FR3077928A1 - Procede de fabrication d'un dispositif photovoltaique ou photo-detecteur a jonction electronique n-pert et dispositif photovoltaique ou photo-detecteur a jonction electronique - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé de fabrication d'un dispositif photovoltaïque ou photo-détecteur à jonction électronique n-PERT ou d'un panneau solaire à base de dispositifs photovoltaïque n-PERT. Selon l'invention, le procédé comprend les étapes suivantes : a) texturation d'au moins une face d'un substrat (4) de silicium cristallin dopé n pour générer une surface micro-texturée, la surface micro-texturée comprenant des micro-textures ; b) suite à l'étape a), diffusion de bore dans le substrat de silicium cristallin à travers la surface micro-texturée pour générer une couche (3) de silicium dopée, la couche (3) de silicium dopée p formant un émetteur de la jonction électronique ; et c) suite à l'étape b), gravure de la surface micro-texturée pour enlever une épaisseur en surface de la couche (3) de silicium dopée p et pour générer une surface micro-texturée et nano-texturée en surface de la couche (3) de silicium dopée p formant l'émetteur.
Description
Domaine technique auquel se rapporte l'invention
La présente invention concerne de manière générale le domaine des cellules et des panneaux photovoltaïques à base de silicium cristallin.
Elle concerne plus particulièrement le procédé de fabrication de dispositifs photovoltaïques ou photo-détecteur à jonction électronique de type nPERT (Passivated Emitter, Rear Totally Diffused) ou de panneaux photovoltaïques à base de cellules photovoltaïques à jonction électronique de type n-PERT.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE
Depuis 40 ans, de nombreuses recherches sont menées pour améliorer le rendement de conversion d’un faisceau lumineux incident en courant électrique des cellules photovoltaïques. Le rendement de conversion actuel des cellules mono-jonction ne dépasse pas 30 %. Les limitations du rendement de conversion ont différentes origines. Elles peuvent être causées par des effets de réflexion optique importante en surface, une faible absorption de photons dans la cellule en particulier dans l’UV pour une longueur d’onde inférieure à 400 nm et/ou le proche IR pour une longueur d’onde supérieure à 900 nm, des effets de pertes Auger par recombinaison de paires électron-trou en volume ou en surface et/ou des phénomènes dissipatifs liés à la résistance électrique à l’interface entre le matériau de la cellule et les contacts métalliques, appelée résistance de contact. L’amélioration des performances d’une cellule photovoltaïque dépend donc de plusieurs paramètres. De plus, le coût de fabrication d’une cellule demeure encore très élevé. Il existe des solutions pour réduire la réflexion optique de la surface d’une cellule telles que la création d’une texturation de surface en forme de micropyramides et/ou le dépôt d’une couche antireflet. Une texturation de surface par micro-pyramides permet aussi de piéger optiquement les photons incidents afin d’améliorer le rendement de conversion. Une passivation des surfaces de la cellule réduit les recombinaisons en surface et améliore donc le rendement de conversion.
Aujourd’hui, il existe de nombreux types de cellules photovoltaïques qui diffèrent par le choix des matériaux, des structures ou des technologies utilisées pour les fabriquer. Par exemple les cellules photovoltaïques à mono-jonction de type PERC (Passivated Emitter Rear Contact) possèdent une couche diélectrique passivante en face arrière. La couche de diélectrique passivante peut aussi servir de couche réfléchissante et améliorer la capture de la lumière près de la surface arrière en diminuant fortement les recombinaisons et en améliorant la réflexion des rayons lumineux. Grâce à ce type de structure il est possible d’obtenir des rendements de conversion plus élevés que pour des cellules photovoltaïques standards. Une cellule photovoltaïque de type n-PERT est un type particulier de cellule, aussi appelée jonction électronique n-PERT, cellule à émetteur passivé et face arrière entièrement diffusée. Une cellule photovoltaïque n-PERT présente une architecture spécifique qui a pour but d’obtenir des rendements de conversion plus élevés. Pour augmenter les performances du rendement de conversion, ce type de structure doit répondre au compromis suivant : limiter les recombinaisons des paires électron-trou tout en réduisant la résistance de contact entre le silicium et les contacts métalliques. L’enjeu technique consiste donc à trouver un moyen pour répondre à ce compromis. Il faut noter que la diminution des recombinaisons des paires électron-trou implique un dopage total faible. Cependant, dans le cas d’un dopage en bore par diffusion, la présence d’une faible résistance de contact est liée à un dopage en surface et en volume de l’émetteur particulièrement élevé. La structure d’une cellule de type n-PERT présente donc l’inconvénient d’avoir une résistance de contact élevée ou un taux total de dopant élevé.
Dans une cellule de type n-PERT, il est important d’améliorer l’absorption dans l’UV pour augmenter le courant collecté tout en diminuant les pertes Auger et le courant de recombinaison dans la couche dopée formant l’émetteur.
