FR3026228A1 - Dispositif semi-photovoltaique semi-transparent a cellules en serie par interconnexion monolithique - Google Patents
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Abstract
La fabrication d'un dispositif photovoltaïque comprend la fourniture d'un substrat transparent dans tout ou partie du spectre solaire, la formation, sur le substrat, d'un empilement de couches minces incluant une première couche formant une électrode arrière, une deuxième couche photo-absorbante dans le spectre solaire, une troisième couche (60) formant une électrode avant et une quatrième couche tampon entre les deuxième et troisième couches, cet empilement constituant une pluralité de cellules photovoltaïques adjacentes entre elles sur le substrat, la formation d'une pluralité de trous (70) au sein de chaque cellule et traversant chacun l'épaisseur des première, deuxième, troisième et quatrième couches (60) pour déboucher vers le substrat, comprenant la mise en œuvre d'au moins une première étape de lift-off utilisant un premier ensemble d'éléments d'une première résine déposés sur le substrat préalablement à la formation de ladite première couche, et la mise en série électrique entre elles de tout ou partie desdites cellules adjacentes par interconnexion monolithique utilisant un deuxième ensemble d'éléments d'une deuxième résine déposés sur le substrat préalablement à la formation de ladite première couche. Il est aussi décrit un procédé de fabrication du dispositif photovoltaïque.
Description
Dispositif semi-photovoltaïque semi-transparent à cellules en série par interconnexion monolithique Domaine technique de l'invention L'invention concerne le domaine des dispositifs photovoltaïques comprenant un substrat transparent dans tout ou partie du spectre solaire et un empilement de couches minces constituant une pluralité de cellules associées en série électriquement par interconnexion monolithique et présentant également des propriétés de transparence à travers son épaisseur. État de la technique Dans le domaine du photovoltaïque en couches minces, l'interconnexion monolithique est une technique connue permettant la mise en série électrique de plusieurs cellules photovoltaïques entre elles pour constituer des modules photovoltaïques de grande surface, typiquement de l'ordre du m2. Classiquement, le principe de cette technique repose sur la formation d'une alternance de dépôts et de gravures qui aboutit à la mise en série électrique de plusieurs cellules tout en supprimant le recours à des connexions filaires lourdes et peu esthétiques, comme c'est le cas habituellement pour les modules en silicium cristallin. Ces modules peuvent par exemple être installés en « plein champ » pour servir de centrale de production d'électricité dans des zones fortement ensoleillées. Ils peuvent également servir à l'alimentation d'une installation domestique ou industrielle en étant agencés en toiture.
Dans le cas de l'habitat par exemple ou des bâtiments de bureau, un module photovoltaïque peut être pris directement comme matériau de construction pour une toiture ou une façade : on parle alors de « Building Integrated Photovoltaics » ou « BIPV » et ce marché présente un fort potentiel de développement. Dans ce cas, l'aspect esthétique est un critère important, et l'on peut chercher à obtenir différents effets, comme la couleur ou la transparence partielle au spectre solaire.
Ce type de produits est déjà commercialisé. Un matériau souvent retenu comme matériau photo-absorbant dans de telles applications liées à l'intégration au bâtiment est le « CIGS » (abréviation générale pour un composé de Cu, In, Ga, Se et S) : il présente un aspect noir uniforme qui s'intègre bien dans le bâtiment et il peut être déposé en couches minces (selon une épaisseur comprise dans une plage de valeurs variant par exemple entre 0,5 et 5 pm) sur de nombreux substrats souples ou rigides tels que le verre, des aciers ou des polymères. D'autres matériaux peuvent également être déposés en couches minces tels que le « CZTS » (abréviation générale pour un composé de Cu, Zn, Sn, Se, S), le silicium amorphe hydrogéné, le silicium microcristallin hydrogéné ou le tellure de cadmium « CdTe ». L'interconnexion monolithique des cellules solaires en couches minces est une technique bien connue qui comporte classiquement trois étapes P1, P2, P3 appelées « gravures » par abus de langage, visibles sur la structure représentée sur la figure 1. Ainsi, une cellule solaire en couches minces est généralement composée d'un substrat 1, d'une électrode arrière 2, d'une couche photo-absorbante 3 dans le spectre solaire, d'une couche tampon 4 et d'une électrode avant 5 transparente et conductrice.
Dans la réalisation d'un module, l'étape P1 permet d'isoler deux cellules adjacentes en face arrière, l'étape P2 relie la face avant d'une cellule à la face arrière de sa voisine, et l'étape P3 permet d'isoler deux cellules adjacentes en face avant. Il existe une multitude de techniques pour réaliser les étapes P1, P2, et P3. Les plus classiques sont la gravure mécanique ou l'ablation laser. On peut ainsi se référer au document US4502225A1 qui décrit un dispositif comportant une pointe de gravure destinée à des dispositifs semiconducteurs. L'utilisation de laser dans des cellules solaires en couches minces est notamment décrite dans les articles « Selective ablation of thin films with short and ultrashort laser pulses », Hermann et al., Appl. Surf. Sci. 252 (2006) 4814 ou encore « Laser applications in thin-film photovoltaics », Bartolme et al., Appl Phys B 100 (2010) 427-436. Ces techniques de gravure présentent l'avantage de pouvoir être employées pour une grande variété de matériaux déposés en couches minces, comme par exemple CdTe, le Si amorphe hydrogéné a-Si :H, le Si microcristallin hydrogéné 1i-Si :H, CZTS ou CIGS. Cependant, ces techniques de gravure présentent chacune des inconvénients. Ainsi, la gravure mécanique conduit à l'endommagement des matériaux du fait de la présence de contraintes mécaniques sur les couches, à la formation de débris sur la surface des couches à proximité de la ligne de gravure qui peuvent conduire à des problèmes de court-circuit, ainsi qu'à l'usure des pointes de gravure. De plus, de façon générale, la qualité de la gravure mécanique est très sensible à de nombreux paramètres comme la morphologie ou les propriétés des couches minces, ainsi qu'aux paramètres de fonctionnement des pointes de gravure. Par ailleurs, l'ablation laser n'est pas simple à mettre en oeuvre. En effet, on peut constater que le matériau retiré peut fondre et reboucher en partie la rainure réalisée par l'ablation laser. Ainsi, cette technique ne permet pas d'obtenir une surface propre nécessaire pour réaliser un contact électrique de bonne qualité.
Une autre technique moins répandue consiste à utiliser des méthodes de gravure chimique. Cependant, ces méthodes sont plus compliquées et plus coûteuses à mettre en oeuvre que les méthodes classiques de gravure mécanique ou d'ablation laser. Il existe encore d'autres moyens consistant à modifier localement les propriétés des différents matériaux, comme par exemple la solution développée dans le document W02013/105031A2 qui utilise un procédé qui augmente la résistivité de la couche de Molybdène utilisée comme électrode arrière, ce qui crée l'isolation des électrodes en face arrière. La solution présentée dans le document W02013/105024A1 utilise également des moyens similaires pour créer la séparation des cellules en électrode arrière et en électrode avant.
Il est souvent intéressant de conférer par ailleurs des propriétés de transparence au moins partielle aux dispositifs photovoltaïques vis-à-vis du rayonnement solaire incident, notamment dans le cadre des applications liées au bâtiment, de type « BIPV ». Cela permet qu'une partie de la lumière puisse traverser l'épaisseur des cellules photovoltaïques et plus généralement du dispositif photovoltaïque pour apporter de la lumière à l'intérieur de l'enceinte du bâtiment au moins partiellement délimitée par ce dispositif photovoltaïque.
