FR3031240A3 - CONDUCTIVE SUBSTRATE FOR PHOTOVOLTAIC CELL - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un substrat conducteur (1) pour cellule photovoltaïque, comprenant un substrat porteur (2) et un revêtement électrode (6) formé sur le substrat porteur (2), le revêtement électrode (6) comprenant : - une couche principale (8) à base de molybdène formée sur le substrat porteur (2) ; - une couche barrière à la sélénisation (10) formée sur la couche principale (8) de 20-40 nm à base de molybdène et à base d'oxynitrure de molybdène ; et - sur la couche barrière à la sélénisation (10), une couche supérieure (12) de 30-35 nm à base de molybdène, le substrat porteur est dans un matériau contenant des alcalins, le substrat conducteur comprenant une couche barrière aux alcalins (4) formée sur le substrat porteur et sous la couche principale à base de molybdène, la couche barrière aux alcalins étant d'au plus 100nm à base de nitrure de silicium.The invention relates to a conductive substrate (1) for a photovoltaic cell, comprising a carrier substrate (2) and an electrode coating (6) formed on the carrier substrate (2), the electrode coating (6) comprising: - a main layer ( 8) based on molybdenum formed on the carrier substrate (2); a selenization barrier layer (10) formed on the main layer (8) of 20-40 nm based on molybdenum and based on molybdenum oxynitride; and on the selenization barrier layer (10), an upper layer (12) of 30-35 nm based on molybdenum, the carrier substrate is in an alkaline-containing material, the conductive substrate comprising an alkali barrier layer ( 4) formed on the carrier substrate and under the molybdenum-based main layer, the alkali barrier layer being at most 100 nm based on silicon nitride.
Description
- 1 - SUBSTRAT CONDUCTEUR POUR CELLULE PHOTOVOLTAÏQUE L'invention se rapporte au domaine des cellules photovoltaïques, plus particulièrement au domaine des substrats conducteurs à base de molybdène utilisés pour fabriquer des cellules photovoltaïques à couches minces. En effet, de façon connue, certaines cellules photovoltaïques à couches minces, dites de seconde génération, utilisent un substrat conducteur à base de molybdène revêtu d'une couche d'agent absorbeur (i.e. matériau photoactif), généralement en chalcopyrite de cuivre Cu, d'indium In, et de sélénium Se et/ou de soufre S. Il peut s'agir, par exemple, d'un matériau du type CuInSe2. Ce type de matériau est connu sous l'abréviation CIS. Il peut également s'agir de CIGS c'est-à-dire d'un matériau incorporant en outre du gallium, ou encore de matériaux du type Cu2(Zn,Sn)(S,Se)4 (i.e. CZTS), utilisant du zinc et/ou de l'étain plutôt que de l'indium et/ou du gallium.The invention relates to the field of photovoltaic cells, more particularly to the field of molybdenum-based conductive substrates used to fabricate thin-film photovoltaic cells. BACKGROUND OF THE INVENTION Indeed, in known manner, certain thin-film photovoltaic cells, called second-generation, use a conductive substrate based on molybdenum coated with a layer of absorber (ie photoactive material), generally copper chalcopyrite Cu, d indium In, and Se selenium and / or S sulfur. It may be, for example, a CuInSe2 type material. This type of material is known under the abbreviation CIS. It may also be CIGS, that is to say a material that also incorporates gallium, or materials of the Cu2 (Zn, Sn) (S, Se) 4 (ie CZTS) type using zinc and / or tin rather than indium and / or gallium.
Pour ce type d'application, les électrodes sont le plus souvent à base de molybdène (Mo) car ce matériau présente un certain nombre d'avantages. C'est un bon conducteur électrique (résistivité relativement faible de l'ordre de 10pacm). Il peut être soumis aux traitements thermiques élevés nécessaires, car il a un point de fusion élevé (2610°C). Il résiste, dans une certaine mesure, au sélénium et au soufre. Le dépôt de la couche d'agent absorbeur impose le plus souvent un contact avec une atmosphère contenant du sélénium ou du soufre qui tend à détériorer la plupart des métaux. Le molybdène réagit avec le sélénium ou le soufre notamment, formant du MoSe2, MoS2 ou Mo(S,Se)2, mais garde l'essentiel de ses propriétés, notamment électriques, et conserve un contact électrique adéquat avec par exemple la couche de CIS, de CIGS, ou de CZTS. Enfin, c'est un matériau sur lequel les couches de type CIS, CIGS ou CZTS adhèrent bien, le molybdène tend même à en favoriser la croissance cristalline. Cependant, le molybdène présente un inconvénient important quand on envisage une production industrielle : c'est un matériau coûteux. En effet, les couches en molybdène sont habituellement déposées par pulvérisation cathodique (assistée par champ magnétique). Or les cibles de molybdène sont onéreuses. Cela est d'autant moins négligeable que pour obtenir le niveau de 3031240 2 conductivité électrique voulu (une résistance par carré inférieure ou égale à 250^, et de préférence inférieure ou égale à 1 ou même 0,50/^ après traitement dans une atmosphère contenant du S ou du Se), il faut une couche de Mo relativement épaisse, généralement de l'ordre de 400 nm à 1 5 micromètre. La demande de brevet WO-A-02/065554 de SAINT-GOBAIN GLASS FRANCE enseigne de prévoir une couche relativement mince de molybdène (inférieure à 500nm) et de prévoir une ou plusieurs couches imperméables aux alcalins entre le substrat et la couche à base de molybdène, de façon à 10 préserver les qualités de la fine couche à base de molybdène lors des traitements thermiques subséquents. Ce type de substrat conducteur reste néanmoins relativement coûteux. On connaît également de EP2 777 075 un substrat conducteur de type Mo/MoON/Mo. L'invention concerne plus particulièrement un tel type de 15 substrat conducteur. Un but de la présente invention est de fournir un nouveau substrat conducteur à base de molybdène plus performant. A cet effet, la présente invention a notamment pour objet un substrat conducteur pour cellule photovoltaïque, comprenant un substrat porteur et un 20 revêtement électrode formé sur le substrat porteur, le revêtement électrode comprenant : - une couche principale à base de molybdène formée sur le substrat porteur ; - une couche barrière à la sélénisation formée sur la couche principale à 25 base de molybdène et à base d'oxynitrure de molybdène ; et - sur la couche barrière à la sélénisation, une couche supérieure à base de molybdène, le substrat porteur est dans un matériau contenant des alcalins, le substrat conducteur comprenant une couche barrière aux alcalins formée sur le 30 substrat porteur et sous la couche principale à base de molybdène, la couche barrière aux alcalins étant à base de nitrure de silicium, dans lequel la couche supérieure à base de molybdène a une épaisseur d'au moins 30nm et d'au plus 35nm, la couche barrière à la sélénisation a une épaisseur d'au moins 20nm et d'au plus 40nm et la couche barrière aux alcalins 3031240 3 a une épaisseur d'au plus 100nm. Le substrat conducteur est fiable et relativement rapide à fabriquer. Le choix de l'épaisseur de la couche barrière aux alcalins est particulièrement important, car même si à de telles épaisseurs, la couche barrière risque de 5 laisser passer des alcalins, ce risque est pondéré par l'avantage d'avoir un substrat conducteur plus rapide à fabriquer, le dépôt d'une couche nitruré étant relativement lent. Auparavant, il n'avait jamais été envisagé d'utiliser une couche barrière aux alcalins de si faible épaisseur avec des empilements à base de molybdène aussi peu épais et aussi fragiles que les empilements de 10 type Mo/MoON/Mo. Ce choix d'épaisseur étant en effet considéré par l'homme du métier comme trop risqué. Suivant des modes particuliers de réalisation, la couche principale à base de molybdène a une épaisseur d'au moins 100nm et d'au plus 140nm. Suivant un autre mode particulier de réalisation, le substrat ne comprend 15 pas d'autres couches, i.e. est constitué des couches ci-dessus. