WO2001039281A1 - Procede de fabrication d'une lamelle ou plaquette photovoltaique et cellule comportant une telle plaquette - Google Patents

Procede de fabrication d'une lamelle ou plaquette photovoltaique et cellule comportant une telle plaquette Download PDF

Info

Publication number
WO2001039281A1
WO2001039281A1 PCT/FR2000/003292 FR0003292W WO0139281A1 WO 2001039281 A1 WO2001039281 A1 WO 2001039281A1 FR 0003292 W FR0003292 W FR 0003292W WO 0139281 A1 WO0139281 A1 WO 0139281A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
operations
cell
heat treatment
substructure
wafer
Prior art date
Application number
PCT/FR2000/003292
Other languages
English (en)
Inventor
Jean Bajard
Zbigniew T. Kuznicki
Original Assignee
Delta Solar
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Delta Solar filed Critical Delta Solar
Priority to AU20151/01A priority Critical patent/AU2015101A/en
Publication of WO2001039281A1 publication Critical patent/WO2001039281A1/fr

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
    • H01L31/068—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN homojunction type, e.g. bulk silicon PN homojunction solar cells or thin film polycrystalline silicon PN homojunction solar cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
    • H01L31/072—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN heterojunction type
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/546—Polycrystalline silicon PV cells

