant de ... à ... » et « variant de ... à ... » sont équivalentes et entendent signifier que les bornes sont incluses, sauf mention contraire. Sauf indication contraire, l'expression « comportant/comprenant un(e) » doit être comprise comme « comportant/comprenant au moins un(e) ».

SUBSTRAT COMPOSITE Il est fait référence, dans la description qui suit, à la figure 1 annexée. Un substrat selon l'invention peut présenter une épaisseur (e) (considérée selon la direction verticale) allant de 100 à 500 lm, en particulier de 150 à 300 1.1.m.

Selon un mode de réalisation particulier, un substrat selon l'invention peut présenter une longueur totale (L) allant de 10 à 30 cm, en particulier de 15 à 20 cm. Comme évoqué précédemment, un substrat de silicium selon l'invention présente, dans un plan vertical de coupe, des zones actives (10) de silicium dopé p et/ou dopé n, séparées entre elles par des zones d'isolation électrique (20).

Un substrat selon l'invention peut par exemple comporter entre 2 et 100 zones actives, en particulier entre 5 et 10 zones actives. Selon une première variante de réalisation, les zones actives (10) d'un substrat selon l'invention peuvent être de même conductivité électrique. Autrement dit, l'ensemble des zones actives du substrat sont dopées n, ou alternativement, l'ensemble des zones actives du substrat sont dopées p. Selon une autre variante de réalisation, les zones actives (10) d'un substrat selon l'invention peuvent être de différentes conductivités électriques, de préférence de conductivités électriques alternées. Autrement dit, le substrat peut présenter une alternance de zones actives (10) dopées n et de zones actives (10) dopées p, une zone dopée n et une zone dopée p étant séparées entre elles par une zone isolante (20). Les zones en silicium dopé n peuvent comporter un ou plusieurs agents dopants de type n. Le ou lesdits agents dopants de type n peuvent être choisis parmi le phosphore (P), l'arsenic (As), l'antimoine (Sb), et leurs mélanges. De préférence, l'agent dopant de type n est le phosphore. Le taux de dopage en agents dopants de type n, par exemple en phosphore, peut être supérieur ou égale à 10 14 cm-3, en particulier compris entre 1014 à 5.1016 cm-3, encore plus particulièrement de 5.1014 à 5.1015 cm-3. Les zones dopées n peuvent présenter, indépendamment les unes des autres, une densité de porteurs de charge de type électrons allant de 1014 à 2.1016 cm-3, en particulier de 5.1014 à 5.1015 cm-3. Les zones en silicium dopé p peuvent comporter un ou plusieurs agents dopants de type p. Le ou lesdits agents dopants de type p peuvent être choisis parmi le bore (B), l'aluminium (Al), le gallium (Ga), l'indium (In), le zinc (Zn) et leurs mélanges. De préférence, l'agent dopant de type p est le bore. Le taux de dopage en agents dopants de type p, par exemple en bore, peut être supérieur ou égale à 1014 cm-3, en particulier compris entre 1014 à 5.1016 cm-3, encore plus particulièrement de 5.1014 à 1016 cm-3. Les zones dopées p peuvent présenter, indépendamment les unes des autres, une densité en porteurs de charge de type trous allant de 1014 à 2.1016 cm-3, en particulier de 14 16 cm-3. Les al° cm . Les zones actives (10) du substrat selon l'invention peuvent présenter, 20 indépendamment les unes des autres, une largeur (Li), dans le plan de coupe, allant de 1 mm à 10 cm, en particulier de 5 mm à 5 cm. Par l'expression « indépendamment les unes des autres », on entend signifier que la largeur (Li) peut différer d'une zone active à une autre. En particulier, la largeur des zones actives peut différer d'une zone active dopée 25 n à une zone active dopée p, dans le cas d'un substrat présentant des zones actives de conductivité électrique alternée. Dans ce dernier cas, les matériaux de type n étant généralement moins sensibles aux impuretés métalliques que les matériaux de type p, les courants photogénérés sont généralement plus élevés dans des zones dopées n que dans des zones dopées p. Ainsi, les 30 largeurs des zones actives dopées p et dopées n peuvent être adaptées lors de la préparation du substrat, en vue notamment d'égaler au mieux ces courants dans le substrat de silicium final.