Les méthodes suivantes de fabrication de cellules photovoltaïques en couches minces semi-transparentes sont connues. Pour un tel effet de semi-transparence, plusieurs idées ont déjà été proposées. L'une d'elles consiste à utiliser un matériau transparent et conducteur pour former l'électrode arrière. Dans le cas où la couche photo-absorbante prévoit l'utilisation de CIGS par exemple, des 302 62 2 8 5 matériaux tels que l'oxyde d'indium dopé à l'étain (connu sous la dénomination « ITO ») ou l'oxyde d'étain dopé au fluor (connu sous la dénomination « Sn02:F ») déposés sur un substrat de verre peuvent être employés pour constituer l'électrode arrière. Si la couche de CIGS est 5 suffisamment fine, typiquement inférieure à 1 pm, une fraction de la lumière incidente sur l'empilement du côté de l'électrode avant peut être transmise à travers tout l'empilement. En raison du gap du CIGS qui avoisine 1 eV, cette transmission de la lumière est favorisée pour les composantes rouge et proche de l'infrarouge du spectre solaire et il en 10 résulte qu'après avoir traversé le dispositif photovoltaïque, les rayons lumineux présentent une couleur rougeâtre désagréable et peu esthétique. Pour obtenir un réel effet de semi-transparence, il est finalement 15 nécessaire de ménager des zones où toute la lumière peut être transmise de façon uniforme. Ainsi, le document U52010/0126559 décrit un module photovoltaïque de type superstrat, dans lequel le substrat et l'électrode arrière sont 20 transparents. Par ailleurs, l'ouverture obtenue lors de l'étape de gravure qui permet de séparer les cellules en face avant présente une largeur adaptée à la transparence souhaitée pour le module photovoltaïque final. Cette ouverture est réalisée à travers la couche photo-absorbante et l'électrode de face avant. Cette largeur peut par exemple varier entre 5 et 25 10% de la largeur d'une cellule photovoltaïque. De façon générale, le module photovoltaïque obtenu peut transmettre entre environ 5 et 50% de la lumière incidente. Cependant, cette solution présente des inconvénients. En particulier, les 30 ouvertures réalisées dans le module photovoltaïque sont en forme de ligne. Elles sont alors relativement visibles à l'oeil et ne permettent pas une transmission uniforme de la lumière. Pour que la lumière soit transmise de manière uniforme et que 5 l'ensemble du dispositif photovoltaïque apparaisse partiellement transparent, il est au contraire nécessaire de rendre indiscernables les zones qui laissent traverser la lumière. Le document GB-A1-2472608 propose de réaliser une cellule photovoltaïque semi-transparente à partir d'un empilement comprenant un substrat transparent, une électrode 10 arrière transparente, une couche photo-absorbante opaque et une électrode avant opaque. Des petits trous sont formés à travers l'électrode avant et la couche photo-active de façon à permettre la transmission de la lumière à travers ces deux couches via ces trous obtenus par gravure humide. Ainsi, un liquide de gravure est déposé sur la surface des 15 cellules photovoltaïques par l'intermédiaire d'une tête à jet d'encre de façon à permettre une gravure localisée. L'empilement étant constitué de couches de matériaux présentant des natures chimiques différentes, il est nécessaire d'utiliser successivement différents liquides de gravure pour permettre la formation de trous sur la profondeur souhaitée. Le 20 procédé décrit dans ce document permet de répondre aux problématiques posées par la solution du document US2010/0126559 mais l'utilisation de différents liquides de gravure rend toutefois le procédé relativement complexe. Des problèmes de compatibilité entre les matériaux de l'empilement et les liquides de gravure utilisés peuvent 25 également survenir. Le document US-A1-7795067 décrit des cellules photovoltaïques semitransparentes qui sont également obtenues à partir d'un empilement de couches minces dans lequel une pluralité de trous est réalisée. 30 Contrairement à la solution du document GB-A1-2472608, ces trous traversent complètement l'empilement, c'est-à-dire la couche formant l'électrode avant, la couche photo-absorbante et la couche formant l'électrode arrière. Ils sont réalisés par un moyen mécanique, par exemple par perçage ou par découpage. Ces procédés mécaniques présentent l'inconvénient de ne pas permettre de réaliser des trous de taille inférieure à 100 pm et/ou espacés de moins de 100 ilm. Il en résulte un aspect visuel non uniforme, ce qui empêche d'obtenir une transmission de la lumière incidente uniforme et une vision continue. En outre, le document FR2997227A1 propose aussi des solutions de vitrage transparent aptes à générer de l'électricité. Il existe donc un besoin de fournir une solution simple pour réaliser un module photovoltaïque en couches minces et transparent.
Objet de l'invention Le but de la présente invention est de proposer une solution photovoltaïque en couches minces qui remédie aux inconvénients listés ci-dessus.
Notamment, un objet de l'invention est de fournir un procédé de fabrication d'un dispositif photovoltaïque comprenant un substrat transparent dans tout ou partie du spectre solaire et un empilement de couches minces formé sur le substrat, qui soit simple, efficace et peu cher, et qui permette en particulier l'obtention simultanée de propriétés de transparence à travers cet empilement et de propriétés d'interconnexion monolithique assurant la mise en série électrique de cellules isolées entre elles au niveau des électrodes avant et arrière de cet empilement.30 Ces objets peuvent être atteints par l'intermédiaire d'un procédé de fabrication d'un dispositif photovoltaïque, comprenant les étapes suivantes : - fourniture d'un substrat transparent dans tout ou partie du spectre solaire, - formation, sur le substrat, d'un empilement de couches minces incluant une première couche formant une électrode arrière, une deuxième couche photo-absorbante dans le spectre solaire, une troisième couche formant une électrode avant et une quatrième couche tampon entre les deuxième et troisième couches, cet empilement constituant une pluralité de cellules photovoltaïques adjacentes entre elles sur le substrat, - formation d'une pluralité de trous au sein de chaque cellule et traversant chacun l'épaisseur des première, deuxième, troisième et quatrième couches pour déboucher vers le substrat, comprenant la mise en oeuvre d'au moins une première étape de lift-off utilisant un premier ensemble d'éléments d'une première résine déposés sur le substrat préalablement à la formation de ladite première couche, - mise en série électrique entre elles de tout ou partie desdites cellules adjacentes par interconnexion monolithique utilisant un deuxième ensemble d'éléments d'une deuxième résine déposés sur le substrat préalablement à la formation de ladite première couche. Selon un mode de réalisation particulier, les éléments du premier ensemble prennent chacun la forme d'un plot et sont répartis sur le substrat à distance les uns des autres. Selon un autre mode de réalisation particulier, les éléments du deuxième ensemble prennent chacun la forme d'une ligne droite et sont répartis sur le substrat parallèlement les uns aux autres.
Durant la mise en série par interconnexion monolithique, les éléments du deuxième ensemble peuvent être utilisés pour créer des zones d'isolation entre elles des électrodes arrière des cellules adjacentes, notamment sous la forme de premières tranchées rectilignes parallèles entre elles dont le fond débouche vers le substrat. La première étape de lift-off peut comprendre successivement une étape de dépôt sur le substrat du premier ensemble d'éléments de première résine, une étape de formation au moins des première, deuxième, troisième et quatrième couches et une première étape d'application d'un premier solvant sur l'empilement, le couple formé par la première résine et par le premier solvant étant choisi de sorte que ladite première étape d'application du premier solvant retire les éléments du premier ensemble et les zones des première, deuxième, troisième et quatrième couches uniquement situées au-dessus des éléments du premier ensemble du côté opposé au substrat. Selon un mode de réalisation particulier, les éléments du premier ensemble sont déposés sur le substrat selon un pavage périodique aux 20 sommets d'un motif de base ayant la forme d'un polygone tel qu'un carré ou un hexagone. Préférentiellement, la mise en série par interconnexion monolithique comprend une étape de dépôt du deuxième ensemble d'éléments de 25 deuxième résine sur le substrat et une étape de retrait localisé de matière de toute couche mince de l'empilement formée au-dessus des éléments du deuxième ensemble préalablement à la mise en oeuvre de ladite étape de retrait, dans laquelle le retrait localisé de matière est réalisé uniquement dans les zones situées à l'aplomb des éléments du 30 deuxième ensemble du côté opposé au substrat.
Selon un mode particulier de réalisation, l'étape de dépôt du deuxième ensemble d'éléments de deuxième résine et l'étape de retrait localisé de matière constitue une deuxième étape de lift-off, notamment à travers la première couche.
La deuxième étape de lift-off peut comprendre une deuxième étape d'application d'un deuxième solvant sur la première couche, préalablement à la formation des deuxième, troisième et quatrième couches, le couple formé par la deuxième résine du deuxième ensemble d'éléments et par le deuxième solvant étant choisi de sorte que ladite deuxième étape d'application du deuxième solvant retire les éléments du deuxième ensemble et les zones de la première couche uniquement situées au-dessus des éléments du deuxième ensemble du côté opposé au substrat.
Le procédé de fabrication comprend de préférence une étape de formation de ladite deuxième couche, puis une étape de création, par l'intermédiaire d'une troisième étape de lift-off à travers la deuxième couche formée, de zones destinées à l'interconnexion électrique entre une électrode avant d'une cellule donnée avec une électrode arrière d'une cellule adjacente, notamment sous la forme de deuxièmes tranchées rectilignes parallèles entre elles dont le fond débouche vers la première couche.
La troisième étape de lift-off peut comprend une étape de dépôt, préalablement à l'étape de formation de la deuxième couche, d'un troisième ensemble d'éléments d'une troisième résine sur la première couche, puis une troisième étape d'application d'un troisième solvant sur l'empilement de couches minces, préalablement à la formation de la troisième couche, le couple formé par la troisième résine et par le troisième solvant étant choisi de sorte que ladite troisième étape d'application du troisième solvant retire les éléments du troisième ensemble et les zones au moins des deuxième et quatrième couches uniquement situées au-dessus des éléments du troisième ensemble du côté opposé au substrat.
Le procédé de fabrication comprend de préférence une étape de formation de ladite troisième couche, au moins au niveau des zones destinées à l'interconnexion électrique entre les électrode avant et arrière respectivement de deux cellules adjacentes, puis une étape de création par l'intermédiaire d'une quatrième étape de lift-off à travers la troisième couche formée, de zones d'isolation entre elles des électrodes avant des cellules adjacentes, notamment sous la forme de troisièmes tranchées rectilignes parallèles entre elles dont le fond débouche vers la première couche.
