FR3041475A1 - Procede de fabrication de structures pour cellule photovoltaique - Google Patents
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Abstract
Le procédé comprend : Fournir un empilement comportant - un substrat support (1), - des multi-jonctions (2) comportant une première couche dopée (7) en face avant et une deuxième couche dopée (3) en face arrière - une couche métallique arrière (4) sur la deuxième couche dopée (3), Former une pluralité de vias Former une couche électriquement isolante (9) sur la face arrière et les vias, Former une couche métallique avant (8) sur la couche électriquement isolante (9), Fournir un substrat récepteur (200) comprenant première piste métallique (6) et une deuxième piste métallique (6') Connecter électriquement la couche métallique avant (8) couche métallique arrière (4) aux pistes métalliques (6,6') par l'intermédiaire de couches de collage conductrice (5,5'), Retirer le substrat support (1), Former des plots métalliques (12) à l'aplomb des vias en continuité de la couche métallique avant (8) et Former des motifs dopés recouverts par les plots (12), par retrait partiel de régions de la première couche dopée (7).
Description
La présente invention concerne un procédé de fabrication de structures pour cellule à multi-jonctions et une structure obtenue par ce procédé.
Les systèmes photovoltaïques à concentration (CPV) utilisent des cellules à multi-jonctions à base de matériaux des colonnes III et V du tableau périodique, classiquement des alliages d'InP et de GaAs empilés verticalement par épitaxie. Chaque cellule est optimisée pour convertir une certaine gamme de longueur d'onde, l'empilement couvrant ainsi l'ensemble du spectre solaire. Ces cellules peuvent atteindre des rendements beaucoup plus élevés que les cellules solaires classiques en silicium, grâce à la fois aux propriétés électro-optiques des matériaux lll-V utilisés et à l'utilisation d'un système optique permettant de concentrer la lumière du soleil sur les cellules. Ainsi, le meilleur rendement de conversion photovoltaïque publié à ce jour pour le CPV est de 44,7%, alors qu'il est de 25% sur les cellules Si.
Une nouvelle génération de cellule CPV a été proposée récemment, qui est basée sur l'empilement mécanique de plusieurs couches de matériaux lll-V, de manière à former un assemblage vertical de plusieurs jonctions. Par empilement mécanique on entend le report de couches impliquant une étape de collage par adhésion moléculaire.
Par exemple, Dimroth et al. dans le document Prog. Photovolt : Res. Appli (2014) pip.2475 ont utilisé l'empilement mécanique de couches de matériaux semi-conducteurs pour former une nouvelle architecture de cellule CPV. Toutefois, la structure du dispositif final n'a pas été modifiée : les auteurs utilisent notamment une grille de contact en face avant qui est un facteur d'ombrage pour la cellule.
De plus, ils utilisent comme substrat support un substrat semi-conducteur en GaAs, à la fois coûteux et fragile et qui devra ensuite être collé avec les couches actives, à un récepteur par brasure pour la mise en module de la cellule. Le collage par brasure est connu, il nécessite d'étaler des alliages de SnPbAg ou de SnAgCu sur les surfaces coller puis d'appliquer un traitement thermique contrôlé des couches mises en contact. Or, des zones sans brasure sous la cellule peuvent apparaître suite à un mauvais étalement de celle-ci d'un profil de température de mise en oeuvre non adapté. Ces lacunes dans la brasure sont appelées 'voids' et sont un mode de défaillance connu. Les voids (ou parties non collées) peuvent représenter de 1 à 60% de la surface de la cellule.
Ces cavités peuvent atteindre des dimensions importantes, jusqu'à plusieurs millimètres, et ne sont pas compatibles avec le transfert de films minces d'épaisseur inférieure à 20 micromètres tel que les couches actives des jonctions. Les films minces risquent de se déformer voire de se rompre lors du collage. D'autres auteurs ont proposé des structures de cellules CPV permettant de limiter l'ombrage lié à la métallisation en face avant des cellules. En effet, selon le mode de fonctionnement classique d'une cellule solaire, les porteurs de charge sont collectés de part et d'autre des jonctions, soit normalement en face avant (face qui reçoit la lumière) et en face arrière (face opposée). Pour collecter efficacement les porteurs en face avant, il est nécessaire d'appliquer une grille de contact constituée de lignes métalliques. La géométrie de la grille est finement optimisée pour collecter efficacement les porteurs de charge tout en limitant l'ombrage de la cellule.
Ainsi, le document WO 2013/152104 divulgue une cellule solaire à multi-jonctions permettant de réduire les effets d'ombrage en face avant en prévoyant des contacts traversant : une grande partie de la métallisation en face avant est éliminée grâce à des vias métalliques qui connectent électriquement la face avant par la face arrière de la cellule. La grille de contact peut être réduite à de simples points de collecte ponctuels en face avant, car ils sont connectés sur la face arrière grâce aux vias traversant. Les porteurs de la face arrière sont eux collectés latéralement par la couche dopée puis le contact est pris par un plot métallique sur une face avant. Ainsi, cette structure permet de limiter l'ombrage de la face avant pour la collecte de porteurs de la face avant, par contre il subsiste une zone d'ombrage au niveau du plot métallique pour la collecte des porteurs de la face arrière.
Le document WO 2013/152104 propose par ailleurs de structurer la face arrière de la structure de manière à pouvoir reprendre tous les contacts en face arrière et limiter l'ombrage de la face avant. Toutefois, cette structuration est très complexe à mettre en œuvre (étapes de photolithographie supplémentaires, gravure, dépôt,...) et représente un coût important. De plus, le substrat qui ne sert que de support aux couches actives, est un matériau semi-conducteur coûteux et fragile et il est nécessaire de le coller via une brasure sur un substrat récepteur.
