FR3026230A1 - Dispositif photovoltaique semi-transparent avec trou traversant - Google Patents
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Abstract
Un dispositif photovoltaïque comprend un substrat, notamment transparent dans tout ou partie du spectre solaire, et un empilement de couches formé sur le substrat et comportant au moins une première couche en matériau électriquement conducteur formant une électrode arrière, une deuxième couche photo-absorbante dans le spectre solaire et une troisième couche en matériau électriquement conducteur formant une électrode avant. L'empilement comporte une pluralité de trous (72) individuels traversant chacun les première, deuxième et troisième couches pour déboucher vers le substrat et ayant chacun une paroi intérieure délimitée au niveau de la première couche, dans le plan dada première couche et sur toute l'épaisseur de la première couche, par le matériau de la deuxième couche.
Description
Dispositif photovoltaïque semi-transparent avec trou traversant Domaine technique de l'invention L'invention concerne le domaine de la réalisation de cellules 10 photovoltaïques en couches minces semi-transparentes au spectre solaire. L'invention a pour objet plus particulièrement un dispositif photovoltaïque comprenant un substrat, notamment transparent dans tout ou partie du 15 spectre solaire, et un empilement de couches minces formé sur le substrat et comportant au moins une première couche en matériau électriquement conducteur formant une électrode arrière, une deuxième couche photo-absorbante dans le spectre solaire et une troisième couche en matériau électriquement conducteur formant une électrode avant. 20 Elle concerne aussi un procédé de fabrication d'un tel dispositif photovoltaïque. État de la technique 25 Une cellule photovoltaïque éclairée par le soleil est capable de fournir une tension électrique en circuit ouvert qui est typiquement de l'ordre 0,5 à 1 V. Pour une surface de l'ordre du cm2, un courant électrique de plusieurs dizaines de mA peut être obtenu. La puissance électrique ainsi 30 fournie peut être suffisante pour alimenter de petits dispositifs électriques consommant peu de puissance. Pour obtenir une puissance électrique supérieure, il est nécessaire de mettre en série plusieurs dizaines de cellules photovoltaïques pour constituer des modules. Typiquement, un module d'une surface de 1 m2 éclairé par le soleil fournit une puissance d'environ 100 W. Ces modules peuvent être installés pour servir de centrale de production d'électricité dans des zones fortement ensoleillées. Posés directement en toiture, ils peuvent également servir à l'alimentation d'une installation domestique ou industrielle. Dans le cas de l'habitat par exemple ou des bâtiments de bureau, le 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 semi-transparence 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 entre 0,5 et 5 pm) sur de nombreux substrats souples ou rigides tels que le verre, les aciers ou les 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 ». Une cellule solaire en couches minces est généralement composée d'un substrat, d'une couche formant une électrode en face arrière, d'une couche de matériau photo-absorbant dans le spectre solaire, d'une éventuelle couche tampon et d'une couche formant une électrode en face avant. L'électrode de face avant et/ou l'électrode de face arrière est transparente dans le spectre solaire. Un dispositif photovoltaïque comprend de telles couches organisées et configurées de sorte qu'une pluralité de telles cellules connectées électriquement en série entre elles. Dans le cas des cellules solaires en couches minces incluant du CIGS, la structure la plus répandue est composée d'un substrat en verre ayant une épaisseur par exemple de 3 mm et d'un empilement de couches minces comprenant une première couche de Molybdène Mo, formant une électrode arrière, dont l'épaisseur est par exemple 1 um, une deuxième couche de CIGS dont l'épaisseur est par exemple 1,5 um, une couche tampon en CdS dont l'épaisseur est par exemple 50 nm et une troisième couche d'oxyde de zinc dopé en aluminium dont l'épaisseur est par exemple de l'ordre de 500 nm et formant une électrode avant. Il existe toutefois une très large gamme d'épaisseurs, de méthodes de dépôt et de matériaux pouvant convenir à la réalisation d'une telle structure. Il est souvent intéressant de conférer 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 délimité par ce dispositif photovoltaïque. Les méthodes suivantes de fabrication de cellules photovoltaïques en couches minces semi-transparentes sont connues.30 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 au niveau de la première couche de l'empilement. Dans le cas où la deuxième couche mince prévoit l'utilisation de CIGS par exemple, des 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 ») déposé sur un substrat de verre peuvent être employés pour constituer l'électrode arrière. Si la couche de CIGS est 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 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 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 transparents. Une ouverture est obtenue lors d'une étape de gravure correspondant à une étape d'isolation électrique utilisée dans la mise en série de plusieurs cellules par interconnexion monolithique pour la réalisation d'un module. Elle 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 avant. Cette largeur peut par exemple varier entre 5 et 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 ouvertures réalisées dans le module photovoltaïque sont en forme de lignes. 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 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 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 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 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 également survenir.
Le document US-A1-7795067 décrit des cellules photovoltaïques semi- transparentes qui sont également obtenues à partir d'un empilement de couches minces dans lequel une pluralité de trous est réalisée. 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. Les figures 1 à 3 concernent une solution connue dans laquelle des trous sont réalisés par un procédé dit « lift-off ». Le procédé débute par le dépôt d'une encre ou résine sur un substrat 1 en verre sodocalcique de 3 mm d'épaisseur. L'encre est déposée par jet d'encre sous forme de plots 2 de 200 pm espacés de 400 pm (figure 1). Une couche 3 de Molybdène est ensuite déposée sur une épaisseur de 450 nm par pulvérisation cathodique. Une couche photo-absorbante 4 de CIGS est formée par un procédé séquentiel : dans un premier temps des précurseurs de Cu, In, Ga sont déposés par pulvérisation cathodique, puis une couche mince de Se est déposée, puis un recuit rapide sous atmosphère d'azote à pression atmosphérique est réalisé afin de cristalliser le CIGS. La couche 4 de CIGS formée possède ainsi une épaisseur d'environ 1,5 ilm. Puis une couche tampon 5 de 50 nm de CdS est ensuite déposée par bain chimique, puis une couche de 50 nm de ZnO et une couche de 400 nm de ZnO dopé avec de l'aluminium sont déposées par pulvérisation cathodique. L'emploi de la couche de ZnO est facultatif. L'empilement de la couche de ZnO et de ZnO dopé Al est repéré 6. La couche de ZnO dopé avec de l'aluminium est connu sous la dénomination « TCO » pour « Transparent Conductive Oxyde ». La structure obtenue est représentée sur la figure 2. A l'issue de ces étapes, la structure est immergée pendant 2 minutes dans un solvant choisi en fonction de la nature de l'encre déposée par jet d'encre, dans un bain à ultrasons, puis séchée sous flux d'azote. Ce traitement a pour effet de retirer toute la matière des couches 3 à 6 uniquement présente dans les zones situées à la verticale des plots 2 d'encre déposés pour ainsi former des trous 7 où la lumière peut passer librement. Un exemple de dispositif photovoltaïque obtenu par ce procédé est montré sur la figure 3. Il a été constaté que les zones de la couche 3 en bordure des plots 2 sont fragiles mécaniquement et peuvent provoquer des fractures dans la couche 3 et dans les couches 4 à 6 déposées ensuite. La fragilité mécanique favorise l'accès du solvant utilisé pour l'opération de lift-off vers les plots 2 et participe au décollement des couches 3 à 6. Il a également été constaté que ces zones fragiles discontinues sont à l'origine de phénomènes de court-circuit entre la couche 6 et la couche 3. Le mécanisme de formation de ces courts-circuits est le suivant : rupture (flèche F1) de la couche 3 sous l'effet des contraintes mécaniques en périphérie des plots 2 de résine (figure 4A), dégazage partiel (flèches F2) des plots 2 durant le recuit de cristallisation de la couche 4 laissant libres des zones de la couche 3 (figure 4B), dépôt des couches 5 et 6 qui entrent en court-circuit (zone F3) avec la couche 3 (figure 4C), dissolution des plots 2 et décollement des couches supérieures (figure 4D), laissant des zones de courts-circuits (zone F4). Pour des raisons de simplification de représentation, la couche 5 et la couche 6 sont représentées par une seule et unique couche repérée 8. Il est à noter que de manière générale, les plots 2 ont dans la réalité une section arrondie comme représentée sur les figures 4A à 4D et ce n'est que par simplification qu'ils ont été représentés par des rectangles sur les figures 1 et 2.
