WO2015063689A1 - Substrat composite a base de silicium presentant des zones actives separees par des zones d'isolation electrique comportant un feuillard en carbure de silicium - Google Patents

Substrat composite a base de silicium presentant des zones actives separees par des zones d'isolation electrique comportant un feuillard en carbure de silicium Download PDF

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WO2015063689A1
WO2015063689A1 PCT/IB2014/065671 IB2014065671W WO2015063689A1 WO 2015063689 A1 WO2015063689 A1 WO 2015063689A1 IB 2014065671 W IB2014065671 W IB 2014065671W WO 2015063689 A1 WO2015063689 A1 WO 2015063689A1
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silicon
substrate
zones
doped
electrical insulation
Prior art date
Application number
PCT/IB2014/065671
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English (en)
Inventor
Jean-Paul Garandet
Nicolas Chaintreuil
Béatrice Drevet
Nicolas Eustathopoulos
Annalaura FASIELLO
Eric Pilat
Yannick Veschetti
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • Silicon-based composite substrate having active areas separated by electrical insulation zones comprising a silicon carbide strip
  • the present invention relates to a novel silicon-based substrate, vertically divided into a plurality of isolated active areas from one another, and to a process for its preparation.
  • Such a substrate is particularly advantageous in the context of the development of photovoltaic cells and modules.
  • PV photovoltaic modules
  • PV modules of reasonable size of the order of the m 2 , the size standard for the wafers (156 x 156 mm) makes the open circuit voltages (V oc in English terminology) of the PV modules are limited. a few tens of volts.
  • a first option could be to use materials other than crystalline silicon (Si), in particular semiconductors with band gap amplitudes exceeding 1, 1 eV (electronvolt).
  • silicon such as an amorphous Si type material on crystalline Si, resulting from the so-called heterojunction technology, or even CdTe type materials (cadmium telluride).
  • CdTe type materials cadmium telluride
  • Pozner et al. [1] have modeled the serialization of cells with vertical p / n junction planes, unlike the configuration of conventional wafers where the junction plane is horizontal.
  • the advantage of this approach is to be able to consider a collective type of treatment, monolithic substrate, for the realization of cells.
  • the size of the individual elements is small, of the order of one hundred micrometers, and many technical questions remain open as to the practical realization of such a structure, the cost of which, moreover, risks being very high.
  • the aim of the present invention is precisely to propose a novel silicon-based substrate, vertically divided into several sub-cells isolated from one another by zones of electrical insulation, guaranteeing good passivation at the interfaces between the active zone and the isolation zone. and a method for accessing such a substrate.
  • the present invention relates, according to a first of its aspects, to a silicon-based composite substrate having, in a vertical sectional plane, active zones of p-doped and / or n-doped silicon, each of the active zones being extending over the entire thickness of the substrate, two active zones being separated from each other by at least one electrical insulation zone, said electrical insulation zone being formed of a silicon carbide strip, soldered between two carbide layers of silicon adjacent to said active areas by silicon-based solder joints and one or more filler metals selected from nickel, iron, copper and praseodymium.
  • the substrate is characterized when viewed in its horizontal position.
  • the substrate extends in at least one direction normal to the vertical direction.
  • the substrate according to the invention is defined as being divided vertically into different active zones, in a vertical plane of section of the horizontally positioned substrate.
  • active zone is meant an area suitable for implementing the photovoltaic effect. It is a p-doped or n-doped silicon zone.
  • electrical insulation zone an area of the substrate having a high electrical resistivity, in particular greater than or equal to 2 k ⁇ cm and advantageously greater than or equal to 10 k ⁇ cm. In the rest of the text, these zones will be more simply referred to as “insulation zones” or “insulating zones”.
  • the present invention proposes a method making it possible to access, in an easy manner, such a substrate, by cutting a brick previously formed by assembling n-doped and / or p-doped silicon wafers. after creation between said insulating layer slices.
  • the present invention thus relates to a process for preparing a silicon-based composite substrate, by cutting a brick having, in at least one cutting plane, active layers of p-doped and / or n-doped silicon separated from each other. by layers of electrical insulation, comprising at least the steps of:
  • step (c) inserting a silicon carbide strip between the carbide faces of the slices to be assembled, and assembling the assembly by soldering using a brazing alloy comprising silicon and one or more filler metals chosen from nickel, iron, copper and praseodymium; and (d) cutting said brick obtained at the end of the assembly of the slices in step (c), perpendicularly to the assembly planes, to obtain said desired substrate.
  • this method makes it possible, by assembling the n-doped or p-doped silicon wafers after the insulating layers have been created, to accurately control the size of the active zones n and / or p, as well as the size of the electrical isolation zones. in the formed silicon substrate.
  • the present invention relates to a photovoltaic device, in particular a photovoltaic cell, comprising a composite substrate based on silicon as defined above.
  • Photovoltaic cells produced from a composite substrate according to the invention divided into a plurality of sub-cells of controlled sizes, advantageously make it possible to produce PV modules having an increased open circuit voltage, while maintaining a reasonable standard size. of the order of m 2 .
  • FIG. 1 schematically represents, in a vertical sectional plane, the structure of a composite substrate (1) according to the invention, having four active zones (10) separated from each other by zones of electrical insulation. (20);
  • FIG. 2 represents, in plan view, the arrangement of the active zones (10) in a checker pattern in a substrate, according to a particular embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows schematically the various steps of a method for preparing a composite substrate according to the invention.
  • a substrate according to the invention may have a thickness (e) (considered in the vertical direction) ranging from 100 to 500 ⁇ , in particular from 150 to 300 ⁇ .
  • a substrate according to the invention may have a total length (L) ranging from 10 to 30 cm, in particular from 15 to 20 cm.
  • a silicon substrate according to the invention has, in a vertical section plane, active zones (10) of p-doped and / or n-doped silicon, extending over the entire thickness (e) of the substrate. and separated from each other by electrical insulation zones (20).