Un des buts de la présente invention est de pallier ces inconvénients. A cet effet, la présente invention propose un procédé de fabrication de structures pour cellule photovoltaïque à multi-jonctions comprenant les étapes de : a) Fournir un empilement comprenant successivement : un substrat support, une structure de multi-jonctions pour cellule photovoltaïque comportant au moins une première couche dopée comprenant un matériau semi-conducteur avec une concentration de dopant supérieure à 5E18 et délimitant une face avant des multi-jonctions orientée vers le substrat support, les multi- jonctions, et une deuxième couche dopée comprenant un matériau semi-conducteur avec une concentration de dopant supérieur à 5E18 et délimitant une face arrière des multi-jonctions, la face arrière étant opposée à la face avant, et une couche métallique arrière s'étendant sur la deuxième couche dopée en face arrière des multi-jonctions, b) Graver l'empilement de sorte à former une pluralité de vias s'étendant depuis la couche métallique arrière jusqu'à au moins la première couche dopée en face avant des multi-jonctions, c) Former une couche électriquement isolante sur les flancs de la pluralité des vias et partiellement sur la couche métallique arrière de sorte à conserver une portion de la couche métallique arrière exposée, d) Former une couche métallique avant sur la couche électriquement isolante en couvrant les flancs et le fond de la pluralité des vias jusqu'à la première couche dopée de la face avant, e) Fournir un substrat récepteur sur lequel sont disposées une première piste métallique et une deuxième piste métallique électriquement isolée de la première piste métallique, f) Connecter électriquement la couche métallique avant à la première piste métallique par l'intermédiaire d'une première couche de collage conductrice, g) Connecter électriquement la portion exposée de la couche métallique arrière à la deuxième piste métallique par l'intermédiaire d'une deuxième couche de collage conductrice, la première couche de collage conductrice étant électriquement isolée de la deuxième couche de collage conductrice, h) Retirer le substrat support, i) Former des plots métalliques à l'aplomb des vias et dans la continuité de la couche métallique avant de sorte à recouvrir partiellement la première couche dopée en face avant des multi-jonctions, et j) Retirer des portions exposées de la première couche dopée en face avant de sorte à former des motifs dopés recouverts par les plots métalliques formés à l'étape i).
Ainsi, grâce à ce procédé de fabrication, il est possible de s'affranchir du collage par brasage, conservant le substrat support, pour un collage conducteur de couches actives minces (ou jonctions PV) directement sur les pistes du substrat récepteur sans risque d'endommager les couches actives par des déformations ou rupture. Par ce biais en effet, la formation de cavités est fortement réduite et l'efficacité des multi-jonctions est ainsi maintenue. Par ailleurs, le substrat support est retiré de la structure définitive, ce qui permet une importante économie de matériau, le substrat support présentant une épaisseur d'environ 400-700 micromètres pour une épaisseur des multi-jonctions d'environ 1 à 20 micromètres. De plus, l'absence du substrat support dans la structure limite l'encombrement de la cellule finale. Et selon la méthode de retrait utilisée, le substrat support peut être recyclé pour une nouvelle utilisation.
Ce collage directement réalisé sur le substrat récepteur, sans l'intermédiaire du substrat support, et à partir de la face arrière des multi-jonctions, permet également la réalisation de vias métalliques traversants, réduisant la métallisation en face avant et ainsi l'ombrage de la cellule, en déportant les contacts en face arrière, qui deviennent également plus facile à connecter. En effet, les plots métalliques de la couche métallique avant permettent la conduction et la collecte des porteurs de la couche ou des plots de la face avant vers la première piste métallique en face arrière. L'isolation électrique entre la couche métallique et la couche métallique avant offre par ailleurs la possibilité de déporter et de collecter les porteurs arrières et les porteurs avants par la face arrière. Les reprises de tous les contacts sont ainsi facilitées de sorte que le choix du substrat récepteur n'est dicté que par ses propriétés électriques, mécaniques, thermiques ou par son coût. Tout ceci est impossible à obtenir lorsque la face arrière des multi-jonctions repose sur le substrat support collé par brasure au substrat récepteur.
Les multi-jonctions pour cellule comprennent un empilement d'un nombre de jonctions, ou couches actives, supérieur à un et de préférence compris entre deux et six. Par la terminologie 'multi-jonctions' on entend dans le présent document des couches actives en matériau lll-V et également les diodes tunnels entre les jonctions, un champ de surface arrière, des couches tampons, une passivation de surface avant, une première couche dopée et une deuxième couche dopée, etc.
Selon une possibilité, les multi-jonctions proviennent de l'épitaxie de couches actives en matériau lll-V sur le substrat support.
Selon une alternative, les multi-jonctions sont des empilements mécaniques de plusieurs jonctions de matériaux lll-V, dont certaines sont obtenues par la technique de report mécanique ou transfert de couches en utilisant un collage par adhésion moléculaire. Les jonctions concernées auront été épitaxiées au préalable sur un substrat germe.
Dans le présent document, la 'couche métallique avant' et la 'couche métallique arrière', sont destinées à former un contact ohmique en association respectivement avec la première couche dopée et la deuxième couche dopée, pour collecter les porteurs de la face avant des multi-jonctions et une couche de contact pour collecter les porteurs de la face arrière des multi-jonctions.
Bien entendu, la couche métallique arrière et la couche métallique avant sont électriquement conductrices. Elles sont notamment formées d'un métal couramment utilisé dans le domaine des cellules CPV et de préférence, elles sont constituées de Cu, Au, Ag, Ti, Pt, Ni, Pd, Ge, etc. seul ou en combinaison.
La première couche dopée et la deuxième couche dopée peuvent être de type p ou de type n et sont composées de matériaux semi-conducteurs dopés, tels que des alliages d'In, P, Ga, As comprenant une concentration de dopants de préférence comprise entre 5E18 et 5E19, les espèces dopantes pouvant être Si, S, Zn, Sn, Te, ...en fonction de l'alliage et du type de dopage n ou p souhaité.
Par ailleurs, chaque via peut prendre la forme par exemple d'une ouverture ou d'une tranchée s'étendant au moins dans la couche métallique arrière et dans les couches actives, dans la première couche dopée, voire partiellement dans le substrat support jusqu'à une profondeur allant de quelques nanomètres à plusieurs, voire des dizaines de micromètres, ou des centaines de micromètres.