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'une cellule ou module photovoltaïque comprenant l'utilisation d'un substrat conducteur selon l'une quelconque des revendications précédentes pour réaliser la formation d'une couche photoactive par sélénisation et/ou sulfuration, 20 sur ladite couche supérieure à base de molybdène, l'étape de transformation de ladite couche supérieure à base de molybdène étant réalisée avant ou pendant la formation de ladite couche photoactive, de préférence pendant. Suivant un mode particulier de réalisation, lequel l'étape de formation de la couche photoactive (22) comprenant une étape de sélénisation et/ou 25 sulfuration à une température supérieure ou égale à 300°C. L'invention a encore pour objet un module photovoltaïque issu du procédé ci-dessus. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en référence aux dessins 30 annexés, sur lesquels : la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un substrat conducteur ; la figure 2 est une vue schématique en coupe d'une cellule photovoltaïque comprenant un substrat conducteur selon la figure 1 ; 3031240 4 Les dessins des figures 1 à 2 ne sont pas à l'échelle, pour une représentation claire, car les différences d'épaisseur entre notamment le substrat porteur et les couches déposées sont importantes, par exemple de l'ordre d'un facteur 500.For this type of application, the electrodes are most often based on molybdenum (Mo) because this material has a number of advantages. It is a good electrical conductor (relatively low resistivity of the order of 10pacm). It can be subjected to the necessary high heat treatments because it has a high melting point (2610 ° C). It resists, to a certain extent, selenium and sulfur. Deposition of the absorber layer most often requires contact with an atmosphere containing selenium or sulfur which tends to deteriorate most metals. Molybdenum reacts with selenium or sulfur in particular, forming MoSe2, MoS2 or Mo (S, Se) 2, but retains most of its properties, especially electrical properties, and maintains adequate electrical contact with, for example, the CIS layer. , CIGS, or CZTS. Finally, it is a material on which the layers of CIS, CIGS or CZTS type adhere well, molybdenum even tends to promote crystal growth. However, molybdenum has a significant disadvantage when considering industrial production: it is an expensive material. Indeed, the molybdenum layers are usually deposited by sputtering (magnetic field assisted). But molybdenum targets are expensive. This is all the less negligible as to obtain the desired level of electrical conductivity (a resistance per square of less than or equal to 250%, and preferably less than or equal to 1 or even 0.50% after treatment in an atmosphere containing S or Se) requires a relatively thick Mo layer, generally of the order of 400 nm to 15 microns. The patent application WO-A-02/065554 of SAINT-GOBAIN GLASS FRANCE teaches to provide a relatively thin layer of molybdenum (less than 500 nm) and to provide one or more alkaline-impermeable layers between the substrate and the layer based on molybdenum, so as to preserve the qualities of the thin layer based on molybdenum during subsequent heat treatments. This type of conductive substrate is nevertheless relatively expensive. EP 2 777 075 also discloses a conductive substrate of the Mo / MoON / Mo type. The invention more particularly relates to such a type of conductive substrate. An object of the present invention is to provide a new conductive substrate based on molybdenum more efficient. For this purpose, the present invention particularly relates to a conductive substrate for a photovoltaic cell, comprising a carrier substrate and an electrode coating formed on the carrier substrate, the electrode coating comprising: a molybdenum-based main layer formed on the substrate carrier ; a selenization barrier layer formed on the molybdenum-based and molybdenum oxynitride main layer; and on the selenization barrier layer, a molybdenum-based top layer, the carrier substrate is of an alkaline-containing material, the conductive substrate comprising an alkaline barrier layer formed on the carrier substrate and under the main layer. molybdenum base, the alkali barrier layer being based on silicon nitride, in which the molybdenum-based top layer has a thickness of at least 30 nm and at most 35 nm, the selenization barrier layer has a thickness of at least 20 nm and at most 40 nm and the alkali barrier layer 3031240 3 has a thickness of at most 100 nm. The conductive substrate is reliable and relatively fast to manufacture. The choice of the thickness of the alkali barrier layer is particularly important because even if at such thicknesses the barrier layer is likely to pass alkali, this risk is weighted by the advantage of having a more conductive substrate. fast to manufacture, the deposition of a nitrided layer being relatively slow. Previously, it had never been contemplated using such a thin alkali barrier layer with molybdenum-based stacks as thin and as brittle as Mo / MoON / Mo stacks. This choice of thickness being indeed considered by the skilled person as too risky. According to particular embodiments, the molybdenum-based main layer has a thickness of at least 100 nm and at most 140 nm. According to another particular embodiment, the substrate does not comprise other layers, i.e. consists of the above layers. The subject of the invention is also a method for manufacturing a photovoltaic cell or module comprising the use of a conductive substrate according to any one of the preceding claims for effecting the formation of a photoactive layer by selenization and / or sulphurization On said upper molybdenum-based layer, the step of transforming said molybdenum-based top layer being performed before or during the formation of said photoactive layer, preferably during. According to a particular embodiment, the step of forming the photoactive layer (22) comprising a step of selenization and / or sulphurization at a temperature greater than or equal to 300 ° C. The invention also relates to a photovoltaic module from the above method. The invention will be better understood on reading the description which will follow, given solely by way of example, and with reference to the appended drawings, in which: FIG. 1 is a diagrammatic sectional view of a conductive substrate ; Figure 2 is a schematic sectional view of a photovoltaic cell comprising a conductive substrate according to Figure 1; The drawings of FIGS. 1 to 2 are not to scale, for a clear representation, because the differences in thickness between, in particular, the carrier substrate and the deposited layers are important, for example of the order of a factor. 500.