Objet de l’invention
Afin de remédier aux inconvénients précités de l’état de la technique, la présente invention propose un procédé de fabrication d’un dispositif photovoltaïque ou photo-détecteur à jonction électronique n-PERT ou d’un panneau solaire à base de dispositifs photovoltaïque ou photo-détecteur à jonction électronique n-PERT, comprenant les étapes suivantes :
a) texturation d’au moins une face d’un substrat de silicium cristallin dopé n pour générer une surface micro-texturée, la surface microtexturée comprenant des micro-textures ;
b) suite à l’étape a), diffusion de bore dans le substrat de silicium cristallin à travers la surface micro-texturée pour générer une couche de silicium dopée p, la couche de silicium dopée p formant un émetteur de la jonction électronique ; et
c) suite à l’étape b), gravure de la surface micro-texturée pour enlever une épaisseur en surface de la couche de silicium dopée p et pour générer une surface micro-texturée et nano-texturée en surface de la couche de silicium dopée p formant l’émetteur.
La nano-texturation de la face avant et/ou arrière côté émetteur permet de diminuer la réflexion du rayonnement UV et/ou de lumière bleue incidents sur la cellule. Le contrôle de la concentration des éléments dopants en surface permet de diminuer la résistance électrique ou résistance de contact à l’interface entre un contact métallisé et le substrat en silicium. La diminution du taux de recombinaison dans l’émetteur est liée à l’augmentation de la résistance de couche.
Plus particulièrement, on propose selon un mode de réalisation avantageux de l’invention, un procédé dans lequel l’étape b) de diffusion de bore comporte une étape de diffusion à partir d’un précurseur gazeux choisi parmi du trichlorure de bore et/ou du tribromure de bore.
Selon un autre aspect particulier de l’invention, suite à l’étape b) de diffusion et avant l’étape c) de gravure, la couche de silicium dopée p présente une concentration maximale en bore à une profondeur comprise entre 20 nm et 200 nm de la surface micro-texturée, et l’étape c) de gravure est adaptée pour enlever une épaisseur correspondant à la profondeur de concentration maximale en bore.
L’étape c) du procédé est adaptée pour générer des nano-textures ayant une hauteur comprise entre 20 nm et 500 nm et une largeur comprise entre 20 nm et 250 nm.
L’étape c) de gravure est une étape de gravure chimique en phase liquide, de gravure chimique assistée par métal, de gravure par plasma ou de gravure par laser femto seconde (fs).
Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, le procédé comprend une étape supplémentaire de passivation de la surface micro-texturée et nano-texturée de la couche de silicium dopée p suite à l’étape de gravure. Une étape supplémentaire de nettoyage peut être réalisée avant l’étape de gravure.
De façon avantageuse, le procédé comprend en outre une étape de dépôt d’une couche de contact métallique sur au moins une portion de la surface micro-texturée et nano-texturée de la couche de silicium dopée p.
Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, le procédé est compatible avec une technique de métallisation peu pénétrante dite de métallisation douce (ou soft metallization) telle qu’un dépôt successif de nickel (Ni) puis de cuivre (Cu) ou un dépôt physique en phase vapeur (PVD) ou un dépôt d’aluminium.
Selon une application particulière de l’invention, le procédé est aussi appliqué à un dispositif photovoltaïque ou photo-détecteur à jonction électronique n-PERT bifacial, dans lequel la couche de silicium dopée p est disposée en face arrière du dispositif photovoltaïque ou photo-détecteur.
L’invention concerne aussi un dispositif photovoltaïque ou photodétecteur à jonction électronique n-PERT utilisé en monofacial ou bifacial comprenant : un substrat de silicium cristallin dopé n, une couche de silicium dopée p sur une face du dispositif, la couche de silicium dopée p formant un émetteur de la jonction électronique.
Selon l’invention, la couche de silicium dopée p a une surface microtexturée et nano-texturée, et la couche de silicium dopée p présente un profil de dopage en bore ayant un taux de dopage décroissant depuis la surface microtexturée et nano-texturée.
Le dispositif de l’invention permet d’améliorer l’absorption du rayonnement UV et/ou de lumière bleue, de diminuer la résistance de contact tout en diminuant le taux de recombinaison lié aux pertes Auger.
Selon un mode de réalisation particulier, la couche de silicium dopée p formant l’émetteur a une épaisseur comprise entre 20 nm et 500 nm à partir de la surface micro-texturée.
Selon un mode de réalisation particulier, la surface micro-texturée et nano-texturée comporte des textures nanométriques ayant une hauteur comprise entre 20 nm et 500 nm et une largeur comprise entre 20 nm et 250 nm.
Selon un mode de réalisation particulier, la surface micro-texturée et nano-texturée comporte en outre des micro-pyramides de dimensions comprises entre 1 pm et 10 pm.
Selon un mode de réalisation particulier, le profil de dopage en bore de la couche de silicium dopée p décroît continûment d’au moins un ordre de grandeur sur une profondeur comprise entre 100 nm et 500 nm.
De préférence, la couche de silicium dopée p a une résistance de couche supérieure ou égale à 60 ohms.
Dans un mode de réalisation particulier et avantageux, le dispositif comporte en outre une couche de contact métallique sur au moins une portion de la surface micro-texturée et nano-texturée de la couche de silicium dopée p.
Selon un autre aspect particulier, le dispositif comporte en outre au moins une couche mince de passivation conforme à la surface micro-texturée et nano-texturée de la couche de silicium dopée p.
Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif photovoltaïque ou photo-détecteur à jonction électronique n-PERT est bifacial et la couche de 10 silicium dopée p est disposée en face arrière du dispositif photovoltaïque ou photo-détecteur.
L’invention concerne aussi un panneau solaire comprenant une pluralité de dispositifs photovoltaïques ou photo-détecteurs n-PERT reliés électriquement entre eux.