La quatrième étape de lift-off peut comprendre une étape de dépôt, préalablement à l'étape de formation de la deuxième couche, d'un quatrième ensemble d'éléments d'une quatrième résine sur la première couche, puis une quatrième étape d'application d'un quatrième solvant sur la troisième couche formée, le couple formé par la quatrième résine et par le quatrième solvant étant choisi de sorte que ladite quatrième étape d'application du quatrième solvant retire les éléments du quatrième ensemble et les zones au moins des deuxième, troisième et quatrième couches uniquement situées au-dessus des éléments du quatrième ensemble du côté opposé au substrat. Selon un mode de réalisation particulier, l'étape de retrait localisé de matière comprend une étape de gravure mécanique dans la première couche, mise en oeuvre préalablement à la formation de la deuxième couche, la gravure mécanique étant réalisée au niveau de la face de la première couche opposée au substrat et uniquement dans les zones de la première couche situées à l'aplomb des éléments de deuxième résine du deuxième ensemble. L'étape de gravure mécanique de la première couche réalisée avant la première étape de lift-off peut être suivie de la formation de ladite deuxième couche, puis d'une étape de création par gravure laser, mécanique ou chimique dans la deuxième couche formée, de zones destinées à l'interconnexion électrique entre une électrode avant d'une cellule donnée avec une électrode arrière d'une cellule adjacente, notamment sous la forme de deuxièmes tranchées rectilignes parallèles entre elles dont le fond débouche vers la première couche. Le procédé de fabrication peut comprendre une étape de formation de ladite troisième couche, au moins au niveau des zones destinées à l'interconnexion électrique entre les électrode avant et arrière respectivement de deux cellules adjacentes, puis une étape de création par gravure laser, mécanique ou chimique dans la troisième couche formée, de zones d'isolation entre elles des électrodes avant des cellules adjacentes, notamment sous la forme de troisièmes tranchées rectilignes parallèles entre elles dont le fond débouche vers la première couche. La deuxième résine dans laquelle sont formés les éléments du deuxième ensemble peut être identique à la première résine dans laquelle sont formés les éléments du premier ensemble.
Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés sur les dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 déjà décrite illustre un dispositif photovoltaïque ayant une pluralité de cellules mises en série par une technique connue d'interconnexion monolithique, - les figures 2 à 9 illustrent les différentes phases successives d'un exemple de procédé de fabrication selon l'invention, les figures 3 à 9 comprenant chacune une vue en coupe longitudinale et une vue de dessus du dispositif photovoltaïque en cours de fabrication. Description de modes préférentiels de l'invention L'invention qui va être décrite ci-après en référence aux figures 2 à 9 annexées concerne globalement un procédé de fabrication d'un dispositif photovoltaïque à plusieurs cellules photovoltaïques disposées de manière adjacente entre elles sur le substrat, chacune ayant des propriétés de transparence dans tout ou partie du spectre solaire et mises en série entre elles électriquement par interconnexion monolithique. L'invention qui va être détaillée peut utiliser de préférence tout ou partie d'une technique de lift-off comme seule technique pour réaliser à la fois l'interconnexion monolithique entre les cellules et l'effet de transparence à travers l'épaisseur des cellules. Des éléments de résines appropriés seront successivement déposés suivant des motifs correspondant aux zones de transparence et d'interconnexion. Une fois les différentes couches minces déposées par-dessus, ces éléments de résines sont retirés de façon sélective à différentes étapes du procédé, uniquement dans les zones justement définies de manière positive par ces éléments de résines. La technique de lift-off permet de résoudre les problèmes de gravure mécanique ou d'ablation laser présentés précédemment.
Toutefois, des variantes à la technique de lift-off sont envisageables pour la fonction d'interconnexion monolithique, notamment pour l'étape de création des zones d'isolation entre les cellules adjacentes au niveau de leurs électrodes arrière. Ainsi, le procédé de fabrication comprend les étapes suivantes : - fourniture d'un substrat 10 transparent dans tout ou partie du spectre solaire, - formation, sur le substrat 10, d'un empilement de couches minces incluant une première couche 20 formant une électrode arrière, une deuxième couche 30 photo-absorbante dans le spectre solaire, une troisième couche 60 formant une électrode avant et une quatrième couche tampon 40 entre les deuxième et troisième couches, cet empilement constituant une pluralité de cellules photovoltaïques adjacentes entre elles sur le substrat 10, - formation d'une pluralité de trous 70 (figure 9) au sein de chaque cellule et traversant chacun l'épaisseur des première, deuxième, troisième et quatrième couches pour déboucher vers le substrat 10, comprenant la mise en oeuvre d'au moins une première étape de lift-off utilisant un premier ensemble d'éléments E0 d'une première résine RO déposés sur le substrat 10 préalablement à la formation de ladite première couche 20, - mise en série électrique entre elles de tout ou partie desdites cellules adjacentes par interconnexion monolithique utilisant un deuxième ensemble d'éléments El d'une deuxième résine R1 déposés sur le substrat 10 préalablement à la formation de ladite première couche 20.
Il est précisé ici que les étapes du paragraphe précédent ne sont pas forcément successives entre elles et d'ailleurs peuvent aussi être au moins partiellement simultanées ou combinées. Notamment, l'étape de mise en série électrique des cellules adjacentes entre elles par interconnexion monolithique peut être réalisée au moins partiellement en même temps que l'étape de formation d'une pluralité de cellules photovoltaïques adjacentes entre elles sur le substrat 10. La mise en série électrique par interconnexion monolithique peut aussi au moins partiellement résulter de la formation de l'une au moins des couches 20, 30, 60.
Comme il le sera détaillé plus loin, les éléments nommés E0 et El respectivement du premier ensemble et du deuxième ensemble peuvent prendre la forme de plots ou de lignes. Préférentiellement, les éléments E0 du premier ensemble prendront la forme de plots et les éléments El du deuxième ensemble prendront la forme de lignes. Les termes « première couche », « deuxième couche », « troisième couche », « quatrième couche » ont un objectif uniquement nominatif qui n'implique aucun ordre chronologique de formation entre elles.
Dans tout le document, les termes « lift-off » correspondent à une technique bien connue en soi de l'homme du métier et qui peuvent indifféremment être remplacés par « décollement de matière induit par élimination de la matière sous-jacente » ou plus simplement par « soulèvement de matière ». Ce soulèvement ou décollement de matière est localement mis en oeuvre au niveau uniquement de éléments de résine idoines préalablement déposés et situés en-dessous de la matière subissant l'action de soulèvement ou décollement. Il résulte notamment de l'application d'un solvant adapté au-dessus de la matière subissant l'action de soulèvement ou décollement, cette application de solvant induisant l'élimination des éléments de résine sous-jacents et cette élimination des éléments de résine engendre l'action de soulèvement ou décollement de la matière. En dehors de la zone située au-dessus des éléments de résine, l'action de soulèvement ou décollement ne se produit pas, laissant la matière des couches minces intacte.
Par « couche mince », il est entendu que l'épaisseur de chacune des couches mentionnées dans ce document est comprise de préférence entre quelques couches atomiques et une dizaine de micromètres. Par « arrière », il convient d'interpréter qu'il s'agit de préférence d'une électrode disposée au sein de l'empilement du côté du substrat 10. A l'inverse, par « avant », il convient de comprendre qu'il s'agit de préférence d'une électrode disposée dans l'empilement du côté opposé au substrat 10 par rapport à la deuxième couche 30 photo-absorbante. Ainsi, ces notions « avant » et « arrière » sont considérées suivant la direction d'empilement suivant laquelle les couches minces de l'empilement sont superposées sur le substrat 10. Le substrat 10, qui est transparent à la lumière dans tout ou partie du spectre, est par exemple formé en verre, par exemple un verre sodocalcique d'épaisseur comprise entre 0,05 et 4 mm, et typiquement de 3 mm qui est une épaisseur standard dans le domaine photovoltaïque. De manière plus générale, le substrat 10 peut être formé dans toute matière telle qu'une matière organique, une matière plastique ou à base de polymères, en verre traité, par exemple en verre dépoli, teinté.
La notion de transparence du substrat 10 fait référence à ce qu'un oeil humain peut percevoir des longueurs d'onde présentes dans le spectre solaire : il s'agit donc de longueurs d'onde comprises entre 250 nm et 850 nm. La transparence du substrat 10 est particulièrement avantageuse dans l'application particulièrement visée où le dispositif photovoltaïque est destiné à être pris directement comme matériau de construction pour une toiture ou une façade, c'est-à-dire dans le cadre d'un dispositif photovoltaïque de type « Building Integrated Photovoltaics » ou « BIPV ».30 Un premier exemple de dispositif photovoltaïque permet à un observateur situé du côté du substrat 10 (notamment situé à l'intérieur d'un bâtiment) de recevoir la lumière qui lui parvient du côté de l'électrode avant (troisième couche 60) du dispositif photovoltaïque (notamment depuis l'extérieur du bâtiment). Alternativement, le dispositif photovoltaïque peut servir de vitrine de démonstration par exemple : dans ce cas l'observateur situé du côté de l'électrode avant (troisième couche 60) du dispositif photovoltaïque observe un objet situé à l'arrière du substrat 10. Enfin, dans l'un ou l'autre des deux exemples précédents, le substrat 10 peut éventuellement lui-même posséder d'autres fonctions que la fonction de transmission de la lumière. Il pourrait être fonctionnalisé en le recouvrant d'une image imprimée ou reportée sur un deuxième substrat non représenté; il pourrait encore, par un dispositif approprié, posséder un rétro éclairage.