Comme évoqué précédemment, une zone d'isolation électrique (20) du substrat selon l'invention, séparant entre elles deux zones actives, est formée d'un feuillard (21) en carbure de silicium (SiC), brasé entre deux couches (22) de SiC adjacentes aux zones actives encadrant ladite zone d'isolation électrique.

Un feuillard en SiC, intégré dans une zone isolante, peut notamment présenter une épaisseur comprise entre 50 i.tm et 5 mm, en particulier entre 250 lm et 1 mm. De préférence, le feuillard en SiC mis en oeuvre présente une résistivité électrique élevée. Il peut par exemple présenter une résistivité électrique supérieure ou égale à 1 kflcm, en particulier supérieure ou égale à 5 kflcm. A titre d'exemple, on peut utiliser le feuillard commercialisé par la société Rohm and Haas sous la référence « High resistivity grade CVD Silicon carbide ». La mise en oeuvre d'un tel feuillard en carbure de silicium permet d'assurer une bonne résistance d'isolement entre deux zones actives. De préférence, lesdites couches de SiC (22), adjacentes à chacune des zones 15 actives, présentent, indépendamment les unes des autres, une largeur (Le), dans le plan de coupe, comprise entre 5 et 50 i.tm, en particulier entre 10 et 20 i.tm. Les joints de brasure (23), qui assurent la cohésion entre le feuillard de silicium et les couches de SiC dans une zone isolante, sont à base de silicium et d'un ou plusieurs métaux d'apport choisis parmi le nickel, le fer, le cuivre et le praséodyme. 20 Comme détaillé dans la suite du texte, la nature des joints de brasure dans le substrat est susceptible de varier suivant l'application envisagée pour le substrat, notamment selon qu'il est destiné à être mis en oeuvre dans une technologie basse température de type hétérojonction, ou haute température de type homojonction, pour la réalisation d'une cellule photovoltaïque. 25 Selon une première variante de réalisation, les joints de brasure peuvent être formés de silicium et de nickel, de préférence avec une teneur atomique en silicium comprise entre 40 et 80 %, notamment entre 40 et 60 %. Selon une autre variante de réalisation, les joints de brasure peuvent être formés de silicium et de cuivre, de préférence avec une teneur atomique en silicium compris entre 30 40 et 80 % atomique, notamment entre 40 et 60 %. L'utilisation, dans les joints de brasure présents dans un substrat selon l'invention, de métaux d'apport tels que le nickel ou le cuivre, n'était nullement évidente, au regard du fait que de tels éléments métalliques sont connus pour être particulièrement nocifs pour les propriétés photovoltaïques des cellules PV. Les joints de brasure peuvent présenter, indépendamment les uns des autres, une épaisseur (Li) comprise entre 50 et 500 lm, en particulier entre 100 et 250 pm.

Les zones d'isolation électrique peuvent présenter, indépendamment les unes des autres, une largeur (L2), dans le plan de coupe, allant de 100 iam à 5 mm, en particulier de 300 iam à 1 mm. En effet, une zone d'isolation électrique trop longue dans le substrat de silicium final est susceptible de conduire à une perte de matière active et donc une baisse du rendement énergétique au niveau de la cellule photovoltaïque et du module qui seront formés à partir de ce substrat. En revanche, une zone d'isolation électrique trop courte peut s'avérer insuffisante pour assurer une bonne isolation entre les zones actives dopées n et/ou p, ce qui peut également conduire à une baisse de rendement au niveau de la cellule PV résultante. Les zones d'isolation électrique (20) présentent de préférence une résistivité supérieure ou égale à 2 kflcm, en particulier supérieure ou égale à 10 kflcm. Selon un mode de réalisation particulier, les zones actives (10) du substrat selon l'invention peuvent être agencées de manière à former un motif bidimensionnel. Par exemple, dans une vue de dessus du substrat (substrat observé suivant une direction verticale), la disposition desdites zones actives (10) peut former un motif de type damier. Le côté d'un carré (zones actives dopées p et/ou n) du damier peut être compris entre 1 mm et 10 cm, de préférence entre 5 mm et 5 cm. Dans le cadre de ce mode de réalisation particulier, les zones d'isolation électrique (20) forment alors le pourtour de chacune des zones actives. Cette configuration est par exemple représentée en figure 2. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée à une telle disposition ; différentes configurations, permettant un pavage compact de l'espace, autres qu'un motif damier, peuvent être envisagées dans le cadre de la présente invention (par exemple motifs rectangulaires, polygonaux, etc.).