5 Sur la figure 1 est illustré un substrat conducteur 1 pour cellule photovoltaïque comprenant : - un substrat porteur 2 en verre ; - une couche barrière aux alcalins 4 formée sur le substrat 2 ; et - un revêtement électrode 6 à base de molybdène formé sur la couche 10 barrière aux alcalins 4. On entend, dans tout le texte, par « une couche A formée (ou déposée) sur une couche B », une couche A formée soit directement sur la couche B et donc en contact avec la couche B, soit formée sur la couche B avec interposition d'une ou plusieurs couches entre la couche A et la couche B.In FIG. 1 there is illustrated a conductive substrate 1 for a photovoltaic cell comprising: - a carrier substrate 2 made of glass; an alkaline barrier layer 4 formed on the substrate 2; and a molybdenum-based electrode coating 6 formed on the alkaline barrier layer 4. Throughout the text, it is meant by "a layer A formed (or deposited on a layer B"), a layer A formed either directly on layer B and therefore in contact with layer B, is formed on layer B with the interposition of one or more layers between layer A and layer B.
15 A noter qu'on entend dans tout le texte par « revêtement électrode », un revêtement d'amenée de courant comprenant au moins une couche électroniquement conductrice, c'est-à-dire dont la conductivité est assurée par la mobilité des électrons. En outre, dans tout le texte, « comprend une couche » doit bien entendu 20 s'entendre comme « comprend au moins une couche ». Le revêtement électrode 6 illustré est constitué :* - d'une couche barrière aux alcalins 4 ; - d'une couche principale 8 à base de molybdène formée directement sur la couche barrière aux alcalins 4 ; 25 - d'une couche barrière à la sélénisation 10 formée directement sur la couche principale 8 à base de molybdène et de faible épaisseur ; et - d'une couche supérieure 12 à base de molybdène, formée directement sur la couche barrière à la sélénisation 10. Un tel substrat conducteur 1 est destiné à la fabrication d'un matériau 30 photoactif avec adjonction de sodium (il est connu que le sodium améliore les performances des matériaux photoactifs de type CIS ou CIGS). La couche barrière aux alcalins 4 empêche la migration des ions sodium depuis le substrat 2 en verre, pour un meilleur contrôle de l'adjonction de sodium dans le matériau photoactif.It should be noted that throughout the text "electrode coating" means a current feed coating comprising at least one electronically conductive layer, that is to say the conductivity of which is ensured by the mobility of the electrons. In addition, throughout the text, "includes a layer" should of course be understood as "comprises at least one layer". The illustrated electrode coating 6 consists of: - an alkali barrier layer 4; a molybdenum-based main layer 8 formed directly on the alkaline barrier layer 4; A selenization barrier layer 10 formed directly on the molybdenum-based main layer 8 and having a small thickness; and an upper layer 12 based on molybdenum, formed directly on the selenization barrier layer 10. Such a conductive substrate 1 is intended for the manufacture of a photoactive material with addition of sodium (it is known that the sodium improves the performance of CIS or CIGS photoactive materials). The alkali barrier layer 4 prevents the migration of sodium ions from the glass substrate 2, for better control of the addition of sodium in the photoactive material.
303 12 40 5 En variante, le revêtement électrode 6 comprend une ou plusieurs couches intercalaires. Ainsi, d'une manière générale, le substrat conducteur 1 comprend un substrat porteur 2 et un revêtement électrode 6 comprenant : 5 - une couche principale 8 à base de molybdène formée sur le substrat porteur 2 ; - une couche barrière à la sélénisation 10 formée sur la couche principale 8 à base de molybdène, et à base de oxynitrure de molybdène ; et - une couche supérieure 12 à base de molybdène formée sur la couche 10 barrière à la sélénisation 10. Le molybdène est propre à former, après sulfuration et/ou sélénisation, une couche de contact ohmique avec un matériau semi-conducteur photoactif, notamment avec un matériau semi-conducteur photoactif à base de chalcopyrite de cuivre et de sélénium et/ou de soufre par exemple un matériau 15 photoactif de type Cu(In,Ga)(S,Se)2, notamment CIS ou CIGS, ou encore un matériau de type Cu2(Zn,Sn)(S,Se)4. On entend par une couche de contact ohmique une couche d'un matériau tel que la caractéristique courant / tension du contact est non-rectifiante et linéaire.Alternatively, the electrode coating 6 comprises one or more interlayers. Thus, in general, the conductive substrate 1 comprises a carrier substrate 2 and an electrode coating 6 comprising: a molybdenum-based main layer 8 formed on the carrier substrate 2; a selenization barrier layer 10 formed on the main layer 8 based on molybdenum and based on molybdenum oxynitride; and an upper molybdenum-based layer 12 formed on the selenization barrier layer 10. The molybdenum is capable of forming, after sulphurization and / or selenization, an ohmic contact layer with a photoactive semiconductor material, particularly with a photoactive semiconductor material based on copper chalcopyrite and selenium and / or sulfur for example a Cu (In, Ga) (S, Se) 2 type of photoactive material, in particular CIS or CIGS, or a material of type Cu2 (Zn, Sn) (S, Se) 4. An ohmic contact layer is understood to mean a layer of a material such that the current / voltage characteristic of the contact is non-rectifying and linear.