Description detaillee d’un exemple de réalisation
La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d’exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée.
Sur les dessins annexés :
- la figure 1 représente schématiquement une vue en coupe d’une cellule photovoltaïque de type n-PERT ;
- la figure 2 représente le profil de dopage en bore pour trois émetteurs différents ayant une résistance de couche (ou résistance carrée) 65 ohms (carrés), respectivement 80 ohms (disques) et de 120 ohms (triangles) ;
- la figure 3A est une image en Microscopie Electronique à Balayage (MEB) d’un exemple de surface micro-texturée en forme de pyramide ;
- la figure 3B est une image en MEB d’une vue en coupe d’une surface nano-texturée ;
- la figure 4 est une image en MEB de la double texturation obtenue 30 après l’étape de diffusion et l’étape de gravure ;
- la figure 5 représente la profondeur de gravure optimale D en fonction du profil de dopage pour trois émetteurs différents dopés en bore ayant des résistances de 65, 80 et 120 ohms et illustre les profils de dopage respectifs après l’étape de gravure.
Procédé et Dispositif
Une cellule photovoltaïque de type n-PERT est un type particulier de cellule à émetteur passivé et face arrière entièrement diffusée. Un dispositif photovoltaïque ou photo-détecteur à jonction électronique n-PERT peut être utilisé selon son architecture en monofacial (une seule face exposée au rayonnement lumineux incident) ou en bifacial (deux faces exposées aux rayonnements lumineux incidents). Les cellules n-PERT sont réalisées à base de silicium cristallin de type n. Une cellule n-PERT comprend une jonction électronique p+nn+ et des contacts métalliques intégrés à la face avant et/ou à la face arrière de la cellule. Une des deux faces est dopée p+ pour former une couche mince émetteur et l’autre face est dopée n+ pour former une couche mince émetteur. Le dopage de la couche p+ est généralement réalisé par diffusion d’atomes de bore ce qui permet de contrôler la quantité totale de dopants incorporés. Le profil de concentration des dopants est déterminé en fonction de la quantité en dopants. Afin d’optimiser les propriétés de la couche p+ formant l’émetteur, il est nécessaire d’avoir accès à certaines grandeurs spécifiques telles que la résistance de contact et la résistance de couche.
La résistance de contact correspond à la résistance électrique à l’interface entre le matériau de la cellule et les contacts métalliques. La résistance de contact dépend de la concentration de bore en surface. Un fort taux de dopage en bore implique à la fois une concentration de bore totale et en surface élevée. Un faible taux de dopage en bore implique à la fois une concentration de bore totale et en surface faible. Lorsque la concentration de bore en surface est élevée, la résistance de contact est fortement diminuée ce qui permet l’établissement d’un bon contact électrique avec le métal. Lorsque la concentration de bore en surface est faible, la résistance de contact est fortement élevée ce qui empêche l’établissement d’un bon contact électrique avec le métal. Afin d’améliorer le contact électrique avec le métal, il est donc souhaitable d’augmenter la concentration de bore en surface de la couche émetteur.
D’autre part, la résistance de couche correspond à la résistance surfacique de la couche dopée et dépend de la profondeur de la couche dopée p+. La résistance de couche est mesurée par une méthode classique par 4 pointes. La résistance de couche est élevée quand la profondeur de la couche dopée p+ est faible ce qui implique un dopage faible. Lorsque la résistance de couche est élevée, le taux de recombinaison des paires électron-trou par pertes Auger ainsi que le courant de recombinaison généré par l’émetteur sont diminués. Inversement, la résistance de couche est faible quand la profondeur de la couche dopée p+ est élevée ce qui implique un dopage fort. Lorsque la résistance de couche est faible, le taux de recombinaison des paires électron-trou par pertes Auger ainsi que le courant de recombinaison généré par l’émetteur sont augmentés. Afin de réduire les pertes Auger, il est donc souhaitable d’augmenter la résistance de couche, c’est-à-dire de réduire la profondeur de la couche dopée p+ et/ou le dopage en bore dans la couche émetteur.
Pour combiner l’amélioration du contact électrique avec le métal et la réduction des pertes Auger, il faut donc combiner un dopage particulièrement élevé en surface à un dopage total faible de la couche dopée p. Or il faut noter que l’étape de dopage par diffusion de tribromure de bore ou de trichlorure de bore ne permet pas de contrôler séparément le taux de dopage total et la concentration en dopant en surface de la couche dopée p+.