  • a substrate according to the invention may for example comprise between 2 and 100 active zones, in particular between 5 and 10 active zones.
  • the active zones (10) of a substrate according to the invention can be of the same electrical conductivity.
  • all the active areas of the substrate are n-doped, or alternatively, all the active areas of the substrate are p-doped.
  • the active zones (10) of a substrate according to the invention may have different electrical conductivities, preferably alternating electrical conductivities.
  • the substrate may have alternating n-doped active areas (10) and p-doped active areas (10), an n-doped zone and a p-doped zone being separated from each other by an insulating zone (20).
  • the n-doped silicon zones may comprise one or more n-type doping agents.
  • the said n-type doping agent (s) may be chosen from phosphorus (P), arsenic (As), antimony (Sb), and mixtures thereof.
  • the n-type doping agent is phosphorus.
  • the doping level in the dopants to n-type, such as phosphorus, may be greater than or equal to 10 14 cm “3, in particular between 10 14 and 5.10 16 cm” 3, still more preferably from 5.10 14 to 5.10 15 cm “3 .
  • the n-doped zones may have, independently of one another, a density of electron-type charge carriers ranging from 10 14 to 2.10 16 cm- 3 , in particular from 5.10 14 to 5.10 -15 cm -3 .
  • the p-doped silicon zones may comprise one or more p-type doping agents.
  • the p-type doping agent (s) may be chosen from boron (B), aluminum (Al), gallium (Ga), indium (In), zinc (Zn) and mixtures thereof.
  • the p-type doping agent is boron.
  • the doping content of p-type doping agents may be greater than or equal to 10 14 cm -3 , in particular between 10 14 to 5.10 16 cm -3 , even more particularly from 5.10 14 to 10 16. cm "3 .
  • the p-doped zones may have, independently of each other, a hole-type charge carrier density ranging from 10 14 to 2.10 16 cm- 3 , in particular from 5.10 14 to 10 16 cm- 3 .
  • the active areas (10) of the substrate according to the invention may have, independently of one another, a width (Li), in the plane of section, ranging from 1 mm to 10 cm, in particular from 5 mm to 5 cm.
  • the width of the active zones may differ from an active zone doped n to a p-doped active zone, in the case of a substrate having active zones of alternating electrical conductivity.
  • the photogenerated currents are generally higher in n-doped zones than in p-doped zones.
  • the widths of the active p-doped and n-doped zones can be adapted during the preparation of the substrate, in particular to better match these currents in the final silicon substrate.
  • an electrical isolation zone (20) of the substrate according to the invention is formed of a strip (21) of silicon carbide (SiC), soldered between two layers (22). ) of SiC adjacent to the active areas flanking said electrical insulation zone.
  • SiC silicon carbide
  • An SiC strip, integrated in an insulating zone, can in particular have a thickness of between 50 ⁇ and 5 mm, in particular between 250 ⁇ and 1 mm.
  • the SiC strip used has a high electrical resistivity. It may for example have an electrical resistivity greater than or equal to 1 k ⁇ cm, in particular greater than or equal to 5 k ⁇ cm.
  • silicon carbide strip ensures a good insulation resistance between two active areas.
  • said SiC layers (22), adjacent to each of the active zones have, independently of each other, a width (L c ), in the plane of section, of between 5 and 50 ⁇ , in particular between 10 and 20 ⁇ .
  • solder joints (23) which ensure the cohesion between the silicon strip and the SiC layers in an insulating zone, are based on silicon and one or more filler metals chosen from nickel, iron, copper and praseodymium.
  • solder joints in the substrate is likely to vary according to the application envisaged for the substrate, in particular according to whether it is intended to be implemented in a low temperature heteroj type technology. anointing, or high temperature homojunction type, for the realization of a photovoltaic cell.
  • the solder joints may be formed of silicon and nickel, preferably with a silicon atomic content of between 40 and 80%, especially between 40 and 60%.
  • the brazing joints may be formed of silicon and copper, preferably with a silicon atomic content of between 40 and 80 atomic%, in particular between 40 and 60%.
  • the solder joints may have, independently of one another, a thickness (L j ) of between 50 and 500 ⁇ , in particular between 100 and 250 ⁇ .
  • the electrical insulation zones may have, independently of one another, a width (L 2 ), in the plane of section, ranging from 100 ⁇ to 5 mm, in particular from 300 ⁇ to 1 mm.
  • a zone of electrical insulation too long in the final silicon substrate is likely to lead to a loss of active material and therefore a decrease in energy efficiency at the photovoltaic cell and module that will be formed from this substrate.
  • an electrical insulation zone which is too short may be insufficient to ensure good isolation between the n and / or p doped active zones, which can also lead to a drop in efficiency at the level of the PV cell which will be formed from this substrate.
  • the electrical insulation zones (20) preferably have a resistivity greater than or equal to 2 k ⁇ cm, in particular greater than or equal to 10 k ⁇ cm.
  • the active zones (10) of the substrate according to the invention can be arranged so as to form a two-dimensional pattern.
  • the arrangement of said active areas (10) can form a checker pattern.
  • the side of a square (active areas doped p and / or n) of the checkerboard may be between 1 mm and 10 cm, preferably between 5 mm and 5 cm.
  • the electrical insulation zones (20) then form the perimeter of each of the active zones. This configuration is for example represented in FIG.
  • the invention is not limited to such an arrangement; different configurations, allowing compact paving of the space, other than a checkerboard pattern, can be envisaged within the context of the present invention (for example rectangular patterns, polygonal, etc.).
  • a composite substrate (1) according to the invention can be obtained by cutting a brick having, in at least one cutting plane, a stack of active layers of n-doped and / or n-doped silicon separated from each other. by layers of electrical insulation, said brick being previously prepared by assembling n-doped silicon wafers and / or p after creation of the intermediate layers of electrical insulation.