Objet de l'invention Le but de la présente invention est de proposer une solution photovoltaïque qui remédie aux inconvénients listés ci-dessus.
Notamment, un objet de l'invention est de fournir un dispositif photovoltaïque et son procédé de fabrication qui permettent : - d'avoir un dispositif photovoltaïque semi-transparent avec un coefficient d'ouverture élevé, notamment potentiellement compris entre environ 1 et 99%, - d'améliorer la robustesse de l'empilement formé sur le substrat, notamment la tenue de la première couche formant l'électrode arrière, voire les couches supérieures déposées sur celle-ci, - de s'affranchir de risques de court-circuit entre les électrodes avant et arrière du dispositif photovoltaïque. Ces objets peuvent être atteints par l'intermédiaire d'un dispositif photovoltaïque comprenant un substrat, notamment transparent dans tout ou partie du spectre solaire, et un empilement de couches formé sur le substrat et comportant au moins une première couche en matériau électriquement conducteur formant une électrode arrière, une deuxième couche photo-absorbante dans le spectre solaire et une troisième couche en matériau électriquement conducteur formant une électrode avant, l'empilement comportant une pluralité de trous individuels traversant chacun les première, deuxième et troisième couches pour déboucher vers le substrat et ayant chacun une paroi intérieure délimitée au niveau de la première couche, dans le plan de la première couche et sur toute l'épaisseur de la première couche, par le matériau de la deuxième couche.30 Selon un mode de réalisation particulier, la valeur de l'épaisseur de matériau de la deuxième couche dans le plan de la première couche est comprise entre 5 et 450 pm, préférentiellement entre 5 et 200 pm.
De préférence, les trous sont répartis d'une manière telle que le rapport entre d'une part la surface trouée de l'empilement, correspondant à la somme des surfaces des trous de la pluralité, et d'autre part la surface totale de l'empilement dans le plan principal de l'empilement, est compris entre 1% et 99%.
Selon un mode de réalisation particulier, chaque trou est distant du trou adjacent le plus proche, dans le plan principal de l'empilement, d'une distance comprise entre 200 et 1000 pm.
Les trous peuvent être répartis dans le plan principal de l'empilement selon un pavage périodique aux sommets d'un motif de base ayant la forme d'un polygone tel qu'un carré ou d'un hexagone. L'invention porte aussi sur un procédé de fabrication d'un dispositif photovoltaïque comprenant une étape de fourniture d'un substrat, notamment transparent dans tout ou partie du spectre solaire, et une étape de formation d'un empilement de couches minces sur le substrat et comportant une première couche en matériau électriquement conducteur formant une électrode arrière, une deuxième couche photo-absorbante dans le spectre solaire, une troisième couche en matériau électriquement conducteur formant une électrode avant, et une pluralité de trous individuels traversant chacun les première, deuxième et troisième couches ayant chacun une paroi intérieure délimitée au niveau de la première couche, dans le plan de la première couche et sur toute l'épaisseur de la première couche, par le matériau de la deuxième couche.
L'étape de formation de l'empilement peut comprendre : - une étape de formation de la première couche sur le substrat, - une étape de formation d'une pluralité d'ouvertures traversantes individuelles dans la première couche où chaque ouverture traverse la première couche, - une étape de formation des deuxième et troisième couches sur la première couche et sur lesdites ouvertures, - une étape de formation de ladite pluralité de trous de sorte que 10 chaque trou est aligné, notamment centré, avec une ouverture correspondante dans le plan principal de l'empilement. L'étape de formation de la pluralité d'ouvertures peut être réalisée avant l'étape de formation de la pluralité de trous. Selon un mode de réalisation particulier, les dimensions de chaque ouverture dans le plan principal de l'empilement sont strictement supérieures aux dimensions de chaque trou dans le plan principal de l'empilement. Les dimensions de chaque trou dans le plan principal de l'empilement sont de préférence comprises entre 10 et 500 um. Les dimensions de chaque ouverture dans le plan principal de 25 l'empilement sont préférentiellement comprises entre 20 et 1000 um. L'étape de formation de la pluralité d'ouvertures peut comprendre une première étape de gravure chimique, mécanique ou laser de la première couche. 15 20 30 De préférence, l'étape de formation de la pluralité d'ouvertures comprend une première étape de lift-off réalisée à travers la première couche uniquement au niveau de zones de la première couche coïncidant avec les emplacements des ouvertures à former.
Préalablement à l'étape de formation de la première couche, le procédé peut comprendre une étape de formation d'une pluralité de premiers plots d'une première résine sur le substrat au niveau des emplacements des ouvertures à former, et postérieurement à l'étape de formation de la première couche, le procédé peut comprendre une étape d'application d'un premier solvant sur la première couche, le couple première résine-premier solvant étant choisi de sorte que ladite étape d'application retire les premiers plots et les zones de la première couche situées au-dessus des premiers plots.
L'étape de formation de la pluralité de trous peut comprendre une deuxième étape de gravure chimique, mécanique ou laser des deuxième et troisième couches.
L'étape de formation de la pluralité de trous peut comprendre une deuxième étape de lift-off réalisée à travers la deuxième couche et la troisième couche, uniquement au niveau de zones de l'empilement coïncidant avec les emplacements des trous à former.
Préalablement à l'étape de formation des deuxième et troisième couches, le procédé peut comprendre une étape de formation d'une pluralité de deuxièmes plots d'une deuxième résine sur le substrat au niveau des emplacements des trous à former, chaque deuxième plot étant formé au centre d'une ouverture correspondante préalablement formée, et postérieurement à l'étape de formation des deuxième et troisième couches, le procédé peut comprendre une étape d'application d'un deuxième solvant sur l'empilement, le couple deuxième résine-deuxième solvant étant choisi de sorte que ladite étape d'application retire les deuxièmes plots et les zones des deuxième et troisième couches situées au-dessus des deuxièmes plots.
L'étape de formation de la deuxième couche sur la première couche peut comprendre une étape de dépôt d'au moins une couche de composés aptes à former, par recuit de cristallisation, le matériau photo-absorbant de la deuxième couche, puis une étape de recuit de cristallisation desdits composés afin de finaliser la deuxième couche et l'étape de formation de la pluralité de trous peut comprendre une deuxième étape de lift-off, mise en oeuvre entre l'étape de dépôt de ladite au moins une couche de composés et l'étape de recuit de cristallisation, et réalisée à travers lesdites couches de composés uniquement au niveau de zones de l'empilement coïncidant avec les emplacements des trous à former. Préalablement à l'étape de formation des deuxième et troisième couches, le procédé peut comprendre une étape de formation d'une pluralité de deuxièmes plots d'une deuxième résine sur le substrat au niveau des emplacements des trous à former, chaque deuxième plot étant formé au centre d'une ouverture correspondante préalablement formée, et postérieurement à l'étape de dépôt de ladite au moins une couche de composés et avant l'étape de recuit de cristallisation, le procédé peut comprendre une étape d'application d'un deuxième solvant sur l'empilement, le couple deuxième résine-deuxième solvant étant choisi de sorte que ladite étape d'application retire les deuxièmes plots et les zones de ladite au moins une couche de composés situées au-dessus des deuxièmes plots.