De manière générale, la première couche 20 possède de préférence à la fois des propriétés ohmiques pour assurer une récupération optimale des charges émises par la deuxième couche 30 mais également des propriétés optiques pour assurer une réflexion vers la deuxième couche 30 de la partie du spectre lumineux non absorbée en transmission directe. La première couche 20 est notamment de type métallique, par exemple en Molybdène Mo. L'épaisseur de la première couche 20 est de préférence comprise entre 100 nm et 2 pm, typiquement de 1 pm. Elle est déposée par toute méthode, par exemple par une technique sous vide par pulvérisation cathodique ou évaporation. En complément ou en substitution, la première couche 20 peut toutefois comprendre d'autres matériaux tels que du chrome Cr et/ou du tungstène W et/ou du Manganèse Mn et/ou du Tantale Ta et/ou du Niobium Nb et/ou du Titane Ti, et ou de l'Or (Au). Elle peut également employer un oxyde transparent 302 622 8 18 conducteur tel que l'oxyde d'indium et d'étain (ITO) ou l'oxyde d'étain dopé avec du fluor (Sn02:F) ou encore des électrodes transparentes conductrices à base de nanofils métalliques (Cuivre ou Argent notamment) ou de graphène. 5 La deuxième couche 30 est disposée, directement ou indirectement, entre la première couche 20 et la troisième couche 60 suivant la direction d'empilement des couches minces. Elle est de préférence réalisée à base de matériaux inorganiques semi-conducteur de type I-III-VI. En 10 particulier mais de manière non exclusive, le matériau dans lequel la deuxième couche 30 est formée comprend un composé de Cu, In, Ga, Se et S, connu sous la dénomination « CIGS ». La couche de CIGS formée possède par exemple une épaisseur comprise entre 0,5 pm et 3 pm et préférentiellement d'environ 1,5 pm. D'autres matériaux peuvent 15 être envisagés pour la deuxième couche 30, tel que du CdTe, du silicium amorphe hydrogéné, du silicium microcristallin hydrogéné ou tout composé à base de cuivre, zinc, étain, soufre et sélénium, dont l'abréviation classique est « CZTS ». 20 La troisième couche 60, qui présente de préférence une épaisseur comprise entre 100 nm et 1 pm, et typiquement de l'ordre de 500 nm, peut être formée par une couche de ZnO dopée avec des éléments du groupe III comme l'aluminium. Cette couche peut être déposée par exemple par pulvérisation cathodique. La couche de ZnO dopé à 25 l'aluminium est connue sous la dénomination « TCO » pour « Transparent Conductive Oxyde ». En remplacement de la couche de ZnO dopé Al, des électrodes transparentes et conductrices à base de nanofils métalliques (Ag ou Cu notamment), de graphène, ou d'autres oxydes transparents conducteurs tels que l'oxyde d'indium et d'étain 30 (ITO) ou l'oxyde d'étain dopé fluor (5n02:F), peuvent être utilisées.
De la manière représentée, la quatrième couche tampon 40 ou « buffer » est disposée entre la troisième couche 60 et la deuxième couche 30 suivant l'épaisseur de l'empilement. Elle peut être formée dans un matériau de préférence transparent dans le spectre solaire et de type 5 semi-conducteur de type n, de préférence comprenant du sulfure de cadmium CdS ou du sulfure de zinc ZnS ou encore de sulfure d'indium InS. Au contact de la deuxième couche 30 photo-absorbante, le matériau de la couche tampon 40 forme une hétérojonction pn dont le rôle est de séparer les charges électriques générées dans la deuxième couche 30. 10 La quatrième couche tampon 40 est formée sur la deuxième couche 30. Facultativement et de la manière représentée, une couche 50 en matériau fortement résistif est formée sur la couche tampon 40 et sur laquelle la troisième couche 60 formant l'électrode arrière est formée. 15 Elle peut être composée d'une couche de ZnO ayant par exemple une épaisseur de 50 nm. Cette couche 50 peut être déposée par exemple par pulvérisation cathodique et peut être omise, par exemple dans le cas où la couche tampon 40 est en CdS, ou remplacée par une couche de Zn(1_ x)Mgx0 lorsque la couche tampon 40 est en Zn(0,H)S. 20 Alternativement, la troisième couche 60 peut être formée directement sur la couche tampon 40 en cas d'absence de la couche 50. En référence à la figure 2 qui est une vue de dessus du dispositif 25 photovoltaïque avant la mise en oeuvre de l'étape de formation de la première couche 20 formant l'électrode en face arrière des cellules, les éléments El du deuxième ensemble, formées dans la deuxième résine R1, prennent chacun la forme d'une ligne droite et sont répartis sur le substrat 10 parallèlement les uns aux autres. 30 Selon un mode de mise en oeuvre particulier, les éléments El du deuxième ensemble sont utilisés durant la mise en série par interconnexion monolithique pour créer des zones P1 d'isolation entre elles des électrodes arrière des cellules adjacentes, notamment sous la forme de premières tranchées rectilignes parallèles entre elles dont le fond débouche vers le substrat 10 (figure 5). Les éléments E0 du premier ensemble prennent quant à eux chacun la forme d'un plot et sont répartis sur le substrat 10 en étant à distance régulière ou non les uns des autres. La première étape de lift-off comprend successivement : - une étape de dépôt sur le substrat 10 du premier ensemble d'éléments E0 de première résine RO, - une étape de formation au moins des première, deuxième, troisième et quatrième couches 20, 30, 60, 40, voire de la couche 50, - et une première étape d'application d'un premier solvant SO sur l'empilement.
Le couple formé par la première résine RO et par le premier solvant SO est choisi de sorte que cette première étape d'application du premier solvant SO retire les éléments E0 du premier ensemble et les zones des première, deuxième, troisième et quatrième couches 20, 30, 60, 40, voire de la couche 50, uniquement situées au-dessus des éléments E0 du premier ensemble, du côté opposé au substrat 10. Le retrait de matière des couches minces de l'empilement présentes au-dessus des éléments E0 du premier ensemble a pour effet de constituer les trous 70 (figure 9) conférant des propriétés de transparence à travers 302 622 8 21 l'empilement de couches minces et donc à travers le dispositif photovoltaïque. Ainsi, les éléments E0 du premier ensemble sont déposés sur le substrat 5 10, puis les couches 20, 30, 40, 50, 60 sont formées, avant que le premier solvant ne soit appliqué à l'empilement afin de créer les trous 70 (figure 9). Les éléments E0 du premier ensemble en première résine RO peuvent être formés par exemple par un dépôt de type jet d'encre, sérigraphie ou tout procédé d'impression d'encre permettant de faire des 10 motifs, c'est-à-dire des dépôts localisés avec la première résine RO. Les éléments E0 du premier ensemble sont de préférence déposés sur le substrat 10 selon un pavage périodique aux sommets d'un motif de base ayant la forme d'un polygone tel qu'un carré ou un hexagone. Cela 15 permet, après la mise en oeuvre de la première étape de lift-off, que les trous 70 soient répartis dans le plan du substrat 10 selon un pavage périodique identique. Il reste toutefois envisageable de prévoir que les trous 70 soient répartis de manière non uniforme dans le plan du substrat 10, par exemple selon un pavage non périodique, mais le confort visuel 20 est susceptible d'être moins bon. Il peut également être envisagé que, bien que positionnés aux noeuds d'un réseau régulier, les tailles des trous 70 soient ajustées suivant une variation continue pour créer un gradient d'ouverture qui peut être intéressant dans le cas du BIPV : cela permettrait par exemple de produire une partie totalement opaque dans 25 la partie supérieure du dispositif, puis un dégradé continu de transparence vers le bas du dispositif. La forme de chaque élément E0 du premier ensemble formée dans la première résine RO est quelconque, ou par exemple sensiblement de 30 type hémisphérique pour former un plot hémisphérique à la surface du substrat 10. Elle est en tous les cas sensiblement équivalente, vue en coupe parallèlement au plan du substrat 10, à la section des trous 70 formés à travers l'empilement de couches minces durant la première étape de lift-off.
La mise en série par interconnexion monolithique comprend de préférence une étape de dépôt du deuxième ensemble d'éléments El de deuxième résine R1 sur le substrat 10 et une étape de retrait localisé de matière de toute couche mince de l'empilement formée au-dessus des éléments El du deuxième ensemble préalablement à la mise en oeuvre de ladite étape de retrait, dans laquelle le retrait localisé de matière est réalisé uniquement dans les zones situées à l'aplomb des éléments El du deuxième ensemble du côté opposé au substrat 10. Selon une première variante (telle qu'illustrée) envisageable de mise en oeuvre du procédé de fabrication dont les principes généraux sont exposés précédemment, l'étape de dépôt du deuxième ensemble d'éléments El de deuxième résine R1 et l'étape de retrait localisé de matière constitue une deuxième étape de lift-off indépendante de la première étape de lift-off, notamment à travers la première couche 20.