Selon une possibilité, l'étape b) de gravure de la pluralité de vias comprend une étape de photolithographie suivie d'une étape de gravure chimique et/ou ionique (Ion Beam Etching) et/ou par plasma RIE (Reactive Ion Etching), notamment en mode ICP ( Inductively Coupled Plasma).
La section de la pluralité des vias peut être de forme carrée, ronde ou hexagonale, linéaire ou de la forme d'une grille. La géométrie de la section est adaptée selon le fonctionnement de la cellule, le type de jonctions, l'utilisation en CPV. La dimension latérale de leur section est de l'ordre de la centaine de nanomètres jusqu'à plusieurs micromètres, voire de quelques centaines de micromètres.
Selon une disposition, l'étape c) de formation de la couche électriquement isolante est réalisée par dépôt d'au moins une couche d'un matériau isolant tel que le Si02 et/ou le SïN avec une épaisseur allant de quelques centaines de nanomètres à plusieurs micromètres. Le dépôt est réalisé conformément à la topologie de la surface structurée, de manière à recouvrir les flancs des vias, leur fond, ainsi que qu'une partie de la surface de la couche métallique arrière.
De préférence, l'étape d) de formation de la couche métallique avant est réalisée par dépôt sur la couche électriquement isolante et de sorte à couvrir les flancs des vias. Ainsi, la couche électriquement isolante isole électriquement la couche métallique avant des multi-jonctions et de la couche métallique arrière.
De préférence encore, le dépôt de la couche métallique avant comprend la métallisation remplissant la totalité des vias, de sorte assurer aux vias une bonne rigidité mécanique.
Avantageusement, le substrat récepteur fourni à l'étape e) est formé d'un matériau électriquement isolant, tel que l'alumine, un verre ou un polymère, et présente une épaisseur comprise entre environ 100 micromètres et quelques millimètres. Son épaisseur est en rapport avec ses propriétés mécaniques pour pouvoir permettre le transfert et assurer la tenue mécanique des multi-jonctions et les traitements thermiques. Il est également choisi pour être peu coûteux.
Selon une disposition, la première piste métallique et la deuxième piste métallique sont collées ou déposées sur une surface du substrat récepteur destinée à recevoir les multi-jonctions.
Typiquement, la première piste métallique et la deuxième piste métallique sont en métal choisi parmi le Au, Cu, Ag, Ti, Pt ou une combinaison de ces métaux.
Selon une possibilité, les connexions électriques de l'étape f) sont obtenues par collage conducteur des surfaces à connecter de la couche métallique avant et de la première piste métallique, le collage conducteur comprenant au moins le dépôt d'une première couche de collage conductrice sur au moins l'une des surfaces à connecter, suivi de la mise en contact desdites surfaces à connecter et de l'application d'un traitement thermique.
Ce procédé permet ainsi d'éviter le collage de couches minces par brasure.
Selon le même principe, les connexions électriques de l'étape g) sont obtenues par collage conducteur des surfaces à connecter de la portion exposée de la couche métallique arrière et de la deuxième piste métallique, le collage conducteur comprenant au moins le dépôt d'une deuxième couche de collage conductrice sur au moins l'une des surfaces à connecter, suivi de la mise en contact desdites surfaces et de l'application d'un traitement thermique.
De préférence, la première couche de collage conductrice et la deuxième couche de collage conductrice sont formées d'un matériau conducteur choisi parmi le
Cu, l'Au, leur combinaison, ou les polymères conducteurs, tels que les résines époxy chargées, par exemple en Ag.
Selon une disposition, la première couche de collage conductrice et la deuxième couche de collage conductrice sont constituées d'un polymère conducteur et déposées respectivement sur l'une des surfaces à connecter avec une épaisseur supérieure à 2 micromètres et dans lequel le traitement thermique est effectué dans une plage de température comprise entre 100 et 400°C. L'utilisation d'un polymère conducteur est avantageuse en ce sens que le polymère est facile à déposer et reste peu coûteux.
Selon une variante, la première couche de collage conductrice et la deuxième couche de collage conductrice sont constituées de cuivre et déposées avec une épaisseur supérieure à 2 micromètres sur les surfaces à connecter. Les couches de collage conductrice de Cu sont ensuite polies par polissage mécano-chimique de manière à obtenir une rugosité de surface inférieure à 0,3 nm RMS. Elles sont alors collées par adhésion moléculaire et le traitement thermique de consolidation du collage est effectué dans une plage de température comprise entre 200 et 400°C.
Les couches de collage conductrice de cuivre sont typiquement déposées par ECD (de l'acronyme anglo-saxon Electro Chemical Déposition) sur une épaisseur importante, environ 5 micromètres, de sorte qu'il n'est pas nécessaire de planariser les pistes métalliques sous-jacentes avant dépôt. La topologie de la surface sous-jacente est homogénéisée par l'épaisseur conséquente du dépôt. Les surfaces de la première couche de collage conductrice et de la deuxième couche de collage conductrice sont ensuite planarisées par CMP (de l'acronyme anglo-saxon Chemical Mecanichal Polishing) jusqu'à atteindre une rugosité de l'ordre du nanomètre puis nettoyées pour favoriser l'obtention d'une bonne énergie de collage.
Selon une autre variante, la première couche de collage conductrice et la deuxième couche de collage conductrice sont constituées de cuivre et déposées sur les surfaces à connecter avec une épaisseur inférieure à 2 micromètres et dans lequel le traitement thermique est effectué par une montée en température allant de la température ambiante à environ 300°C, associée à l'application d'une pression jusqu'à environ 30kN.
Dans ce cas de figure les couches de collage conductrice en cuivre sont plus minces de sorte à amoindrir les coûts en matériaux utilisés, les surfaces des pistes métalliques sont planarisées par CMP avant dépôt et il est nécessaire d'appliquer une pression sur l'ensemble formé de l'empilement et du substrat récepteur mis en contact pour atteindre une forte énergie de collage.