20 De préférence, la couche supérieure 12 est la dernière couche supérieure du revêtement électrode 6, c'est-à-dire que le revêtement électrode 6 ne possède pas une autre couche au-dessus de la couche 12. De préférence également, le revêtement électrode 6 comprend une seule couche principale 8 à base de molybdène, une seule couche barrière à la 25 sélénisation 10, et une seule couche 12. Il est à noter qu'on entend, dans tout le texte, par « une seule couche », une couche d'un même matériau. Cette unique couche peut néanmoins être obtenue par la superposition de plusieurs couches d'un même matériau, entre lesquelles existe une interface qu'il est possible de caractériser, comme décrit 30 dans WO-A-2009/080931. Typiquement, dans une enceinte de dépôt magnétron, plusieurs couches d'un même matériau seront formées successivement sur le substrat porteur par plusieurs cibles pour former au final une seule couche du même matériau, à savoir le molybdène.Preferably, the upper layer 12 is the last upper layer of the electrode coating 6, i.e. the electrode coating 6 does not have another layer above the layer 12. Also preferably, the coating electrode 6 comprises a single main layer 8 based on molybdenum, a single barrier layer 10 to selenization, and a single layer 12. It should be noted that throughout the text is meant by "a single layer", a layer of the same material. This single layer can nevertheless be obtained by the superposition of several layers of the same material, between which there is an interface that can be characterized, as described in WO-A-2009/080931. Typically, in a magnetron deposition chamber, several layers of the same material will be successively formed on the carrier substrate by several targets to ultimately form a single layer of the same material, namely molybdenum.
303 12 40 6 A noter qu'on entend par le terme « à base de molybdène », un matériau composé d'une quantité substantielle de molybdène, c'est-à-dire soit un matériau constitué seulement de molybdène, soit un alliage comprenant majoritairement du molybdène, soit un composé comprenant majoritairement du 5 molybdène mais avec une teneur en oxygène et/ou en azote, par exemple une teneur conduisant à une résistivité supérieure ou égale à 20pOhm.cm. La couche 12 est destinée à être intégralement transformée par sélénisation et/ou sulfuration en Mo(S,Se)2, lequel matériau n'est en revanche pas considéré comme un matériau « à base de molybdène » mais un matériau 10 à base de disulfure de molybdène, de diséléniure de molybdène ou d'un mélange de disulfure et de diséléniure de molybdène. De manière conventionnelle, la notation (S,Se) indique qu'il s'agit d'une combinaison de SxSei_x avec 0 < x <1. Il est important de noter que le substrat illustré sur la figure 1 et décrit ci- 15 dessus est un produit intermédiaire dans la fabrication d'un module photovoltaïque. Ce produit intermédiaire est ensuite transformé du fait du procédé de fabrication du matériau photoactif. Le substrat conducteur 1 décrit ci-dessus s'entend comme le produit intermédiaire avant transformation, lequel peut être stocké et acheminé vers d'autres sites de production pour la 20 fabrication du module. La couche supérieure 12 a une épaisseur d'au moins 30nm et d'au plus 35nm. Les composés de disulfure et/ou de diséléniure de molybdène Mo(S,Se)2 sont des matériaux dont l'efficacité comme couche de contact ohmique est 25 prouvée. La couche barrière à la sélénisation 10 protège la couche principale 8 à base de molybdène d'une sélénisation et/ou sulfuration éventuelle. A noter qu'une couche protégeant de la sélénisation protège également de la sulfuration.303 12 40 6 Note that the term "molybdenum-based" refers to a material composed of a substantial amount of molybdenum, that is to say either a material consisting solely of molybdenum, or an alloy comprising mostly molybdenum, that is a compound comprising mainly molybdenum but with a content of oxygen and / or nitrogen, for example a content leading to a resistivity greater than or equal to 20 μOhm.cm. The layer 12 is intended to be completely transformed by selenization and / or sulphurization in Mo (S, Se) 2, which material is not on the other hand considered a "molybdenum-based" material but a disulfide-based material. molybdenum, molybdenum diselenide or a mixture of molybdenum disulfide and diselenide. Conventionally, the notation (S, Se) indicates that it is a combination of SxSei_x with 0 <x <1. It is important to note that the substrate shown in FIG. 1 and described above is an intermediate product in the manufacture of a photovoltaic module. This intermediate product is then transformed because of the method of manufacturing the photoactive material. The conductive substrate 1 described above is understood to be the intermediate product before processing, which can be stored and conveyed to other production sites for the manufacture of the module. The upper layer 12 has a thickness of at least 30 nm and at most 35 nm. Mo (S, Se) 2 molybdenum disulfide and / or diselenide compounds are materials whose effectiveness as an ohmic contact layer is proven. The selenization barrier layer 10 protects the molybdenum-based main layer 8 from possible selenization and / or sulfidation. Note that a layer protecting selenization also protects from sulfurization.