Definitions

  • the present invention relates to the technical field of converting photonic energy into electrical energy, and in particular the production of high-efficiency photovoltaic cells, and relates to a method of manufacturing a photovoltaic device or cell, a wafer or strip obtained by this process and a photovoltaic or photocell cell comprising such a wafer or strip.
  • the presence of such a substructure aims to produce two effects, namely on the one hand a widening - mainly in the infrared - of the spectral band of the solar light which takes part in the conversion, and on the other hand part - in the visible and UV - an improvement of the efficiency of the conversion by the play of the phenomenon of secondary generation of current carriers under the effect of the impact of carriers hot photogenerated primers, that is to say having a kinetic energy greater than the equilibrium kinetic energy.
  • Such a primary carrier generated by a high energy photon is indeed capable of generating a secondary carrier near the substructure even if the kinetic energy which it uses for this purpose is relatively small compared to the height of the band gap ("gap”), which is an essential feature of the structure of cells obtained by the above process.
  • crystal defects or divacancies normally disappear during the subsequent cooling, except however if cooling is conducted appropriately being accompanied by the creation, also at the interfaces, an important field of internal stresses.
  • a solution to improve the efficiency in the aforementioned cells, compared to that accessible in conventional cells can consist in optimizing the secondary generation rather than the widening towards the infrared of the spectral band intervening in the conversion.
  • a first goal sought in the context of the present invention is to increase production and improve the preservation of secondary generation sites by impact under reduced energy, sites whose final density influences the predominantly overall cell performance.
  • the invention will therefore seek to create bilacuns in as large a number as possible and to "freeze” or “freeze” them - as well as the associated local mechanical stresses - in the material where they then play a vital role because they constitute generation centers in which the release energy of bonded electrons equivalent to valence electrons is considerably reduced, to the point that these electrons can be released to become secondary carriers under the simple impact of the hot primary electrons mentioned above.
  • Another solution envisaged by the invention to increase the yield of the aforementioned cells, which may or may not be combined with the preceding solution, may consist in improving the conditions for the electronic transport of free carriers.
  • this handicap is partially offset by better yields obtained in the wavelengths of the near infrared, whose photons penetrate deeper into the cell before being absorbed, and thus reach the rear interface of the substructure. , where secondary generation can occur without the substructure in this case producing its barrier effect since it is located upstream of the route of the minority carriers concerned. Unfortunately the photons involved are less energetic than those occurring closer to the front, and second generation of this side less magnitude than the side of the front panel, so that the potential contribution of this deep secondary generation smaller than the front.
  • a second aim sought in the context of the present invention is therefore to propose a means of re-establishing good electronic transport properties, even for the minority carriers generated at the front of the cell.
  • the object of the present invention is in particular to propose a method of manufacturing strips, plates or the like for the production of photovoltaic cells or devices allowing to achieve the first goal and incidentally the second goal sought, as set out above.
  • the method of manufacturing a high-yield photovoltaic device or cell based on monocrystalline or polycrystalline silicon is characterized in that it consists in applying to a silicon wafer or wafer of adequate quality successively the two following sequences of operations a) and b) carried out in a determined order of succession:
  • a set of two specific additional operations comprising an amorphous ion implantation on the front face, followed by at least one so-called main heat treatment cycle, this cycle being carried out while preserving good homogeneity of the thermal conditions over the entire surface of said lamella or wafer and itself comprising two distinct phases, namely, on the one hand, a phase of heating the lamella or wafer to a temperature, between 450 ° C and 600 ° C, sufficient to achieve partial recrystallization of the zone amorphized at the front by the implantation and thus form a substantially flat buried substructure made up of uniformly amorphous silicon, and, on the other hand, a quenching or equivalent brutal cooling phase having the effect of freezing , at the interfaces of the substructure, useful crystal configurations causing a strong secondary generation of pairs of current carriers.
  • FIG. 1 is a partial sectional view of a front region of a lamella, wafer or photovoltaic device according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a partial sectional view of a front region of a lamella , wafer or photovoltaic device according to a second embodiment of the invention.
  • the manufacturing process essentially consists in applying to a silicon wafer or wafer 1 of adequate quality successively the following two sequences of operations a) and b) carried out a given order of succession:
  • a set of two specific additional operations comprising an amorphous ion implantation on the front face, followed by at least one so-called main heat treatment cycle, this cycle being carried out while preserving good homogeneity of the thermal conditions over the entire surface of said strip or wafer 1 and itself comprising two distinct phases, namely, on the one hand, a phase of heating the strip or wafer 1 to a temperature, between 450 ° C and 600 ° C, sufficient to achieve a partial recrystallization of the amorphized zone at the front by the implantation and thus form a substantially flat buried sub-structure 5 made of uniformly amorphized silicon, and, on the other hand, an equivalent quenching or brutal cooling phase having for effect of freezing, at the interfaces 6, 6 ′ of the substructure 5, useful crystal configurations causing a strong secondary generation e of pairs of current carriers.
  • the various known operations for obtaining a very heavily doped photovoltaic device or cell at the front consist of intensive doping of the front face of the crystalline silicon strip or wafer 1 on the front face to a suitable depth, then in a conventional manner: creation of a rear field, creation of an emitter layer 2 and of a collector junction of shallow depth relative to the front face, in particular by activating the doping atoms introduced, metallization of the front and rear faces for the formation of the metallic contact layers 3, formation of a passivation layer 4. and formation of an antireflection coating 4 ′ on the face end.
  • the various known operations for obtaining a device or a very heavily doped photovoltaic cell at the front consist of successive deposits, on said silicon wafer or wafer itself remaining unchanged in its mass, of amorphous thin thin layers suitably doped, deposits resulting in the creation of functionalities equivalent to a rear field, a collector junction, an emitter layer, a passivation and an anti-reflection effect, these functionalities being capable of being conventionally supplemented by the appropriate metallizations of the front and rear faces to obtain a device or a functional cell.
  • Cells obtained by this second embodiment are notably known under the designation HIT cells (registered name) by the company Sanyo Electric Co.
  • the method consists in first carrying out the sequence of operations a), then the sequence of operations b).
  • the two sequences of operations a) and b) are at least partially nested together, the ion implantation being carried out during sequence a), the main heat treatment however being carried out at the end of sequence b), that is ie at the end of the process.
  • the method consists in first carrying out the sequence of operations b), then the sequence of operations a).
  • the activation phase of the doping atoms introduced into the crystalline material is carried out at least partially during the main heat treatment.
  • the so-called "main” heat treatment can consist of carrying out several consecutive cycles of heat treatment with heating at one or more temperature (s) of about 500 ° C. or slightly higher than 500 ° C. the photovoltaic performances of the strip or plate being possibly checked after each cycle and the parameters of the cycle following adapted accordingly (optimization of operating conditions in the event of variability in the composition and quality of the material).
  • one of the means used, and described in document WO-A-96/02948, can consist of an ion implantation of atoms of a doping element - implanted at an amorphizing dose on a suitable thickness - followed by recrystallization annealing producing a whole series of effects: recrystallization of the silicon on the front face from a residual crystalline surface primer - forming the hetero-interface delimiting the substructure on the side of the front - back recrystallisation of silicon - forming the hetero-interface bounding the sub-structure at the back - at least partial activation of the dopants in substitutional position, etc.
  • Such recrystallization by solid phase epitaxy reveals transient crystal configurations containing a greater or lesser number of crystal defects, some of which are useful, in particular bilacunas. Their quantity is maximum at the hetero-interface c-Si / a-Si, where a strong local mechanical stress is also transiently present. During recrystallization at a temperature slightly above 500 ° C. the useful defects follow the displacement of the hetero-interfaces c-Si / a-Si, disappearing in the event of weakening of the local mechanical stress.
  • the present invention aims, by the provisions set out above, to adapt the method as described in WO-A-96/02948 so as to keep the useful faults to a minimum and to tighten the performance dispersion.
  • conventional passivation operations - intended to attenuate surface recombination -, anti-reflection or anti-reflection treatment of the front faces of the lamellae or platelets of the cells, as well as metallization of their contacts all include annealing which, even carried out at temperatures as low as possible, constitute as many occasions of degradation of the density of useful defects, at least if they are carried out after the main heat treatment.
  • these operations can be carried out without inconvenience after the activation annealing of the dopants forming the junction, an operation which takes place in these main heat treatment processes.
  • anti-reflection treatment their execution at the end of the process is preferable because it is then simplified.
  • the main heat treatment is postponed at the end of the process, in order to preserve as much as possible the chances of conservation of useful faults, postponement which in turn implies various constraints with regard to the technological choices and operating modes of some of the operations then moved upstream of said main heat treatment (to namely passivation, metallization and anti-reflection treatment).
  • the mode of formation of the passivation layer 4 intended to minimize surface recombination is chosen so as to minimize or eliminate the quantity of oxygen introduced, in particular by diffusion, into the mass of the lamella or wafer 1 during the formation of said layer.
  • recrystallization caused by the heating phase of the main heat treatment is carried out by forming, in known manner and due to the relatively low temperature of this heating, certain residual post-implantation crystal defects distributed over the within the recrystallized volume, called extended defects to distinguish them from other post-implantation defects located at the interfaces delimiting the recrystallized volume itself.
  • the passivation layer is formed by a layer of so-called thermal silicon oxide because it is formed at relatively high temperature (ranging according to the processes from 750 to 1050 ° C.). preferably to choose the conditions for the formation of said layer which limit as much as possible the diffusion of oxygen in the crystal during the operation (as in particular the lowest possible temperature, and the lowest possible layer thickness, which corresponds to the shortest operating time). Given the very good efficiency of thermal oxide for limiting surface recombination, and such precautions taken to limit volume recombination, it is thus possible to limit optimally the overall recombination activity at the front of the lamella or plate, having reduced both its volume and area components.
  • passivation mode Passivation by deposited oxide layer is clearly less effective than a thermal oxide layer with regard to surface recombination, but does not create additional volume recombination, and can therefore in total also be envisaged.
  • a passivation with silicon nitride which is to be considered under the same efficiency criteria, with the advantageous characteristic that nitrogen is not dangerous for volume recombination.
  • the thickness of the antireflection coating 4 ′ is determined so that the properties of said coating are optimized at the end of the cycle (s) of the main heat treatment.
  • the method according to the present invention also consists in preventing or at least very strongly limiting the diffusion of the metallic contact layers 2 and in protecting said layers and the metal-semiconductor interface against oxidation during the or the cycles (s) of the main heat treatment.
  • the thickness of the anti-reflection or anti-reflection layer must be chosen taking into account the variations in refractive index and thickness of this layer which will result from annealing which may be done during the treatment. main thermal.
  • anti-reflection and metallization treatment should be adapted so that the postponement at the end of the process of the main heat treatment itself carried out at at least 500 ° C., ie at a temperature higher than that of the anneals specific to said operations, does not introduce any side effect negative on the functioning of cells.
  • the quenching conditions have a great influence on the density of frozen bilacuns at the end of the heat treatment, and therefore it is desirable to be able to control these conditions as finely as possible, and in particular to be able to ensuring good homogeneity of the quenching conditions over the entire surface of the cells, which is quite difficult given the thin thickness of the substrates and their low thermal inertia.
  • a sudden introduction of cold protective inert gas ("forming gas”) into a conventional annealing furnace achieves a non-homogeneous quenching which makes the depth of burial uneven in particular over the whole of the wafer treated, the homogeneity and the flatness of the substructure, without speaking about the consequences on the freezing of bilacunes.
  • forming gas cold protective inert gas
  • the process which is the subject of the present can advantageously consist in adjusting the operating conditions of the amorphous implantation. as well as the parameters of the heat treatment cycle (s) in order to obtain a substructure 5 comprising at least a first zone 7 having a given thickness suitable for the generation and recovery of primary and secondary carriers and at least a second zone 7 'having a thickness thinner than said at least one first zone 7 , or even zero thickness, said at least one second zone 7 'constituting, because of its lesser thickness and consequently of its lesser opposition to the rearward transport of minority carriers of the front part of the layer forming emitter 2, a privileged passage through the substructure 5 for the flow of said carriers (see Figure 2 of the accompanying drawings).
  • a substructure of thickness is no longer uniform but on the contrary having two zones of different thicknesses: a first zone where the thickness is said to be "normal”, covering the major part of the surface of the wafer or lamella, this first zone being dedicated mainly to the carrier generation activity, and a second zone of thickness called “reduced” covering the rest of the cell, where opposition to electronic transport is greatly reduced - if not practically canceled in the particular case where the reduced thickness would in fact be reduced to zero - dedicated mainly to the backward flow of minority carriers from the front tank .
  • the substructure 5 obtained can have several zones 7 'of privileged passage, if necessary mutually adjoining and interconnected, distributed in said substructure 5.
  • the zones 7 'of privileged passage are distributed and extend, at least for the most part and preferably entirely, under the metal strips of the grid forming the layer. contact 2 openwork front for the extraction of carriers, constituting a substantially similar pattern at least in part (see Figure 2 of the accompanying drawings).
  • the present invention also relates to a wafer or lamella 1 with photovoltaic properties for photovoltaic cell, solar cell or similar high-efficiency photovoltaic device, characterized in that it is obtained by means of the method described above and comprises a substructure 5 delimited by interfaces 6 and 6 ′ comprising a high density of secondary generation centers under impact, said substructure 5 possibly having a non-uniform thickness, or even a discontinuous constitution.
  • the present invention also relates to a photovoltaic or photocell cell with high efficiency, characterized in that it comprises as active element at least one plate or lamella 1 as described above.
  • the layout of the manufacturing process consisting on the one hand of postponing the main heat treatment at the end of the process and on the other hand adapting accordingly the other operations of the process replaced prior to this treatment, finally presents a another interesting feature in terms of the cost price of the resulting cells, in addition to the advantage already mentioned of being able to improve and better control the final level of performance.
  • This second advantage appears by taking stock of the energy consumption necessary for the manufacture of the cells, a balance which becomes more favorable in the fitted process object of the present invention, compared not only to the process described in WO-A-96/0248, but still compared to some of the conventional cell manufacturing processes.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'un dispositif ou d'une cellule photovoltaïque à haut rendement, caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer à une lamelle ou plaquette de silicium (1) de qualité adéquate successivement les deux séquences d'opérations a) et b) suivantes : a) l'ensemble des diverses opérations permettant d'obtenir un dispositif ou une cellule photovoltaïque classique très fortement dopé(e) à l'avant, et, b) un ensemble de deux opérations supplémentaires spécifiques comprenant une implantation ionique amorphisante sur la face avant, suivie d'au moins un cycle de traitement thermique dit principal, ce cycle comprenant lui-même deux phases distinctes, à savoir, d'une part, une phase de chauffage de la lamelle ou plaquette (1) à une température comprise entre 450°C et 600°C, et, d'autre part, une phase de trempe ou de refroidissement brutal équivalent.