En alternative, la première couche de collage conductrice et la deuxième couche de collage conductrice sont constituées d'Au et déposées sur les surfaces à connecter avec une épaisseur inférieure à 1 micromètre et dans lequel le traitement thermique est effectué par une montée en température allant de la température ambiante à environ 300°C, associée à l'application d'une pression jusqu'à environ 30kN. Dans cette alternative où les couches de collage conductrice sont très coûteuses car formée en or, les couches sont très minces et les mêmes étapes de planarisation avant dépôt et d'application de pression sont effectuées.
Les différentes voies exposées ci-dessus permettent le collage de la face arrière des multi-jonctions sur le récepteur en réduisant très fortement la formation des voids par rapport à la brasure. La qualité du collage en termes d'homogénéité, de fermeture de l'interface de collage, d'énergie de collage, etc.... rend alors possible le transfert de couches minces actives telles que des cellules à multi-jonctions.
De préférence, l'étape c) est réalisée par une étape cl) de dépôt d'une couche électriquement isolante sur la totalité de la couche métallique arrière, les flancs des vias et une étape c2) de retrait localisé de la couche électriquement isolante de sorte à exposer une portion de la couche métallique arrière, et dans lequel l'étape d) est réalisée par un étape dl) de dépôt d'une couche métallique avant sur la totalité de la couche électriquement isolante, et une étape d2) de retrait localisé de la couche métallique avant pour exposer une partie de la couche électriquement isolante.
Cette configuration permet d'isoler la couche métallique avant de la couche métallique arrière alors que ces couches sont situées du même coté des multi-jonctions. Ceci permet de collecter efficacement les charges et de déporter les deux contacts en face arrière pour limiter l'ombrage en face avant.
Les retraits localisés selon l'étape c2) et l'étape d2) sont effectués par photolithographie, tel qu'un dépôt d'une résine retirée après gravure, ou par gravure sélective dans un bain de HF dilué. Les deux étapes de retrait c2) et d2) peuvent être réalisées de façon concomitante.
Selon une possibilité, la portion exposée de la couche métallique arrière présente des dimensions de surface à connecter allant de quelque centaines de micromètres à un centimètre et de préférence des dimensions de l'ordre de quelques millimètres.
Selon une disposition, la surface à connecter de la couche métallique avant présente des dimensions allant de quelque centaines de micromètres à un centimètre et de préférence des dimensions de l'ordre de quelques millimètres voire quelques centimètres.
Par ailleurs, la partie exposée de la couche électriquement isolante présente des dimensions similaires. Selon les besoins d'intégration, la partie exposée de la couche électriquement isolante est nulle.
De préférence, la première piste métallique et la deuxième piste métallique sont électriquement isolées par une première piste d'isolation définie sur le substrat récepteur et dans lequel la première couche de collage conductrice et la deuxième de couche de collage conductrice sont électriquement isolées par une deuxième piste d'isolation définie sur l'empilement.
La première piste isolante et la deuxième piste isolante sont formées par un dépôt d'un matériau isolant, tel que l'oxyde de silicium, une résine époxy isolante, un polymère de type BCB (acronyme de BenzoCycloButène), ou par masquage temporaire respectivement d'une surface du substrat récepteur et d'une surface de l'empilement, par exemple réalisé par un cadre rigide qui est retiré après la formation par exemple de la première piste métallique 6 et de la deuxième piste métallique 6'.
Les pistes d'isolation de part et d'autre des surfaces à connecter sont alignées lors de la mise en contact de sorte qu'elles offrent un repère pour l'alignement du substrat récepteur et des multi-jonctions, favorisant la qualité des connexions électriques.
La première piste isolante et la deuxième piste isolante peuvent être retirées selon les applications futures. Selon une possibilité, elles sont avantageusement remplacées par du vide.
De préférence, l'empilement comprend une couche d'arrêt de gravure disposée entre le substrat support et les multi-jonctions et l'étape h) de retrait du substrat support comprend une étape de rodage du substrat support et de la couche d'arrêt de gravure ou une étape de gravure chimique sélective du substrat support de sorte à retirer une portion au fond des vias de la couche électriquement isolante et exposer la couche métallique avant.
Avantageusement, la gravure de la pluralité des vias dans l'empilement est arrêtée par la couche d'arrêt de gravure.
Selon une possibilité, le substrat support est du GaAs et les jonctions sont formées d'alliages de matériaux lll-V tels que le GaAs, et le GalnP, par épitaxie sur le substrat support.
Selon une alternative, le substrat support est un substrat composite démontable comprenant une couche sacrificielle disposée entre une couche germe et un substrat mécanique, tel qu'un substrat composite démontable comprenant une couche germe de GaAs reportée sur un substrat de saphir entre lesquels une couche sacrificielle de SiNx est disposée, et l'étape h) comprend le retrait du substrat mécanique par irradiation à la longueur d'onde d'absorption de la couche sacrificielle à travers le substrat mécanique transparent à ladite longueur d'onde.
Typiquement, l'irradiation est réalisée par laser dans le cas d'une couche sacrificielle de SiNx, la longueur d'onde utilisée est 273 nm à laquelle le substrat mécanique de saphir est transparent.
Une fois les jonctions épitaxiées sur la couche germe, choisie pour sa qualité cristalline et son paramètre de maille adapté, il est possible de démonter le substrat mécanique sans le détruire pour le recycler.
Selon un second aspect, la présente invention propose une structure pour cellule photovoltaïque à multi-jonctions comprenant :
Des multi-jonctions pour cellule photovoltaïque comportant une première couche dopée, formée par des motifs dopés, délimitant une face avant des multi-jonctions , et une deuxième couche dopée délimitant une face arrière des multi-jonctions , la face arrière étant opposée à la face avant, et une couche métallique arrière s'étendant sur la deuxième couche dopée, une pluralité de vias s'étendant dans les multi-jonctions, depuis la couche métallique arrière jusqu'à la première couche dopée en face avant, une couche électriquement isolante sur les flancs de la pluralité des vias et partiellement sur la couche métallique arrière, pour conserver une portion exposée de la couche métallique arrière et, une couche métallique avant sur au moins une partie de la couche électriquement isolante couvrant les flancs des vias, en conservant une partie de la couche électriquement isolante exposée, - des plots métalliques disposés à l'aplomb des vias, dans la continuité de la couche métallique avant couvrant les motifs dopés, un substrat récepteur sur lequel sont disposées une première piste métallique et une deuxième piste métallique électriquement isolée de la première piste métallique, et la couche métallique avant étant électriquement connectée à la première piste métallique par l'intermédiaire d'une première couche de collage conductrice, et la portion exposée de la couche métallique arrière étant électriquement connectée à la deuxième piste métallique par l'intermédiaire d'une deuxième couche de collage conductrice, électriquement isolée de la première couche de collage conductrice.