La deuxième étape de lift-off comprend une deuxième étape d'application d'un deuxième solvant Si sur la première couche 20, préalablement à la formation des deuxième, troisième et quatrième couches 30, 60, 40, voire de la couche 50. Le couple formé par la deuxième résine R1 et par le deuxième solvant Si est choisi de sorte que la deuxième étape d'application du deuxième solvant Si retire les éléments El du deuxième ensemble et les zones de la première couche 20 uniquement situées au-dessus des éléments El du deuxième ensemble du côté opposé au substrat 10.30 L'étape de retrait localisé utilisant les éléments El du deuxième ensemble est réalisée après la formation de la première couche 20 en recouvrant les éléments El mais avant la formation ultérieure des deuxième, troisième et quatrième couches 30, 60, 40, voire de la couche 50. Le retrait localisé de matière se pratique alors uniquement dans des zones de la première couche 20 afin de constituer en pratique les zones d'isolation P1 précédemment mentionnées. Ainsi, les éléments El du deuxième ensemble sont déposés en deuxième résine R1 sur le substrat 10, puis la première couche 20 est formée, avant que le deuxième solvant Si ne soit appliqué sur la première couche 20 afin de créer les zones Pi. Les éléments El de deuxième résine R1 du deuxième ensemble peuvent être formés par exemple par un dépôt de type jet d'encre, sérigraphie ou tout procédé d'impression d'encre permettant de faire des motifs, c'est-à-dire des dépôts localisés avec la deuxième résine Ri. Puis, le procédé de fabrication comprend une étape de formation de la deuxième couche 30, puis une étape de création, par l'intermédiaire d'une troisième étape de lift-off à travers la deuxième couche 30 formée, de zones P2 (figure 7) destinées à l'interconnexion électrique entre une électrode avant d'une cellule donnée avec une électrode arrière d'une cellule adjacente, notamment sous la forme de deuxièmes tranchées rectilignes parallèles entre elles dont le fond débouche vers la première couche 20.
L'étape de création des zones P2 est notamment réalisée après l'étape de formation de la couche tampon 40 sur la deuxième couche 30 et après l'étape facultative mais préférentielle de formation de la couche 50 sur la couche tampon 40 (figure 6), mais avant l'étape de formation de la troisième couche 60.
La troisième étape de lift-off comprend une étape de dépôt, préalablement à l'étape de formation de la deuxième couche 30, d'un troisième ensemble d'éléments E2 d'une troisième résine R2 sur la première couche 20, puis une troisième étape d'application d'un troisième solvant S2 sur l'empilement de couches minces 20, 30, 40, voire de la couche 50, préalablement à la formation de la troisième couche 60. Le couple formé par la troisième résine R2 et par le troisième solvant S2 est choisi de sorte que la troisième étape d'application du troisième solvant S2 retire les éléments E2 du troisième ensemble et les zones au moins des couches 30, 40, voire de la couche 50, uniquement situées au-dessus des éléments E2 du troisième ensemble du côté opposé au substrat 10. Le retrait de matière engendré par la troisième étape de lift-off a pour effet de créer les zones P2 (figure 7).
Préférentiellement et de la manière représentée, chacun des éléments E2 du troisième ensemble, formés par le dépôt de la troisième résine R2, prendra avantageusement la forme d'une ligne. Ainsi, les éléments E2 du troisième ensemble sont déposés sur la première couche 20 (figure 4), puis la deuxième couche 30, la couche tampon 40, voire la couche 50 sont formées (figure 6), avant que le troisième solvant S2 ne soit appliqué sur l'empilement afin de créer les zones P2 (figure 7). Les éléments E2 en troisième résine R2 peuvent être formés par exemple par un dépôt de type jet d'encre, sérigraphie ou tout procédé d'impression d'encre permettant de faire des motifs, c'est-à-dire des dépôts localisés de troisième résine R2. En référence à la figure 8 maintenant, le procédé de fabrication comprend ensuite une étape de formation de la troisième couche 60, au 30 moins au niveau des zones P2 mais aussi éventuellement en dehors des zones P2, puis une étape de création, par l'intermédiaire d'une quatrième étape de lift-off à travers la troisième couche 60 formée, de zones d'isolation P3 (figure 9) entre elles des électrodes avant des cellules adjacentes, notamment sous la forme de troisièmes tranchées rectilignes parallèles entre elles dont le fond débouche vers la première couche 20.
La quatrième étape de lift-off comprend une étape de dépôt, préalablement à l'étape de formation de la deuxième couche 30, d'un quatrième ensemble d'éléments E3 d'une quatrième résine R3 sur la première couche 20, puis une quatrième étape d'application (figure 9) d'un quatrième solvant S3 sur la troisième couche 60 formée. Le couple formé par la quatrième résine E3 et par le quatrième solvant S3 est choisi de sorte que la quatrième étape d'application du quatrième solvant S3 retire les éléments E3 du quatrième ensemble et les zones au moins des deuxième, troisième et quatrième couches 30, 60, 40, voire de la couche 50, uniquement situées au-dessus des éléments E3 du quatrième ensemble, du côté opposé au substrat 10. Préférentiellement et de la manière représentée, chacun des éléments E3 du quatrième ensemble, formés par le dépôt de la quatrième résine R3, prendra avantageusement la forme d'une ligne. Ainsi, les éléments E3 du quatrième ensemble sont déposés sur la première couche 20 (figure 4), puis la deuxième couche 30, la quatrième couche 40 tampon voire la couche 50 sont formées (figure 6), puis les zones P2 sont créées (figure 7), puis le troisième couche 60 est formée (figure 8), avant que le quatrième solvant S3 ne soit appliqué sur la troisième couche 60 afin de créer les zones P3 (figure 9). Les éléments E3 en quatrième résine R3 peuvent être formés par exemple par un dépôt de type jet d'encre, sérigraphie ou tout procédé d'impression d'encre permettant de faire des motifs, c'est-à-dire des dépôts localisés de la quatrième résine R3.
Il convient de préciser que, de manière très avantageuse, il peut être prévu que la quatrième résine R3 servant à la formation des éléments E3 du quatrième ensemble soit identique à la première résine RO servant à la formation des éléments EO du premier ensemble, ce qui implique que le quatrième solvant S3 utilisé dans la quatrième étape de lift-off peut être identique au premier solvant SO utilisé dans la première étape de lift-off.
Un exemple de mise en oeuvre de la première variante de procédé de fabrication est maintenant sommairement décrit. Dans un premier temps, les éléments EO du premier ensemble formés dans la première résine RO et les éléments El du deuxième ensemble formés dans la deuxième résine R1 sont déposés à la surface du substrat transparent 10. Les propriétés de la résine des éléments EO et de la résine des éléments El sont choisies de façon à ce que les résines RO et R1 soit solubles sélectivement dans le premier solvant SO pour la première résine RO des éléments EO du premier ensemble et dans le deuxième solvant Si pour la deuxième résine R1 des éléments El du deuxième ensemble. Les critères de choix des couples résines/solvants et des familles d'exemples sont expliqués plus loin. Les éléments EO du premier ensemble formés dans la première résine RO et les éléments El du deuxième ensemble formés dans la deuxième résine R1 peuvent être déposés par jet d'encre, ou par toute autre technique permettant d'effectuer un dépôt localisé de résine avec une résolution suffisamment fine (de l'ordre de 100 pm). Les motifs réalisés par le dépôt des résines RO et R1 sont différents entre eux en référence à la figure 2 : la première résine RO est déposée de manière que les éléments EO ont la forme de plots régulièrement espacés, qui correspondront aux emplacements transparents obtenus par les trous 70 dans le produit fini, et la deuxième résine R1 est déposée de manière que les éléments El ont la forme de lignes droites continues, qui correspondront aux emplacements des tranchées P1 sur le produit fini. Les éléments E0 seront par exemple des plots circulaires de diamètre compris entre 10 et 500 um et préférentiellement de 200 um, et régulièrement espacés de 20 um à 1000 um et préférentiellement 400 ilm. Les éléments El seront par exemple des lignes ayant une largeur comprise entre 10 et 300 um et typiquement de 100 um (largeur compatible avec le dépôt par jet d'encre).