Le procédé de fabrication de l’invention propose de réaliser une gravure de la surface micro-texturée pour retirer une épaisseur D en surface de la couche de silicium dopée p+. La gravure est généralement réalisée sur une face lorsque l’architecture des cellules solaires est monoface, mais peut aussi être réalisée sur deux faces lorsque l’architecture des cellules solaires est bifaciale. La gravure peut être chimique en phase liquide, chimique assistée par métal, par plasma ou par laser (fs). Par exemple, l’utilisation d’un système plasma à ions réactifs (RIE) permet de réaliser une gravure plasma : pour ce faire, on utilise comme précurseurs gazeux un mélange d’hexafluorure de soufre (SF6) et de dioxygène (O2) avec un ratio 1,3 sous un flux total de 140 sccm et à une pression de 30 mTorr pour une puissance de gravure de 55 W pendant 30 min. La gravure est réalisée de sorte à retirer une épaisseur de la couche dopée en bore jusqu’à atteindre le maximum de la concentration en dopant. Toutefois, l’épaisseur de matière retirée lors de la gravure varie sur la profondeur de gravure, ce qui permet de générer des nano-textures de hauteurs variables. Les nano-textures sont généralement plus hautes que larges. La largeur des nano-textures est définie dans le plan de la surface micro-texturée. La hauteur des nano-textures est définie transversalement au plan de la surface micro-texturée Lorsque l’architecture des cellules solaires est bifaciale, les deux faces sont généralement texturées de manière identique ce qui implique que les textures ont les mêmes formes, et/ou les mêmes dimensions. Il est cependant possible de texturer les deux faces différemment l’une de l’autre pour par exemple augmenter l’absorption de rayonnement UV sur la face avant et augmenter l’absorption de rayonnement infrarouge sur la face arrière. Le procédé de gravure est adapté pour que l’épaisseur de matière retirée ne soit pas uniforme en profondeur.
De cette façon, il est possible d'obtenir un taux de dopage en surface élevé tout en diminuant le taux de dopage total de la couche dopée p. En effet, un taux de dopage en surface élevé permet de réduire la valeur de la résistance de contact, qui améliore le contact électrique avec le métal. De plus, un taux de dopage total faible permet d’augmenter la valeur de la résistance de couche, qui diminue le taux de recombinaison des paires électron-trou à l'origine des pertes Auger ainsi que le courant de recombinaison généré dans la couche émetteur.
L’épaisseur de matière à retirer en surface de la couche dopée en bore est déterminée en mesurant, par microscope à force atomique en conduction ECV ou KPAFM, le maximum du profil de concentration du taux de dopage en bore en fonction de la profondeur E dans la couche dopée p+. Par exemple, on mesure le profil de concentration en bore, noté [B], pour différentes valeurs de résistance de couche. Les différentes valeurs de résistance de couche corespondent â différentes concentrations totales en bore. Lorsque le procédé de diffusion est long, la résistance de couche diminue (par exemple une valeur de résistance de couche de 65 ohms), la résistance de contact augmente, donc le taux de dopage en surface est plus élevé et l’épaisseur de la couche dopée p est plus grande. Lorsque le procédé de diffusion est court, la résistance de couche augmente (par exemple une valeur de résistance de couche de 120 ohms), la résistance de contact diminue, donc le taux de dopage en surface est plus faible et l’épaisseur de la couche dopée p est plus faible. Lors du processus de dopage en bore, l’épaisseur de la couche dopée p dépend aussi de la température : en effet, plus la température est élevée et plus l'épaisseur de la couche dopée p est grande. Suite à l’étape de diffusion, une gravure préliminaire est réalisée afin de déterminer les différents paramètres de gravure comme la vitesse de gravure. En fonction de la position du maximum de concentration de bore, l’épaisseur de matière retirée est comprise entre 20 nm et 200 nm, par exemple l’épaisseur de matière retirée est de 100 nm. La gravure permet de générer des nano-textures sur des micro textures préexistantes. Selon un mode de réalisation particulier, la surface de la couche dopée p comporte des micro-textures qui peuvent être en forme de cône, pyramide, pyramide régulière et/ou pyramide inversée.
Ces nano-textures offrent les avantages suivants : une diminution de la réflexion en face avant de la lumière en particulier dans l’UV et le bleu ainsi qu’une meilleure réponse angulaire. Les nano-textures ont des hauteurs comprises entre 20 nm et 500 nm et des largeurs comprises entre 20 nm et 250 nm comme illustré figure 3B. Les nano-textures générées peuvent présenter une hauteur plus élevée par rapport à la profondeur moyenne de gravure associée à la concentration maximale du taux de dopage. Grâce à la création de nano-textures sur les microtextures, la réflexion des UV et de lumière bleue est réduite sur la face avant.
La figure 1 présente une vue en coupe d’une cellule photovoltaïque 10 de type n-PERT destinée à une utilisation monofaciale. La face comprenant les couches 1, 2 et 3 est appelée face avant, et correspond à la surface éclairée. La cellule photovoltaïque n-PERT est basée sur un substrat 4 de silicium cristallin dopé n.
Dans le présent document, on entend par silicium cristallin du silicium de préférence monocristallin ou multi-cristallin.