Pour chaque premier plot, ses dimensions dans le plan principal de l'empilement, préférentiellement comprises entre 20 et 1000 um, sont de préférence strictement supérieures aux dimensions, dans ledit plan principal, du deuxième plot formé au centre de l'ouverture correspondant audit premier plot, préférentiellement comprises entre 10 et 500 pm.
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 : - les figures 1 à 3, déjà décrites, illustrent différentes phases successives d'un procédé de fabrication selon l'art antérieur, - les figures 4A à 4D, déjà décrites, illustrent le phénomène de formation des courts-circuits entre les électrodes avant et arrière, - les figures 5 à 9 illustrent les différentes phases d'un premier exemple de procédé de fabrication d'un dispositif photovoltaïque selon l'invention, - les figures 10 à 13 illustrent différentes phases d'un deuxième exemple de procédé de fabrication d'un dispositif photovoltaïque selon l'invention, - et les figures 14 et 15 illustrent différentes phases d'un troisième exemple de procédé de fabrication d'un dispositif photovoltaïque selon l'invention.
Description de modes préférentiels de l'invention L'invention qui va être décrite maintenant en référence aux figures 5 à 15 porte sur un dispositif photovoltaïque comprenant d'une part un substrat 10, d'autre part un empilement de couches minces formé sur le substrat 10 et comportant au moins : - une première couche 30 formée dans un matériau électriquement conducteur et constitutive d'une électrode arrière, aussi appelée électrode en face arrière, - une deuxième couche 40 photo-absorbante ou photo-active dans le spectre solaire, destinée à absorber tout ou partie du rayonnement solaire incident sur la face avant ou supérieure de l'empilement, - une troisième couche 60 formée dans un matériau électriquement conducteur et constitutive d'une électrode avant, aussi appelée électrode en face avant.
L'invention porte aussi sur un procédé de fabrication d'un tel dispositif photovoltaïque, différents modes de réalisation étant détaillés plus loin. Le substrat 10 est notamment du type présentant des caractéristiques de transparence suivant son épaisseur dans tout ou partie du spectre solaire.
Par « couche mince », il est entendu que l'épaisseur de chacune des couches varie de préférence de quelques couches atomiques à 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 40 photo-absorbante. Ainsi, ces notions « avant » et « arrière » sont considérées suivant la direction d'empilement repérée « D » suivant laquelle les couches minces de l'empilement sont superposées.
Le substrat 10, qui est de préférence 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 0,5 et 5 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 autre 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 ». Bien qu'il ne s'agisse pas de l'application la plus visée, il reste possible de prévoir que le substrat 10 ne soit pas transparent suivant son épaisseur, étant alors par exemple formé dans une matière métallique, en matériau de construction, par exemple en béton, en matériau composite, etc., éventuellement recouvert d'une couche de peinture et/ou de protection. Un premier exemple de dispositif photovoltaïque permet à un observateur situé du côté du substrat (notamment situé à l'intérieur d'un bâtiment) de recevoir la lumière qui lui parvient du côté de la face avant 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 la face avant du dispositif photovoltaïque observe un objet situé à l'arrière du substrat. Enfin, dans l'un ou l'autre des deux exemples précédents, le substrat 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 ; il pourrait encore, par un dispositif approprié, posséder un rétro éclairage.
De manière générale, la première couche 30 possède de préférence à la fois des propriétés ohmiques pour assurer une récupération optimale des charges émises par la deuxième couche 40 mais également des propriétés optiques pour assurer une réflexion vers la deuxième couche 40 de la partie du spectre lumineux non absorbée en transmission directe. La première couche 30 est notamment de type métallique, par exemple en Molybdène Mo. L'épaisseur notée « h » de la première couche 30 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 30 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. Elle peut également employer un oxyde transparent 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 bases de nanofils métalliques (Cuivre ou Argent notamment) ou de graphène.
La deuxième couche 40 est disposée, directement ou indirectement, entre la première couche 30 et la troisième couche 60 suivant la direction D. Elle est de préférence réalisée à base de matériaux inorganiques semi-conducteur de type I-III-VI. En particulier mais de manière non exclusive, le matériau dans lequel la deuxième couche 40 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 d'environ 1,5 pm. D'autres matériaux peuvent être envisagés pour la deuxième couche 40, tel que du CdTe, du silicium amorphe hydrogéné, du silicium microcristallin hydrogéné ou tout composé à base de cuivre, zinc, étain, soufre et sélénium. La troisième couche 60 peut être formée par une double couche composée d'une couche de ZnO ayant par exemple une épaisseur de 50 nm et une couche de ZnO dopée avec des éléments du groupe III comme l'aluminium, par exemple ayant une épaisseur de 400 nm. Ces deux couches sont déposées par exemple par pulvérisation cathodique. La couche de ZnO dopé à l'aluminium est connue sous la dénomination « TCO » pour « Transparent Conductive Oxyde ». L'emploi de la couche de ZnO est toutefois facultatif. Cette couche peut être omise dans le cas où la couche tampon 50 est en CdS, ou remplacée par une couche de Zn(l_x)Mgx0 lorsque la couche tampon 50 est en Zn(0,H)S. 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 (ITO) ou l'oxyde d'étain dopé fluor (5n02:F), peuvent être utilisées. Facultativement et de la manière représentée, une couche tampon 50 ou « buffer » peut être disposée entre la troisième couche 60 et la deuxième couche 40 suivant l'épaisseur de l'empilement. Elle peut être formée dans un matériau comprenant du sulfure de cadmium CdS. La couche de CdS peut être remplacée par tout autre matériau adapté tel que par exemple le Zn(0,H)S ou le In2S3. Dans l'exemple particulier présenté, une hétérojonction est formée entre la deuxième couche 40 et la couche 50 de CdS. Le CIGS de la deuxième couche 40 a un dopage de type p provenant de défauts intrinsèques, alors que le ZnO est de type n grâce à l'incorporation d'aluminium par exemple. Comme la deuxième couche 40 photo-absorbante est en soi opaque à la lumière, l'empilement comporte une pluralité de trous 72 (figure 9) individuels traversant chacun les première, deuxième et troisième couches 30, 40, 60 (voire également la couche tampon 50 lorsqu'elle est présente) pour déboucher vers le substrat 10. Chaque trou débouche librement vers l'extérieur de l'empilement du côté opposé au substrat 10 pour permettre à une partie du spectre lumineux incident sur la troisième couche 60 de pénétrer dans les trous 72. Cela permet de conférer à l'empilement la faculté de permettre à la lumière incidente sur le dispositif photovoltaïque, du côté opposé au substrat 10, de traverser son épaisseur au niveau de zones spécifiques délimitées par ces trous 72.