Ainsi, dans cette configuration, la couche électriquement isolante est configurée pour permettre d'isoler la couche métallique avant de la couche métallique arrière, rendant possible de reporter tous les contacts en face arrière des multi-jonctions. La face avant est ainsi moins sujette aux effets d'ombrage. Par ailleurs, le collage conducteur entre le substrat récepteur et les multi-jonctions permet de garantir un bon collage sans endommagement des couches minces formant les multi-jonctions.
Avantageusement, la première piste métallique et la deuxième piste métallique sont isolées par une première piste d'isolation définie sur le substrat récepteur et la première couche de collage conductrice est isolée de la deuxième de couche de collage conductrice par une deuxième piste d'isolation définie sur les multi-jonctions et alignée à la première piste d'isolation. Ainsi la couche métallique avant est connectée à la première piste métallique en étant isolée par la couche des multi-jonctions et de la couche métallique arrière elle-même connectée à la deuxième piste métallique, et les porteurs des faces avant et arrière sont collectés par deux contacts indépendants isolés mais tous les deux déportés en face arrière.
De préférence la première couche de collage conductrice et la deuxième de couche de collage conductrice sont formées d'un métal, tel que le cuivre ou l'or, ou d'un polymère conducteur tel qu'une résine époxy chargée par des éléments métalliques. Le collage conducteur permet d'utiliser une autre technique que la brasure et une très bonne connexion électrique entre les contacts électriques et les pistes métalliques du substrat récepteur.
Ainsi, la présente invention apporte une alternative au collage par brasure des multi-jonctions sur un substrat récepteur en vue de former une cellule photovoltaïque, tout en permettant de recycler le substrat support et de reporter la collecte des porteurs de la face avant et de la face arrière en face arrière des multi-jonctions , limitant l'effet d'ombrage. D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description suivante de différents modes de réalisation de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés. Les figures ne respectent pas nécessairement l'échelle de tous les éléments représentés de sorte à améliorer leur lisibilité. Dans la suite de la description, par souci de simplification, des éléments identiques, similaires ou équivalents des différentes formes de réalisation portent les mêmes références numériques. - Les figures 1 à 8 représentent des structures à différentes étapes de procédé selon un premier mode de réalisation de l'invention. - Les figures 9 et 10 sont des vues en coupe d'une structure obtenue à différentes étapes du procédé selon un deuxième un mode de réalisation de l'invention.
La figure 1 (étape a) illustre un empilement comprenant un substrat support 1 de GaAs d'un diamètre de 100 mm sur lequel sont formées par épitaxie des couches de matériaux lll-V de manière à constituer des multi-jonctions 2 pour cellule photovoltaïque comprenant deux jonctions, par exemple en GalnP et en GaAs. Les multi-jonctions 2 incluent également des diodes tunnels entre les jonctions, un champ de surface arrière, des couches tampons, une passivation de surface avant, une couche de contact ohmique... mais l'empilement complet représentant plusieurs dizaines de couches, seules les couches importantes pour l'invention sont représentées sur les figures. Les multi-jonctions 2 comprennent notamment une deuxième couche dopée 3 délimitant une face arrière des multi-jonctions 2 sur laquelle s'étend une couche métallique arrière 4. La deuxième couche dopée 3 est constituée en un matériau semiconducteur très dopé de sorte à assurer la conduction avec la couche métallique arrière 4 constituée d'un métal. Par ailleurs, les multi-jonctions 2 comprennent également une première couche dopée 7 en matériau semiconducteur très dopé délimitant la face avant des multi-jonctions 2, orientée vers le substrat support 1 (du coté opposé à la deuxième couche dopée 3). L'épaisseur typique d'un tel empilement est de l'ordre de quelques micromètres. De plus, comme visible sur les figures, une couche d'arrêt de gravure 10 est intercalée entre le substrat support 1 et la première couche dopée 7, de sorte à faciliter le retrait ultérieur du substrat support 1.
Puis selon l'étape b) du procédé illustrée sur la figure 2, une pluralité de vias est gravée dans l'empilement à travers la couche métallique arrière 4 et s'étend jusqu'à la première couche dopée 7. Cette gravure est notamment réalisée par une étape classique de photolithographie suivie d'une gravure chimique. Selon une autre possibilité, la gravure est réalisée par gravure ionique (Ion Beam Etching) et/ou plasma (Reactive Ion Etching) notamment en mode 'Inductively Coupled Plasma'. La gravure des vias est stoppée par la couche d'arrêt de gravure 10 située entre la première couche dopée 7 et au-dessus du substrat support 1 de GaAs comme illustré.
La géométrie des vias est adaptée selon le fonctionnement de la cellule (type de jonctions, concentration).
Selon une variante non illustrée, il est aussi possible de poursuivre la gravure dans le substrat support 1 de GaAs, jusqu'à une profondeur allant de quelques nanomètres à plusieurs pm voire dizaines de pm, notamment en l'absence de la couche d'arrêt de gravure 10.
Après la gravure, une couche électriquement isolante 9 est déposée sur la totalité de la surface de l'empilement, conformément à la topologie de la surface structurée ; sur les flancs et le fond de la pluralité des vias (étape cl). La couche électriquement isolante 9 est typiquement constituée de Si02 ou SIN (ou les deux), et présente une épaisseur allant de quelques centaines de nanomètres à plusieurs micromètres.
Puis comme illustrée à la figure 3, une couche métallique avant 8 en métal est déposée sur la couche électriquement isolante 9, de manière à recouvrir les flancs des vias, leur fond, ainsi que la surface de la face arrière des multi-jonctions 2 (étape dl). Il est préférable que ce dépôt ou métallisation remplisse entièrement les vias de manière à leur assurer une bonne rigidité mécanique.