  • a silicon-based composite substrate (1) according to the invention can be formed via at least the steps consisting of:
  • step (d) cutting said brick (100) obtained at the end of the assembly of the slices in step (c), perpendicularly to the assembly planes (110) and (220), to obtain said desired substrate (1).
  • the nature, the number and the dimensions, in particular the thickness, of the slices (or slabs) of silicon implemented in step (a) are adjusted with respect to the desired brick, and more particularly with regard to the structure of the substrate that it is desired to form, in particular the number and size of the desired active areas.
  • the silicon slabs in step (a) may advantageously be derived from the blank a silicon brick (4) (n-doped or p-doped).
  • This brick is designated by the following as “starting brick” to distinguish it from the brick (100), called “final brick”, reconstituted by assembling the slabs at the end of step (c).
  • the n-doped or p-doped silicon starting block may be obtained by cutting a monocrystalline silicon ingot formed, according to techniques known to those skilled in the art, by directed solidification, for example by a pulling method such that the Czochralski drawing method or the Bridgman method, or a gradient cooling method, also known as the gradient fireeze in the English language.
  • the slices (110) of silicon are obtained by cutting the starting brick, parallel to the direction of growth of the ingot.
  • Such a cutting orientation advantageously makes it possible to overcome the problems of segregation of the dopants and impurities of the ingot.
  • the silicon wafers implemented in step (a) of the process of the invention may be cutting two separate bricks of opposite electrical conductivity.
  • the SiC layers may be formed in step (b) only on the face (s) of the slices intended to be opposite another slice of silicon in the final brick.
  • step (b) techniques known to form, on the surface of the wafer faces, the silicon carbide layers of desired thickness.
  • the SiC layers may for example be prepared by chemical vapor deposition (known by the abbreviation CVD or "Chemical Vapor Deposition” in English), according to any method known to those skilled in the art.
  • the CVD deposition generally consists in vaporizing one or more precursors of the element or elements (in this case, one or more precursors of Si and C), followed by thermal decomposition. precursors on the substrate to form the desired layer.
  • the CVD deposition may for example be carried out at a temperature between 1000 and 1400 ° C, in particular between 1100 and 1300 ° C.
  • an SiC layer can be produced via the following two steps:
  • the carbon precursor can be for example methane or propane. Such a step makes it possible to form on the surface of the slices to be assembled a thin layer of SiC with a thickness of between 200 and 1000 nm.
  • step (ii) growing the silicon carbide underlayer formed in step (i) by chemical vapor deposition from the mixture of a carbon precursor and a silicon-containing precursor to form said expected SiC layer .
  • the precursor containing silicon may for example be silane.
  • a layer (220) of SiC may be made by chemical vapor deposition from a precursor containing both silicon and carbon, such as trimethylsilane.
  • the SiC layers formed on the surface of the slices to be assembled have, independently of one another, a thickness (L c ) of between 5 and 50 ⁇ , in particular between 10 and 20 ⁇ .
  • the face of a wafer coated with a SiC layer is referred to as "carburised face”.
  • an SiC strip in particular as described above, is brazed between the carbide faces of two slices to be assembled.
  • step (c) The assembly of all the silicon wafers according to step (c) thus makes it possible to form the desired brick (100).
  • the brick (100) can simply be (re) constituted by stacking carburized slices on each other with SiC strips brazed between two slices. successive.
  • the brazing assembly consists in putting the parts to be assembled in contact (carburized silicon wafers, SiC strip) with a brazing composition, called solder, capable of wetting and spreading on the interfaces to be assembled to fill the joint between the parts, to heat the assembly formed by the parts and the solder composition at a brazing temperature sufficient to make melt the solder composition. After cooling, the solder solidifies and ensures the cohesion of the assembly.
  • solder a brazing composition
  • the brazing can be carried out according to techniques known to those skilled in the art, for example recalled in the document FR 2 949 696.
  • the brazing according to the invention may for example be carried out in "capillary configuration", with an infiltration of the liquid solder in the solder joint during the brazing cycle.
  • the brazing can be carried out in an oven, in particular under vacuum and more particularly under secondary vacuum (pressure of 10 -3 to 10 -5 Pa).
  • the solder composition used is an alloy containing silicon and one or more filler metals.
  • the filler metals are selected from nickel, iron, copper, praseodymium and mixtures thereof.
  • Such solder alloys advantageously make it possible to operate the brazing under conditions, in particular of temperature, which are adequate to limit or even eliminate the risk of solubilization of the carbon, of the micron layers of SiC formed on the surface of the slices, in the alloy. brazing, which could lead to delamination of the deposited layers.
  • brazing temperature also makes it possible to avoid the diffusion of the metals contained in the solder alloy, these metal elements being able to be detrimental for the photovoltaic properties by their action in the matter of recombination of the minority charge carriers.
  • brazing with the aid of a solder alloy according to the invention can be carried out at a temperature not exceeding 1300 ° C., in particular between 500 and 1300 ° C., more particularly between 900 and 1300 ° C. 1200 ° C.
  • the duration of the soldering can range from 30 minutes to 4 hours, in particular from 1 hour to 3 hours.
  • the composition of the brazing alloy used in the process of the invention can be adjusted with regard to the intended application. for the substrate, especially according to whether it is intended to be implemented in a heterojunction-type low temperature or homojunction-type high temperature technology, for producing a photovoltaic cell.
  • the composite substrate of the invention is intended to be implemented in a so-called "high temperature” technology, homojunction type, for the development of a photovoltaic cell, it is appropriate that the solder joints exhibit satisfactory mechanical strength and tightness, even when they are raised to high temperatures, in particular at temperatures above 800 ° C., preferably above 900 ° C.
  • the brazing alloy used in step (c) preferably has a melting point greater than or equal to 900 ° C., in particular greater than or equal to 1000 ° C.