Chaque trou 72 comprend une paroi intérieure délimitée au niveau de la première couche 30, dans le plan de la première couche 30 et sur toute l'épaisseur h de la première couche 30, par le matériau de la deuxième couche 40. Au niveau de la deuxième couche 40, la paroi intérieure de chaque trou 72 est délimitée, dans le plan de la deuxième couche 40 et sur toute l'épaisseur de la deuxième couche 40, par le matériau de la deuxième couche 40. Au niveau de la troisième couche 60, la paroi intérieure de chaque trou 72 est délimitée, dans le plan de la troisième couche 60 et sur toute l'épaisseur de la troisième couche 60, par le matériau de la troisième couche 60. Dans le cas facultatif où la couche tampon 50 est présente, au niveau de la couche tampon 50, la paroi intérieure de chaque trou 72 est délimitée, dans le plan de la couche tampon 50 et sur toute l'épaisseur de la couche tampon 50, par le matériau de la couche tampon 50. Selon un mode de réalisation, sur toute l'épaisseur h de la première couche 30 et suivant un plan principal de l'empilement noté « P » sur la figure 5 et perpendiculaire à la direction d'empilement D des couches, une épaisseur 45 de matériau de la deuxième couche 40 est interposée entre la paroi intérieure de chaque trou 72 et la première couche 30. Autrement dit, entre chaque trou 72 et la première couche 30, il y a interposition d'une épaisseur 45 de matériau de la deuxième couche 40, cette interposition étant réalisée dans le plan de la première couche 30 (qui est perpendiculaire à la direction D dans laquelle les couches 30, 40, 50, 60 sont empilées pour former l'empilement) et sur toute l'épaisseur h de la première couche 30.
II convient d'interpréter dans ce document que, dans le dispositif photovoltaïque, le volume délimité par la paroi intérieure de chaque trou 72 est de préférence dépourvu de matière solide des première, deuxième et troisième couches. En cas d'encapsulation du dispositif photovoltaïque, un polymère transparent tel que de l'EVA (pour Ethylene- vinyl acetate) peut remplir les trous 72. La valeur ou dimension notée « Al » de cette épaisseur 45 de matériau de la deuxième couche, comptée dans un plan parallèle au plan principal P, est de préférence comprise entre 5 et 450 um, préférentiellement entre 5 et 200 um. Selon un mode de réalisation particulier, les trous 72 sont répartis d'une manière telle que le rapport entre d'une part la surface trouée de l'empilement, correspondant à la somme des surfaces des trous 72 de la pluralité comptées dans le plan principal P, et d'autre part la surface totale de l'empilement dans le plan principal P de l'empilement, est compris entre 1% et 99%. Ce rapport correspond à un taux d'ouverture qui est un facteur géométrique pur qui ne dépend pas des propriétés optiques des matériaux. Il convient de ne pas confondre ce taux d'ouverture avec un taux de transparence ou de transmission qui correspond au rapport entre l'intensité lumineuse totale qui traverse le dispositif et l'intensité lumineuse incidente sur la face avant. En effet, il est rappelé qu'une part de la lumière peut être transmise à travers les couches 30 et 40 (ou uniquement à travers la couche 40 au niveau de la zone Ai) si la couche 30 est un oxyde transparent conducteur et/ou la couche 40 est suffisamment fine (typiquement une épaisseur inférieure à 500 nm). De préférence, chaque trou 72 est distant du trou 72 adjacent le plus proche, dans le plan principal P de l'empilement, d'une distance notée « A2» comprise entre 200 et 1000 um. Chaque trou 72 présente des dimensions E2 dans le plan principal P de l'empilement comprises entre 10 et 500 um. Chaque épaisseur 45 est formée dans une ouverture 71 réalisée préalablement dans la première couche 30. Chaque ouverture 71 présente des dimensions El dans le plan principal P de l'empilement comprises entre 20 et 1000 um.
Les trous 72 sont de préférence répartis dans le plan principal P de l'empilement selon un pavage périodique aux sommets d'un motif de base ayant la forme d'un polygone tel qu'un carré ou d'un hexagone. Il reste toutefois envisageable de prévoir que les trous 72 soient répartis de manière non uniforme dans le plan principal P, par exemple selon un pavage non périodique, mais le confort visuel 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 72 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 la partie supérieure du dispositif, puis un dégradé continu de transparence vers le bas du dispositif. Les trous 72 peuvent présenter tous une section constante suivant la direction D, par exemple mais non exclusivement de forme circulaire. Préférentiellement, la forme générale de la section des trous 72 est globalement identique à la forme générale de la section des ouvertures 71. Mais le cas réaliste est que la section n'est ni constante ni parfaitement circulaire. Dans le cas d'une section circulaire, la dimension E2 correspond au diamètre de la section circulaire. L'ouverture 71 peut également présenter une section circulaire et la différence entre les rayons des sections des ouvertures 71 et des trous 72 définit la valeur Al de l'épaisseur 45. Toutefois, ces caractéristiques ne sont pas limitatives, notamment en fonction du résultat des première et deuxième étapes de lift-off décrites plus loin. Le procédé de fabrication d'un dispositif photovoltaïque comprend de manière générale une étape de fourniture d'un substrat 10, notamment transparent dans tout ou partie du spectre solaire, et une étape de formation d'un empilement de couches minces sur le substrat 10 et comportant : - une première couche 30 en matériau électriquement conducteur formant une électrode arrière, - une deuxième couche 40 photo-absorbante dans le spectre solaire, - une troisième couche 60 en matériau électriquement conducteur formant une électrode avant, - et une pluralité de trous 72 individuels traversant chacun les première, deuxième et troisième couches 30, 40, 60 pour déboucher vers le substrat 10 et ayant chacun une paroi intérieure délimitée au niveau de la première couche 30, dans le plan de la première couche 30 et sur toute l'épaisseur h de la première couche 30, par le matériau de la deuxième couche 40.
Selon un mode de réalisation, l'étape de formation de cet empilement comprend successivement ou non : - une étape de formation de la première couche 30 sur le substrat 10, - une étape de formation d'une pluralité d'ouvertures 71 traversantes individuelles dans la première couche 30 où chaque ouverture 71 traverse la première couche 30, notamment sur toute l'épaisseur de la première couche 30 de sorte à déboucher vers le substrat 10, - une étape de formation des deuxième et troisième couches 40, 60 sur la première couche 30 et sur ces ouvertures 71, - une étape de formation de la pluralité de trous 72, 73, 74 de sorte que chaque trou est aligné dans le plan principal P, notamment de manière centrée, avec une ouverture 71 correspondante.
L'étape de formation des deuxième et troisième couches 40, 60 peut prévoir la mise en oeuvre d'une étape de formation de la couche tampon 50 sur la deuxième couche 40 préalablement formée et avant la formation de la troisième couche 60 sur la couche tampon 50 ainsi formée. Selon le premier exemple de procédé, l'étape de formation de la pluralité de trous 72 peut être réalisée après la finalisation des deuxième et troisième couches. Toutefois comme indiqué plus loin en référence aux deuxième et troisième exemples de procédés, l'étape de formation de la pluralité de trous 72 peut éventuellement être réalisée au moins partiellement avant l'étape de formation des deuxième et troisième couches. Notamment, les trous peuvent être formés à travers la deuxième couche, à la fin de sa formation, ou durant sa formation lorsque la deuxième étape de lift-off décrite plus loin est réalisée avant le recuit de cristallisation de la deuxième couche, et avant la formation de la troisième couche 60. La deuxième couche 40 photo-absorbante qui est par exemple en CIGS peut être formée par un procédé séquentiel : dans un premier temps des précurseurs de cuivre Cu, d'indium In, de gallium Ga sont déposés par exemple par pulvérisation cathodique sur la première couche 30 et dans les ouvertures 71, puis une couche mince de sélénium Se est déposée, puis un recuit rapide sous atmosphère d'azote à pression atmosphérique est réalisé afin de cristalliser le CIGS. Toutefois, tout autre procédé d'obtention de la couche 40 peut être envisagé.