La cellule photovoltaïque comprend une jonction électronique, par exemple de type p+nn+. La face avant est micro-texturée et comporte par exemple des micro-pyramides. En face avant, la cellule photovoltaïque comprend une couche 1 de nitrure de silicium, une couche 2 d’oxyde de silicium ou d’oxyde d’aluminium et une couche 3 de silicium dopée p+ formant l’émetteur. La couche 1 de nitrure de silicium est en contact avec la couche 2 d’oxyde de silicium ou d’oxyde d’aluminium. La couche 2 d’oxyde de silicium ou d’oxyde d’aluminium est positionnée entre la couche 1 de nitrure de silicium et la couche 3 de silicium dopée p+ formant l’émetteur. La couche 1 de nitrure de silicium forme une couche antireflet pour diminuer la réflexion des faisceaux incidents. La couche 2 d’oxyde de silicium ou d’oxyde d’aluminium forme une couche de passivation pour diminuer les recombinaisons en surface. Dans la couche 3, des dopants p+ sont générés par diffusion de bore à partir d’un précurseur gazeux choisi parmi du trichlorure de bore et/ou du tribromure de bore. La couche 3 est une couche fortement dopée par rapport au substrat 4. La couche 3 de silicium dopée p+ formant l’émetteur est positionnée entre la couche 2 d’oxyde de silicium ou d’oxyde d’aluminium et le substrat 4 de silicium cristallin ou multicristallin dopé n. La jonction électronique p+nn+ formée par la couche 3 dopée p+, le substrat 4 dopé n et une couche 5 dopée n+ permet de collecter les porteurs de charge libres générés par effet photovoltaïque et de générer un courant électrique. La face comprenant les couches 5, 6 et 7 est appelée face arrière. En face arrière, la cellule photovoltaïque comprend la couche 5 de silicium dopée n+. La cellule photovoltaïque comporte aussi une couche 6 d’oxyde de silicium ou d’oxyde aluminium, et/ou une couche 7 de nitrure de silicium seule. Le substrat 4 de silicium dopé n est positionné entre la couche 3 de silicium dopée p+ et la couche 5 de silicium dopée n+. La couche 5 de silicium dopée n+ est positionnée entre le substrat 4 de silicium dopé n et la couche 6 d’oxyde de silicium ou d’oxyde aluminium. La couche 6 d’oxyde de silicium ou d’oxyde aluminium est positionnée entre la couche 5 de silicium dopée n+ et la couche 7 de nitrure de silicium. Dans certains cas, la couche 6 d’oxyde de silicium ou d’oxyde aluminium peut être omise. La couche 7 de nitrure de silicium est en contact avec la couche 6 d’oxyde de silicium ou d’oxyde aluminium. La couche 5 est une couche fortement dopée par rapport au substrat 4. Les dopants n+ de la couche 5 de silicium sont générés par diffusion de phosphore à partir d’un précurseur gazeux choisi parmi du trichlorure de phosphoryle. La couche 6 d’oxyde de silicium ou d’oxyde d’aluminium forme une couche de passivation pour diminuer les recombinaisons en surface. L’épaisseur de la couche de passivation est généralement comprise entre 20 nm et 150 nm. La couche 7 de nitrure de silicium forme une couche pour réfléchir la partie non absorbée du faisceau incident vers la cellule. L’épaisseur de la couche de nitrure de silicium est généralement de 70 nm. Des contacts métalliques 8 sont intégrés dans la face arrière et d’autres contacts métalliques 9 sont intégrés dans la face avant pour collecter le courant photo-généré. Selon les différents méthodes de métallisation, l’épaisseur de la couche de métallisation formant les contacts métalliques est comprise entre 10 nm et 50 nm par impression de pâte et l’épaisseur de la couche de métallisation est comprise entre 1 nm et 10 pm par dépôt successif de nickel Ni puis de cuivre Cu ou par dépôt physique en phase vapeur (PVD).
Un procédé de fabrication d’une cellule solaire n-PERT comporte en général les étapes de fabrication suivantes :
- texturation de la face avant en forme de micro-textures, pour former une face avant micro-texturée,
- dopage p+ en face avant par diffusion sur la surface micro-texturée,
- passivation par une couche d’oxyde de silicium ou d'oxyde d’aluminium de la face avant de la cellule,
- dopage n+ en face arrière par diffusion de phosphore,
- passivation par une couche d’oxyde de silicium ou d'oxyde d’aluminium de la face arrière de la cellule,
- dépôt d'une couche antireflet de nitrure de silicium sur la face avant de la cellule,
- formation des contacts avec la couche n+ de la jonction sur la face arrière par gravure locale ou par pénétration de pâtes métalliques en température,
- métallisation de la face arrière de la cellule pour former les contacts métalliques en face arrière,
- formation des contacts avec la couche p+ de la jonction sur la face avant par gravure ou par pénétration de pâtes métalliques en température, et
- métallisation de la face avant pour former les contacts métalliques en face avant.
La face avant est texturée de manière à générer une surface microtexturée dont les textures possèdent des dimensions variant de 1 à une dizaine de microns. Après une étape de nettoyage, on diffuse un précurseur gazeux à base de trichlorure de bore et/ou tribromure de bore pour créer une couche mince d’émetteur p+ dopée en bore. L’étape de nettoyage peut être réalisée par un mélange piranha à 100°C comprenant successivement un rinçage à l’eau, un rinçage composé d’acide fluorhydrique à 2% et d’acide chlorhydrique à 5%, un rinçage à l’eau puis une étape finale de séchage.