  • brazing alloy advantageously allows the use of the final substrate according to the invention in any type of process for producing a PV cell, whether it is a low temperature technology, of heterojunction type, or high temperature, homojunction type.
  • the solder alloy used in step (c) may be a binary alloy consisting of silicon and nickel.
  • this binary alloy has a silicon content of between 40 and 80 atomic%, and more preferably between 40 and 60 atomic%.
  • the brazing alloy has a melting temperature greater than or equal to 500 ° C.
  • the solder alloy used in step (c) may be a binary alloy consisting of silicon and copper.
  • this binary alloy has a silicon content of between 40 and 80 atomic%, in particular between 40 and 60 atomic%.
  • This cutting can be performed by any conventional method known to those skilled in the art, for example using a diamond wire saw or using SiC grains as abrasives.
  • the dimensions of the cut slice are of course chosen with regard to the dimensions of the desired silicon substrate, in particular its thickness (e) and its length (L).
  • the invention is not limited to the variant illustrated in Figure 3, wherein the brick (100) is formed by simple stack of silicon wafers after creation of the intermediate layers of electrical insulation. It is understood that the skilled person is able to implement more complex assemblies of silicon slabs, in order to obtain, via one or other of the variants described above, the desired silicon substrates.
  • the invention also relates to a photovoltaic device, in particular a photovoltaic cell or a photovoltaic module, comprising at least one composite substrate based on silicon according to the invention.
  • It also relates to the use of a silicon-based composite substrate according to the invention for developing a photovoltaic device, in particular a photovoltaic cell or a photovoltaic module.
  • PV photovoltaic cell
  • a substrate according to the invention can be implemented in any type of process for the production of a PV cell, for example in so-called “low temperature” technologies of the heterojunction type, “high” technologies. temperature "homojunction type, or PV cell technologies with rear contacts, etc.
  • PV cell comprises in particular the realization within each active zone n or p junctions p / n, then the formation of contacts to ensure the serialization of the various subcells formed, the zones of electrical insulation being intended to provide electrical insulation between two sub-cells.
  • a PV cell, produced from a composite substrate according to the invention, is thus subdivided into several sub-cells of smaller size.
  • Such PV cells advantageously produce a high voltage level, while delivering less current.
  • the PV cells obtained according to the invention can then be assembled to produce a photovoltaic module of reasonable size, conventionally of dimension of the order of m 2 , and having an increased voltage compared to modules developed from conventional cells.
  • the invention thus relates to a photovoltaic module formed of a set of photovoltaic cells according to the invention.
  • a SiC layer (220) 10 ⁇ thick is formed by CVD on the faces of the slabs to be reassembled ( Figure 3b).
  • This layer is produced in two steps according to techniques known to those skilled in the art: a propane precursor is first used at 1200 ° C. for 30 minutes to form an underlayer approximately 500 nm thick. then a trimethylsilane precursor is injected for 2 hours always at 1200 ° C. (c) Soldering assembly
  • the carburized slabs are brazed on a SiC (210) strip of 500 ⁇ of thickness and high resistivity (marketed by Rohm and Haas under the reference “High resistivity grade CVD silicon carbide”).
  • brazing an alloy of equimolar composition of nickel and silicon is used.
  • the brazing is carried out by capillary infiltration according to techniques known to those skilled in the art at a temperature of 1100 ° C. under secondary vacuum.
  • the duration of the process, limited in practice by the deoxidation of SiC, is two hours.
  • the thickness of the solder joints (230) is variable between 100 and 250 ⁇ .
  • the reconstituted brick (100) can be manipulated
  • the brick (100) formed by assembly is cut into wafers with a thickness of 200 ⁇ in an industrial device (machine B5 from Applied Materials).
  • the wafers obtained comprise 6 active zones, separated from each other by zones of electrical insulation 600 to 900 ⁇ wide ( Figure 3d).

Abstract

La présente invention concerne un substrat composite (1) à base de silicium, présentant, dans un plan vertical de coupe, des zones actives (10) de silicium dopé p et/ou dopé n, chacune des zones actives s'étendant sur toute l'épaisseur (e) du substrat, deux zones actives étant séparées entre elles par au moins une zone d'isolation électrique (20) formée d'un feuillard en carbure de silicium (21), brasé entre deux couches (22) de carbure de silicium adjacentes auxdites zones actives, par des joints de brasure (23).Elle concerne encore un procédé de fabrication d'un tel substrat composite.

Description

Substrat composite à base de silicium présentant des zones actives séparées par des zones d'isolation électrique comportant un feuillard en carbure de silicium
La présente invention se rapporte à un nouveau substrat à base de silicium, divisé verticalement en plusieurs zones actives isolées les unes des autres, et à un procédé pour sa préparation.
Un tel substrat est particulièrement avantageux dans le cadre de l'élaboration de cellules et modules photovoltaïques.
Actuellement, les modules photovoltaïques (PV) sont majoritairement fabriqués à partir de l'assemblage de cellules en silicium mono- ou multi-cristallin, ces cellules étant généralement réalisées à partir de plaquettes, également appelées « wafers », de conductivité électrique p. Les matériaux de type n sont également actuellement en plein développement.
Dans des modules PV de taille raisonnable, de l'ordre du m2, le standard de taille pour les plaquettes (156 x 156 mm) fait que les tensions de circuit ouvert (Voc en terminologie anglo-saxonne) des modules PV sont limitées à quelques dizaines de Volts.
Différentes voies ont été explorées pour tenter d'augmenter la tension Voc des modules PV.