Ainsi, l'étape de formation de la pluralité d'ouvertures 71 est avantageusement réalisée avant l'étape de formation de la pluralité de trous 72. Les dimensions El de chaque ouverture 71 dans le plan principal P de l'empilement sont strictement supérieures aux dimensions E2 de chaque trou 72 dans le plan principal P de l'empilement. C'est la différence entre ces dimensions El, E2 et la manière dont chaque trou 72 est aligné avec l'ouverture correspondante qui définissent la valeur Al de l'épaisseur 45 en tout point de la paroi intérieure du trou 72. Notamment, comme indiqué précédemment, c'est la différence des rayons des sections des ouvertures 71 et des trous 72 qui définit Al. Il est rappelé que la section des trous 72 et celle des ouvertures 71 ne sont pas forcément parfaitement circulaires ni constantes.
Les ouvertures 71 formées dans la première couche 30 peuvent être obtenues à l'aide de toute technique connue et appropriée. Selon un premier mode de réalisation, l'étape de formation de la pluralité d'ouvertures 71 comprend une première étape de gravure chimique, mécanique ou laser de la première couche 30.
Alternativement et de manière préférée, l'étape de formation de la pluralité d'ouvertures 71 comprend une première étape de lift-off réalisée à travers la première couche 30 uniquement au niveau de zones de la première couche 30 coïncidant avec les emplacements des ouvertures 71 à former. Cette première étape de lift-off peut comprendre essentiellement : - une étape de formation d'une pluralité de premiers plots 20 d'une première résine ou encre sur le substrat 10 au niveau des emplacements des ouvertures 71 à former, cette étape étant réalisée préalablement à l'étape de formation de la première couche 30, - une étape d'application d'un premier solvant sur la première couche 30, mise en oeuvre postérieurement à l'étape de formation de la première couche 30, le couple première résine-premier solvant étant choisi de sorte que l'étape d'application du premier solvant a pour effet de retirer les premiers plots 20 et les zones de la première couche 30 situées au-dessus des premiers plots 20. Le terme « lift-off » correspond à une technique bien connue de l'Homme du Métier et qui peut indifféremment être remplacé par « décollement de matière induit par élimination de la matière sous-jacente » ou « soulèvement de matière » dans tout le présent document. Ce soulèvement ou décollement est localement mis en oeuvre au niveau uniquement de plots 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 idoine au dessus de la matière subissant l'action de soulèvement ou décollement, cette application de solvant induisant l'élimination des plots de résine sous-jacents et cette élimination des plots de résine engendre l'action de soulèvement ou décollement de la matière.
Ainsi, la matière de la première couche 30 reste intacte en dehors des zones occupées par les premiers plots 20. C'est la combinaison de ce phénomène de retrait de matière de la première couche 30 au-dessus des premiers plots 20 et de ce phénomène de non-retrait de matière de la première couche en dehors des premiers plots qui a pour effet de former les ouvertures 71. Les dimensions des premiers plots 20 sont égales à celles des ouvertures 71 qui résultent de la première étape de lift-off. De manière générale, les plots 20 ont plutôt dans la réalité une section arrondie (voire hémisphérique) et ce n'est que par simplification qu'ils ont été représentés par des rectangles sur la figure 5. Les dimensions des premiers plots 20 sont comprises entre 20 et 1000 pm et ils sont espacés d'une distance comprise entre 200 et 1000 pm.
La première résine peut être de la famille des méthacrylates qui sont dissoutes efficacement par des solvants faiblement polaires de la famille des cétones. Par exemple la résine peut être constituée par une encre « IJC 256 » commercialisée par la société « Fujifilm » et le premier solvant peut être de l'acétone. La première résine peut aussi être constituée par de l'encre « FW-D001-0P1 » commercialisée par la société « Toyo » et le premier solvant peut être du méthyle-éthylecétone.
Ainsi, les premiers plots 20 sont formés, puis la première couche 30 est formée, avant que le premier solvant ne soit appliqué à l'empilement afin de créer les ouvertures 71. Les premiers plots 20 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. La forme des plots 20 sera généralement hémisphérique. Plus précisément, à la suite de la formation des premiers plots 20, la première couche 30 est formée. La figure 5 représente la situation à la suite de l'étape de formation des premiers plots 20 et de l'étape de formation de la première couche 30. Des zones de la première couche 30 sont ensuite retirées localement au niveau des premiers plots 20 par cette technique de lift-off. Pour cela, l'échantillon peut être plongé dans le bain du premier solvant, par exemple de l'acétone, en présence d'ultrasons pendant une durée comprise entre 5 secondes et 10 minutes, typiquement de 2 minutes. La figure 6 illustre ensuite la situation à la suite de la première étape de lift-off, l'échantillon étant alors muni d'une pluralité d'ouvertures 71 dont l'emplacement et les dimensions sont directement liées à celles des premiers plots 20 formés sur l'échantillon. La section des ouvertures 71 a la forme de la section des premiers plots 20 de résine dont ils sont issus. La section des ouvertures 71 est de forme circulaire si le premier plot 20 de résine est circulaire. L'épaisseur du matériau de la première couche 30 est constante en pratique et ce n'est que par simplification de représentation que l'épaisseur de ce matériau au-dessus des plots 20 a été représentée différente de l'épaisseur au-dessus du substrat 10 sur la figure 5. Un avantage d'utiliser la technique de lift-off pour la formation des ouvertures 71 est que cette solution est simple et peu couteuse et que les bords des ouvertures 71 sont bien délimités, sans éclats de matière, de rayure ou de marque. Ensuite, les trous 72 formés dans les couches 30, 40, 50, 60 peuvent être obtenus à l'aide de toute technique connue et appropriée. Selon un premier mode de réalisation, l'étape de formation de la pluralité de trous 72 comprend une deuxième étape de gravure chimique, mécanique ou laser des deuxième et troisième couches 30, 40, 60 (et également à travers la couche tampon 50 lorsqu'elle est présente).
Alternativement et de manière préférée, dans un mode de réalisation, l'étape de formation de la pluralité de trous 72 peut comprendre une deuxième étape de lift-off réalisée à travers les deuxième et troisième couches 40, 60 (et également à travers la couche tampon 50 lorsqu'elle est présente) uniquement au niveau de zones de l'empilement coïncidant avec les emplacements des trous 72 à former. La deuxième étape de lift-off est réalisée séparément et après la première étape de lift-off décrite précédemment. Cette deuxième étape de lift-off peut comprendre : - une étape de formation d'une pluralité de deuxièmes plots 21 d'une deuxième résine sur le substrat 10 au niveau des emplacements 30 des trous 72 à former, ces deuxièmes plots 21 étant formés préalablement à l'étape de formation des deuxième et troisième couches 40, 60, - une étape d'application d'un deuxième solvant sur l'empilement mise en oeuvre postérieurement à l'étape de formation des deuxième et troisième couches 40, 60, le couple deuxième résine-deuxième solvant étant choisi de sorte que ladite étape d'application retire les deuxièmes plots 21 et les zones des deuxième et troisième couches 40, 60 (et également celui de la couche tampon 50 dans le cas où elle est présente) situées au-dessus des deuxièmes plots 21.