FABRICATION DU SUBSTRAT Comme évoqué précédemment, un substrat composite (1) selon l'invention peut être obtenu par découpe d'une brique présentant, dans au moins un plan de coupe, un empilement de couches actives de silicium dopé p et/ou dopé n séparées entre elles par des couches d'isolation électrique, ladite brique étant préalablement élaborée par assemblage de tranches de silicium dopé n et/ou p après création des couches intermédiaires d'isolation électrique. Il est fait référence dans la description qui suit à la figure 3 annexée. Plus particulièrement, un substrat composite à base de silicium (1) selon l'invention peut être formé via au moins les étapes consistant en : (a) disposer de tranches (110) de silicium dopé n et/ou p, lesdites tranches étant destinées à former, par assemblage et après création des couches d'isolation électrique, ladite brique (100) souhaitée ; (b) former, en surface de chacune des faces des tranches (110) destinées à être assemblées, une couche (220) de carbure de silicium (SiC) d'épaisseur supérieure ou égale à5 µm; (c) intercaler un feuillard (210) en carbure de silicium entre les faces carburées des tranches à assembler, et assembler l'ensemble par brasage à l'aide d'un alliage de brasage comprenant du silicium et un ou plusieurs métaux d'apport choisis parmi le nickel, le fer, le cuivre et le praséodyme ; et (d) découper ladite brique (100) obtenue à l'issue de l'assemblage des tranches en étape (c), perpendiculairement aux plans d'assemblage (110) et (220), pour obtenir ledit substrat (1) souhaité. Bien entendu, la nature, le nombre et les dimensions, notamment l'épaisseur, 25 des tranches (ou « slabs ») de silicium mises en oeuvre en étape (a) sont ajustés au regard de la brique souhaitée, et plus particulièrement au regard de la structure du substrat que l'on souhaite former, notamment du nombre et de la dimension des zones actives souhaitées. Dans un mode de réalisation particulier, dans le cas où l'on souhaite former un substrat composite comportant des zones actives de même conductivité (dopées n ou 30 dopées p), les slabs de silicium en étape (a) peuvent être avantageusement issus de la découpe d'une brique (4) en silicium (dopé n ou dopé p). Cette brique est désignée par la suite comme « brique de départ » pour la distinguer de la brique (100), dite « brique finale », reconstituée par assemblage des slabs à l'issue de l'étape (c). La brique de départ en silicium dopé n ou dopé p peut être issue de la découpe d'un lingot de silicium monocristallin formé, selon des techniques connues de l'homme du métier, par solidification dirigée, par exemple par une méthode de tirage telle que la méthode de tirage Czochralski ou la méthode dite de Bridgman, ou encore par une méthode de refroidissement sous gradient, encore connue sous l'appellation « gradient freeze » en langue anglaise. De préférence, les tranches (110) de silicium sont obtenues par découpe de la 10 brique de départ, parallèlement à la direction de croissance du lingot. Une telle orientation de découpe permet avantageusement de s'affranchir des problèmes de ségrégation des dopants et impuretés du lingot. Alternativement, dans le cas où l'on souhaite former un substrat présentant à la fois des zones actives dopées n et des zones actives dopées p, les tranches de silicium mises 15 en oeuvre en étape (a) du procédé de l'invention peuvent être issues de la découpe de deux briques distinctes de conductivité électrique opposée. Les couches de SiC peuvent être formées en étape (b) uniquement sur la ou les face(s) des tranches destinée(s) à être en regard d'une autre tranche de silicium dans la 20 brique finale. L'homme du métier est à même de mettre en oeuvre en étape (b) des techniques connues pour former, en surface des faces des tranches, les couches de carbure de silicium d'épaisseur souhaitée. Les couches de SiC peuvent être par exemple élaborées par dépôt chimique en 25 phase vapeur (connu sous l'abréviation CVD ou « Chemical Vapor Deposition » en langue anglaise), selon toute méthode connue de l'homme du métier. Le dépôt par CVD consiste, d'une manière générale, à la mise en phase vapeur d'un ou plusieurs précurseurs du ou des éléments (dans le cas présent, un ou plusieurs précurseurs de Si et de C), suivi de la décomposition thermique des précurseurs sur le substrat pour former la couche souhaitée. 30 Il relève des compétences de l'homme du métier d'ajuster les conditions du dépôt chimique en phase vapeur, en particulier en termes de température et de durée, pour la formation de la couche de SiC souhaitée.