Une première option pourrait consister à utiliser des matériaux autres que le silicium (Si) cristallin, notamment des semi-conducteurs présentant des amplitudes de bande interdite (ou « band gap » en langue anglaise) supérieures au 1, 1 eV (électron- volt) du silicium, comme par exemple un matériau de type Si amorphe sur Si cristallin, issu de la technologie dite à hétéroj onction, ou encore des matériaux du type CdTe (tellurure de cadmium). Malheureusement, l'amélioration en termes de tensions de circuit ouvert est limitée, car l'utilisation de semi-conducteurs à bande interdite trop élevée (> 2 eV) conduit à une baisse significative de la quantité de photons absorbée et à une perte en rendement de conversion énergétique.
Une autre possibilité serait de réduire la taille des cellules par rapport au standard actuel de 156 x 156 mm, ce qui permettrait, par mise en série d'un plus grand nombre de cellules formant le module, d'accroître la valeur de la tension Voc. Cependant cette solution rendrait plus délicate les opérations de manutention pour l'élaboration des modules. Par ailleurs, la nécessité de garder un espace entre cellules formant le module PV pour la connectique conduit à une perte de surface utile (i.e. permettant la photogénération de porteurs électriques). Cette perte de surface est plus importante avec la mise en œuvre d'un plus grand nombre de cellules de taille réduite. Enfin, sauf à utiliser une technologie de cellule à contacts arrière (RCC, Rear Contact Cell en terminologie anglo-saxonne), cette solution pose des problèmes délicats de métallisation et de connectique.
Plus récemment, Pozner et al. [1] ont envisagé par modélisation la mise en série de cellules à plans de jonction p/n verticaux, à la différence de la configuration des wafers classiques où le plan de jonction est horizontal. L'intérêt de cette approche est de pouvoir envisager un traitement de type collectif, sur substrat monolithique, pour la réalisation des cellules. Toutefois, la taille des éléments individuels est petite, de l'ordre de la centaine du micromètre, et de nombreuses questions techniques restent ouvertes quant à la réalisation en pratique d'une telle structure, dont le coût risque, par ailleurs, d'être très élevé.
Il pourrait encore être envisagé de réaliser une plaquette monolithique de taille standard 156 x 156 mm, et de graver a posteriori des tranchées, par exemple par ablation laser, ce qui aurait pour effet de créer effectivement une pluralité de cellules de plus petite taille. Dans ce cadre, une architecture originale a récemment été proposée par le centre de recherche « Energy research centre of the Netherlands (ECN) » avec une structure de maintien en face avant pour s'affranchir des problèmes de manutention [2]. Cependant, le problème de passivation électrique des surfaces créées par ablation laser est complexe.
Par conséquent, il demeure un besoin, en vue de l'élaboration de cellules à forte tension de circuit ouvert pour des applications photovoltaïques, de réaliser des plaquettes de silicium divisées en zones actives, séparées entre elles par des zones d'isolation électrique.
La présente invention vise précisément à proposer un nouveau substrat à base de silicium, divisé verticalement en plusieurs sous-cellules isolées les unes des autres par des zones d'isolation électrique, garantissant une bonne passivation aux interfaces entre zone active et zone d'isolation, ainsi qu'un procédé pour accéder à un tel substrat.
Plus précisément, la présente invention concerne, selon un premier de ses aspects, un substrat composite à base de silicium, présentant, dans un plan vertical de coupe, des zones actives de silicium dopé p et/ou dopé n, chacune des zones actives s'étendant sur toute l'épaisseur du substrat, deux zones actives étant séparées entre elles par au moins une zone d'isolation électrique, ladite zone d'isolation électrique étant formée d'un feuillard en carbure de silicium, brasé entre deux couches de carbure de silicium adjacentes auxdites zones actives, par des joints de brasure à base de silicium et d'un ou plusieurs métaux d'apport choisis parmi le nickel, le fer, le cuivre et le praséodyme.
Dans la suite du texte, et sauf indication contraire, le substrat est caractérisé lorsqu'il est observé dans sa position horizontale. Autrement dit, le substrat s'étend selon au moins une direction normale à la direction verticale. Ainsi, en particulier, le substrat selon l'invention est défini comme étant divisé verticalement en différentes zones actives, dans un plan vertical de coupe du substrat positionné horizontalement.
Par « zone active », on entend une zone apte à la mise en œuvre de l'effet photovoltaïque. Il s'agit d'une zone de silicium dopé p ou dopé n.
Par « zone d'isolation électrique », on entend une zone du substrat présentent une forte résistivité électrique, en particulier supérieure ou égale à 2 kQ.cm et avantageusement supérieure ou égale à 10 kQ.cm. On désignera plus simplement, dans la suite du texte, ces zones sous les appellations « zones d'isolation » ou « zones isolantes ».
Selon un autre de ses aspects, la présente invention propose un procédé permettant d'accéder, de manière aisée, à un tel substrat, via la découpe d'une brique préalablement formée par assemblage de tranches de silicium dopé n et/ou dopé p, après création entre lesdites tranches de couches isolantes.
La présente invention concerne ainsi un procédé de préparation d'un substrat composite à base de silicium, par découpe d'une brique présentant, dans au moins un plan de coupe, des couches actives de silicium dopé p et/ou dopé n séparées entre elles par des couches d'isolation électrique, comprenant au moins les étapes consistant en :
(a) disposer de tranches de silicium dopé n et/ou p, lesdites tranches étant destinées à former, par assemblage et après création des couches d'isolation électrique, ladite brique souhaitée ;
(b) former, en surface de chacune des faces des tranches destinées à être assemblées, une couche de carbure de silicium (SiC) d'épaisseur supérieure ou égale à 5 μιη ;
(c) intercaler un feuillard en carbure de silicium entre les faces carburées des tranches à assembler, et assembler l'ensemble par brasage à l'aide d'un alliage de brasage comprenant du silicium et un ou plusieurs métaux d'apport choisis parmi le nickel, le fer, le cuivre et le praséodyme ; et (d) découper ladite brique obtenue à l'issue de l'assemblage des tranches en étape (c), perpendiculairement aux plans d'assemblage, pour obtenir ledit substrat souhaité.