La matière de la deuxième couche 40, de la couche tampon 50 et de la troisième couche 60 reste par contre intacte en dehors des zones occupées par les deuxièmes plots 21. C'est la combinaison de ce phénomène de retrait de matière des couches 40, 50, 60 au-dessus des deuxièmes plots 21 et de ce phénomène de non-retrait de matière des couches 40, 50, 60 en dehors des deuxièmes plots 21 qui a pour effet de former les trous 72. Les dimensions des deuxièmes plots 21 sont égales à celles des trous 72 qui résultent de la deuxième étape de lift-off. De manière générale, les deuxièmes plots 21 ont plutôt dans la réalité une section arrondie et ce n'est que par simplification qu'ils ont été représentés par des rectangles sur les figures 7 et 8. Les dimensions des deuxièmes plots 21 sont comprises entre 10 et 500 um et ils sont espacés d'une distance comprise entre 200 et 1000 um. De façon générale, dans le premier exemple de procédé en référence aux figures 5 à 9, correspondant à un cas où la deuxième étape de lift-off est réalisée après l'étape de recuit de cristallisation nécessaire à la finalisation de la deuxième couche, le couple deuxième résine-deuxième solvant peut être constitué par tout couple résine-solvant dont les paramètres d'Hildebrand sont proches et pouvant tenir une température de recuit de l'ordre de 500-600°C sans dégradation majeure. La deuxième résine peut être de la famille des méthacrylates qui sont dissoutes efficacement par des solvants faiblement polaires de la famille des cétones. Par exemple la deuxième résine peut être constituée par une encre « IJC 256 » commercialisée par la société « Fujifilm » et le deuxième solvant peut être de l'acétone. La deuxième résine peut aussi être constituée par de l'encre « FW-D001-0P1 » commercialisée par la société « Toyo » et le deuxième solvant peut être du méthyle-éthyle- cétone. Chaque deuxième plot 21 est formé au centre d'une ouverture 71 correspondante préalablement formée. Plus précisément, pour chaque premier plot 20, ses dimensions dans le plan principal P de l'empilement, préférentiellement comprises entre 20 et 1000 um, sont strictement supérieures aux dimensions, dans le plan principal P, du deuxième plot 21 formé au centre de l'ouverture 71 correspondant au premier plot 20, préférentiellement comprises entre 10 et 500 ilm. Cela permet d'éviter la création de fractures dans la deuxième couche 40 qui sinon pourraient laisser des zones où la première couche 30 pourrait être directement court-circuitée par la couche tampon 50 et la troisième couche 60. La figure 7 représente la situation à la suite de l'étape de formation des deuxièmes plots 21. La figure 8 montre ensuite la situation à la suite de l'étape de formation des deuxième et troisième couches 40, 60 (et de l'étape de formation de la couche tampon 50). La figure 9 illustre la situation à la fin de la deuxième étape de lift-off. Ainsi, les deuxièmes plots 21 sont formés, puis la deuxième couche 40 est formée, puis la troisième couche 60 est formée avant que le deuxième solvant ne soit appliqué afin de créer les trous 72. Les deuxièmes plots 21 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. La forme des deuxièmes plots 21 sera généralement hémisphérique. Plus précisément, à la suite de la formation des deuxièmes plots 21 (figure 7), les couches 40 et 60 (et éventuellement la couche tampon 50) sont formées. La figure 8 représente cette situation. Des zones des couches 40, 50, 60 sont ensuite retirées localement au niveau des deuxièmes plots 21 par cette technique de lift-off. Pour cela, l'échantillon peut être plongé dans le bain du deuxième solvant, par exemple de l'acétone, en présence d'ultrasons pendant une durée comprise entre 5 secondes et 10 minutes, typiquement de 2 minutes. La figure 9 illustre ensuite la situation à la suite de la deuxième étape de lift-off, l'échantillon étant alors muni d'une pluralité de trous 72 dont l'emplacement et les dimensions sont directement liées à celles des deuxièmes plots 21 formés sur l'échantillon. La section des trous 72 a la forme globale de la section des deuxièmes plots 20 de résine dont ils sont issus.
Un avantage d'utiliser la technique de lift-off pour la formation des trous 72 est que cette solution est simple et peu couteuse et que les bords et les parois intérieures des trous 72 présentent des défauts limités par rapport à d'autres moyens de réalisation des trous évoqués plus haut (notamment le perçage mécanique). Maintenant en référence au deuxième exemple de procédé en référence aux figures 10 à 13 et au troisième exemple de procédé en référence aux figures 14 et 15, l'étape de formation de la pluralité de trous 73, 74 peut éventuellement être réalisée au moins partiellement avant l'étape de finalisation de la deuxième couche 40 et de la troisième couche 60.
Notamment, les trous 73, 74 peuvent être formés à travers la deuxième couche 40, avant sa formation, lorsque la deuxième étape de lift-off est réalisée avant le recuit de cristallisation nécessaire à la finalisation de la deuxième couche 40, et ce avant le dépôt de la troisième couche 60 et de la couche tampon 50. Plus précisément, dans le cas où l'étape de formation de la deuxième couche 40 sur la première couche 30 comprend une étape de dépôt d'au moins une couche 41, 42 de composés (exemplifiés précédemment) aptes à former, par recuit de cristallisation, le matériau photo-absorbant de la deuxième couche 40, puis une étape de recuit de cristallisation desdits composés afin de finaliser la deuxième couche 40, alors il peut être très avantageux de faire en sorte que l'étape de formation de la pluralité de trous comprenne une deuxième étape de lift-off, mise en oeuvre entre l'étape de dépôt de ladite au moins une couche 41, 42 de composés et l'étape de recuit de cristallisation, et réalisée à travers ces couches 41, 42 de composés uniquement au niveau de zones de l'empilement coïncidant avec les emplacements des trous à former.
De manière générale, la deuxième étape de lift-off est réalisée uniquement à travers les 41, 42, et ce avantageusement avant l'étape de recuit de cristallisation nécessaire à la finalisation ultérieure de la deuxième couche 40. Préalablement à l'étape de formation des deuxième et troisième couches 40, 60, le procédé comprend une étape de formation d'une pluralité de deuxièmes plots 21 d'une deuxième résine sur le substrat 10 au niveau des emplacements des trous 73, 74 à former, chaque deuxième plot 21 étant formé au centre d'une ouverture 71 correspondante préalablement formée. Postérieurement à l'étape de dépôt de ladite au moins une couche 41, 42 de composés et avant l'étape de recuit de cristallisation, le procédé comprend une étape d'application d'un deuxième solvant sur l'empilement, le couple deuxième résine-deuxième solvant étant choisi de sorte que ladite étape d'application retire les deuxièmes plots 21 et les zones de ladite au moins une couche 41, 42 de composés situées au-dessus des deuxièmes plots 21.
Dans le deuxième exemple, il est décrit la manière d'employer une deuxième résine dont les contraintes sur la tenue en température sont relâchées. En effet, l'étape de lift-off est mise en oeuvre avant l'étape de recuit conduisant à la formation et à la finalisation de la deuxième couche 40. Les premières étapes du deuxième exemple de procédé sont strictement identiques à celles décrites en référence aux figures 5 à 7. Cependant, l'avantage est que les deuxièmes plots 21 peuvent ici être réalisés à l'aide d'une résine qui ne nécessite pas de tenue élevée en température puisque, comme il le sera expliqué plus loin, ces deuxièmes plots 21 sont retirés avant l'étape de cristallisation de la deuxième couche 40 à haute température, notamment entre 500 et 600°C, résultait de l'étape de recuit.