Description

Procédé de fabrication d'une lamelle ou plaquette photovoltaïque et cellule comportant une telle plaquette
La présente invention concerne le domaine technique de la conversion de l'énergie photonique en énergie électrique, et notamment la réalisation de cellules photovoltaïques à haut rendement, et a pour objet un procédé de fabrication d'un dispositif ou d'une cellule photovoltaïque, une plaquette ou lamelle obtenue par ce procédé et une cellule photovoltaïque ou photopile comprenant une telle plaquette ou lamelle.
Les cellules photovoltaïques ou photopiles de bonne qualité commercialisées actuellement présentent au mieux un rendement d'environ 13 % à 15 % (rendement = puissance maximale crête / flux photonique incident).
Par les documents WO-A-96/02948 (correspondant à US-A-5935345) et "12th European photovoltaic solar Energy conférence" ; Z.T. Kuznicki et al.; 1 1 avril 1994 ; Amsterdam ; pages 552 à 555, 793 à 796, 1056 à 1059 et 2058 à 2063, on connaît un matériau à propriétés photovoltaïques améliorées.
Par le document WO-A-96/02948, on connaît, en outre, un procédé de fabrication d'un tel matériau photovoltaïque par lequel il peut être envisagé d'aboutir à des photopiles absorbant le visible et l'infrarouge et présentant un rendement amélioré. Le procédé de fabrication tel que divulgué dans ce document, auquel la présente demande se réfère expressément, consiste essentiellement à greffer, sur une structure classique de cellule au silicium cristallin à simple jonction, une sous-structure enterrée près de la face avant de la cellule, et formée d'une couche de silicium amorphisé accompagnée de divers interfaces actives.
La présence d'une telle sous-structure a pour objectif de produire deux effets, a savoir d'une part un élargissement - principalement dans l'infrarouge - de la bande spectrale de la lumière solaire qui participe à la conversion, et d'autre part - dans le visible et l'UV - une amélioration de l'efficacité de la conversion par le jeu du phénomène de génération secondaire de porteurs de courant sous l'effet de l'impact de porteurs primaires photogénérés chauds, c'est à dire possédant une énergie cinétique supérieure à l'énergie cinétique d'équilibre. Un tel porteur primaire généré par un photon de forte énergie (dans l'UV ou le visible adjacent) est en effet capable de générer aux abords de la sous -structure un porteur secondaire même si l'énergie cinétique qu'il utilise à cet effet est relativement faible comparée à la hauteur de la bande interdite ("gap"), ce qui est une particularité essentielle de la structure des cellules obtenues par le procédé précité.
Cette particularité résulte elle-même de la présence à la périphérie de la sous-structure, au niveau des deux hétéro-interfaces - avant et arrière - séparant la couche de silicium amorphe des deux couches de silicium cristallin qui l'encadrent, de défauts cristallins qui sont utiles dans ce contexte, appelés bilacunes, défauts qui se forment pendant la phase de recristallisation provoquée au cours d'un traitement thermique du type recuit qui constitue l'étape clé du processus de fabrication des cellules précitées.
Les défauts cristallins ou bilacunes disparaissent normalement pendant le refroidissement ultérieur, sauf toutefois si ce refroidissement est conduit de manière appropriée s 'accompagnant de la création, également au niveau des interfaces, d'un champ de contraintes mécaniques internes importantes.
Les propriétés des cellules décrites dans le document WO-A-96/02948 leur confèrent évidemment un réel intérêt, qui toutefois ne peut se traduire en compétitivité économique qu'à la condition que leur prix de revient, a priori supérieur à celui des cellules classiques du fait de la présence de la sous-structure, soit accompagné d'une augmentation suffisante de leurs performances pour équilibrer leur surcoût de fabrication. Il faut aussi que la dispersion des performances obtenues en production courante soit convenablement limitée. Or, la mise en œuvre pratique du procédé de fabrication de cellules, tel que décrit dans le document précité, permet de constater deux types de difficultés, qui nuisent à la compétitivité des cellules ainsi fabriquées : d'une part, l'amélioration du rendement n'est pas tout à fait aussi importante que prévue théoriquement et. d'autre part, la dispersion des rendements d'un lot à l'autre en production de laboratoire (et il en serait de même dans une production industrielle) est excessive.
Compte tenu de la répartition spectrale de l'énergie dans le rayonnement solaire, une solution pour améliorer le rendement dans les cellules précitées, par rapport à celui accessible dans les cellules classiques peut consister à optimiser la génération secondaire plutôt que l'élargissement vers l'infrarouge de la bande spectrale intervenant dans la conversion.
Ainsi, un premier but recherché dans le cadre de la présente invention se situe au niveau de l'augmentation de la production et de l'amélioration de la préservation des sites de génération secondaire par impact sous énergie réduite, sites dont la densité finale influence les performances globales de la cellule de manière prépondérante.
L'invention cherchera par conséquent à créer des bilacunes en aussi grand nombre que possible et de les "geler" ou de les "figer" - ainsi que les contraintes mécaniques locales associées - dans le matériau où elles jouent alors un rôle primordial car elles constituent des centres de génération dans lesquels l'énergie de libération des électrons liés équivalents aux électrons de valence est considérablement réduite, au point que ces électrons peuvent être libérés pour devenir des porteurs secondaires sous le simple impact des électrons primaires chauds évoqués ci-dessus.
Une autre solution envisagée par l'invention pour augmenter le rendement des cellules précitées, pouvant être cumulée ou non avec la solution précédente, peut consister en l'amélioration des conditions du transport électronique des porteurs libres.
En effet, dans toute cellule photovoltaïque. il est judicieux, pour optimiser son rendement, de tendre simultanément à maximiser la génération des porteurs, à limiter leur recombinaison et à faciliter le transport électronique dans la structure, de manière à ce que le maximum de porteurs puisse rapidement échapper au risque de recombinaison.
Dans les cellules à sous-structure enterrée du type précité, on cherchera donc à mettre en œuvre l'ensemble des moyens classiques permettant d'optimiser le transport électronique (choix du profil de dopage avant, passivation avant et arrière, champ de surface arrière, etc..) mais en l'occurrence avec une difficulté supplémentaire résultant de la présence même de la sous-structure. Celle-ci constitue en effet un obstacle à la circulation de certains porteurs, et plus particulièrement des porteurs minoritaires générés du côté de la face avant de la cellule par rapport à la sous- structure. Ces porteurs se concentrent par conséquent dans une sorte de zone réservoir en face avant, où ils ont l'avantage - comme il est indiqué dans le document WO-A-96/02948 - de rehausser la tension de circuit ouvert desdites cellules, mais présentent aussi le sérieux inconvénient de provoquer, du fait de leur concentration résultant de leur confinement entre la sous-structure et la face avant, une aggravation de la recombinaison des porteurs photogénérés près de la face avant. Cet inconvénient est d'autant plus grave que les photons les plus énergétiques, à savoir ceux qui sont susceptibles de générer des porteurs primaires chauds aptes à la génération secondaire, sont absorbés précisément très près de la face avant, là où ces porteurs se trouvent par conséquent le plus exposés à la recombinaison. Il peut en résulter des caractéristiques inférieures à celles des cellules classiques dans les tranches spectrales de faible longueur d'onde.
Par contre, ce handicap est partiellement compensé par de meilleurs rendements obtenus dans les longueurs d'onde du proche infrarouge, dont les photons pénètrent plus profondément dans la cellule avant d'être absorbés, et atteignent ainsi l'interface arrière de la sous- structure, où la génération secondaire peut se produire sans que la sous- structure produise dans ce cas son effet de barrière puisqu'elle se trouve en amont du parcours des porteurs minoritaires concernés. Malheureusement les photons impliqués sont moins énergétiques que ceux intervenant plus près de la face avant, et la génération secondaire a de ce côté moins d'ampleur que du côté de la face avant, de sorte que l'apport possible de cette génération secondaire profonde est moins important qu'à l'avant.