Pour libérer une portion de la couche métallique arrière 4, destinée à collecter les porteurs de la face arrière des multi-jonctions 2, une étape de retrait localisé de la couche électriquement isolante 9 et une étape de retrait localisé de la couche métallique avant 8 pour exposer une partie de la couche électriquement isolante 9 sont entreprises (étape c2 et d2). Ces retraits locaux peuvent être effectués simultanément en utilisant les techniques classiques de photolithographie (notamment le dépôt d'une résine et son lift-off). Selon une autre disposition, il est aussi possible d'utiliser une technique de gravure chimique locale dans un bain de HF dilué (HF dip).
En fin de retrait, la portion exposée de la couche métallique arrière 4, en vue de former les contacts électriques de la face arrière, présente une dimension de l'ordre de quelques centaines de micromètres à quelques millimètre voire de quelques centimètres. La partie exposée de la couche électriquement isolante 9 est du même ordre de grandeur que la portion résiduelle de la couche métallique avant 8. Selon une alternative non illustrée, cette partie exposée de la couche électriquement isolante 9 peut être nulle pour des besoins d'intégration.
Puis un substrat récepteur 200 pour les multi-jonctions 2 en matériau isolant est fourni. Il comprend sur sa surface destinée au collage avec les multi-jonctions 2, une première piste métallique 6 et une deuxième piste métallique 6', en cuivre par exemple, destinées à être électriquement connectées respectivement avec la couche métallique avant 8 et la portion exposée de la couche métallique arrière 4. Afin de garantir l'isolation entre les contacts avant et arrière, les deux pistes métalliques 6,6' sont électriquement isolées par une première piste d'isolation 11 (figure 4) déposée en un matériau isolant et facile à éliminer tel que le scotch, un polymère de type Kapton<R) ou de la cire.
Comme illustré aux figures 5 et 6, une première couche de collage conductrice 5 est déposée sur deux surfaces à connecter électriquement, à savoir la première piste métallique 6 et la couche métallique avant 8. Au préalable, la première piste métallique 6 en cuivre est planarisée par CMP jusqu'à atteindre une rugosité de l'ordre du nanomètre RMS (acronyme de Root Mean Square). Puis la première couche de collage conductrice 5 en or est déposée par PECVD (acronyme de Plasma Enhanced Chemical Vapor Déposition) avec une épaisseur de 200 nm sur les deux surfaces à connecter (étape f).
En parallèle, la même étape de planarisation sur la deuxième piste métallique 6' est réalisée de même que le dépôt d'une deuxième couche de collage conductrice 5' en or sur les surfaces à connecter, à savoir sur la portion exposée de la couche métallique arrière 4 et sur la deuxième piste métallique 6'. La première couche de collage conductrice 5 et la deuxième couche de collage conductrice 5' sont électriquement isolées par une séparation fournie par une deuxième piste d'isolation 11' déposée de la même façon que la première piste d'isolation 11.
Les surfaces des premières couches de collage conductrices 5 et des deuxièmes couches de collage conductrices 5' sont alignées grâce à l'alignement des pistes d'isolation (figure 7) puis sont mises en contact avant l'application d'un traitement thermique sous la forme d'une rampe de température depuis la température ambiante jusqu'à environ 300°C, associée à l'application d'une pression d'environ 30kN. La connexion électrique entre la couche métallique avant 8 et la première piste métallique 6 est alors obtenue (étape f) de même que la connexion électrique entre la couche métallique arrière 4 et la deuxième piste métallique 6' (étape g). L'énergie de collage atteinte par ces étapes est alors suffisante pour effectuer le retrait du substrat support 1. Le substrat support 1 de GaAs et la couche d'arrêt de gravure 10 sont alors éliminés par rodage et/ou par gravure chimique sélective (étape h).
Puis comme illustré à la figure 8, les portions de couche électriquement isolante 9 à l'aplomb des vias sont éliminées par gravure chimique ou par gravure sèche et des plots métalliques 12 à l'aplomb des vias sont déposés par photolithographie dans la continuité de la couche métallique avant 8 avec une dimension légèrement supérieure à celle de la section des vias (typiquement, de quelques centaines de nm à quelques pm) de sorte à partiellement recouvrir la première couche dopée 7 sous-jacente (étape i). Une gravure chimique (ou ionique ou plasma) permet d'éliminer des portions exposées de la première couche dopée 7 (portions non recouvertes par les plots métalliques 12) afin de former des motifs dopés permettant la collecte des porteurs de la face avant et leur transmission à la première piste métallique 6 par l'intermédiaire des plots métalliques 12 reliées électriquement à la couche métallique avant 8, et de la première couche de collage conductrice 5' (à gauche sur la structure 100 de la figure 8- étape j).
On obtient ainsi les multi-jonctions 2 finales reportées sur le substrat récepteur 200. Les porteurs de la face arrière sont collectés par la deuxième piste métallique 6' via la deuxième couche de collage conductrice 5' électriquement connectée à la couche métallique arrière 4 (à droite sur la structure 100 de la figure 8).
Un deuxième mode de réalisation illustré aux figures 9 et 10 diffère du premier mode de réalisation décrit ci-dessus, notamment par le fait que le substrat support 1 de l'empilement est un substrat composite démontable et par le fait que les première et deuxième pistes d'isolation 11, 11' sont formées par un masque temporaire.
Comme illustré à la figure 9, les multi-jonctions 2 sont formées sur un substrat support composite comprenant un substrat mécanique 13 en saphir et une couche germe 14 pour l'épitaxie des jonctions, par exemple en GaAs, entre lesquels une couche sacrificielle 15 en SiNx est disposée. Les matériaux du substrat mécanique 13 et de la couche sacrificielle 15 sont choisis de sorte que la couche sacrificielle 15 absorbe une longueur d'onde, ici 273 nm, à laquelle le substrat mécanique 13 est transparent.