La première couche 20 jouant le rôle d'électrode en face arrière est ensuite déposée, en recouvrant les éléments E0 de première résine RO et les éléments El de deuxième résine Ri. Après le dépôt de la première couche 20, la structure intermédiaire obtenue est représentée sur la figure 3. Ensuite, les éléments E2 du troisième ensemble et les éléments E3 du quatrième ensemble sont formés à la surface de l'électrode arrière formée par la première couche 20. Les éléments E2 sont formés via le dépôt de motifs de la troisième résine R2 qui est d'une nature différente des résines RO et Ri. Les propriétés des résines R2 et R3 seront choisies de façon à ce que ces résines soit solubles sélectivement dans le troisième solvant S2 pour la troisième résine R2 et par le quatrième solvant S3 pour la quatrième résine R3. Les critères de choix des couples résines/solvants et des familles d'exemples sont donnés plus loin. Les éléments E2 et E3 peuvent être déposés par jet d'encre, ou par toute autre technique permettant d'effectuer un dépôt localisé des résines R2 et R3. Les éléments E2 et E3 sont déposés sous forme de lignes continues, qui correspondront aux emplacements des tranchées P2 pour les éléments E2 et des tranchées P3 pour les éléments E3 sur le produit fini. La largeur des lignes déposées avec les éléments E2 peut être comprise entre 10 et 300 pm et sera typiquement de 50 pm (largeur compatible le dépôt par jet d'encre) et distante de P1 typiquement de 100 pm. La largeur de la ligne déposée avec les éléments E3 peut être comprise entre 10 et 300 pm et sera typiquement de 100 pm (largeur compatible avec le dépôt par jet d'encre) et distante de P2 typiquement de 100 pm. La structure intermédiaire obtenue est représentée sur la figure 4. Il peut être envisagé que cette structure intermédiaire soit un produit commercial livré tout prêt à des fabricants de modules photovoltaïques en couches minces. L'industriel n'aurait alors qu'à s'équiper des solvants appropriés pour réaliser la suite des étapes décrites ci-dessous, plutôt que d'utiliser les moyens traditionnels mais coûteux de gravure mécanique ou d'ablation laser comme dans l'art antérieur.
II est rappelé que la nature de la quatrième résine R3 dans laquelle les éléments E3 sont formés peut avantageusement être identique à la première résine RO dans laquelle les éléments E0 sont formés, afin de limiter le nombre de solvants et de résines nécessaires.
Ensuite, en référence à la figure 5, des retraits de matière sont réalisés à travers toute l'épaisseur de la première couche 20 dans les zones où les éléments El ont été déposés pour définir une zone d'isolation P1 des cellules au niveau de leurs électrodes en face arrière. Cela peut être réalisé grâce au deuxième solvant Si qui retirera de façon sélective la deuxième résine R1 des éléments El du deuxième ensemble. Le temps typique d'immersion dans le deuxième solvant Si peut varier entre 30 secondes et 5 minutes et sera typiquement de 1 min. La structure intermédiaire obtenue est représentée sur la figure 5. L'endroit où la première couche 20 a été retirée correspond aux tranchées Pi. De manière non illustrée, cette étape peut également se faire indifféremment juste après le dépôt de la première couche 20 et avant le dépôt des éléments E2 et E3 : dans ce cas, la contrainte sur la sélectivité du deuxième solvant Si peut être encore relâchée puisque seules deux résines sont en présence, c'est-à-dire la résine RO du premier ensemble d'éléments E0 et la résine R1 du deuxième ensemble d'éléments El .
Puis, la deuxième couche 30 photo-absorbante dans le spectre solaire est déposée. Dans le cas où le matériau utilisé est le CIGS, il existe une multitude de moyen de formation de la deuxième couche 30. Une liste exhaustive des techniques est présentée dans le document « Udai P.
Singh and Surya P. Patra, Progress in Polycrystalline Thin-Film Cu(ln,Ga)5e2 Solar Cells, International Journal of Photoenergy ; Volume 2010 ». Il peut s'agir par exemple d'une technique de co-évaporation de Cu, In, Ga, Se, et S sur un substrat chaud, cette technique donnant actuellement les meilleurs rendements pour les cellules et les modules. Il peut également s'agir de procédés séquentiels dans lesquels des précurseurs de Cu, In Ga (et éventuellement Se et S) sont déposés sur un substrat, puis soumis à un recuit en présence d'une atmosphère contenant du Se et/ou du S. Le Sélénium et/ou le Soufre peuvent aussi être apportés au préalable sous forme d'une couche mince déposée sur les précurseurs, l'ensemble étant ensuite soumis au recuit pour former la couche 30. Les précurseurs peuvent être apportés par des techniques de dépôt sous vide tels que la pulvérisation cathodique, mais d'autres techniques, dites par voie humide, peuvent également être mises en oeuvre. Les précurseurs sont alors présents sous forme de nanoparticules dispersées dans un solvant pour former une encre, déposée par sérigraphie, jet d'encre, spray et toute autre technique apparentée. Dans ce cas, il faut veiller à ce que le solvant de l'encre ne soit pas un solvant capable de dissoudre les résines RO, R2 ou R3. L'électrodéposition est encore une alternative possible au dépôt des précurseurs. Cependant, là encore, les propriétés de la solution électrolytique ne doivent pas être néfastes pour les résines RO, R2 et R3.
Puis, la quatrième couche tampon 40 et la couche 50 facultative de matériau transparent dans le spectre solaire et fortement résistif sont déposés sur la deuxième couche photo-absorbante 30. La structure intermédiaire obtenue est représentée sur la figure 6. Une liste exhaustive des techniques de formation de la quatrième couche tampon 40 est donnée dans le document « N. Naghavi et al., Buffer layers and transparent conducting oxides for chalcopyrite Cu(ln,Ga)(S,Se) 2 based thin film photovoltaics: present status and current developments, Prog.
Photovolt: Res. Appl. 2010; 18:411-433». De préférence, il pourra s'agir d'un matériau à base de sulfure de cadmium CdS dont le gap optique est 2.4 eV ou de sulfure de zinc ZnS dont le gap optique est 3.6 eV d'environ 50 nm d'épaisseur et déposé par bain chimique. La couche 50 déposée sur la couche tampon 40 est généralement à base d'oxyde de zinc ZnO dont le gap optique est 3.4 eV et dont l'épaisseur est d'environ 50 nm. Il est précisé ici que plus le gap optique est élevé, plus la transparence est élevée. Puis, les zones P2 où l'interconnexion entre deux cellules adjacentes aura lieu sont créées. Ces zones P2 sont le résultat du retrait de la matière des couches 30, 40, et 50 présente au niveau des éléments E2. Cela peut être réalisé grâce au troisième solvant S2 qui retirera de façon sélective la troisième résine R2 des éléments E2. Le temps typique d'immersion dans le troisième solvant S2 peut varier entre 30 secondes et 5 minutes et sera typiquement de 1 min. La structure intermédiaire obtenue est représentée sur la figure 7. La troisième couche 60 formant l'électrode avant, préférentiellement transparente conductrice, est alors déposée sur l'ensemble des couches précédentes. Les faces avant et les faces arrière de deux cellules adjacentes sont alors maintenant connectées au niveau de la zone P2 laissée libre par le retrait de la troisième résine R2 des éléments E2. La structure intermédiaire obtenue est représentée sur la figure 8. Pour finaliser la mise en série électrique des cellules en référence à la figure 9, les faces avant des cellules sont isolées entre elles via la création des tranchées correspondant aux zones P3. Ces zones P3 sont le résultat du retrait de la matière des couches 30, 40, 50 et 60 présente au niveau des éléments E3. Cela peut être réalisé grâce au quatrième solvant S3, qui peut être identique au premier solvant SO qui permet la première étape de lift-off à partir des éléments E0. Le temps typique d'immersion dans le quatrième solvant S3 peut varier entre 30 secondes et 5 minutes et sera typiquement de 1 min. Lors de cette même étape, l'effet de semi-transparence est également obtenu via la formation des trous 70, dans le cas où la première résine RO des éléments E0 est identique à la quatrième résine R3 des éléments E3. Les éléments E0 déposés sur le substrat 10 retirent d'un coup les couches 20, 30, 40, 50, 60 créant ainsi les trous 70 dans lesquels la lumière peut passer, puis traverser le substrat transparent 10. La structure intermédiaire obtenue est représentée sur la figure 9.
Les couples RO/SO, R1/S1 et R2/S2, R3/S3 seront choisis en fonction de leurs solubilités respectives. De plus, les résines RO et R2 et R3 devront être compatibles avec des températures au moins supérieures à 400°C, susceptibles d'être employées dans l'étape de formation de la deuxième couche 30. Pour le critère de solubilité, les paramètres de Hansen peuvent être utilisés pour évaluer le caractère protique et polaire des solvants et des polymères. Une résine polaire aprotique est bien dissoute par un solvant polaire aprotique. Une résine polaire protique est bien dissoute par un solvant polaire protique. Le lecteur peut se référer aux deux documents de référence suivants sur ce sujet : « Hansen, Charles (1967). The Three Dimensional Solubility Parameter and Solvent Diffusion Coefficient and Their Importance in Surface Coating Formulation. Copenhagen: Danish Technical Press » et « Hansen Solubility Parameters : A User's Handbook, Second Edition, CRC Press 2007 ». Les trois paramètres de Hansen sont universellement notés ÔD, Ô1J, ÔH. Le paramètre EiD traduit l'énergie cohésive de dispersion. Il trouve son origine dans les forces de cohésion atomiques (forces de Van der Walls).