On parlera indifféremment dans la suite du texte de « tranches » ou « slabs » de silicium.
De manière avantageuse, ce procédé permet, par assemblage des tranches de silicium dopé n ou p après création des couches isolantes, de maîtriser avec précision la taille des zones actives n et/ou p, ainsi que la taille des zones d'isolation électrique, dans le substrat de silicium formé.
Egalement, il est possible selon l'invention, comme développé dans la suite du texte, de réaliser des structures bidimensionnelles, par exemple avec une disposition des zones actives en damier, ce qui permet avantageusement d'accroître encore le nombre de sous-cellules dans la cellule PV qui sera formée à partir du substrat.
Selon encore un autre de ses aspects, la présente invention concerne un dispositif photovoltaïque, en particulier une cellule photovoltaïque, comportant un substrat composite à base de silicium tel que défini précédemment.
Elle concerne encore l'utilisation d'un substrat composite à base de silicium tel que défini précédemment pour former un dispositif photovoltaïque, en particulier une cellule photovoltaïque.
Les cellules photovoltaïques élaborées à partir d'un substrat composite selon l'invention, divisées en une pluralité de sous-cellules de tailles contrôlées, permettent avantageusement de produire des modules PV présentant une tension de circuit ouvert accrue, tout en conservant une taille raisonnable standard de l'ordre du m2.
D'autres caractéristiques, avantages et modes d'application du substrat selon l'invention, et du procédé pour sa préparation, ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée qui va suivre, de l'exemple de réalisation de l'invention et à l'examen des dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 représente, de manière schématique, dans un plan vertical de coupe, la structure d'un substrat composite (1) conforme à l'invention, présentant quatre zones actives (10) séparées entre elles par des zones d'isolation électrique (20) ;
- la fi ure 2 représente, en vue de dessus, l'agencement des zones actives (10) suivant un motif de type damier dans un substrat, selon un mode de réalisation particulier de l'invention ; - la figure 3 représente, de manière schématique, les différentes étapes d'un procédé de préparation d'un substrat composite conforme à l'invention.
Il convient de noter que, pour des raisons de clarté, les différents éléments sur les figures sont représentés en échelle libre, les dimensions réelles des différentes parties n'étant pas respectées.
Dans la suite du texte, les expressions « compris entre ... et ... », « allant de ... à ... » et « variant de ... à ... » sont équivalentes et entendent signifier que les bornes sont incluses, sauf mention contraire.
Sauf indication contraire, l'expression « comportant/comprenant un(e) » doit être comprise comme « comportant/comprenant au moins un(e) ».
SUBSTRAT COMPOSITE
Il est fait référence, dans la description qui suit, à la figure 1 annexée.
Un substrat selon l'invention peut présenter une épaisseur (e) (considérée selon la direction verticale) allant de 100 à 500 μπι, en particulier de 150 à 300 μπι.
Selon un mode de réalisation particulier, un substrat selon l'invention peut présenter une longueur totale (L) allant de 10 à 30 cm, en particulier de 15 à 20 cm.
Comme évoqué précédemment, un substrat de silicium selon l'invention présente, dans un plan vertical de coupe, des zones actives (10) de silicium dopé p et/ou dopé n, s'étendant sur toute l'épaisseur (e) du substrat et séparées entre elles par des zones d'isolation électrique (20).
Un substrat selon l'invention peut par exemple comporter entre 2 et 100 zones actives, en particulier entre 5 et 10 zones actives.
Selon une première variante de réalisation, les zones actives (10) d'un substrat selon l'invention peuvent être de même conductivité électrique. Autrement dit, l'ensemble des zones actives du substrat sont dopées n, ou alternativement, l'ensemble des zones actives du substrat sont dopées p.
Selon une autre variante de réalisation, les zones actives (10) d'un substrat selon l'invention peuvent être de différentes conductivités électriques, de préférence de conductivités électriques alternées. Autrement dit, le substrat peut présenter une alternance de zones actives (10) dopées n et de zones actives (10) dopées p, une zone dopée n et une zone dopée p étant séparées entre elles par une zone isolante (20). Les zones en silicium dopé n peuvent comporter un ou plusieurs agents dopants de type n. Le ou lesdits agents dopants de type n peuvent être choisis parmi le phosphore (P), l'arsenic (As), l'antimoine (Sb), et leurs mélanges. De préférence, l'agent dopant de type n est le phosphore.
Le taux de dopage en agents dopants de type n, par exemple en phosphore, peut être supérieur ou égale à 1014 cm"3, en particulier compris entre 1014 à 5.1016 cm"3, encore plus particulièrement de 5.1014 à 5.1015 cm"3.
Les zones dopées n peuvent présenter, indépendamment les unes des autres, une densité de porteurs de charge de type électrons allant de 1014 à 2.1016 cm"3, en particulier de 5.1014 à 5.1015 cm"3.
Les zones en silicium dopé p peuvent comporter un ou plusieurs agents dopants de type p. Le ou lesdits agents dopants de type p peuvent être choisis parmi le bore (B), l'aluminium (Al), le gallium (Ga), l'indium (In), le zinc (Zn) et leurs mélanges. De préférence, l'agent dopant de type p est le bore.
Le taux de dopage en agents dopants de type p, par exemple en bore, peut être supérieur ou égale à 1014 cm"3, en particulier compris entre 1014 à 5.1016 cm"3, encore plus particulièrement de 5.1014 à 1016 cm"3.
Les zones dopées p peuvent présenter, indépendamment les unes des autres, une densité en porteurs de charge de type trous allant de 1014 à 2.1016 cm"3, en particulier de 5.1014 àl016 cm"3.
Les zones actives (10) du substrat selon l'invention peuvent présenter, indépendamment les unes des autres, une largeur (Li), dans le plan de coupe, allant de 1 mm à 10 cm, en particulier de 5 mm à 5 cm.