30 On entend par couche barrière à la sélénisation, une couche d'un matériau de tout type adapté pour empêcher ou réduire la sélénisation des couches couvertes par la couche barrière à la sélénisation lors du dépôt, sur la couche barrière à la sélénisation, de couches de matériaux semi-conducteurs formés par sélénisation et/ou sulfuration. La couche barrière à la sélénisation 3031240 7 au sens de l'invention montre une efficacité prouvée même à une épaisseur de 3nm. Un test possible pour savoir si un matériau est adapté ou non pour un rôle de barrière à la sélénisation est de comparer un échantillon avec et sans 5 une couche de 5nm de ce matériau entre la couche supérieure 12 à base de molybdène et la couche principale 8 et de faire subir une sélénisation aux échantillons, par exemple par chauffage à 520°C dans une atmosphère à 100% de sélénium. Si la sélénisation de la couche principale 8 est réduite ou empêchée et la couche supérieure 12 entièrement sélénisée, le matériau est 10 efficace. Le matériau de la couche barrière à la sélénisation 10 est d'un oxynitrure de molybdène, de toute stoechiométrie en oxygène et en azote adaptée. Il peut être peuvent être sous-stoechiométrique, stoechiométrique ou sur-stoechiométrique respectivement en azote et en oxygène.Selenization barrier layer is understood to mean a layer of a material of any type suitable for preventing or reducing the selenization of the layers covered by the barrier layer at the selenization stage during the deposition, on the selenization barrier layer, of layers semiconductor materials formed by selenization and / or sulfurization. The selenization barrier layer 3031240 7 within the meaning of the invention shows a proven effectiveness even at a thickness of 3 nm. A possible test as to whether a material is suitable or not for a selenization barrier role is to compare a sample with and without a 5 nm layer of this material between the molybdenum top layer 12 and the main layer 8. and selenizing the samples, for example by heating at 520 ° C in a 100% selenium atmosphere. If the selenization of the main layer 8 is reduced or prevented and the upper layer 12 is fully selenized, the material is effective. The material of the selenization barrier layer 10 is a molybdenum oxynitride, any oxygen stoichiometry and suitable nitrogen. It may be may be substoichiometric, stoichiometric or superstoichiometric, respectively in nitrogen and oxygen.
15 D'une manière générale, il s'agit d'un matériau de tout type adapté pour protéger la couche principale 8 à base de molybdène d'une sélénisation ou sulfuration éventuelle. Avec x= 0/(0+N), on a par exemple 0,05<x<0,95, par exemple 0, 1<x<0, 9.In general, it is a material of any type suitable for protecting the molybdenum-based main layer 8 from selenization or possible sulphurisation. With x = 0 / (0 + N), there is for example 0.05 <x <0.95, for example 0, 1 <x <0.9.
20 La couche barrière à la sélénisation 10 est de faible épaisseur, choisie d'au moins 20nm et d'au plus 40nm. La couche barrière à la sélénisation 10 a une conductivité moindre que la couche principale 8 à base de molybdène. Elle a par exemple une résistivité comprise entre 200pOhm.cm et 500pOhm.cm.The selenization barrier layer 10 is of small thickness, chosen from at least 20 nm and at most 40 nm. The selenization barrier layer 10 has a lower conductivity than the molybdenum-based main layer 8. For example, it has a resistivity of between 200 .mu.m.cm and 500 .mu.m.cm.
25 Du fait de la faible épaisseur de la couche barrière à la sélénisation 10, une résistivité élevée ne nuit pas aux performances de la cellule, le courant électrique passant transversalement. La couche barrière à la sélénisation 10 est en outre de préférence apte à limiter la diffusion arrière des ions sodium vers le substrat porteur 2, c'est-à-dire 30 la diffusion des ions sodium depuis le dessus de la couche supérieure 12, à travers la couche supérieure 12 et vers le substrat porteur 2. Cette propriété est avantageuse à plusieurs égards. Elle fiabilise les procédé de fabrication consistant à ajouter des alcalins pour former le matériau photoactif, par exemple par dépôt de diséléniure de 3031240 8 sodium sur la couche supérieure 12 du revêtement électrode 6 ou par adjonction de sodium pendant le dépôt du matériau photoactif, par exemple en utilisant des cibles contenant du sodium ou autres alcalins, comme décrit dans US-B-5 626 688.Due to the small thickness of the selenization barrier layer 10, a high resistivity does not affect the performance of the cell, the electric current passing transversely. The selenization barrier layer 10 is further preferably capable of limiting the back diffusion of the sodium ions to the carrier substrate 2, i.e. the diffusion of sodium ions from the top of the top layer 12, to through the upper layer 12 and to the carrier substrate 2. This property is advantageous in several respects. It makes reliable the manufacturing process of adding alkali to form the photoactive material, for example by deposition of sodium diselenide on the top layer 12 of the electrode coating 6 or by addition of sodium during the deposition of the photoactive material, for example using targets containing sodium or other alkalis, as described in US-B-5,626,688.
5 La couche principale à base de molybdène 8 a une épaisseur suffisante pour que le revêtement électrode 6 ait, après un test de sélénisation tel que décrit ci-dessus, une résistance par carré inférieure ou égale à 20/^, de préférence inférieure ou égale à 1 Q/^. La présence de la couche supérieure 12 à base du molybdène et de la couche barrière à la sélénisation 10 à base 10 d'oxynitrure de de molybdène permet d'atteindre de telles performances. Dans l'hypothèse d'un revêtement électrode 6 ne comprenant pas d'autres couches électroconductrices que la couche principale 8 à base de molybdène, la couche barrière à la sélénisation 10 et la couche supérieure 12 à, la couche principale à base de molybdène 8a de préférence une épaisseur 15 supérieure allant d'au moins 100nm et d'au plus 140nm. Diminuer l'épaisseur de la couche principale à base de molybdène 8 présente un avantage: permettre de déposer cette couche relativement fine par pulvérisation cathodique avec des paramètres de dépôt conduisant à une couche fortement contrainte, sans les problèmes de délamination que l'on peut 20 rencontrer avec des couches épaisses. La couche principale à base de molybdène 8 est par exemple constituée de molybdène, c'est-à-dire qu'elle comprend seulement du molybdène. Le substrat porteur 2 et la couche barrière aux alcalins 4 vont maintenant être décrits.The molybdenum-based main layer 8 has a thickness sufficient so that the electrode coating 6 has, after a selenization test as described above, a square resistance of less than or equal to 20%, preferably less than or equal to at 1 Q / ^. The presence of the molybdenum-based upper layer 12 and the molybdenum oxynitride-based selenization barrier layer achieves such performance. Assuming an electrode coating 6 not comprising other electroconductive layers than the molybdenum-based main layer 8, the selenization barrier layer 10 and the upper layer 12 with the molybdenum-based main layer 8a preferably an upper thickness of at least 100 nm and at most 140 nm. Decreasing the thickness of the molybdenum-based main layer 8 has the advantage of allowing this relatively thin layer to be deposited by sputtering with deposition parameters leading to a strongly stressed layer, without the delamination problems that can be encountered. meet with thick layers. The molybdenum-based main layer 8 consists for example of molybdenum, that is to say that it comprises only molybdenum. The carrier substrate 2 and the alkali barrier layer 4 will now be described.