II n'intervient pas sur le caractère polaire et protique des composés. Le paramètre ,51=> traduit l'énergie de cohésion polaire. Il trouve son origine dans les interactions permanentes dipolaires moléculaires. Plus le paramètre ,51=> est élevé, plus le composé est polaire. Le paramètre ,51-1 traduit l'énergie de la liaison hydrogène entre molécules. Plus le paramètre ,51-1 est élevé, plus le composé est protique. Les paramètres de Hansen sont exprimés en (MPa)1/2. Les valeurs varient typiquement entre 0 et 20. Le tableau ci-dessous rassemble quelques valeurs de paramètres de Hansen : EiD EiP EsH (mpa)1u2 (mpa)1/2 (mpa)1u2 Non polaire, non protique Hexane 14.9 0 0 Benzene 18.4 0 2 Polaire faible, protique faible Butylacetate 15.8 3.7 6.3 Amylacetate 15.8 3.3 6.1 Ethyl acetate 15.8 5.3 7.2 Polaire fort, protique fort Dimethysulfoxyde 18.4 16.4 10.2 Dimethylformamide 17.4 13.7 11.3 Polaire faible, protique fort Butanol 16 5.7 15.8 Isopropanol 15.8 6.1 16.4 Polaire fort, protique faible Nitrométhane 15.8 18.8 5.1 Acetonitrile 15.3 18 6.1 Mélange 50% butano1+50% 16 12.3 10.5 nitra méthane Le choix de la constitution des résines RO à R3 pourra notamment passer, pour chacune, par le calcul de la moyenne des paramètres de Hansen, afin d'ajuster le caractère protique ou polaire en fonction des 5 besoins. Pour la première résine RO, on pourra sélectionner de préférence une résine de la famille des polyimides qui ont comme propriété générale de posséder une excellente stabilité thermique à des températures 10 supérieures à 400°C. De nombreuses résines de ce type sont commercialisées. Les polyimides sont des polymères faiblement polaires et faiblement pratiques. Les solvants de cette catégorie, et en particulier les solvants de type alkyl acétates, sont donc bien appropriés pour le choix du premier solvant SO, par exemple l'amylacetate. La deuxième 15 résine R1 de type phénol-formaldéhyde qui peut être choisie pour la formation des éléments El du deuxième ensemble et la troisième résine R2 de type époxy qui peut être choisie pour la formation des éléments E2 du troisième ensemble ne sont pas solubles dans ce type de premier solvant SO. Il est encore rappelé que, de manière très avantageuse, il peut être prévu 5 que la quatrième résine R3 servant à la formation des éléments E3 du quatrième ensemble peut être identique à la première résine RO servant à la formation des éléments E0 du premier ensemble, ce qui implique que le quatrième solvant S3 utilisé dans la quatrième étape de lift-off est identique au premier solvant SO utilisé dans la première étape de lift-off. 10 Pour la deuxième résine R1 des éléments El du deuxième ensemble, on pourra sélectionner un composé de la famille des phénol-formaldéhydes. Ces composés, et leurs mélanges, possède un caractère fortement polaire et faiblement protique. Ces composés offrent également une 15 bonne stabilité thermique jusqu'à 350°C même si la tenue en température n'est pas une limitation pour cette résine, qui ne voit pas d'étape à haute température. Par exemple, la résine connue sous la dénomination commerciale « Novolac 438 » peut être utilisée. Pour le deuxième solvant Si, les composés polaires aprotiques peuvent 20 convenir. La résine RO de type polyimide qui peut être choisie pour la formation des éléments E0 du premier ensemble et la résine R2 de type époxy qui peut être choisie pour la formation des éléments E2 du troisième ensemble ne sont pas solubles dans ce type de deuxième solvant Si. 25 Pour la troisième résine R2 des éléments E2 du troisième ensemble, on pourra sélectionner un composé de la famille des résines époxydes ayant une stabilité thermique supérieure à 400°C. Ces réànes sont généralement moyennement polaires et moyennement protiques. On 30 pourra par exemple choisir la résine connue sous la dénomination commerciale « Epon 1001 ». Ces composés se dissolvent très bien dans des solvants moyennement polaires et moyennement protiques qui pourront être pris en tant que troisième solvant S2. En particulier, le troisième solvant S2 pourra être un mélange égal de butanol et de nitrométhane. La résine RO de type polyimide qui peut être choisie pour la formation des éléments E0 du premier ensemble et la résine R1 de type phénol-formaldéhyde qui peut être choisie pour la formation des éléments El du deuxième ensemble ne sont pas solubles dans ce type de troisième solvant S2.
Selon une deuxième variante (non illustrée) envisageable de mise en oeuvre du procédé de fabrication dont les principes généraux sont exposés précédemment, l'étape de retrait localisé de matière comprend une étape de gravure mécanique dans la première couche 20, mise en oeuvre préalablement à la formation de la deuxième couche 30, la gravure mécanique étant réalisée au niveau de la face de la première couche 20 opposée au substrat 10 et uniquement dans les zones de la première couche 20 situées à l'aplomb des éléments El de deuxième résine R1 du deuxième ensemble.
La présence du deuxième ensemble d'éléments El de résine R1 exactement dans les zones correspondant aux zones P1 d'isolation des cellules adjacentes au niveau de leurs électrodes en face arrière permet à la fois de diminuer localement l'épaisseur de la couche 20 de matériau destinée à constituer l'ensemble des électrodes arrière des cellules et de supprimer localement le contact entre cette couche et le substrat 10, ayant pour effet de faciliter la création de ces zones P1 d'isolation par une opération de gravure mécanique. Cela permet de fragiliser localement la couche 20, ayant pour effet de faciliter la création des zones P1 d'isolation par une opération de gravure mécanique.30 Selon un mode de réalisation particulier, l'étape de gravure mécanique de la première couche 20 réalisée avant la première étape de lift-off est suivie de la formation de la deuxième couche 30, puis d'une étape de création par gravure laser, mécanique ou chimique dans la deuxième couche 30 formée, de zones P2 destinées à l'interconnexion électrique entre une électrode avant d'une cellule donnée avec une électrode arrière d'une cellule adjacente, notamment sous la forme de deuxièmes tranchées rectilignes parallèles entre elles dont le fond débouche vers la première couche 20.
Le procédé de fabrication comprend ensuite de préférence une étape de formation de la troisième couche 60, au moins au niveau des zones P2 destinées à l'interconnexion électrique entre les électrode avant et arrière respectivement de deux cellules adjacentes, puis une étape de création par gravure laser, mécanique ou chimique dans la troisième couche 60 formée, de zones d'isolation P3 entre elles des électrodes avant des cellules adjacentes, notamment sous la forme de troisièmes tranchées rectilignes parallèles entre elles dont le fond débouche vers la première couche 20.
De manière très avantageuse pour des raisons de simplification et de coût, la deuxième résine RI dans laquelle sont formés les éléments El du deuxième ensemble peut être identique à la première résine RO dans laquelle sont formés les éléments E0 du premier ensemble. Cela permet à n'avoir à manipuler qu'un seul type de résine durant tout le procédé de fabrication. Les zones Pi, P2, P3 évoquées précédemment, notamment qui se présentent sous la forme de tranchées, peuvent être indifféremment 30 appelées « gravures » par abus de langage.
302 622 8 37 Un exemple de mise en oeuvre de la deuxième variante de procédé de fabrication est maintenant sommairement décrit. Un avantage de cette variante est de permettre de réduire le nombre de couples de résines et de solvants utilisés, pour des raisons de simplification, de coût et de 5 diminution du risque de dissolution involontaire des résines. Dans un premier temps, il est réalisé un motif d'impression selon la figure 2 sur un substrat 10 dans lequel les éléments E0 et El sont formés dans une seule et même résine : les résines RO et R1 sont identiques. Toutes 10 les caractéristiques dimensionnelles des éléments E0 et El et leur méthode de dépôt sont identiques à celles décrites précédemment. Puis, la première couche 20 formant l'électrode en face arrière est obtenue pour obtenir une structure identique à celle de la figure 3, la 15 résine R1 des éléments El étant identique à la résine RO des éléments E0. Ensuite, les zones d'isolation P1 en face arrière des cellules entre elles sont créées. Une gravure mécanique est réalisée dans la première 20 couche 20 uniquement au niveau des éléments El . Les zones de la première couche 20 situées au-dessus des éléments P1 sont des zones fragilisées mécaniquement, et il a été constaté de manière inattendue et imprévisible qu'il était possible de la retirer par une opération de gravure mécanique. Des tests ont été réalisés à l'aide d'un outil de gravure 25 automatisé connu sous la dénomination commerciale « S-200» de la société MicrotestO qui permet de faire, à l'aide d'une pointe, des gravures mécaniques bien contrôlées de manière automatisée. Une pointe de tungstène a été utilisée avec un angle d'inclinaison par rapport à l'échantillon compris entre 5 et 90°, et préférertiellement de 55°, une vitesse de gravure comprise entre 1 et 10 mm/s et préférentiellement de 5 mm/s, une force comprise entre 1 et 6 (unité de force arbitraire sur cet appareil), et préférentiellement de 5, un nombre de passage de la pointe compris entre 1 et 5, et préférentiellement de 1. Le résultat d'une telle gravure mécanique d'une couche de Mo de 500 nm d'épaisseur sous laquelle les éléments El de résine R1 ont été préalablement déposés est très propre, ce qui est très difficile en l'absence de résine sous une telle couche. Ensuite, les zones P2 et P3 sont avantageusement obtenues, même si cela n'est pas limitatif, par des techniques classiques de gravure mécanique, laser ou chimique. Puis, les trous 70 à travers l'empilement de couches minces 20 à 60 est obtenue comme précédemment via la première étape de lift-off, en immergeant le dispositif dans le premier solvant SO.