Pour tenter de pallier cet inconvénient, il a été proposé dans le document WO-A-96/02948 de trouver une valeur de compromis pour l'épaisseur uniforme de la sous-structure continue, afin de conserver autant que possible les propriétés de celle-ci en matière de génération de porteurs tout en réduisant son influence néfaste sur le transport électronique.
Néanmoins, un tel compromis est difficile à trouver et délicat à réaliser dans la pratique, et constitue une cause de dispersion du rendement desdites cellules en production.
Un second but recherché dans le cadre de la présente invention est donc de proposer un moyen de rétablir de bonnes propriétés de transport électronique, même pour les porteurs minoritaires générés à l'avant de la cellule. Ainsi, la présente invention a notamment pour objet de proposer un procédé de fabrication de lamelles, plaquettes ou analogues pour la réalisation de cellules ou dispositifs photovoltaïques permettant d'atteindre le premier but et accessoirement le second but recherché, tels qu'exposés ci-dessus.
A cet effet, le procédé de fabrication d'un dispositif ou d'une cellule photovoltaïque à haut rendement à base de silicium monocristallin ou polycristallin, est caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer à une lamelle ou plaquette de silicium de qualité adéquate successivement les deux séquences d'opérations a) et b) suivantes réalisées dans un ordre de succession déterminé :
- a) un ensemble de diverses opérations connues permettant d'obtenir un dispositif ou une cellule photovoltaïque classique très fortement dopé(e) à l'avant, et,
- b) un ensemble de deux opérations supplémentaires spécifiques comprenant une implantation ionique amorphisante sur la face avant, suivie d'au moins un cycle de traitement thermique dit principal, ce cycle étant réalisé en préservant une bonne homogénéité des conditions thermiques sur toute la surface de ladite lamelle ou plaquette et comprenant lui-même deux phases distinctes, à savoir, d'une part, une phase de chauffage de la lamelle ou plaquette à une température, comprise entre 450° C et 600° C, suffisante pour réaliser une recristallisation partielle de la zone amorphisée à l'avant par l'implantation et former ainsi une sous-structure enterrée sensiblement plane et constituée de silicium uniformément amorphisé, et, d'autre part, une phase de trempe ou de refroidissement brutal équivalent ayant pour effet de figer, au niveau des interfaces de la sous-structure, des configurations cristallines utiles provoquant une forte génération secondaire de paires de porteurs de courant.
L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ci- après, qui se rapporte à des modes de réalisation préférés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et expliqués avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels : la figure 1 est une vue partielle en coupe d'une zone frontale d'une lamelle, plaquette ou dispositif photovoltaïque selon un premier mode de réalisation de l'invention, et, la figure 2 est une vue partielle en coupe d'une zone frontale d'une lamelle, plaquette ou dispositif photovoltaïque selon un second mode de réalisation de l'invention.
Conformément à l'invention, le procédé de fabrication consiste essentiellement à appliquer à une lamelle ou plaquette de silicium 1 de qualité adéquate successivement les deux séquences d'opérations a) et b) suivantes réalisées un ordre de succession donné :
- a) l'ensemble des diverses opérations connues permettant d'obtenir un dispositif ou une cellule photovoltaïque classique très fortement dopé(e) à l'avant, et,
- b) un ensemble de deux opérations supplémentaires spécifiques comprenant une implantation ionique amorphisante sur la face avant, suivie d'au moins un cycle de traitement thermique dit principal, ce cycle étant réalisé en préservant une bonne homogénéité des conditions thermiques sur toute la surface de ladite lamelle ou plaquette 1 et comprenant lui-même deux phases distinctes, à savoir, d'une part, une phase de chauffage de la lamelle ou plaquette 1 à une température, comprise entre 450° C et 600° C, suffisante pour réaliser une recristallisation partielle de la zone amorphisée à l'avant par l'implantation et former ainsi une sous- structure 5 enterrée sensiblement plane et constituée de silicium uniformément amorphisé, et, d'autre part, une phase de trempe ou de refroidissement brutal équivalent ayant pour effet de figer, au niveau des interfaces 6, 6' de la sous-structure 5, des configurations cristallines utiles provoquant une forte génération secondaire de paires de porteurs de courant.
Conformément à un premier mode de réalisation de l'invention, les diverses opérations connues pour l'obtention d'un dispositif ou d'une cellule photovoltaïque très fortement dopé(e) à l'avant consistent en un dopage intensif de la face avant de la lamelle ou plaquette de silicium cristallin 1 en face avant sur une profondeur convenable, puis de manière classique : création d'un champ arrière, création d'une couche d'émetteur 2 et d'une jonction collectrice de faible profondeur par rapport à la face avant, en particulier par l'activation des atomes dopants introduits, métallisation des faces avant et arrière pour la formation des couches métalliques de contact 3, formation d'une couche de passivation 4. et formation d'un revêtement antiréflexion 4' en face frontale.
Les différentes opérations indiquées ci-dessus pour aboutir à la plaquette ou lamelle précitée pourront, par exemple, être similaires à celles décrites dans le document WO-A-96/02948 exposant diverses variantes permettant de réaliser une jonction par dopage du matériau cristallin.
Conformément à un second mode de réalisation de l'invention, les diverses opérations connues pour l'obtention d'un dispositif ou d'une cellule photovoltaïque très fortement dopé(e) à l'avant consistent en des dépôts successifs, sur ladite lamelle ou plaquette de silicium demeurant elle-même inchangée dans sa masse, de couches minces superficielles amorphes convenablement dopées, dépôts aboutissant à créer des fonctionnalités équivalentes à un champ arrière, à une jonction collectrice, à une couche d'émetteur, à une passivation et à un effet anti-reflet, ces fonctionnalités étant susceptibles d'être complétées classiquement par les métallisations appropriées des faces avant et arrière pour obtenir un dispositif ou une cellule fonctionnel(le). Des cellules obtenues par ce second mode de réalisation sont notamment connues sous la désignation cellules HIT (nom déposé) par la société Sanyo Electric Co.
En cas de mise en œuvre du premier mode de réalisation mentionné ci-dessus, le procédé consiste à réaliser d'abord la séquence d'opérations a), puis la séquence d'opérations b). Eventuellement, les deux séquences d'opérations a) et b) sont au moins partiellement imbriquées entre elles, l'implantation ionique étant effectuée durant la séquence a), le traitement thermique principal étant toutefois réalisé en fin de séquence b), c'est-à-dire en fin de procédé. En cas de mise en œuvre du second mode de réalisation précité, le procédé consiste à réaliser d'abord la séquence d'opérations b), puis la séquence d'opérations a).
Selon une caractéristique de l'invention permettant d'optimiser le bilan énergétique nécessaire à la fabrication du dispositif photovoltaïque, il peut être prévu que les opérations de recuit des contacts métal-semiconducteur 3, faisant partie des opérations de métallisation des faces avant et arrière, sont réalisées au cours du traitement thermique principal.
Dans le même souci, il peut être prévu, en relation avec le premier mode de réalisation précité, que la phase d'activation des atomes dopants introduits dans le matériau cristallin soit réalisée au moins partiellement pendant le traitement thermique principal.
Conformément à une variante de réalisation avantageuse de l'invention, le traitement thermique dit "principal" peut consister à réaliser plusieurs cycles consécutifs de traitement thermique avec des chauffages à une ou des température(s) d'environ 500° C ou légèrement supérieure à 500° C. les performances photovoltaïques de la lamelle ou plaquette étant éventuellement vérifiées après chaque cycle et les paramètres du cycle suivant adaptés en conséquence (optimisation des conditions opératoires en cas de variabilité de la constitution et de la qualité du matériau).