En référence à la figure 10, suite à la formation des ouvertures 71 dans la première couche 30 et à la formation des deuxièmes plots 21, une couche 41 par exemple d'un alliage de Cuivre et de Gallium est déposée par pulvérisation cathodique d'une cible d'un alliage de Cuivre et de Gallium, puis une couche 42 par exemple d'Indium est déposée, également par pulvérisation cathodique d'une cible d'Indium. Les quantités des différents métaux sont ajustées, par exemple de façon à fixer un rapport de concentration atomique entre la concentration en Cuivre et la somme des concentrations de Gallium et d'4ndium compris entre 0,5 et 1, et préférentiellement de 0,88. L'épaisseur de la couche 40 en CIGS qui sera obtenue après la mise en oeuvre d'un recuit de sélénisation est comprise entre 500 nm et 5 pm, et préférentiellement de 1,4 pm. Il convient de noter que les éléments Cuivre, Indium, et Gallium peuvent également être apportés par d'autres méthodes que la pulvérisation cathodique, comme par exemple un procédé de dépôt électrolytique. Il conviendra dans ce cas de veiller à ce que le milieu électrolytique ne soit pas un solvant pour la résine des plots 21. L'empilement obtenu est représenté sur la figure 10. Puis en référence à la figure 11, la deuxième étape de lift-off des deuxièmes plots 21 via le deuxième solvant est réalisée dans des conditions identiques à celles décrites précédemment en référence à la figure 9. Les couches 41 et 42 situées au-dessus des plots 21 sont donc retirées par ce lift-off. Il en résulte la formation des trous repérés 73. Les caractéristiques A3 et E3 de ces trous 73 sur la figure 11 sont identiques à Al et E2 respectivement de la figure 9. L'avantage de cet exemple de procédé est ici que tous les plots 21 de résine ont été retirés avant l'étape de recuit de cristallisation de la deuxième couche 40 à haute température.
L'étape de recuit de cristallisation de la couche 40 est ensuite réalisée en référence à la figure 12, sous atmosphère de Sélénium à une température comprise entre 500°C et 600°C, où le S"nium peut être apporté par exemple soit sous forme de vapeurs de Sélénium métallique, soit sous forme de gaz H25e (ou encore d'autres composés volatiles à base de Sélénium). L'empilement partiellement formé, qui comprend la deuxième couche 40 finalisée, est visible sur la figure 12. Les étapes restantes du deuxième exemple de procédé sont ensuite identiques à celles décrites précédemment, à savoir le dépôt de la 30 couche tampon 50 de CdS par bain chimique, et formation de la troisième couche 60 par un dépôt de ZnO et de ZnO dopé avec de l'aluminium. Le dispositif photovoltaïque final est représenté sur la figure 13. Il s'agit d'un dispositif photovoltaïque semi-transparent, dans lequel un passage de la lumière par les trous 74 et l'arrière du substrat 10 est réalisé.
Il est remarqué néanmoins sur la figure 13 que la couche tampon 50 est présente au fond des trous 73. Dans le cas où le la couche tampon 50 est formée en CdS, il peut en résulter un aspect jaunâtre à cause du gap (autour de 2,4 eV) du CdS. Il peut y être remédié en remplaçant le CdS par une couche tampon formée dans un matériau ayant un plus grand gap. Il peut s'agir par exemple des matériaux à base de Zn(0,S), tel que décrit précédemment et dont le gap est 3,4 eV. Il est également possible de réaliser une étape supplémentaire de gravure localisée pour retirer les couches 50 et 60 dans les trous 74 et fournir un dispositif photovoltaïque identique à celui de la figure 9. Cela apporte néanmoins peu d'amélioration en termes de transmission de la lumière au travers du dispositif.
Dans le troisième exemple de procédé qui est finalement une alternative au deuxième exemple de procédé, les étapes de dépôt des couches 41 et 42 peuvent être suivies d'une étape de dépôt d'une couche 44 de Sélénium ayant une épaisseur comprise entre 100 nm et 10 pm, et préférentiellement de 2 pm, apportée par évaporation d'une source de Sélénium métallique. Ces couches 41, 42 et 44 sont toutes déposées avant l'étape de recuit de cristallisation aboutissant à la deuxième couche 40. Dans ce cas, l'empilement partiel obtenu est représenté sur la figure 14. Puis, la deuxième étape de lift-off des couches 41, 42 et 44 est réalisée par les mêmes méthodes que celles déjà employées 30 précédemment et décrite précédemment pour les couches 41 et 44 dans le deuxième mode de réalisation. Le résultat de la deuxième étape de lift- off est représenté sur la figure 15. La deuxième étape de lift-off est réalisée avant la mise en oeuvre du recuit de cristallisation aboutissant à la finalisation de la deuxième couche 40. La résine employée ici ne demande pas, une fois encore, une résistance en température élevée puisqu'elle est retirée avant l'étape de cristallisation de la deuxième couche 40. Puis l'étape de recuit est effectuée afin de cristalliser la deuxième couche 40, la température étant comprise entre 500 et 600°C. Le résultat est identique à celui de la figure 12. Puis les étapes de formation des couches 50 et 60 sont identiques à celles du passage de la figure 12 à la figure 13. En résumé, la solution décrite dans ce document prévoit de réaliser des ouvertures 71 dans la première couche 30, puis de venir y déposer la résine (deuxièmes plots 21) qui servira au lift-off soit au moins de la couche 40, voire de l'ensemble des couches 40, 50, 60 supérieures, soit aux couches 41, 42 et éventuellement 44 de composés avant le recuit de cristallisation de la deuxième couche 40. De cette façon, la première couche 30 n'est pas mise sous contrainte et la présence de fractures en bordure des plots de résine n'est pas problématique. Dans la structure de la figure 9, la première couche 30 n'est pas mise sous contrainte par la résine. Les couches 40, 50, 60 supérieures peuvent être mises sous contrainte, mais les fractures éventuelles qui apparaissent ne sont pas débouchantes sur l'électrode arrière formée par la première couche 30 d'une part, et d'autre part facilitent l'accès du solvant pour la dissolution des plots 21 de résine. La solution précédemment décrite présente les avantages suivants : - permet d'avoir un dispositif photovoltaïque semi-transparent avec un coefficient d'ouverture élevé, notamment potentiellement compris entre environ 1 et 99%, - permet d'avoir une bonne robustesse de l'empilement formé sur le 5 substrat, notamment une bonne tenue de la première couche 30 formant l'électrode arrière, voire les couches 40, 50, 60 déposées sur celle-ci, - de s'affranchir de risques de court-circuit entre les couches 30 et 60 du dispositif photovoltaïque.
10 Les principes généraux exposés ci-dessus peuvent être appliqués quelle que soit la nature du matériau de la première couche 30 et de la deuxième couche 40 photo-absorbante.
Claims (20)
- REVENDICATIONS1. Dispositif photovoltaïque comprenant un substrat (10), notamment transparent dans tout ou partie du spectre solaire, et un empilement de couches formé sur le substrat (10) et comportant au moins une première couche (30) en matériau électriquement conducteur formant une électrode arrière, une deuxième couche (40) photo-absorbante dans le spectre solaire et une troisième couche (60) en matériau électriquement conducteur formant une électrode avant, caractérisé en ce que l'empilement comporte une pluralité de trous (72, 73, 74) individuels traversant chacun les première, deuxième et troisième couches (30, 40, 60) pour déboucher vers le substrat (10) et ayant chacun une paroi intérieure délimitée au niveau de la première couche (30), dans le plan de la première couche (30) et sur toute l'épaisseur (h) de la première couche (30), par le matériau de la deuxième couche (40).