La figure 2 montre différents exemples de l’évolution du profil du taux de concentration [B] d’une couche p+ dopée en bore en fonction de la profondeur E dans la couche p+ pour 3 valeurs standards de résistance de couche respectivement de 65, 80 et 120 ohms pour une cellule photovoltaïque de type nPERT avec une couche émetteur p+. Les différentes valeurs de résistances de couche correspondent à trois concentrations de dopage différentes. La courbe représentée par des carrés montre l'évolution du profil du taux de concentration [B] d’une couche p+ dopée en bore en fonction de la profondeur E de la couche p+ pour une valeur standard de résistance de couche de 65 ohms. La courbe représentée par des disques montre l’évolution du profil du taux de concentration [B] d’une couche p+ dopée en bore en fonction de la profondeur E de la couche p+ pour une valeur standard de résistance de couche de 80 ohms. La courbe représentée par des triangles montre l'évolution du profil du taux de concentration [B] d’une couche p+ dopée en bore en fonction de la profondeur E de la couche p+ pour une valeur standard de résistance de couche de 120 ohms. Pour les 3 valeurs de résistance, les courbes présentent un profil de concentration de bore faible en surface suivi par une zone quasi plate à l’échelle logarithmique où le dopage en bore atteint son maximum. La valeur maximale de la concentration de bore est éloignée de la surface entre 30 nm et 70 nm de profondeur sur la figure 2. Par exemple, la couche 3 dopée p+ formée par diffusion s’étend dans le substrat sur une profondeur E comprise entre 150 nm et 500 nm. La concentration totale en bore dans la couche 3 dopée p+ correspond à l’intégrale de la surface sous chaque courbe. Or, pour réduire la résistance de contact il est nécessaire d'obtenir en surface la plus forte concentration en dopant. Cependant, pour diminuer le taux de recombinaison des paires électron-trou, il est nécessaire de réduire la quantité totale de dopant. La gravure superficielle de la couche dopée p+ permet de décaler de manière contrôlée le maximum de concentration de bore en surface de la couche p+ sans augmenter la concentration totale en dopant dans la couche. De plus, comme une partie de la couche dopée p+ est retirée, le taux de dopage total en bore diminue dans cette couche dopée p+.
La figure 3A est une image en MEB de la surface initialement microtexturée 11 comprenant des micro-pyramides de dimensions comprises entre 1 pm et 5 pm. Le procédé de fabrication des micro-pyramides est ici obtenu par voie humide en utilisant un mélange composé d’hydroxyde de potassium à 1%, d’isopropanol à 3% et d’eau, le mélange étant chauffé à 83°C pendant 50 min. La figure 3B illustre une vue en coupe d'une nano-texturation 12 réalisée par une étape de gravure.
La figure 4 illustre la création d’une nano-texturation 12 d’une surface présentant des micro-pyramides 11 grâce au procédé de gravure de l’invention. On observe que des nano-pics recouvrent la surface des micro-pyramides.
Sur la figure 5, analogue de la figure 2, la courbe représentée par des carrés démarre à une concentration de bore en surface proche de 2.1019 at/cm3. La concentration de bore continue de croître jusqu’à atteindre une valeur plateau maximale (en concentration de bore) d’environ 1,5.1020 at/cm3. La valeur plateau maximale en concentration de bore détermine ainsi la profondeur de gravure D nécessaire pour atteindre une concentration de bore maximale de cette couche p+. La valeur de profondeur D est d'environ 80 nm pour la courbe représentée par des carrés (pour une valeur de résistance de couche initiale de 65 ohms). Passé ce maximum, la courbe de concentration de bore [B] décroît progressivement en fonction de la profondeur de la couche p+ jusqu’à atteindre une profondeur d’environ 340 nm à une concentration de bore d’environ 2 .1019 at/cm3. La couche dopée p+ obtenue après gravure présente une concentration de bore en surface d’environ 1,5.1020 at/cm3 et une épaisseur d’environ 260 nm. La courbe représentée par des disques démarre à une concentration de bore en surface proche de 2.1019 at/cm3. La concentration de bore continue de croître jusqu’à atteindre une valeur plateau maximale (en concentration de bore) d’environ 1020 at/cm3. La valeur plateau maximale en concentration de bore détermine ainsi la profondeur de gravure D nécessaire pour atteindre une concentration de bore maximale de cette couche p+. La valeur de profondeur D est d'environ 70 nm pour la courbe représentée par des disques (pour une valeur de résistance de couche initiale de 80 ohms). Passé ce maximum, la courbe de concentration de bore [B] décroit progressivement en fonction de ia profondeur de la couche p+ jusqu’à atteindre une profondeur d’environ 300 nm à une concentration de bore d’environ 2,5.1019 at/cm3. La couche dopée p+ obtenue après gravure présente une concentration de bore en surface d’environ 10.1020 at/cm3 et une épaisseur d’environ 230 nm. La courbe représentée par des triangles démarre à une concentration de bore en surface proche de 1019 at/cm3. La concentration de bore continue de croître jusqu'à atteindre une valeur plateau maximale (en concentration de bore) d'environ 7.1019 at/cm3. La valeur plateau maximale en concentration de bore détermine ainsi la profondeur de gravure D nécessaire pour atteindre une concentration de bore maximale de cette couche p+ (pour une valeur de résistance de couche initiale de 120 ohms). La valeur de profondeur D est d’environ 60 nm pour la courbe représentée par des triangles. Passé ce maximum, la courbe de concentration de bore [B] décroit progressivement en fonction de la profondeur de la couche p+ jusqu’à atteindre une profondeur d’environ 230 nm à une concentration de bore d'environ 10 .1019 at/cm3. La couche dopée p+ obtenue après gravure présente une concentration de bore en surface d’environ 7.1019 at/cm3 et une épaisseur d’environ 170 nm. Ainsi pour un procédé de dopage de courte durée correspondant à une résistance de couche de 120 ohms, l’étape de gravure jusqu’à une profondeur D d’environ 60 nm et de nano-texturation de la couche p+ permet d’obtenir une concentration de bore en 5 surface supérieure à celle d’un dopage correspondant à une résistance de couche de 65 ohms sans gravure, La gravure permet donc de réduire la durée du procédé de dopage par diffusion.