Pour comprendre les avantages procurés par les caractéristiques de l'invention telles qu'exposées ci-dessus, il convient tout d'abord de noter que la présence physique d'une sous-structure enterrée amorphe ne s'accompagne pas automatiquement de celle des bilacunes et contraintes formant les centres de génération secondaire. Un processus de fabrication inadapté peut effectivement produire une sous-structure complètement dépourvue, dans ses zones de transition abrupte vers les régions cristallines, de configurations cristallines utiles à la génération, ce d'ailleurs sans que l'observation morphologique d'une telle sous-structure révèle des différences observables par comparaison avec une autre sous-structure qui. elle, en serait pourvue. L'explication en est fournie par un examen plus approfondi du processus de création des bilacunes et des contraintes locales utiles.
Pour créer une couche amorphe dans un substrat de silicium cristallin, un des moyens utilisés, et décrit dans le document WO-A-96/02948 peut consister en une implantation ionique d'atomes d'un élément dopant - implanté à dose amorphisante sur une épaisseur convenable - suivie d'un recuit de recristallisation produisant toute une série d'effets : recristallisation du silicium en face avant à partir d'une amorce cristalline résiduelle de surface - formant l' hétéro-interface délimitant la sous-structure du côté de la face avant -, recristallisation arrière du silicium - formant l' hétéro-interface délimitant la sous-structure à l'arrière -, activation au moins partielle des dopants en position substitutionnelle, etc.
Une telle recristallisation par épitaxie en phase solide fait apparaître des configurations cristallines transitoires contenant un plus ou moins grand nombre de défauts cristallins dont certains sont utiles, notamment les bilacunes. Leur quantité est maximale à l'hétéro-interface c-Si/a-Si, où une forte contrainte mécanique locale est également transitoirement présente. Au cours d'une recristallisation à une température légèrement supérieure à 500 ° C les défauts utiles suivent le déplacement des hétéro-interfaces c-Si/a-Si, en disparaissant en cas d'affaiblissement de la contrainte mécanique locale.
Cet effet de disparition des défauts ponctuels est d'autant plus marqué qu'est lente la vitesse de refroidissement qui suit la recristallisation. En effet, au cours d'un refroidissement relativement lent après un recuit de recristallisation, les défauts utiles que constituent les bilacunes se corrigent et disparaissent, alors que l'amorphisation reste en place entre les deux hétéro-interfaces, du moins si celles-ci ne se sont pas rejointes du fait de leurs mouvements de rapprochement au cours de l'opération de recuit. Dans ce cas, la cellule ne présentera pas de génération secondaire significative.
Par contre, si le refroidissement est suffisamment rapide après le recuit de recristallisation, il est possible de "geler" les défauts utiles existants et ainsi de maintenir, du moins en fin de traitement thermique dit "principal", la présence de centres de génération secondaire dans la cellule. Mais - ce point étant essentiel - tout chauffage ultérieur de celle-ci, atteignant ou dépassant une température de l'ordre de 300 à 400 °C, comportera un risque de destruction ou de déstabilisation des défauts précédemment gelés et par là de détérioration des performances résultant de la génération secondaire ou, au mieux, de dispersion plus ou moins grande de celles-ci.
La présente invention vise par les dispositions énoncées précédemment à aménager le procédé tel que décrit dans le WO-A-96/02948 de manière à conserver au maximum les défauts utiles et à resserrer la dispersion des performances.
En effet, les opérations classiques de passivation - destinées à atténuer la recombinaison de surface -, de traitement anti- reflet ou antiréflexion des faces avant des lamelles ou plaquettes des cellules, ainsi que de métallisation de leurs contacts, comportent toutes des recuits qui, même effectués à des température aussi basses que possible, constituent autant d'occasions de dégradation de la densité de défauts utiles, du moins si elles sont réalisées postérieurement au traitement thermique principal. Dans les processus de fabrication des cellules classiques, ces opérations peuvent sans inconvénient être réalisées après le recuit d'activation des dopants formateur de la jonction, opération qui tient lieu dans ces processus de traitement thermique principal. Pour certaines d'entre elles comme par exemple le traitement anti-reflet, leur exécution en fin de processus est préférable car elle s'en trouve alors simplifiée.
Par contre, selon une caractéristique essentielle de la présente invention indiquée précédemment, le traitement thermique principal est reporté en fin de processus, afin de préserver au maximum les chances de conservation des défauts utiles, report qui implique en retour diverses contraintes en ce qui concerne les choix technologiques et modes opératoires de certaines des opérations alors déplacées en amont dudit traitement thermique principal (à savoir notamment la passivation. les métallisations et le traitement anti-reflet).
Ainsi, le mode de formation de la couche de passivation 4 destinée à réduire au maximum la recombinaison de surface est choisi de manière à minimiser ou à éliminer la quantité d'oxygène introduite, notamment par diffusion, dans la masse de la lamelle ou plaquette 1 pendant la formation de ladite couche.
Cette disposition sera mieux comprise en rappelant que la recristallisation provoquée par la phase de chauffage du traitement thermique principal s'effectue en formant, de façon connue et en raison de la température relativement basse de ce chauffage, certains défauts cristallins post-implantatoires résiduels répartis au sein du volume recristallisé, appelés défauts étendus pour les distinguer des autres défauts post-implantatoires situés aux interfaces délimitant le volume recristallisé lui-même. Or, de façon également connue, la présence simultanée, dans le volume recristallisé, de tels défauts cristallins étendus d'une part, et d'une concentration d'oxygène significative d'autre part, provoque la fixation locale de l'oxygène sous diverses formes (complexes oxygénés) dont certaines peuvent constituer des centres de recombinaison très actifs, donnant naissance à une recombinaison dite "volumique" pour la distinguer de la recombinaison "de surface ou surfacique" que la passivation a pour objet de limiter. Cette recombinaison volumique est normalement absente des cellules classiques, qui sont réalisées selon des procédés ne comportant pas d'implantation (ou qui, si leur dopage était fait par implantation, pourraient être recuites à des températures suffisamment élevées pour éliminer tout défaut post-implantatoire, en éliminant du même coup toute sous-structure dotée d'interfaces actives).
De façon avantageuse, il convient par conséquent, au cas où la couche de passivation est formée par une couche d'oxyde de silicium dit thermique parce que formé à température relativement élevée (allant selon les procédés de 750 à 1050°C). de choisir de préférence les conditions de formation de ladite couche qui limitent au maximum la diffusion de l'oxygène dans le cristal pendant l'opération (comme en particulier la température la plus basse possible, et l'épaisseur de couche la plus faible possible, à laquelle correspond la durée d'opération la plus faible). Compte tenu de la très bonne efficacité de l'oxyde thermique pour la limitation de la recombinaison surfacique, et de telles précautions prises pour limiter la recombinaison volumique, on peut ainsi limiter de façon optimisée l'activité globale de recombinaison à l'avant de la lamelle ou plaquette, ayant réduit à la fois ses deux composantes volumique et surfacique.
Bien entendu, d'autres options sont également envisageables pour ce qui est du mode de passivation. Une passivation par couche d'oxyde déposée est nettement moins efficace qu'une couche d'oxyde thermique pour ce qui concerne la recombinaison de surface, mais ne crée pas de recombinaison volumique additionnelle, et peut donc au total également être envisagée. De même une passivation au nitrure de silicium, qui est à envisager sous les mêmes critères d'efficacité, avec la particularité intéressante que l'azote n'est pas dangereux pour la recombinaison volumique.
Par ailleurs, selon une caractéristique de la présente invention, l'épaisseur du revêtement antiréflexion 4' est déterminée pour que les propriétés dudit revêtement soient optimisées à l'issue du ou des cycle(s) du traitement thermique principal.