Le dépôt par CVD peut être par exemple opéré à une température comprise entre 1 000 et 1 400°C, en particulier entre 1 100 et 1 300°C. Selon un mode de réalisation particulier, une couche de SiC peut être réalisée via les deux étapes suivantes : (i) carburation du silicium en surface de la tranche à revêtir par dépôt chimique en phase vapeur à partir d'un précurseur carboné. Le précurseur carboné peut être par exemple du méthane ou propane. Une telle étape permet de former en surface des tranches à assembler une couche fine de SiC d'épaisseur comprise entre 200 et 1 000 nm. (ii) croissance de la sous-couche de carbure de silicium formée en étape (i), par dépôt chimique en phase vapeur à partir du mélange d'un précurseur carboné et d'un précurseur contenant du silicium pour former ladite couche de SiC attendue. Le précurseur contenant du silicium peut être par exemple du silane. Alternativement, une couche (220) de SiC peut être réalisée par dépôt chimique en phase vapeur à partir d'un précurseur contenant à la fois du silicium et du carbone, comme par exemple du triméthylsilane. De préférence, les couches de SiC formées en surface des tranches à assembler présentent, indépendamment les unes des autres, une épaisseur (Le) comprise entre 5 et 50 iam, en particulier entre 10 et 201.1.m.

On désigne, par la suite, la face d'une tranche revêtue par une couche de SiC, par « face carburée ». Dans une troisième étape (c) du procédé de l'invention, un feuillard en SiC, en particulier tel que décrit précédemment, est brasé entre les faces carburées de deux tranches à assembler. L'assemblage de l'ensemble des tranches de silicium selon l'étape (c) permet ainsi de constituer la brique (100) souhaitée. Selon un mode de réalisation particulier, comme décrit en exemple 1 et illustré en figure 3, la brique (100) peut être simplement (re)constituée en empilant des tranches 30 carburées les unes sur les autres, avec des feuillards de SiC brasés entre deux tranches successives.

D'une manière générale, l'assemblage par brasage consiste à mettre en contact les pièces à assembler (tranches de silicium carburées, feuillard en SiC) avec une composition de brasage, appelée brasure, capable de mouiller et de s'étaler sur les interfaces à assembler pour remplir le joint entre les pièces, à chauffer l'ensemble formé par les pièces et la composition de brasure à une température de brasage suffisante pour faire fondre la composition de brasure. Après refroidissement, la brasure se solidifie et assure la cohésion de l'assemblage. Le brasage peut être effectué selon des techniques connues de l'homme du métier, par exemple rappelées dans le document FR 2 949 696.

Le brasage selon l'invention peut être par exemple effectué en « configuration capillaire », avec une infiltration de la brasure liquide dans le joint de brasage pendant le cycle de brasage. Le brasage peut être opéré dans un four, en particulier sous vide et plus particulièrement sous vide secondaire (pression de 101 à 10-5 Pa).

Il relève des connaissances générales de l'homme du métier d'ajuster les conditions de mise en oeuvre du brasage, notamment en termes de durée et de température, pour obtenir une bonne adhérence entre les pièces à assembler. Comme précisé précédemment, la composition de brasure mise en oeuvre est un alliage contenant du silicium et un ou plusieurs métaux d'apport. Les métaux d'apport sont choisis parmi le nickel, le fer, le cuivre, le praséodyme et leurs mélanges. De tels alliages de brasure permettent avantageusement d'opérer le brasage dans des conditions, notamment de température, adéquates pour limiter, voire s'affranchir du risque de solubilisation du carbone, des couches microniques de SiC formées en surface des tranches, dans l'alliage de brasage, ce qui pourrait conduire à une délamination des couches déposées. Une limitation de la température de brasage permet également d'éviter la diffusion des métaux contenus dans l'alliage de brasure, ces éléments métalliques pouvant être préjudiciables pour les propriétés photovoltaïques de par leur action en matière de recombinaison des porteurs de charge minoritaires.