25 Le substrat porteur 2est par exemple une feuille de verre de type silico- sodo-calcique obtenue par flottage, verre d'un coût relativement faible et qui présente toutes les qualités que l'on connait à ce type de matériau, comme par exemple sa transparence, son imperméabilité à l'eau et sa dureté. La teneur en ions alcalins du substrat 2 est dans ce cas un inconvénient 30 que la couche barrière aux alcalins vient minimiser. La couche barrière aux alcalins 4 est à base de nitrure de silicium (SiN). De façon importante, la couche barrière aux alcalins, à base de SiN, a une épaisseur d'au plus 100nm. Le substrat porteur 2 est destiné à servir de contact arrière dans le 3031240 9 module photovoltaïque et ne nécessite pas d'être transparent. La feuille constituant le substrat porteur 2 peut être plane ou bombée, et présenter tout type de dimensions, notamment au moins une dimension supérieure à 1 mètre.The carrier substrate 2 is, for example, a glass-silica-type glass sheet obtained by floatation, a glass of relatively low cost and which has all the qualities known to this type of material, for example its transparency, its impermeability to water and its hardness. The alkali ion content of the substrate 2 is in this case a disadvantage that the alkali barrier layer minimizes. The alkali barrier layer 4 is based on silicon nitride (SiN). Importantly, the alkali barrier layer, based on SiN, has a thickness of at most 100 nm. The carrier substrate 2 is intended to serve as a rear contact in the photovoltaic module 30 and does not need to be transparent. The sheet constituting the carrier substrate 2 may be flat or curved, and have any type of size, especially at least one dimension greater than 1 meter.
5 L'invention a également pour objet un procédé de fabrication du substrat conducteur 1 décrit ci-dessus. Le procédé comprend des étapes consistant à : - déposer la couche principale 8 base de molybdène sur le substrat porteur 2 , avec dépôt éventuel préalable de la couche barrière aux alcalins 4; 10 - déposer la couche barrière à la sélénisation 10 sur la couche principale 8 à base de molybdène, par exemple directement dessus ; - déposer la couche supérieure 12 à base de molybdène sur la couche barrière à la sélénisation 10 ; et - transformer ladite couche à base de molybdène en un sulfure et/ou 15 séléniure de molybdène. Cette étape de transformation peut être une étape séparée avant la formation la couche semi-conductrice CIS, CGS ou CZTS ou une étape réalisée pendant la sélénisation et/ou sulfuration de la couche semiconductrice CIS, CGS ou CZTS, que cette sélénisation et/ou sulfuration soit réalisée pendant le dépôt de ladite couche semi-conductrice ou après le dépôt 20 de composants métalliques dits précurseurs de la couche semi-conductrice. Le dépôt des différentes couches est par exemple réalisé par pulvérisation cathodique assistée par magnétron mais il s'agit en variante d'un autre procédé de tout type adapté. L'invention a également pour objet un dispositif semi-conducteur 20 25 (figure 2) utilisant le substrat conducteur 1 décrit ci-dessus pour y former une ou plusieurs couches photoactives 22, 24. La première couche photoactive 22 est typiquement une couche dopée de type p, par exemple à base de chalcopyrite de cuivre Cu, d'indium In, et de sélénium Se et/ou de soufre S. Il peut s'agir, par exemple, comme expliqué 30 précédemment, de CIS, CIGS ou CZTS. La deuxième couche photoactive 24 est dopée de type n et dite tampon. Elle est par exemple composée de CdS (sulfure de cadmium) et formée directement sur la première couche photoactive 22. En variante, la couche tampon 24 est par exemple à base de InxSy, 3031240 10 Zn(O,S), ou ZnMgO ou dans un autre matériau de tout type adapté. En variante également, la cellule ne comprend pas de couche tampon, la première couche photoactive 22 pouvant elle-même former une homojonction p-n. D'une manière générale, la première couche photoactive 22 est une 5 couche de type p ou à homojonction p-n obtenue par addition d'éléments alcalins. Le dépôt de la couche photoactive comprend des étapes de sélénisation et/ou de sulfuration, comme expliqué plus en détail ci-dessous. Le dépôt peut être réalisé par évaporation des éléments Cu, In, Ga et Se (ou Cu, Sn, Zn, S).The invention also relates to a method of manufacturing the conductive substrate 1 described above. The process comprises the steps of: depositing the molybdenum base layer 8 on the carrier substrate 2, with optional preliminary deposition of the alkali barrier layer 4; Depositing the selenization barrier layer on the molybdenum-based main layer 8, for example directly on it; depositing the top layer 12 based on molybdenum on the selenization barrier layer 10; and - converting said molybdenum-based layer to a molybdenum sulfide and / or selenide. This transformation step may be a separate step prior to the formation of the CIS, CGS or CZTS semiconductor layer or a step performed during the selenization and / or sulphidation of the CIS, CGS or CZTS semiconductor layer, such as this selenization and / or sulphurization either during the deposition of said semiconductor layer or after the deposition of metal components called precursors of the semiconductor layer. The deposition of the various layers is for example carried out by magnetron assisted sputtering, but it is alternatively another method of any suitable type. The invention also relates to a semiconductor device 20 (FIG. 2) using the conductive substrate 1 described above to form one or more photoactive layers 22, 24. The first photoactive layer 22 is typically a doped layer of type p, for example based on Cu copper chalcopyrite, indium In, and Se selenium and / or S sulfur. It may be, for example, as previously explained, CIS, CIGS or CZTS. The second photoactive layer 24 is n-type doped and called buffer. It is for example composed of CdS (cadmium sulphide) and formed directly on the first photoactive layer 22. In a variant, the buffer layer 24 is for example based on InxSy, Zn (O, S) or ZnMgO or in another material of any suitable type. In a variant also, the cell does not comprise a buffer layer, the first photoactive layer 22 itself being able to form a homojunction p-n. In general, the first photoactive layer 22 is a p-type or homojunction p-n layer obtained by the addition of alkaline elements. The deposition of the photoactive layer comprises selenization and / or sulfurization steps, as explained in more detail below. The deposition can be carried out by evaporation of the elements Cu, In, Ga and Se (or Cu, Sn, Zn, S).