Un substrat récepteur 200 est ensuite fourni pour le collage conducteur avec les multi-jonctions 2. Il comprend une première piste métallique 6 et une deuxième piste métallique 6' électriquement isolées par la disposition d'un cadre rigide 11 sur les surfaces de manière temporaire.
Puis, les couches de collage conductrices 5, 5' en cuivre sont déposées sous la forme de couche épaisse de 5 micromètres par ECD sur les surfaces à connecter. L'épaisseur de cette couche évite l'étape de planarisation des pistes métalliques 6,6' sur le substrat récepteur 200 au préalable. Toutefois, une planarisation des couches de collage conductrice 5, 5', suivi d'une étape de nettoyage sont nécessaires avant la mise en contact. Une deuxième piste d'isolation 11' temporaire destinée à isoler les couches de collage conductrice 5, 5', tel un masque, a été disposée au préalable. Puis la mise en contact est réalisée sous vide, de sorte à limiter le vieillissement des pistes par oxydation du Cu, elle est suivie de l'application d'un traitement thermique réalisé à 200°C pendant 1 heure environ (figure 10). Les cadres ou masques temporaires formant les première et deuxième pistes d'isolation 11, 11' sont retirées avant la mise en contact et le vide maintient l'isolation entre les contacts arrière et avant.
Puis, l'étape h) du retrait du substrat support 1 est réalisée par la technique communément appelée 'laser lift off' comprenant l'irradiation laser de la couche sacrificielle 15 à travers le substrat mécanique 13 transparent à la longueur d'onde utilisée. Le substrat mécanique 13 de saphir peut être ainsi recyclé.
Le dépôt des plots métalliques 12 et la formation des motifs dopés sont ensuite réalisés selon la même méthode que celle précédemment décrite.
Selon une variante de réalisation non illustrée, les couches de collage conductrices 5, 5' sont formées par le dépôt, sur une seule des surfaces à connecter, d'un polymère conducteur, puis après mise en contact, le collage est recuit par un traitement thermique appliqué entre 100 et 400°C.
Selon encore une autre variante de réalisation non illustrée, les couches de collage conductrices 5, 5' sont formées par le dépôt sur les surfaces à connecter d'une couche mince de cuivre, inférieure à 2 micromètres par exemple, après planarisation des pistes métalliques 6,6'. La mise en contact des surfaces à connecter est suivie d'un traitement thermique sous la forme d'une rampe de température depuis la température ambiante jusqu'à environ 300°C, associée à l'application d'une pression à environ 30kN.
Ainsi, la présente invention propose un procédé de fabrication de structures 100 pour cellules photovoltaïque à multi-jonctions 2 par un collage conducteur amélioré par comparaison avec un collage par brasure permettant d'éviter l'endommagement des couches actives transférées. De plus, ce procédé permet de retirer le substrat support 1 initial encombrant et de limiter l'ombrage en face avant de la cellule par la collecte des porteurs de la face avant et de la face arrière sur la face arrière des multi-jonctions 2.
Il va de soi que l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus à titre d'exemples mais qu'elle comprend tous les équivalents techniques et les variantes des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons.
Claims (15)
- REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication de structures (100) pour cellule photovoltaïque à multi-jonctions comprenant les étapes de : a) Fournir un empilement comprenant successivement : un substrat support (1), une structure de multi-jonctions (2) pour cellule photovoltaïque comportant une première couche dopée (7) comprenant un matériau semi-conducteur avec une concentration de dopant supérieure à 5E18 et délimitant une face avant des multi-jonctions orientée vers le substrat support (1), et une deuxième couche dopée (3) comprenant un matériau semi-conducteur avec une concentration de dopant supérieur à 5E18 et délimitant une face arrière des multi-jonctions, la face arrière étant opposée à la face avant, et une couche métallique arrière (4) s'étendant sur la deuxième couche dopée (3), b) Graver l'empilement de sorte à former une pluralité de vias s'étendant depuis la couche métallique arrière (4) jusqu'à au moins la première couche dopée (7) en la traversant, c) Former une couche électriquement isolante (9) sur les flancs et le fond de la pluralité des vias et partiellement sur la couche métallique arrière (4) de sorte à conserver une portion de la couche métallique arrière (4) exposée, d) Former une couche métallique avant (8) sur la couche électriquement isolante (9) en couvrant les flancs et le fond de la pluralité des vias, e) Fournir un substrat récepteur (200) sur lequel sont disposées une première piste métallique (6) et une deuxième piste métallique (6') électriquement isolée de la première piste métallique (6), f) Connecter électriquement la couche métallique avant (8) à la première piste métallique (6) par l'intermédiaire d'une première couche de collage conductrice (5), g) Connecter électriquement la portion exposée de la couche métallique arrière (4) à la deuxième piste métallique (6') par l'intermédiaire d'une deuxième couche de collage conductrice (5'), la première couche de collage conductrice (5) étant électriquement isolée de la deuxième couche de collage conductrice (5'), h) Retirer le substrat support (1), i) Former des plots métalliques (12) à l'aplomb des vias et dans la continuité de la couche métallique avant (8) de sorte à recouvrir partiellement la première couche dopée (7), et j) Retirer des portions exposées la première couche dopée (7) de sorte à former des motifs dopés recouverts par les plots métalliques (12) formés à l'étape i).
- 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel les connexions électriques de l'étape f) sont obtenues par collage conducteur des surfaces à connecter de la couche métallique avant (8) et de la première piste métallique (6), le collage conducteur comprenant au moins le dépôt d'une première couche de collage conductrice (5) sur au moins l'une des surfaces à connecter, suivi de la mise en contact desdites surfaces à connecter et de l'application d'un traitement thermique.
- 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2 dans lequel les connexions électriques de l'étape g) sont obtenues par collage conducteur des surfaces à connecter de la portion exposée de la couche métallique arrière (4) et de la deuxième piste métallique (6'), le collage conducteur comprenant au moins le dépôt d'une deuxième couche de collage conductrice (5') sur au moins l'une des surfaces à connecter, suivi de la mise en contact desdites surfaces et de l'application d'un traitement thermique.