- 2. Dispositif photovoltaïque selon la revendication 1, caractérisé en ce que la valeur (A1) de l'épaisseur (45) de matériau de la deuxième couche (40) dans le plan de la première couche (30) est comprise entre 5 et 450 pm, préférentiellement entre 5 et 200 pm.
- 3. Dispositif photovoltaïque selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les trous (72, 73, 74) sont répartis d'une manière telle que le rapport entre d'une part la surface trouée de l'empilement, correspondant à la somme des surfaces des trous (72, 73, 74) de la pluralité, et d'autre part la surface totale de l'empilement dans le plan principal (P) de l'empilement, est compris entre 1% et 99%.
- 4. Dispositif photovoltaïque selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que chaque trou est distant du trou adjacent le plus proche, dans le plan principal (P) de l'empilement, d'une distance comprise entre 200 et 1000 um.
- 5. Dispositif photovoltaïque selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les trous sont répartis dans le plan principal (P) de l'empilement selon un pavage périodique aux sommets d'un motif de base ayant la forme d'un polygone tel qu'un carré ou d'un hexagone.
- 6. Procédé de fabrication d'un dispositif photovoltaïque comprenant une étape de fourniture d'un substrat (10), notamment transparent dans tout ou partie du spectre solaire, et une étape de formation d'un empilement de couches minces sur le substrat (10) et comportant une première couche (30) en matériau électriquement conducteur formant une électrode arrière, une deuxième couche (40) photo-absorbante dans le spectre solaire, une troisième couche (60) en matériau électriquement conducteur formant une électrode avant, et une pluralité de trous individuels traversant chacun les première, deuxième et troisième couches (30, 40, 60) ayant chacun une paroi intérieure délimitée au niveau de la première couche (30), dans le plan de la première couche (30) et sur toute l'épaisseur (h) de la première couche (30), par le matériau de la deuxième couche (40).
- 7. Procédé de fabrication selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'étape de formation de l'empilement comprend : - une étape de formation de la première couche (30) sur le substrat (10),- une étape de formation d'une pluralité d'ouvertures (71) traversantes individuelles dans la première couche (30) où chaque ouverture (71) traverse la première couche (30), - une étape de formation des deuxième et troisième couches (40, 60) sur la première couche (30) et sur lesdites ouvertures (71), - une étape de formation de ladite pluralité de trous (72, 73, 74) de sorte que chaque trou est aligné, notamment centré, avec une ouverture (71) correspondante dans le plan principal (P) de l'empilement.
- 8. Procédé de fabrication selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'étape de formation de la pluralité d'ouvertures (71) est réalisée avant l'étape de formation de la pluralité de trous (72, 73, 74).
- 9. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que les dimensions (El) ) de chaque ouverture (71) dans le plan principal (P) de l'empilement sont strictement supérieures aux dimensions (E2) de chaque trou dans le plan principal (P) de l'empilement.
- 10. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que les dimensions (E2) de chaque trou dans le plan principal (P) de l'empilement sont comprises entre 10 et 500 um.
- 11. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que les dimensions (El) ) de chaque ouverture (71) dans le plan principal (P) de l'empilement sont comprises entre 20 et 1000 um.
- 12. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que l'étape de formation de la pluralité d'ouvertures(71) comprend une première étape de gravure chimique, mécanique ou laser de la première couche (30).
- 13. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que l'étape de formation de la pluralité d'ouvertures (71) comprend une première étape de lift-off réalisée à travers la première couche (30) uniquement au niveau de zones de la première couche (30) coïncidant avec les emplacements des ouvertures (71) à former.
- 14. Procédé de fabrication selon la revendication 13, caractérisé en ce que préalablement à l'étape de formation de la première couche (30), le procédé comprend une étape de formation d'une pluralité de premiers plots (20) d'une première résine sur le substrat (10) au niveau des emplacements des ouvertures (71) à former, et en ce que postérieurement à l'étape de formation de la première couche (30), le procédé comprend une étape d'application d'un premier solvant sur la première couche (30), le couple première résine-premier solvant étant choisi de sorte que ladite étape d'application retire les premiers plots (20) et les zones de la première couche (30) situées au-dessus des premiers plots (20).
- 15. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 7 à 14, caractérisé en ce que l'étape de formation de la pluralité de trous comprend une deuxième étape de gravure chimique, mécanique ou laser des deuxième et troisième couches (30, 40, 60).
- 16. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 7 à 14, caractérisé en ce que l'étape de formation de la pluralité de trous comprend une deuxième étape de lift-off réalisée à travers la deuxièmecouche (40) et la troisième couche (60), uniquement au niveau de zones de l'empilement coïncidant avec les emplacements des trous à former.
- 17. Procédé de fabrication selon la revendication 16, caractérisé en ce que préalablement à l'étape de formation des deuxième et troisième couches (40, 60), le procédé comprend une étape de formation d'une pluralité de deuxièmes plots (21) d'une deuxième résine sur le substrat (10) au niveau des emplacements des trous (72) à former, chaque deuxième plot (21) étant formé au centre d'une ouverture (71) correspondante préalablement formée, et en ce que postérieurement à l'étape de formation des deuxième et troisième couches (40, 60), le procédé comprend une étape d'application d'un deuxième solvant sur l'empilement, le couple deuxième résine-deuxième solvant étant choisi de sorte que ladite étape d'application retire les deuxièmes plots (21) et les zones des deuxième et troisième couches (40, 60) situées au-dessus des deuxièmes plots (21).
- 18. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 7 à 14, caractérisé en ce que l'étape de formation de la deuxième couche (40) sur la première couche (30) comprend une étape de dépôt d'au moins une couche (41, 42, 44) de composés aptes à former, par recuit de cristallisation, le matériau photo-absorbant de la deuxième couche (40), puis une étape de recuit de cristallisation desdits composés afin de finaliser la deuxième couche (40) et en ce que l'étape de formation de la pluralité de trous comprend une deuxième étape de lift-off, mise en oeuvre entre l'étape de dépôt de ladite au moins une couche (41, 42, 44) de composés et l'étape de recuit de cristallisation, et réalisée à travers lesdites couches (41, 42, 44) de composés uniquement au niveau de zones de l'empilement coïncidant avec les emplacements des trous à former.
- 19. Procédé de fabrication selon la revendication 18, caractérisé en ce que préalablement à l'étape de formation des deuxième et troisième couches (40, 60), le procédé comprend une étape de formation d'une pluralité de deuxièmes plots (21) d'une deuxième résine sur le substrat (10) au niveau des emplacements des trous (73, 74) à former, chaque deuxième plot (21) étant formé au centre d'une ouverture (71) correspondante préalablement formée, et en ce que postérieurement à l'étape de dépôt de ladite au moins une couche (41, 42, 44) de composés et avant l'étape de recuit de cristallisation, le procédé comprend une étape d'application d'un deuxième solvant sur l'empilement, le couple deuxième résine-deuxième solvant étant choisi de sorte que ladite étape d'application retire les deuxièmes plots (21) et les zones de ladite au moins une couche (41, 42, 44) de composés situées au-dessus des deuxièmes plots (21).
- 20. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 17 à 19, caractérisé en ce que pour chaque premier plot (20), ses dimensions dans le plan principal (P) de l'empilement, préférentiellement comprises entre 20 et 1000 pm, sont strictement supérieures aux dimensions, dans ledit plan principal (P), du deuxième plot (21) formé au centre de l'ouverture (71) correspondant audit premier plot (20), préférentiellement comprises entre 10 et 500 pm.
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