10 Lors de ces étapes de sélénisation et/ou de sulfuration, la couche supérieure 12 à base de molybdène est transformée en une couche 12' à base de Mo(S,Se)2. Cette transformation concerne par exemple l'intégralité de la couche supérieure 12. Le dispositif semi-conducteur 20 comprend donc : 15 - le substrat porteur 2 et le revêtement électrode 6' formé sur le substrat porteur 2 et dont la couche supérieure 12' a été transformée. Le revêtement électrode 6' comprend : - la couche principale 8 à base de molybdène ; - la couche barrière à la sélénisation 10 formée sur la couche principale à 20 base de molybdène 8 ; et - la couche supérieure 12' de contact ohmique, à base de M(S,Se)2, formée sur la couche barrière à la sélénisation 10. Sur la couche de contact ohmique 12' et en contact avec celle-ci, le dispositif semi-conducteur comprend la ou les couches semi-conductrices photoactives 14, 16.During these selenization and / or sulphidation steps, the molybdenum-based top layer 12 is converted into a Mo (S, Se) 2 -based layer 12 '. This transformation concerns for example the entirety of the upper layer 12. The semiconductor device 20 therefore comprises: the carrier substrate 2 and the electrode coating 6 'formed on the carrier substrate 2 and whose upper layer 12' has been transformed. The electrode coating 6 'comprises: the main layer 8 based on molybdenum; the selenization barrier layer 10 formed on the molybdenum-based main layer 8; and - the M (S, Se) 2 -based ohmic contact top layer 12 formed on the selenization barrier layer 10. On the ohmic contact layer 12 'and in contact therewith, the device semiconductor material comprises the photoactive semiconductor layer (s) 14, 16.
25 L'invention a également pour objet une cellule photovoltaïque 30 comprenant un dispositif semi-conducteur 20 tel que décrit ci-dessus. La cellule comprend par exemple, comme illustré sur la figure 2 : - le dispositif semi-conducteur 20 formé par les couches 8, 10, 12', 22 et 24 ; 30 - un revêtement électrode transparent 32, par exemple en ZnO :Al, formé sur la première couche photoactive 22, et sur la couche tampon 24 en cas de présence de cette dernière, avec interposition éventuelle entre le revêtement électrode transparent 32 et le dispositif semi-conducteur 20 d'une couche passivante 34, par exemple de ZnO intrinsèque ou de ZnMgO intrinsèque.The invention also relates to a photovoltaic cell 30 comprising a semiconductor device 20 as described above. The cell comprises for example, as illustrated in FIG. 2: the semiconductor device 20 formed by the layers 8, 10, 12 ', 22 and 24; A transparent electrode coating 32, for example ZnO: Al, formed on the first photoactive layer 22, and on the buffer layer 24 in the presence of the latter, with optional interposition between the transparent electrode coating 32 and the semi device conductor 20 of a passivating layer 34, for example intrinsic ZnO or intrinsic ZnMgO.
3031240 11 Le revêtement électrode transparent 32 comprend en variante une couche d'oxyde de zinc dopée avec du gallium, ou du bore, ou encore une couche d'ITO. D'une manière générale, il s'agit d'un matériau conducteur transparent 5 (TCO) de tout type adapté. Pour une bonne connexion électrique et une bonne conductance, une grille métallique (non représentée sur la figure 2) est ensuite optionnellement déposée sur le revêtement électrode transparent 32, par exemple à travers un masque, par exemple par faisceau d'électrons. Il s'agit par exemple d'une grille 10 de Al (aluminium) par exemple d'environ 2pm d'épaisseur sur laquelle est déposée une grille de Ni (nickel) par exemple d'environ 50nm d'épaisseur pour protéger la couche de Al. La cellule 30 est ensuite protégée des agressions extérieures. Elle comprend par exemple à cet effet un contre-substrat (non représenté) couvrant 15 le revêtement électrode avant 32 et feuilleté au substrat porteur 2 par l'intermédiaire d'un intercalaire de feuilletage (non représenté) en matière thermoplastique. Il s'agit par exemple d'une feuille en EVA, PU ou PVB. L'invention a également pour objet un module photovoltaïque comprenant plusieurs cellules photovoltaïques formées sur le même substrat 2, 20 reliées en série entre elles et obtenues par margeage des couches du dispositif semi-conducteur 20. L'invention a encore pour objet un procédé de fabrication du dispositif semi-conducteur 20 et de la cellule photovoltaïque 30 ci-dessus, lequel procédé comprend une étape de formation d'une couche photoactive par sélénisation 25 et/ou sulfuration. Il existe de nombreux procédés connus de fabrication d'une couche photoactive de type Cu(In,Ga)(S,Se)2. La couche photoactive 22 est par exemple une couche de CIGS formée de la façon suivante. Dans une première étape, les précurseurs de la couche sont déposés 30 sur le revêtement électrode 6. Un empilement métallique composé d'une alternance de couches de type CuGa et In est par exemple déposé par pulvérisation cathodique magnétron à température ambiante, sur le revêtement électrode 6. Une couche de sélénium est ensuite déposée à température ambiante directement sur 3031240 12 l'empilement métallique, par exemple par évaporation thermique. En variante, l'empilement métallique a par exemple une structure multicouches de type Cu/In/Ga/Cu/In/Ga Dans une deuxième étape, le substrat subit un traitement de chauffage à 5 haute température dit RTP (« Rapid Thermal Process, RTP » en anglais), par exemple à environ 520°C dans une atmosphère composée par exemple de soufre gazeux, par exemple à base de S ou de H2S, formant ainsi une couche de CulnxGai_x(S,Se)2. Un avantage de ce procédé est qu'il ne nécessite pas une source 10 externe de vapeur de sélénium. La perte d'une partie du sélénium pendant le chauffage est compensé par un dépôt en excès de