De plus, le procédé selon la présente invention consiste également à empêcher ou du moins à limiter très fortement la diffusion des couches métalliques de contact 2 et à protéger contre l'oxydation lesdites couches ainsi que l'interface métal-semi-conducteur, durant le ou les cycle(s) du traitement thermique principal.
Par conséquent, l'épaisseur de la couche anti-reflet ou antiréflexion devra être choisie en tenant compte des variations d'indice de réfraction et d'épaisseur de cette couche qui résulteront d'un recuit qui pourra être fait à l'occasion du traitement thermique principal.
Enfin, des précautions similaires doivent être prises contre la diffusion des couches métalliques de contact, ou contre leur risque d'oxydation lors du traitement thermique principal, frein possible au transport électronique.
Donc, comme indiqué précédemment, l'ensemble des opérations de passivation. de traitement anti-reflet et de métallisation devra être adapté de manière à ce que le report en fin de processus du traitement thermique principal lui-même effectué à 500°C au moins, soit à une température supérieure à celle des recuits propres aux dites opérations, n'introduise pas d'effet secondaire négatif sur le fonctionnement des cellules.
Il a été exposé plus haut que les conditions de trempe sont très influentes sur la densité des bilacunes gelées en fin de traitement thermique, et de ce fait il est souhaitable de pouvoir contrôler le plus finement possible lesdites conditions, et en particulier de pouvoir s'assurer d'une bonne homogénéité des conditions de trempe sur toute la surface des cellules, ce qui est assez difficile compte tenu de la faible épaisseur des substrats et de leur faible inertie thermique.
A titre d'exemple, une introduction brutale de gaz inerte protecteur ("forming gas") froid dans un four de recuit classique réalise une trempe non homogène qui rend en particulier inégale sur l'ensemble de la plaquette traitée la profondeur d'enterrement, l'homogénéité et la planéité de la sous-structure, sans parler des conséquences sur le gel des bilacunes.
Or, lorsque le traitement thermique principal est fait juste après l'implantation ionique - elle-même pratiquée sur un substrat non protégé - et que, par conséquent, la plaquette traitée doit être en permanence manipulée sous gaz protecteur en raison de la nécessité d'éviter l'oxydation non contrôlée au contact de l'air, les possibilités de trempe sont réduites du fait de cette contrainte.
Au contraire, dans le procédé selon l'invention, dans lequel le traitement thermique principal est reporté en fin de processus, c'est-à-dire alors que les plaquettes se trouvent déjà protégées chimiquement de l'oxydation par l'air ambiant ou de diverses autres agressions chimiques, de plus larges possibilités de trempe homogène sont ouvertes (pouvant mettre en jeu des agents réfrigérants plus variés et mieux adaptés), permettant d'obtenir d'abord une densité de défauts utiles plus élevée et plus homogène - donc un meilleur rendement -, et en outre une moindre dispersion des performances obtenues en production.
En vue d'aboutir au second but fixé à l'invention et exposé ci- dessus, le cas échéant indépendamment de la réalisation du premier but précité, le procédé objet de la présente peut avantageusement consister à ajuster les conditions opératoires de l'implantation amorphisante ainsi que les paramètres du ou des cycle(s) de traitement thermique en vue d'obtenir une sous-structure 5 comprenant au moins une première zone 7 présentant une épaisseur donnée propice à la génération et à la récupération de porteurs primaires et secondaires et au moins une seconde zone 7' présentant une épaisseur plus faible que ladite au moins une première zone 7, voire une épaisseur nulle, ladite au moins une seconde zone 7' constituant, du fait de sa moindre épaisseur et en conséquence de sa moindre opposition au transport vers l'arrière des porteurs minoritaires de la partie frontale de la couche formant émetteur 2, un passage privilégié à travers la sous-structure 5 pour l'écoulement desdits porteurs (voir figure 2 des dessins annexés).
Ainsi, à la différence de l'enseignement divulgué par le document WO-A-96/02948, on obtient une sous-structure d'épaisseur non plus uniforme mais au contraire présentant deux zones d'épaisseurs différentes : une première zone où l'épaisseur est dite "normale", couvrant la majeure partie de la surface de la plaquette ou lamelle, cette première zone étant dédiée principalement à l'activité de génération de porteurs, et une seconde zone d'épaisseur dite "réduite" couvrant le reste de la cellule, où l'opposition au transport électronique est fortement atténuée - sinon pratiquement annulée dans le cas particulier où l'épaisseur réduite se trouverait en fait réduite à zéro - dédiée principalement à l'écoulement vers l'arrière des porteurs minoritaires du réservoir avant.
Selon une caractéristique de l'invention, la sous-structure 5 obtenue peut présenter plusieurs zones 7' de passage privilégié, le cas échéant mutuellement attenantes et reliées entre-elles, réparties dans ladite sous-structure 5. Plus la distance séparant deux zones 7' adjacentes ou voisines est faible par rapport à la longueur de diffusion des porteurs dans le matériau, meilleur sera le résultat au niveau du transport électronique.
De plus, conformément à une variante de réalisation préférentielle de l'invention, les zones 7' de passage privilégié sont réparties et s'étendent, au moins pour l'essentiel et préférentiellement en totalité, sous les bandes métalliques de la grille formant la couche de contact 2 ajourée frontale pour l'extraction de porteurs, en constituant un motif sensiblement similaire au moins en partie (voir figure 2 des dessins annexés).
En effet, sachant qu'à l'aplomb de cette grille métallisée - et donc opaque à la lumière - la photogénération de porteurs ne peut de toute façon pas exister, cette disposition permet de favoriser le transport électronique sans qu'aucun élément de surface utile à la génération soit perdu.
Ainsi grâce à la présence dans la sous-structure de deux zones dont chacune a une fonction spécifique, qui peut être ajustée séparément de l'autre, on comprend qu'il soit plus facile d'optimiser en même temps les deux phénomènes de génération et de transport électronique - nonobstant la présence de la sous-structure elle-même - et au surplus de réduire la dispersion des performances des cellules fabriquées. Ce mode particulier de réalisation confère donc un avantage substantiel par rapport aux lamelles ou plaquettes à sous-structure d'épaisseur uniforme. La présente invention a également pour objet une plaquette ou lamelle 1 à propriétés photovoltaïques pour cellule photovoltaïque, photopile ou dispositif photovoltaïque analogue à haut rendement, caractérisé en ce qu'elle est obtenue au moyen du procédé décrit ci-dessus et comporte une sous- structure 5 délimitée par des interfaces 6 et 6' comportant une grande densité de centres de génération secondaire sous impact, ladite sous-structure 5 présentant éventuellement une épaisseur non uniforme, voire une constitution discontinue.
Enfin, la présente invention concerne aussi une cellule photovoltaïque ou photopile à haut rendement, caractérisé en ce qu'elle comporte comme élément actif au moins une plaquette ou lamelle 1 telle que décrite ci-dessus.
Grâce à l'invention, il est donc possible d'aboutir aux buts indiqués dans la partie introductive de la présente.
En outre, l'aménagement du procédé de fabrication, consistant d'une part à reporter en fin de processus le traitement thermique principal et d'autre part à adapter en conséquence les autres opérations du processus replacées en amont de ce traitement, présente enfin une autre caractéristique intéressante au niveau du prix de revient des cellules résultantes, en plus de l'avantage déjà signalé de pouvoir améliorer et mieux contrôler le niveau final de performances. Ce deuxième avantage apparaît en faisant le bilan de la consommation énergétique nécessaire à la fabrication des cellules, bilan qui devient plus favorable dans le procédé aménagé objet de la présente invention, par rapport non seulement au procédé décrit dans WO-A-96/0248, mais encore par rapport à certains des procédés de fabrication des cellules classiques.