De manière avantageuse, le brasage à l'aide d'un alliage de brasure selon l'invention peut être réalisé à une température ne dépassant pas 1 300°C, en particulier comprise entre 500 et 1 300°C, plus particulièrement entre 900 et 1 200°C. La durée du brasage peut aller de 30 minutes à 4 heures, notamment de 1 heure à 3 heures. Comme évoqué précédemment, la composition de l'alliage de brasage mis en oeuvre dans le procédé de l'invention peut être ajustée au regard de l'application envisagée pour le substrat, notamment selon qu'il est destiné à être mis en oeuvre dans une technologie basse température de type hétérojonction, ou haute température de type homojonction, pour la réalisation d'une cellule photovoltaïque. Ainsi, dans le cas où le substrat composite de l'invention est destiné à être mis en oeuvre dans une technologie dite « haute température », de type homojonction, pour l'élaboration d'une cellule photovoltaïque, il convient que les joints de brasure présentent une tenue mécanique et une étanchéité satisfaisantes, même lorsqu'ils sont portés à des hautes températures, en particulier à des températures supérieures à 800°C, de préférence supérieures à 900°C. Dans le cadre de cette variante de réalisation, l'alliage de brasage mis en oeuvre 15 en étape (c) présente de préférence une température de fusion supérieure ou égale à 900°C, en particulier supérieure ou égale à 1 000°C. La mise en oeuvre d'un tel alliage de brasage autorise avantageusement l'utilisation du substrat final selon l'invention dans tout type de procédé pour la réalisation d'une cellule PV, qu'il s'agisse d'une technologie basse température, de type 20 hétérojonction, ou haute température, de type homojonction. Dans un mode de réalisation particulièrement préféré, l'alliage de brasage utilisé en étape (c) peut être un alliage binaire constitué de silicium et de nickel. De préférence, cet alliage binaire comporte une teneur en silicium comprise entre 40 et 80 % atomique, et plus préférentiellement comprise entre 40 et 60 % atomique. 25 Selon une autre variante de réalisation, dans le cas où le substrat composite de l'invention est uniquement destiné à être utilisé dans une technologie dite « basse température », de type hétérojonction, pour l'élaboration d'une cellule PV, il suffit que l'alliage de brasage présente une température de fusion supérieure ou égale à 500°C. Dans un mode de réalisation particulièrement préféré, l'alliage de brasage 30 utilisé en étape (c) peut être un alliage binaire constitué de silicium et de cuivre. De préférence, cet alliage binaire comporte une teneur en silicium comprise entre 40 et 80 % atomique, en particulier entre 40 et 60 % atomique.

La brique finale ainsi obtenue à l'issue de l'étape (c), présentant dans au moins un plan de coupe, un empilement de couches actives de silicium dopé p et/ou dopé n séparées entre elles par des couches d'isolation électrique, est ensuite découpée, selon une direction de découpe parallèle à la direction (I) d'empilement desdites couches, comme représenté schématiquement en figure 3c, pour obtenir le substrat souhaité. Cette découpe peut être opérée par toute méthode classique connue de l'homme du métier, par exemple à l'aide d'une scie à fil de diamant ou encore en utilisant des grains de SiC comme abrasifs. Les dimensions de la tranche découpée sont bien entendu choisies au regard des 10 dimensions du substrat de silicium souhaité, en particulier de son épaisseur (e) et de sa longueur (L). Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée à la variante illustrée en figure 3, dans laquelle la brique (100) est formée par simple empilement de tranches de silicium 15 après création des couches intermédiaires d'isolation électrique. Il est entendu que l'homme du métier est à même de mettre en oeuvre des assemblages plus complexes des slabs de silicium, en vue d'obtenir, via l'une ou l'autre des variantes décrites précédemment, les substrats de silicium souhaités. Par exemple, dans le cadre de l'élaboration d'un substrat de silicium présentant 20 des zones actives agencées selon un motif bidimensionnel de type damier, comme évoqué précédemment, il est entendu que les slabs de silicium sont alors assemblés suivant deux directions perpendiculaires d'empilement, pour former une brique adéquate qui fournira par découpe un tel substrat. 25 DISPOSITIFS PHOTOVOLTAIOUES L'invention concerne encore, selon un autre de ses aspects, un dispositif photovoltaïque, en particulier une cellule photovoltaïque ou un module photovoltaïque, comportant au moins un substrat composite à base de silicium selon l'invention. L'homme du métier est à même de mettre en oeuvre les traitements adéquats 30 classiques, pour l'élaboration d'une cellule photovoltaïque (PV), à partir d'un substrat selon l'invention.