De plus, la nanotexturation de la face avant induite par la gravure permet de réduire le coefficient de réflexion de la face avant. Par exemple dans le cas 10 d’une gravure sèche, il est possible d’obtenir un gain de 5 à 20% du coefficient de réflexion effectif en face avant (à une longueur d’onde de 400 nm) pour une gravure de 100 nm de profondeur. Cependant, avec d’autres méthodes comme une gravure chimique assistée par des métaux nobles, (ou Métal Assisted Chemical Etching MACE), ou une texturation par laser (fs), la valeur du gain peut 15 être différente.
La figure 5 montre que la gravure décale le maximum du profil de concentration de bore vers la surface de la couche dopée p+ par diffusion. Ce décalage en concentration améliore à la fois la résistance de contact tout en diminuant le taux de recombinaison. Le taux de recombinaison diminue car la 20 couche 3 dopée p+ est plus fine et que la concentration totale en bore est réduite dans la couche 3. Ce résultat avantageux permet d'utiliser une couche dopée p+ ayant une résistance de couche initiale de 120 ohms, cette couche étant ensuite gravée et nano-texturée comme indiqué ci-dessus, à la place d’une couche ayant une résistance de couche de 80 ohms sans gravure et nanotexturation.
L’invention permet avantageusement de combiner la création d'une double texturation et le contrôle de la concentration de bore en surface de la couche p+. La nano-texturation permet de diminuer la réflexion de la lumière en particulier dans l’UV et le bleu et offre aussi une meilleure dépendance angulaire. La gravure offre la possibilité de diminuer la quantité totale de dopant sur toute 30 l’épaisseur de la surface dopée p+, qui permet en outre de réduire la durée du processus de diffusion du précurseur de bore. Selon la profondeur du maximum de la concentration de bore, la gravure retire jusqu’à 200 nm en surface de la couche dopée p+. L’invention a l'avantage de considérablement diminuer la résistance de contact de la couche p+.
L’invention est compatible avec des méthodes de métallisation peu pénétrantes dites de métallisation douce telles que le dépôt d’un alliage Ni/Cu ou un dépôt physique en phase vapeur (PVD) ou un dépôt d’aluminium. Lorsqu’une technique de métallisation peu pénétrante telle que le dépôt d’alliage Ni/Cu ou le PVD, est utilisée au lieu d’une technique de métallisation par pâtes et sérigraphie, le paramètre le plus important à contrôler est la résistance de contact entre le métal et l’émetteur de la couche dopée. En effet, pour extraire les porteurs photogénérés il est important de créer une résistance de contact faible entre le métal et l’émetteur de la couche dopée. Pour ce faire, il est nécessaire d’utiliser un métal en accord avec la position du niveau de Fermi de la couche dopée du substrat en silicium. Dans le cas d’un dopage en bore, l’aluminium est généralement le métal choisi le plus courant car il permet de créer une zone émetteur p+ après la formation d’un eutectique composé d’aluminium et de silicium (Si-AI). Cependant, le revêtement métallique composé de l’alliage Ni/Cu peut aussi être utilisé dans le cas d’un dopage en bore : en effet, il est courant de créer localement un émetteur sélectif fortement dopé pour améliorer la résistance de contact. L’invention permet donc d’améliorer l’adhésion des contacts métalliques notamment en utilisant un revêtement métallique composé d’un alliage Ni/Cu.
L’invention nécessite d’ajouter une étape supplémentaire de gravure et nano-texturation au procédé de fabrication standard. L’étape de gravure et nanotexturation est réalisée par exemple par gravure chimique assistée par des métaux généralement nobles (MACE) ou par procédé sec (plasma à ions réactifs (RIE)- ou laser (fs)).
Après l’étape de gravure et nano-texturation du substrat, le traitement de la cellule photovoltaïque jusqu’à l’étape de métallisation se poursuit de manière conventionnelle. Une étape de passivation de surface comprenant par exemple un dépôt par couche atomique (Atomic Layer Déposition ou ALD) peut être utilisée pour passiver la face avant doublement texturée.
L’invention concerne également les dispositifs photovoltaïques ou photodétecteurs à jonction électronique n-PERT destinés à être éclairés sur la face avant et la face arrière (en bifacial) avec une couche dopée p+ disposée en face arrière.
Claims (15)
- REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d’un dispositif photovoltaïque ou photodétecteur à jonction électronique n-PERT ou d’un panneau solaire à base de dispositifs photovoltaïques n-PERT, comprenant les étapes suivantes :a) texturation d’au moins une face d'un substrat (4) de silicium cristallin dopé n pour générer une surface micro-texturée, la surface micro-texturée comprenant des micro-textures ;b) suite à l’étape a), diffusion de bore dans le substrat de silicium cristallin à travers la surface micro-texturée pour générer une couche (3) de silicium dopée p, la couche (3) de silicium dopée p formant un émetteur de la jonction électronique, de manière à ce que ladite couche (3) de silicium dopée p présente un profil de concentration en bore croissant continûment jusqu’à atteindre une valeur plateau maximale en concentration en bore, puis décroissant progressivement en fonction de la profondeur de la couche de silicium dopée p; etc) suite à l’étape b), gravure de la surface micro-texturée pour enlever une épaisseur en surface de la couche (3) de silicium dopée p et pour générer une surface micro-texturée et nano-texturée en surface de la couche (3) de silicium dopée p formant l’émetteur de manière à ce que la couche (3) de silicium dopée p présente un profil de dopage en bore ayant un taux de dopage décroissant depuis la surface micro-texturée et nano-texturée.