Comme par ailleurs les techniques d'implantation ionique ont sensiblement progressé, l'implantation figurant en tête de processus de fabrication dans le document WO- A-96/02948 ne constitue plus un handicap significatif de prix de revient, à fortiori s'il est plus ou moins compensé par les économies énergétiques venant d'être évoquées, de sorte qu'en définitive le procédé aménagé, premier objet de la présente invention d'une part, combiné avec l'effet bénéfique sur le rendement des cellules provoqué par le mode particulier de réalisation desdites cellules caractérisé par une sous-structure d'épaisseur non uniforme, également objet de la présente invention d'autre part, concourent à porter la compétitivité économique des cellules résultantes - mesurée par exemple en terme de coût du kWc des modules solaires réalisés avec ces cellules - à un niveau qui leur confère un réel avantage concurrentiel.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S
1 ) Procédé de fabrication d'un dispositif ou d'une cellule photovoltaïque à haut rendement à base de silicium monocristallin ou polycristallin, caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer à une lamelle ou plaquette de silicium (1 ) de qualité adéquate successivement les deux séquences d'opérations a) et b) suivantes réalisées dans un ordre de succession déterminé :
- a) un ensemble de diverses opérations connues permettant d'obtenir un dispositif ou une cellule photovoltaïque classique très fortement dopé(e) à l'avant, et, - b) un ensemble de deux opérations supplémentaires spécifiques comprenant une implantation ionique amorphisante sur la face avant, suivie d'au moins un cycle de traitement thermique dit principal, ce cycle étant réalisé en préservant une bonne homogénéité des conditions thermiques sur toute la surface de ladite lamelle ou plaquette (1 ) et comprenant lui-même deux phases distinctes, à savoir, d'une part, une phase de chauffage de la lamelle ou plaquette (1) à une température, comprise entre 450° C et 600° C. suffisante pour réaliser une recristallisation partielle de la zone amorphisée à l'avant par l'implantation et former ainsi une sous- structure (5) enterrée sensiblement plane et constituée de silicium uniformément amorphisé. et, d'autre part, une phase de trempe ou de refroidissement brutal équivalent ayant pour effet de figer, au niveau des interfaces (6. 6') de la sous-structure (5), des configurations cristallines utiles provoquant une forte génération secondaire de paires de porteurs de courant. 2) Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les diverses opérations pour l'obtention d'un dispositif ou d'une cellule photovoltaïque très fortement dopé(e) à l'avant consistent en un dopage intensif de la face avant de la lamelle ou plaquette de silicium cristallin ( 1 ) en face avant sur une profondeur convenable, puis de manière classique : création d'un champ arrière, création d'une couche d'émetteur (2) et d'une jonction collectrice de faible profondeur par rapport à la face avant, en particulier par l'activation des atomes dopants introduits, métallisation des faces avant et arrière pour la formation des couches métalliques de contact (3), formation d'une couche de passivation (4), et formation d'un revêtement antiréflexion (4') en face frontale.
3) Procédé selon la revendication 1. caractérisé en ce que les diverses opérations pour l'obtention d'un dispositif ou d'une cellule photovoltaïque très fortement dopé(e) à l'avant consistent en des dépôts successifs, sur ladite lamelle ou plaquette de silicium (1) demeurant elle- même inchangée dans sa masse, de couches minces superficielles amorphes convenablement dopées, dépôts aboutissant à créer des fonctionnalités équivalentes à un champ arrière, à une jonction collectrice, à une couche d'émetteur, à une passivation et à un effet anti-reflet, ces fonctionnalités étant susceptibles d'être complétées classiquement par les métallisations appropriées des faces avant et arrière pour obtenir un dispositif ou une cellule fonctionnel(le).
4) Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser d'abord la séquence d'opérations a), puis la séquence d'opérations b).
5) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les deux séquences d'opérations a) et b) sont au moins partiellement imbriquées entre elles, l'implantation ionique étant effectuée durant la séquence a), le traitement thermique principal étant toutefois réalisé en fin de séquence b), c'est-à-dire en fin de procédé.
6) Procédé selon les revendications 1 et 3, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser d'abord la séquence d'opérations b), puis la séquence d'opérations a).
7) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les opérations de recuit des contacts métal-semi-conducteur (3), faisant partie des opérations de métallisation des faces avant et arrière, sont réalisées au cours du traitement thermique principal.
8) Procédé selon la revendication 2 et l'une quelconque des revendications 1 , 4 et 5, caractérisé en ce que la phase d'activation des atomes dopants introduits dans le matériau cristallin est réalisée au moins partiellement pendant le traitement thermique principal. 9) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser plusieurs cycles de traitement thermique avec des chauffages à une température d'environ 500° C ou légèrement supérieure à 500° C.
10) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le mode de formation de la couche de passivation (4) destinée à réduire au maximum la recombinaison de surface est choisi de manière à minimiser ou à éliminer la quantité d'oxygène introduite. notamment par diffusion, dans la masse de la lamelle ou plaquette (1) pendant la formation de ladite couche.
1 1) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10. caractérisé en ce que l'épaisseur du revêtement antiréflexion (4') est déterminée pour que les propriétés dudit revêtement soient optimisées à l'issue du ou des cycle(s) du traitement thermique principal.
12) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 1 1, caractérisé en ce qu'il consiste à empêcher ou du moins à limiter très fortement la diffusion des couches métalliques de contact (2) et à protéger contre l'oxydation lesdites couches, ainsi que l'interface métal-semiconducteur, durant le ou les cycle(s) du traitement thermique principal.
13) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il consiste à ajuster les conditions opératoires de l'implantation amorphisante ainsi que les paramètres du ou des cycle(s) de traitement thermique en vue d'obtenir une sous-structure (5) comprenant au moins une première zone (7) présentant une épaisseur donnée propice à la génération et à la récupération de porteurs primaires et secondaires et au moins une seconde zone (7') présentant une épaisseur plus faible que ladite au moins une première zone (7), voire une épaisseur nulle, ladite au moins une seconde zone (7') constituant, du fait de sa moindre épaisseur et en conséquence de sa moindre opposition au transport vers l'arrière des porteurs minoritaires de la partie frontale de la couche formant émetteur (2), un passage privilégié à travers la sous-structure (5) pour l'écoulement desdits porteurs. 14) Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser une sous-structure (5) présentant plusieurs zones (7') de passage privilégié réparties dans cette dernière, les zones (7') de passage privilégié étant réparties et s'étendant, au moins pour l'essentiel et préférentiellement en totalité, sous les bandes métalliques de la grille formant la couche de contact (2) ajourée frontale pour l'extraction de porteurs, en constituant un motif sensiblement similaire en partie.
15) Plaquette ou lamelle à propriétés photovoltaïques pour cellule photovoltaïque. photopile ou dispositif photovoltaïque analogue à haut rendement, caractérisée en ce qu'elle est obtenue au moyen du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 14.
16) Plaquette ou lamelle selon la revendication 15, caractérisée en ce qu'elle comporte une sous-structure (5) obtenue au moyen du procédé selon l'une quelconque des revendications 13 et 14 et délimitée par des interfaces (6 et 6') comportant une grande densité de centres de génération secondaire sous impact.
17) Cellule photovoltaïque ou photopile à haut rendement, caractérisée en ce qu'elle comporte comme élément actif au moins une plaquette ou lamelle selon l'une quelconque des revendications 15 et 16.
PCT/FR2000/003292 1999-11-26 2000-11-24 Procede de fabrication d'une lamelle ou plaquette photovoltaique et cellule comportant une telle plaquette WO2001039281A1 (fr)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AU20151/01A AU2015101A (en) 1999-11-26 2000-11-24 Method for making a photovoltaic wafer or slice and cell comprising same