Comme évoqué précédemment, un substrat selon l'invention peut être mis en oeuvre dans tout type de procédé pour la réalisation d'une cellule PV, par exemple dans des technologies dites « basse température » de type hétérojonction, des technologies « haute température » de type homojonction, ou des technologies de cellules PV à contacts arrière, etc... Une cellule PV, élaborée à partir d'un substrat composite selon l'invention, est subdivisée en sous-cellules de plus petite taille. De telles cellules PV permettent avantageusement de produire un niveau de tension élevé, tout en débitant moins de courant. Les cellules PV obtenues selon l'invention peuvent alors être assemblées pour élaborer un module photovoltaïque de taille raisonnable, classiquement de dimension de l'ordre du m2, et présentant une tension accrue par rapport aux modules élaborés à partir de cellules classiques. Selon encore un autre de ses aspects, l'invention concerne ainsi un module photovoltaïque formé d'un ensemble de cellules photovoltaïques selon l'invention.

L'invention va maintenant être décrite au moyen de l'exemple suivant, donné bien entendu à titre illustratif et non limitatif de l'invention. EXEMPLE (a) Tranches de silicium Une brique de silicium (4) dopé au bore à 1016 atm/cm3, de 156 x 156 mm2 de base et de 250 mm de haut, est découpée en 6 tranches (110), encore appelées « slabs », d'environ 25 mm de largeur (Figure 3a). (b) Couches de SiC Une couche de SiC (220) de 10 .im d'épaisseur est formée par CVD sur les faces des slabs destinées à être réassemblées (Figure 3b). Cette couche est réalisée en deux étapes selon des techniques connues de l'homme de l'art : on utilise d'abord un précurseur propane à 1 200°C pendant 30 minutes pour former une sous-couche d'environ 500 nm d'épaisseur, puis on injecte un précurseur triméthylsilane pendant 2 heures toujours à 1 200°C. (c) Assemblage par brasage Les slabs carburés sont brasés sur un feuillard de SiC (210) de 500 iam d'épaisseur et de haute résistivité (commercialisé par Rohm and Haas sous la référence « High resistivity grade CVD Silicon carbide »).

Pour la brasure, on utilise un alliage de composition équimolaire en nickel et silicium. Le brasage est réalisé par infiltration capillaire selon des techniques connues de l'homme du métier à une température de 1 100°C sous vide secondaire. La durée du procédé, limitée en pratique par la désoxydation du SiC, est de deux heures.

Les faces des slabs et du feuillard de SiC n'étant par rigoureusement parallèles (tolérances du procédé de découpe au fil et d'élaboration du feuillard), l'épaisseur des joints de brasure (230) est variable entre 100 et 250 iam. A l'issue de ce traitement, la brique (100) reconstituée peut être manipulée (Figure 3c). (d) Découpe de la brique La brique (100) formée par assemblage est découpée en wafers d'épaisseur de 200 iam dans un dispositif industriel (machine B5 de la société Applied Materials). Les wafers obtenus comprennent 6 zones actives, séparées entre elles par des zones d'isolation électrique de 600 à 900 iam de largeur (Figure 3d). Références : [1] Pozner et al., Progress in Photovoltaics 20 (2012), 197 ; [2] Mewe et al., Silicon PV Conference, March 25-27, 2013, XIS: A Low- Current, High-Voltage Back-Junction Back-Contact Device, Energy Procedia (2013).