Claims (17)
- REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un dispositif photovoltaïque, comprenant les étapes suivantes : - fourniture d'un substrat (10) transparent dans tout ou partie du spectre solaire, - formation, sur le substrat (10), d'un empilement de couches minces incluant une première couche (20) formant une électrode arrière, une deuxième couche (30) photo-absorbante dans le spectre solaire, une troisième couche (60) formant une électrode avant et une quatrième couche tampon (40) entre les deuxième et troisième couches, cet empilement constituant une pluralité de cellules photovoltaïques adjacentes entre elles sur le substrat (10), - formation d'une pluralité de trous (70) au sein de chaque cellule et traversant chacun l'épaisseur des première, deuxième, troisième et quatrième couches (20, 30, 60, 40) pour déboucher vers le substrat (10), comprenant la mise en oeuvre d'au moins une première étape de lift-off utilisant un premier ensemble d'éléments (E0) d'une première résine (RO) déposés sur le substrat (10) préalablement à la formation de ladite première couche (20), - mise en série électrique entre elles de tout ou partie desdites cellules adjacentes par interconnexion monolithique utilisant un deuxième ensemble d'éléments (El) ) d'une deuxième résine (R1) déposés sur le substrat (10) préalablement à la formation de ladite première couche (20).
- 2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments (E0) du premier ensemble prennent chacun la forme d'un plot et sont répartis sur le substrat (10) à distance les uns des autres.
- 3. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les éléments (El) ) du deuxième ensemble prennent chacun la forme d'une ligne droite et sont répartis sur le substrat (10) parallèlement les uns aux autres.
- 4. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que durant la mise en série par interconnexion monolithique, les éléments (El) ) du deuxième ensemble sont utilisés pour créer des zones (P1) d'isolation entre elles des électrodes arrière des cellules adjacentes, notamment sous la forme de premières tranchées rectilignes parallèles entre elles dont le fond débouche vers le substrat (10).
- 5. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la première étape de lift-off comprend successivement une étape de dépôt sur le substrat (10) du premier ensemble d'éléments (E0) de première résine (RO), une étape de formation au moins des première, deuxième, troisième et quatrième couches (20, 30, 60, 40) et une première étape d'application d'un premier solvant sur l'empilement, le couple formé par la première résine et par le premier solvant étant choisi de sorte que ladite première étape d'application du premier solvant retire les éléments (E0) du premier ensemble et les zones des première, deuxième, troisième et quatrième couches (20, 30, 60, 40) uniquement situées au-dessus des éléments (E0) du premier ensemble du côté opposé au substrat (10).
- 6. Procédé de fabrication selon la revendication 5, caractérisé en ce que les éléments (E0) du premier ensemble sont déposés sur le substrat (10) selon un pavage périodique aux sommets d'un motif de base ayant la forme d'un polygone tel qu'un carré ou un hexagone.
- 7. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la mise en série par interconnexion monolithique comprend une étape de dépôt du deuxième ensemble d'éléments (El) ) de deuxième résine (R1) sur le substrat (10) et une étape de retrait localisé de matière de toute couche mince de l'empilement formée au- dessus des éléments (El) du deuxième ensemble préalablement à la mise en oeuvre de ladite étape de retrait, dans laquelle le retrait localisé de matière est réalisé uniquement dans les zones situées à l'aplomb des éléments (El) du deuxième ensemble du côté opposé au substrat (10).
- 8. Procédé de fabrication selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'étape de dépôt du deuxième ensemble d'éléments (El) de deuxième résine (R1) et l'étape de retrait localisé de matière constitue une deuxième étape de lift-off, notamment à travers la première couche (20).
- 9. Procédé de fabrication selon la revendication 8, caractérisé en ce que la deuxième étape de lift-off comprend une deuxième étape d'application d'un deuxième solvant sur la première couche (20), préalablement à la formation des deuxième, troisième et quatrième couches, le couple formé par la deuxième résine (R1) du deuxième ensemble d'éléments (El) et par le deuxième solvant étant choisi de sorte que ladite deuxième étape d'application du deuxième solvant retire les éléments (El) du deuxième ensemble et les zones de la première couche (20) uniquement situées au-dessus des éléments (El) du deuxième ensemble du côté opposé au substrat (10).
- 10. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de formation de ladite deuxième couche (30), puis une étape de création, par l'intermédiaired'une troisième étape de lift-off à travers la deuxième couche (30) formée, de zones (P2) destinées à l'interconnexion électrique entre une électrode avant d'une cellule donnée avec une électrode arrière d'une cellule adjacente, notamment sous la forme de deuxièmes tranchées rectilignes parallèles entre elles dont le fond débouche vers la première couche (20).
- 11. Procédé de fabrication selon la revendication 10, caractérisé en ce que la troisième étape de lift-off comprend une étape de dépôt, préalablement à l'étape de formation de la deuxième couche (30), d'un troisième ensemble d'éléments (E2) d'une troisième résine (R2) sur la première couche (20), puis une troisième étape d'application d'un troisième solvant sur l'empilement de couches minces, préalablement à la formation de la troisième couche (60), le couple formé par la troisième résine (R2) et par le troisième solvant étant choisi de sorte que ladite troisième étape d'application du troisième solvant retire les éléments (E2) du troisième ensemble et les zones au moins des deuxième et quatrième couches (30, 40) uniquement situées au-dessus des éléments (E2) du troisième ensemble du côté opposé au substrat (10).
- 12. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 8 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de formation de ladite troisième couche (60), au moins au niveau des zones (P2) destinées à l'interconnexion électrique entre les électrode avant et arrière respectivement de deux cellules adjacentes, puis une étape de création par l'intermédiaire d'une quatrième étape de lift-off à travers la troisième couche (60) formée, de zones d'isolation (P3) entre elles des électrodes avant des cellules adjacentes, notamment sous la forme de troisièmes tranchées rectilignes parallèles entre elles dont le fond débouche vers la première couche (20).
- 13. Procédé de fabrication selon la revendication 12, caractérisé en ce que la quatrième étape de lift-off comprend une étape de dépôt, préalablement à l'étape de formation de la deuxième couche (30), d'un quatrième ensemble d'éléments (E3) d'une quatrième résine (R3) sur la première couche (20), puis une quatrième étape d'application d'un quatrième solvant sur la troisième couche (60) formée, le couple formé par la quatrième résine (R3) et par le quatrième solvant étant choisi de sorte que ladite quatrième étape d'application du quatrième solvant retire les éléments (E3) du quatrième ensemble et les zones au moins des deuxième, troisième et quatrième couches (30, 60, 40) uniquement situées au-dessus des éléments (E3) du quatrième ensemble du côté opposé au substrat (10).
- 14. Procédé de fabrication selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'étape de retrait localisé de matière comprend une étape de gravure mécanique dans la première couche (20), mise en oeuvre préalablement à la formation de la deuxième couche (30), la gravure mécanique étant réalisée au niveau de la face de la première couche (20) opposée au substrat (10) et uniquement dans les zones de la première couche (20) situées à l'aplomb des éléments (El) ) de deuxième résine (R1) du deuxième ensemble.
- 15. Procédé de fabrication selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'étape de gravure mécanique de la première couche (20) réalisée avant la première étape de lift-off est suivie de la formation de ladite deuxième couche (30), puis d'une étape de création par gravure laser, mécanique ou chimique dans la deuxième couche (30) formée, de zones (P2) destinées à l'interconnexion électrique entre une électrode avant d'une cellule donnée avec une électrode arrière d'une cellule adjacente, notamment sous la forme de deuxièmes tranchées rectilignes parallèles entre elles dont le fond débouche vers la première couche (20).
- 16. Procédé de fabrication selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de formation de ladite troisième couche (60), au moins au niveau des zones (P2) destinées à l'interconnexion électrique entre les électrode avant et arrière respectivement de deux cellules adjacentes, puis une étape de création par gravure laser, mécanique ou chimique dans la troisième couche (60) formée, de zones d'isolation (P3) entre elles des électrodes avant des cellules adjacentes, notamment sous la forme de troisièmes tranchées rectilignes parallèles entre elles dont le fond débouche vers la première couche (20).
- 17. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 14 à 16, caractérisé en ce que la deuxième résine (R1) dans laquelle sont formés les éléments (El) ) du deuxième ensemble est identique à la première résine (RO) dans laquelle sont formés les éléments (E0) du premier ensemble.15
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Legal Events
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| PLSC | Publication of the preliminary search report |
Effective date: 20160325 |
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