sélénium sur l'empilement métallique. Le sélénium nécessaire à la sélénisation est fourni par la couche de sélénium déposée. En variante, la sélénisation est obtenue sans le dépôt d'une couche de 15 sélénium mais par une atmosphère contenant du sélénium gazeux, par exemple à base de Se ou de H2Se, préalablement à l'exposition à une atmosphère riche en soufre. L'étape de sulfuration permet de s'abstenir éventuellement d'une couche tampon par exemple de CdS.The transparent electrode coating 32 alternatively comprises a layer of zinc oxide doped with gallium, or boron, or a layer of ITO. In general, it is a transparent conductive material (TCO) of any suitable type. For good electrical connection and good conductance, a metal grid (not shown in Figure 2) is then optionally deposited on the transparent electrode coating 32, for example through a mask, for example by electron beam. This is for example a grid 10 of Al (aluminum) for example of about 2pm thick on which is deposited a grid of Ni (nickel) for example of about 50nm thick to protect the layer of Al. The cell 30 is then protected from external aggression. For example, it comprises a counter-substrate (not shown) covering the front electrode coating 32 and laminated to the carrier substrate 2 via a lamination interlayer (not shown) made of thermoplastic material. This is for example a sheet of EVA, PU or PVB. The subject of the invention is also a photovoltaic module comprising a plurality of photovoltaic cells formed on the same substrate 2, 20 connected in series with each other and obtained by shading the layers of the semiconductor device 20. The subject of the invention is also a method of manufacture of the semiconductor device 20 and the photovoltaic cell 30 above, which method comprises a step of forming a photoactive layer by selenization and / or sulfurization. There are many known methods for producing a Cu (In, Ga) (S, Se) 2 photoactive layer. The photoactive layer 22 is for example a layer of CIGS formed as follows. In a first step, the precursors of the layer are deposited on the electrode coating 6. A metal stack consisting of alternating layers of CuGa and In type is for example deposited by magnetron sputtering at room temperature, on the electrode coating. 6. A selenium layer is then deposited at room temperature directly on the metal stack, for example by thermal evaporation. In a variant, the metal stack has, for example, a Cu / In / Ga / Cu / In / Ga type multilayer structure. In a second step, the substrate undergoes a high temperature heating treatment called RTP ("Rapid Thermal Process"). RTP "in English), for example at about 520 ° C in an atmosphere composed for example of sulfur gas, for example based on S or H2S, thus forming a layer of CulnxGai_x (S, Se) 2. An advantage of this method is that it does not require an external source of selenium vapor. The loss of some of the selenium during heating is compensated by a deposit of excess selenium on the metal stack. The selenium required for selenization is provided by the deposited selenium layer. Alternatively, the selenization is obtained without the deposition of a selenium layer but by an atmosphere containing selenium gas, for example based on Se or H2Se, prior to exposure to a sulfur-rich atmosphere. The sulphurization step may optionally abstain from a buffer layer, for example CdS.
20 Comme expliqué ci-dessus, il peut être avantageux de procéder à un dépôt d'une couche à base d'alcalins, par exemple de sodium, pour un dosage précis du sodium dans la couche photoactive. Préalablement au dépôt de l'empilement métallique CuGa et In, les alcalins sont par exemple introduits par le dépôt, sur la couche sacrificielle 12 à 25 base de molybdène, d'une couche de séléniure de sodium ou d'un composé contenant du sodium de façon à introduire par exemple de l'ordre de 2.1015 atomes de sodium par cm2. L'empilement métallique est déposé directement sur cette couche de séléniure de sodium. A noter qu'il existe de nombreuses variantes possibles pour former les 30 couches de CI(G)S ou CZTS, lesquelles incluent par exemple la coévaporation des éléments mentionnée plus haut, le dépôt par vapeur chimique, le dépôt électrochimique de métaux, séléniures ou chalcopyrites, la pulvérisation réactive de métaux ou séléniures en présence de H2Se ou H2S. D'une manière générale, le procédé de fabrication de la couche 3031240 13 photoactive 22 est de tout type adapté. Tous les procédés de fabrication de couches de type CIS ou CZTS utilisent une étape de chauffage à haute température en présence de sélénium et/ou de soufre à l'état de vapeur ou à l'état liquide. 5As explained above, it may be advantageous to deposit an alkali-based layer, for example sodium, for a precise determination of sodium in the photoactive layer. Prior to the deposition of the CuGa and In metal stack, the alkalis are introduced, for example, by depositing a layer of sodium selenide or a compound containing sodium way to introduce for example of the order of 2.1015 sodium atoms per cm2. The metal stack is deposited directly on this layer of sodium selenide. It should be noted that there are numerous possible variants for forming the layers of CI (G) S or CZTS, which include, for example, coevaporation of the elements mentioned above, chemical vapor deposition, electrochemical deposition of metals, selenides or chalcopyrites, reactive sputtering of metals or selenides in the presence of H2Se or H2S. In general, the method of manufacturing the photoactive layer 22 is of any suitable type. All methods of manufacturing CIS or CZTS type layers use a high temperature heating step in the presence of selenium and / or sulfur in the vapor state or in the liquid state. 5
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