Claims (13)

1. REVENDICATIONS1. Substrat composite (1) à base de silicium, présentant, dans un plan vertical de coupe, des zones actives (10) de silicium dopé p et/ou dopé n, chacune des zones actives s'étendant sur toute l'épaisseur (e) du substrat, deux zones actives étant séparées entre elles par au moins une zone d'isolation électrique (20), ladite zone d'isolation électrique (20) étant formée d'un feuillard en carbure de silicium (21), brasé entre deux couches (22) de carbure de silicium adjacentes auxdites zones actives, par des joints de brasure (23) à base de silicium et d'un ou plusieurs métaux d'apport choisis parmi le nickel, le fer, le cuivre et le praséodyme.
2. 2. Substrat selon la revendication précédente, dans lequel lesdites zones actives (10) présentent, indépendamment les unes des autres, une largeur (Li) comprise entre 1 mm et 10 cm, en particulier entre 5 mm et 5 cm.
3. 3. Substrat selon la revendication 1 ou 2, dans lequel chacune des zones d'isolation électrique (20) présente une largeur (L2) comprise entre 100 iam et 5 mm, en particulier entre 300 lm et 1 mm.
4. 4. Substrat selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la disposition desdites zones actives (10) dans le substrat, observé suivant une direction verticale, forme un motif bidimensionnel, en particulier de type damier, avec le côté d'un carré étant plus particulièrement compris entre 1 mm et 10 cm, notamment entre 5 mm et 5 cm, lesdites zones d'isolation électrique (20) formant le pourtour de chacune des zones actives.
5. 5. Substrat selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les joints de brasure (23) sont à base de silicium et de cuivre, en particulier avec une teneur atomique en silicium comprise entre 40 et 80 %, notamment entre 40 et 60 %.
6. 6. Substrat selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lesdites couches (22) à base de SiC présentent, indépendamment les unes des autres, une largeur (Le) comprise entre 5 et 50 pm, en particulier entre 10 et 20 p.m.
7. 7. Procédé de préparation d'un substrat composite (1) à base de silicium, par découpe d'une brique (100) présentant, dans au moins un plan de coupe, des couches actives (110) de silicium dopé p et/ou dopé n séparées entre elles par des couches d'isolation électrique (200), comprenant au moins les étapes consistant en :(a) disposer de tranches de silicium (110) dopé n et/ou p, lesdites tranches étant destinées à former, par assemblage et après création des couches d'isolation électrique, ladite brique (100) souhaitée ; (b) former, en surface de chacune des faces des tranches (110) destinées à être assemblées, une couche (220) de carbure de silicium (SiC) d'épaisseur supérieure ou égale à5 ; (c) intercaler un feuillard (210) en carbure de silicium entre les faces carburées des tranches à assembler, et assembler l'ensemble par brasage à l'aide d'un alliage de brasage comprenant du silicium et un ou plusieurs métaux d'apport choisis parmi le nickel, le fer, le cuivre et le praséodyme ; et (d) découper ladite brique (100) obtenue à l'issue de l'assemblage des tranches en étape (c), perpendiculairement aux plans d'assemblage, pour obtenir ledit substrat (1) souhaité.
8. 8. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel ladite couche (220) de SiC formée en étape (b) présente une épaisseur (Le) comprise entre 5 et 50 pm, en particulier entre 10 et 20 pm.
9. 9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, dans lequel ladite couche (220) de SiC est formée en étape (b) par dépôt chimique en phase vapeur (CVD), opéré en particulier à une température comprise entre 1 000°C et 1 400°C.
10. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, dans lequel le brasage en étape (c) est opéré à une température comprise entre 500 et 1 300°C, en particulier entre 900 et 1 200°C.
11. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, dans lequel le brasage en étape (c) est opéré pendant une durée allant de 30 minutes à 4 heures, en particulier de 1 heure à 3 heures.
12. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, dans lequel l'alliage de brasage est un alliage binaire constitué de silicium et de nickel, comportant en particulier une teneur en silicium comprise entre 40 et 80 % atomique, notamment entre 40 et 60 % atomique.
13. 13. Dispositif semi-conducteur, en particulier cellule photovoltaïque, comportant un substrat composite à base de silicium tel que défini selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.