- 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel l’étape b) de diffusion de bore comporte une étape de diffusion à partir d’un précurseur gazeux choisi parmi du trichlorure de bore et/ou du tribromure de bore.
- 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2 dans lequel, suite à l’étape b) de diffusion et avant l’étape c) de gravure, la couche (3) de silicium dopée p présente une concentration maximale en bore à une profondeur comprise entre 20 nm et 200 nm de la surface micro-texturée, et dans lequel l’étape c) de gravure est adaptée pour enlever une épaisseur correspondant à la profondeur de concentration maximale en bore.
- 4. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel l’étape c) est adaptée pour générer des nano-textures ayant une hauteur comprise entre 20 nm et 500 nm et une largeur comprise entre 20 nm et 250 nm.
- 5. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel l’étape c) de gravure comprend une gravure chimique en phase liquide, gravure chimique assistée par métal, gravure par plasma ou gravure par laser.
- 6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5 appliqué à un dispositif photovoltaïque ou photo-détecteur à jonction électronique n-PERT bifacial, dans lequel la couche (3) de silicium dopée p est disposée en face arrière du dispositif photovoltaïque ou photo-détecteur.
- 7. Dispositif photovoltaïque ou photo-détecteur à jonction électronique n-PERT comprenant :- un substrat (4) de silicium cristallin dopé n,- une couche (3) de silicium dopée p sur une face du dispositif, la couche (3) de silicium dopée p formant un émetteur de la jonction électronique, caractérisé en ce que :- la couche (3) de silicium dopée p a une surface micro-texturée et nano-texturée, et- la couche (3) de silicium dopée p présente un profil de dopage en bore ayant un taux de dopage décroissant depuis la surface microtexturée et nano-texturée.
- 8. Dispositif selon la revendication 7 dans lequel la couche (3) de silicium dopée p formant l’émetteur a une épaisseur comprise entre 20 nm et 500 nm à partir de la surface micro-texturée.
- 9. Dispositif selon l’une des revendications 7 ou 8 dans lequel la surface micro-texturée et nano-texturée comporte des textures nanométriques ayant une hauteur comprise entre 20 nm et 500 nm et une largeur comprise entre 20 nm et 250 nm.
- 10. Dispositif selon l’une des revendications 7 à 9 dans lequel la surface micro-texturée et nano-texturée comporte en outre des micro-pyramides de dimensions comprises entre 1 pm et 10 pm.
- 11. Dispositif selon l’une des revendications 7 à 10 dans lequel le profil de dopage en bore de la couche (3) de silicium dopée p décroît continûment d’au moins un ordre de grandeur sur une profondeur comprise entre 100 nm et 500 nm.
- 12. Dispositif selon l’une des revendications 7 à 11 dans lequel la couche (3) de silicium dopée p a une résistance de couche supérieure ou égale à 60 ohms.
- 13. Dispositif selon l’une des revendications 7 à 12 comportant en outre une couche de contact métallique sur au moins une portion de la surface microtexturée et nano-texturée de la couche (3) de silicium dopée p.
- 14. Dispositif selon l’une des revendications 7 à 13 dans lequel le dispositif photovoltaïque ou photo-détecteur à jonction électronique n-PERT est bifacial et dans lequel la couche (3) de silicium dopée p est disposée en face arrière du dispositif photovoltaïque ou photo-détecteur.
- 15. Panneau solaire comprenant une pluralité de dispositifs selon l’une des revendications 7 à 14 reliés électriquement entre eux.1/2
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Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN106098839A (zh) * | 2016-06-15 | 2016-11-09 | 浙江正泰太阳能科技有限公司 | 一种高效晶硅perc电池的制备方法 |
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2018
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| CN106098839A (zh) * | 2016-06-15 | 2016-11-09 | 浙江正泰太阳能科技有限公司 | 一种高效晶硅perc电池的制备方法 |
Non-Patent Citations (2)
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|---|
| J. BENICK ET AL.: "COMPREHENSIVE STUDIES OF PASSIVATION QUALITY ON BORON DIFFUSED SILICON SURFACES", THE COMPILED STATE-OF-THE-ART OF PV SOLAR TECHNOLOGY AND DEPLOYMENT : 22ND EUROPEAN PHOTOVOLTAIC SOLAR ENERGY CONFERENCE, EU PVSEC ; PROCEEDINGS OF THE INTERNATIONAL CONFERENCE, HELD IN MILAN, ITALY, 3 - 7 SEPTEMBER 2007, MUNICH : WIP-RENEWABLE ENERG, 3 September 2007 (2007-09-03), pages 1244 - 1247, XP040513200, ISBN: 978-3-936338-22-5 * |
| STEINHAUSER BERND ET AL: "Firing-stablePassDoppassivation for screen printedn-type PERL solar cells based on a-SiNx:P", SOLAR ENERGY MATERIALS AND SOLAR CELLS, vol. 126, 14 April 2014 (2014-04-14), pages 96 - 100, XP028851376, ISSN: 0927-0248, DOI: 10.1016/J.SOLMAT.2014.03.047 * |
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