Par l'expression « indépendamment les unes des autres », on entend signifier que la largeur (Li) peut différer d'une zone active à une autre.
En particulier, la largeur des zones actives peut différer d'une zone active dopée n à une zone active dopée p, dans le cas d'un substrat présentant des zones actives de conductivité électrique alternée.
Dans ce dernier cas, les matériaux de type n étant généralement moins sensibles aux impuretés métalliques que les matériaux de type p, les courants photogénérés sont généralement plus élevés dans des zones dopées n que dans des zones dopées p. Ainsi, les largeurs des zones actives dopées p et dopées n peuvent être adaptées lors de la préparation du substrat, en vue notamment d'égaler au mieux ces courants dans le substrat de silicium final.
Comme évoqué précédemment, une zone d'isolation électrique (20) du substrat selon l'invention, séparant entre elles deux zones actives, est formée d'un feuillard (21) en carbure de silicium (SiC), brasé entre deux couches (22) de SiC adjacentes aux zones actives encadrant ladite zone d'isolation électrique.
Un feuillard en SiC, intégré dans une zone isolante, peut notamment présenter une épaisseur comprise entre 50 μπι et 5 mm, en particulier entre 250 μπι et 1 mm.
De préférence, le feuillard en SiC mis en œuvre présente une résistivité électrique élevée. Il peut par exemple présenter une résistivité électrique supérieure ou égale à 1 kQ.cm, en particulier supérieure ou égale à 5 kQ.cm. A titre d'exemple, on peut utiliser le feuillard commercialisé par la société Rohm and Haas sous la référence « High resistivity grade CVD silicon carbide ».
La mise en œuvre d'un tel feuillard en carbure de silicium permet d'assurer une bonne résistance d'isolement entre deux zones actives.
De préférence, lesdites couches de SiC (22), adjacentes à chacune des zones actives, présentent, indépendamment les unes des autres, une largeur (Lc), dans le plan de coupe, comprise entre 5 et 50 μπι, en particulier entre 10 et 20 μπι.
Les joints de brasure (23), qui assurent la cohésion entre le feuillard de silicium et les couches de SiC dans une zone isolante, sont à base de silicium et d'un ou plusieurs métaux d'apport choisis parmi le nickel, le fer, le cuivre et le praséodyme.
Comme détaillé dans la suite du texte, la nature des joints de brasure dans le substrat est susceptible de varier suivant l'application envisagée pour le substrat, notamment selon qu'il est destiné à être mis en œuvre dans une technologie basse température de type hétéroj onction, ou haute température de type homojonction, pour la réalisation d'une cellule photovoltaïque.
Selon une première variante de réalisation, les joints de brasure peuvent être formés de silicium et de nickel, de préférence avec une teneur atomique en silicium comprise entre 40 et 80 %, notamment entre 40 et 60 %.
Selon une autre variante de réalisation, les joints de brasure peuvent être formés de silicium et de cuivre, de préférence avec une teneur atomique en silicium compris entre 40 et 80 % atomique, notamment entre 40 et 60 %. L'utilisation, dans les joints de brasure présents dans un substrat selon l'invention, de métaux d'apport tels que le nickel ou le cuivre, n'était nullement évidente, au regard du fait que de tels éléments métalliques sont connus pour être particulièrement nocifs pour les propriétés photovoltaïque s des cellules PV.
Les joints de brasure peuvent présenter, indépendamment les uns des autres, une épaisseur (Lj) comprise entre 50 et 500 μπι, en particulier entre 100 et 250 μιη.
Les zones d'isolation électrique peuvent présenter, indépendamment les unes des autres, une largeur (L2), dans le plan de coupe, allant de 100 μιη à 5 mm, en particulier de 300 μπι à 1 mm.
En effet, une zone d'isolation électrique trop longue dans le substrat de silicium final est susceptible de conduire à une perte de matière active et donc une baisse du rendement énergétique au niveau de la cellule photovoltaïque et du module qui seront formés à partir de ce substrat. En revanche, une zone d'isolation électrique trop courte peut s'avérer insuffisante pour assurer une bonne isolation entre les zones actives dopées n et/ou p, ce qui peut également conduire à une baisse de rendement au niveau de la cellule PV qui sera formée à partir de ce substrat.
Les zones d'isolation électrique (20) présentent de préférence une résistivité supérieure ou égale à 2 kQ.cm, en particulier supérieure ou égale à 10 kQ.cm.
Selon un mode de réalisation particulier, les zones actives (10) du substrat selon l'invention peuvent être agencées de manière à former un motif bidimensionnel.
Par exemple, dans une vue de dessus du substrat (substrat observé suivant une direction verticale), la disposition desdites zones actives (10) peut former un motif de type damier. Le côté d'un carré (zones actives dopées p et/ou n) du damier peut être compris entre 1 mm et 10 cm, de préférence entre 5 mm et 5 cm. Dans le cadre de ce mode de réalisation particulier, les zones d'isolation électrique (20) forment alors le pourtour de chacune des zones actives. Cette configuration est par exemple représentée en figure 2.
Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée à une telle disposition ; différentes configurations, permettant un pavage compact de l'espace, autres qu'un motif damier, peuvent être envisagées dans le cadre de la présente invention (par exemple motifs rectangulaires, polygonaux, etc.). FABRICATION DU SUBSTRAT
Comme évoqué précédemment, un substrat composite (1) selon l'invention peut être obtenu par découpe d'une brique présentant, dans au moins un plan de coupe, un empilement de couches actives de silicium dopé p et/ou dopé n séparées entre elles par des couches d'isolation électrique, ladite brique étant préalablement élaborée par assemblage de tranches de silicium dopé n et/ou p après création des couches intermédiaires d'isolation électrique.
Il est fait référence dans la description qui suit à la figure 3 annexée.