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR9914949A FR2801726B3 (fr) 1999-11-26 1999-11-26 Procede de fabrication d'une lamelle ou plaquette photovoltaique et cellule comportant une telle plaquette
FR99/14949 1999-11-26

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2001039281A1 true WO2001039281A1 (fr) 2001-05-31

Family

ID=9552610

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/FR2000/003292 WO2001039281A1 (fr) 1999-11-26 2000-11-24 Procede de fabrication d'une lamelle ou plaquette photovoltaique et cellule comportant une telle plaquette

Country Status (3)

Country Link
AU (1) AU2015101A (fr)
FR (1) FR2801726B3 (fr)
WO (1) WO2001039281A1 (fr)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008098407A1 (fr) * 2007-02-08 2008-08-21 Suntech Power Co., Ltd Photopile au silicium hybride et son procédé de fabrication
CN102437249A (zh) * 2011-12-21 2012-05-02 中电电气（南京）光伏有限公司 背区域接触晶体硅太阳电池局域接触背电场的制备方法
CN110945666A (zh) * 2017-06-01 2020-03-31 赛腾高新技术公司 用于巨型光转换的全硅光电转换器的生产工艺

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017100443A1 (fr) * 2015-12-10 2017-06-15 Arizona Board Of Regents On Behalf Of Arizona State University Récupération de métaux précieux ou toxiques à partir de cellules solaires au silicium

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1996002948A1 (fr) * 1994-07-13 1996-02-01 Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs) Procede de fabrication d'un materiau ou dispositif photovoltaique, materiau ou dispositif ainsi obtenu et photopile comprenant un tel materiau ou dispositif
US5510271A (en) * 1994-09-09 1996-04-23 Georgia Tech Research Corporation Processes for producing low cost, high efficiency silicon solar cells

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1996002948A1 (fr) * 1994-07-13 1996-02-01 Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs) Procede de fabrication d'un materiau ou dispositif photovoltaique, materiau ou dispositif ainsi obtenu et photopile comprenant un tel materiau ou dispositif
US5510271A (en) * 1994-09-09 1996-04-23 Georgia Tech Research Corporation Processes for producing low cost, high efficiency silicon solar cells

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
SAWADA T ET AL: "HIGH-EFFICIENCY A-SI/C-SI HETEROJUNCTION SOLAR CELL", WORLD CONFERENCE ON PHOTOVOLTAIC ENERGY,US,NEW YORK, IEEE, vol. CONF. 1, 5 December 1994 (1994-12-05), pages 1219 - 1226, XP000680063, ISBN: 0-7803-1460-3 *
Z. T. KUZNICKI, J. THIBAULT, F. CHAUTAIN-MATHYS, L. WU, S. SIDIBÉ, S. DE UNAMUNO, J. T. BONARSKI, Z. SWIATEK, R. CIACH: "Active Substructures and Active Interfaces for Very High Efficient Single-Crystal Si Solar Cells", 14TH EUROPEAN PHOTOVOLTAIC SOLAR ENERGY CONFERENCE, vol. 2, 30 June 1997 (1997-06-30) - 4 July 1997 (1997-07-04), Barcelona, Spain, pages 2469 - 2472, XP002160781 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008098407A1 (fr) * 2007-02-08 2008-08-21 Suntech Power Co., Ltd Photopile au silicium hybride et son procédé de fabrication
CN102437249A (zh) * 2011-12-21 2012-05-02 中电电气（南京）光伏有限公司 背区域接触晶体硅太阳电池局域接触背电场的制备方法
CN110945666A (zh) * 2017-06-01 2020-03-31 赛腾高新技术公司 用于巨型光转换的全硅光电转换器的生产工艺
CN110945666B (zh) * 2017-06-01 2024-06-14 赛腾高新技术公司 用于巨型光转换的全硅光电转换器的生产工艺

Also Published As

Publication number Publication date
FR2801726A1 (fr) 2001-06-01
AU2015101A (en) 2001-06-04
FR2801726B3 (fr) 2002-02-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2724385B1 (fr) Procede de traitement d'une cellule photovoltaïque a heterojonction
FR2722612A1 (fr) Procede de fabrication d'un materiau ou dispositif photovoltaique, materiau ou dispositif ainsi obteu et photopile comprenant un tel materiau ou dispositif
FR2929755A1 (fr) Procede de traitement d'un substrat semi-conducteur par activation thermique d'elements legers
EP2143687B1 (fr) Procédé de purification d'un substrat en silicium cristallin et procédé d'élaboration d'une cellule photovoltaïque
FR2988908A1 (fr) Procede de fabrication d'une cellule photovoltaique a contacts interdigites en face arriere
WO2011107697A1 (fr) Cellule photovoltaïque
EP3289616B1 (fr) Cellule photovoltaïque et son procédé de fabrication
WO2011107701A1 (fr) Cellule photovoltaïque incorporant une nouvelle couche tco
EP3331031B1 (fr) Procede de fabrication d'une cellule photovoltaique et cellule photovoltaique
WO2001039281A1 (fr) Procede de fabrication d'une lamelle ou plaquette photovoltaique et cellule comportant une telle plaquette
EP2193540B1 (fr) Procede de chauffage d'une plaque par un flux lumineux
FR3071358B1 (fr) Procede de fabrication d'une cellule photovoltaique a homojonction
EP2801118B1 (fr) Procédé de fabrication d'une cellule photovoltaïque
WO2014136082A1 (fr) Plaquette de silicium monolithique presentant une alternance de zones dopees n et de zones dopees p
EP2965350A1 (fr) Substrat semi-conducteur monolithique à base de silicium, divisé en sous-cellules
EP3660928B1 (fr) Procédé de fabrication de cellules photovoltaiques
EP3242335B1 (fr) Procédé de fabrication d'une cellule photovoltaïque à hétérojonction
FR2961954A1 (fr) Cellule comprenant un materiau photovoltaique a base de cadmium
EP2415084A2 (fr) Structure electronique a couche epitaxiee sur silicium fritte
WO2023247326A1 (fr) Procédé d'amélioration du rendement de conversion d'une cellule photovoltaïque et équipement associé
EP4199118A1 (fr) Procédé d'activation thermique d'une couche de passivation
FR3129769A1 (fr) Procédé de passivation
FR2507822A1 (fr) Procede de fabrication de cellules solaires et cellules solaires correspondantes

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BY BZ CA CH CN CR CU CZ DE DK DM DZ EE ES FI GB GD GE GH GM HR HU ID IL IN IS JP KE KG KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV MA MD MG MK MN MW MX MZ NO NZ PL PT RO RU SD SE SG SI SK SL TJ TM TR TT TZ UA UG US UZ VN YU ZA ZW

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): GH GM KE LS MW MZ SD SL SZ TZ UG ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE TR BF BJ CF CG CI CM GA GN GW ML MR NE SN TD TG

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
DFPE Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101)
REG Reference to national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: 8642

122 Ep: pct application non-entry in european phase