- 4. Procédé selon l'une des revendications 1 et 3 dans lequel la première couche de collage conductrice (5) et la deuxième couche de collage conductrice (5') sont formées d'un matériau conducteur choisi parmi le Cu, l'Au, leur combinaison et les polymères conducteurs, tels que les résines époxy chargées, par exemple en Ag.
- 5. Procédé selon l'une des revendications 1 et 4 dans lequel la première couche de collage conductrice (5) et la deuxième couche de collage conductrice (5') sont constituées d'un polymère conducteur et déposées respectivement sur l'une des surfaces à connecter avec une épaisseur supérieure à deux micromètres et dans lequel le traitement thermique de consolidation du collage est effectué dans une plage de température comprise entre 100 et 400°C.
- 6. Procédé selon l'une des revendications 1 et 4 dans lequel la première couche de collage conductrice (5) et la deuxième couche de collage conductrice (5') sont constituées de cuivre et déposées avec une épaisseur supérieure à deux micromètres sur les surfaces à connecter, puis polies jusqu'à atteindre une rugosité de surface inférieure à 0,3 nm RMS, et dans lequel le traitement thermique de consolidation du collage est effectué dans une plage de température comprise entre 200 et 400°C.
- 7. Procédé selon l'une des revendications 1 et 4 dans lequel la première couche de collage conductrice (5) et la deuxième couche de collage conductrice (5') sont constituées de cuivre et déposées sur les surfaces à connecter avec une épaisseur inférieure à deux micromètres et dans lequel le traitement thermique de consolidation du collage est effectué par une montée en température allant de la température ambiante à environ 300°C, associée à l'application d'une pression jusqu'à environ 30kN.
- 8. Procédé selon l'une des revendications 1 et 4 dans lequel la première couche de collage conductrice (5) et la deuxième couche de collage conductrice (5') sont constituées d'Au et déposées sur les surfaces à connecter avec une épaisseur inférieure à un micromètre et dans lequel le traitement thermique de consolidation du collage est effectué par une montée en température allant de la température ambiante à environ 300°C, associée à l'application d'une pression jusqu'à environ 30kN.
- 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel l'étape c) est réalisée par une étape cl) de dépôt d'une couche électriquement isolante (9) sur la totalité de la couche métallique arrière (4), les flancs et le fond de la pluralité des vias et une étape c2) de retrait localisé de la couche électriquement isolante (9) de sorte à exposer une portion de la couche métallique arrière (4), et dans lequel l'étape d) est réalisée par un étape dl) de dépôt d'une couche métallique avant (8) sur la totalité de la couche électriquement isolante (9), et une étape d2) de retrait localisé de la couche métallique avant (8) pour exposer une partie de la couche électriquement isolante (9).
- 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9 dans lequel la première piste métallique (6) et la deuxième piste métallique (6') sont électriquement isolées par une première piste d'isolation (11) définie sur le substrat récepteur (200) et dans lequel la première couche de collage conductrice (5) et la deuxième de couche de collage conductrice (5') sont électriquement isolées par une deuxième piste d'isolation (11') définie sur l'empilement.
- 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10 dans lequel l'empilement comprend une couche d'arrêt de gravure disposée entre le substrat support (1) et les multi-jonctions (2) et dans lequel l'étape h) de retrait du substrat support (1) comprend une étape de rodage du substrat support (1) et de la couche d'arrêt de gravure (10) ou une étape de gravure chimique sélective du substrat support (1).
- 12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10 dans lequel le substrat support (1) est un substrat composite comprenant une couche sacrificielle (15) disposée entre une couche germe (14) et un substrat mécanique (13), tel qu'un substrat composite comprenant une couche germe (14) de GaAs reportée sur un substrat de saphir entre lesquels une couche sacrificielle (15) de SiNx est disposée, et dans lequel l'étape h) comprend le retrait du substrat mécanique (13) par irradiation à la longueur d'onde d'absorption de la couche sacrificielle (15) à travers le substrat mécanique (13) transparent à ladite longueur d'onde.
- 13. structure (100) pour cellule photovoltaïque à multi-jonctions comprenant : des multi-jonctions (2) pour cellule photovoltaïque comportant une première couche dopée (7), formée par des motifs dopés, délimitant une face avant des multi-jonctions (2), et une deuxième couche dopée (3) délimitant une face arrière des multi-jonctions (2), la face arrière étant opposée à la face avant, une couche métallique arrière (4) s'étendant sur la deuxième couche dopée, une pluralité de vias s'étendant dans les multi-jonctions (2), une couche électriquement isolante (9) sur les flancs de la pluralité des vias et partiellement sur la couche métallique arrière (4) et, une couche métallique avant (8) sur au moins une partie de la couche électriquement isolante (9) couvrant les flancs des vias - des plots métalliques (12) disposés à l'aplomb des vias, dans la continuité de la couche métallique avant (8) couvrant les motifs dopés, un substrat récepteur (200) sur lequel sont disposées une première piste métallique (6) et une deuxième piste métallique (6') électriquement isolée de la première piste métallique (6), et la couche métallique avant (8) étant électriquement connectée à la première piste métallique (6) par l'intermédiaire d'une première couche de collage conductrice (5), et la portion exposée de la couche métallique arrière (4) étant électriquement connectée à la deuxième piste métallique (6') par l'intermédiaire d'une deuxième couche de collage conductrice (5'), électriquement isolée de la première couche de collage conductrice (5).
- 14. Structure (100) selon la revendication 13 dans laquelle la première piste métallique (6) et la deuxième piste métallique (6') sont isolées par une première piste d'isolation (11) définie sur le substrat récepteur (200) et dans lequel la première couche de collage conductrice (5) est isolée de la deuxième de couche de collage conductrice (5') par une deuxième piste d'isolation (11') définie sur les multi-jonctions (2) et alignée à la première piste d'isolation (11).
- 15. Structure (100) selon l'une des revendications 13 à 14 dans laquelle la première couche de collage conductrice (5) et la deuxième de couche de collage conductrice (5') sont formées d'un métal, tel que le cuivre ou l'or, ou d'un polymère conducteur tel qu'une résine époxy chargée par des éléments métalliques.
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