Plus particulièrement, un substrat composite à base de silicium (1) selon l'invention peut être formé via au moins les étapes consistant en :
(a) disposer de tranches (110) de silicium dopé n et/ou p, lesdites tranches étant destinées à former, par assemblage et après création des couches d'isolation électrique, ladite brique (100) souhaitée ;
(b) former, en surface de chacune des faces des tranches (110) destinées à être assemblées, une couche (220) de carbure de silicium (SiC) d'épaisseur supérieure ou égale à 5 μπι ;
(c) intercaler un feuillard (210) en carbure de silicium entre les faces carburées des tranches à assembler, et assembler l'ensemble par brasage à l'aide d'un alliage de brasage comprenant du silicium et un ou plusieurs métaux d'apport choisis parmi le nickel, le fer, le cuivre et le praséodyme ; et
(d) découper ladite brique (100) obtenue à l'issue de l'assemblage des tranches en étape (c), perpendiculairement aux plans d'assemblage (110) et (220), pour obtenir ledit substrat (1) souhaité.
Bien entendu, la nature, le nombre et les dimensions, notamment l'épaisseur, des tranches (ou « slabs ») de silicium mises en œuvre en étape (a) sont ajustés au regard de la brique souhaitée, et plus particulièrement au regard de la structure du substrat que l'on souhaite former, notamment du nombre et de la dimension des zones actives souhaitées.
Dans un mode de réalisation particulier, dans le cas où l'on souhaite former un substrat composite comportant des zones actives de même conductivité (dopées n ou dopées p), les slabs de silicium en étape (a) peuvent être avantageusement issus de la découpe d'une brique (4) en silicium (dopé n ou dopé p). Cette brique est désignée par la suite comme « brique de départ » pour la distinguer de la brique (100), dite « brique finale », reconstituée par assemblage des slabs à l'issue de l'étape (c).
La brique de départ en silicium dopé n ou dopé p peut être issue de la découpe d'un lingot de silicium monocristallin formé, selon des techniques connues de l'homme du métier, par solidification dirigée, par exemple par une méthode de tirage telle que la méthode de tirage Czochralski ou la méthode dite de Bridgman, ou encore par une méthode de refroidissement sous gradient, encore connue sous l'appellation « gradient fireeze » en langue anglaise.
De préférence, les tranches (110) de silicium sont obtenues par découpe de la brique de départ, parallèlement à la direction de croissance du lingot. Une telle orientation de découpe permet avantageusement de s'affranchir des problèmes de ségrégation des dopants et impuretés du lingot.
Alternativement, dans le cas où l'on souhaite former un substrat présentant à la fois des zones actives dopées n et des zones actives dopées p, les tranches de silicium mises en œuvre en étape (a) du procédé de l'invention peuvent être issues de la découpe de deux briques distinctes de conductivité électrique opposée.
Les couches de SiC peuvent être formées en étape (b) uniquement sur la ou les face(s) des tranches destinée(s) à être en regard d'une autre tranche de silicium dans la brique finale.
L'homme du métier est à même de mettre en œuvre en étape (b) des techniques connues pour former, en surface des faces des tranches, les couches de carbure de silicium d'épaisseur souhaitée.
Les couches de SiC peuvent être par exemple élaborées par dépôt chimique en phase vapeur (connu sous l'abréviation CVD ou « Chemical Vapor Déposition » en langue anglaise), selon toute méthode connue de l'homme du métier. Le dépôt par CVD consiste, d'une manière générale, à la mise en phase vapeur d'un ou plusieurs précurseurs du ou des éléments (dans le cas présent, un ou plusieurs précurseurs de Si et de C), suivi de la décomposition thermique des précurseurs sur le substrat pour former la couche souhaitée.
II relève des compétences de l'homme du métier d'ajuster les conditions du dépôt chimique en phase vapeur, en particulier en termes de température et de durée, pour la formation de la couche de SiC souhaitée. Le dépôt par CVD peut être par exemple opéré à une température comprise entre 1 000 et 1 400°C, en particulier entre 1 100 et 1 300°C.
Selon un mode de réalisation particulier, une couche de SiC peut être réalisée via les deux étapes suivantes :
(i) carburation du silicium en surface de la tranche à revêtir par dépôt chimique en phase vapeur à partir d'un précurseur carboné.
Le précurseur carboné peut être par exemple du méthane ou propane. Une telle étape permet de former en surface des tranches à assembler une couche fine de SiC d'épaisseur comprise entre 200 et 1 000 nm.
(ii) croissance de la sous-couche de carbure de silicium formée en étape (i), par dépôt chimique en phase vapeur à partir du mélange d'un précurseur carboné et d'un précurseur contenant du silicium pour former ladite couche de SiC attendue.
Le précurseur contenant du silicium peut être par exemple du silane.
Alternativement, une couche (220) de SiC peut être réalisée par dépôt chimique en phase vapeur à partir d'un précurseur contenant à la fois du silicium et du carbone, comme par exemple du triméthylsilane.
De préférence, les couches de SiC formées en surface des tranches à assembler présentent, indépendamment les unes des autres, une épaisseur (Lc) comprise entre 5 et 50 μπι, en particulier entre 10 et 20 μπι.
On désigne, par la suite, la face d'une tranche revêtue par une couche de SiC, par « face carburée ».
Dans une troisième étape (c) du procédé de l'invention, un feuillard en SiC, en particulier tel que décrit précédemment, est brasé entre les faces carburées de deux tranches à assembler.
L'assemblage de l'ensemble des tranches de silicium selon l'étape (c) permet ainsi de constituer la brique (100) souhaitée.
Selon un mode de réalisation particulier, comme décrit en exemple 1 et illustré en figure 3, la brique (100) peut être simplement (re)constituée en empilant des tranches carburées les unes sur les autres, avec des feuillards de SiC brasés entre deux tranches successives.
D'une manière générale, l'assemblage par brasage consiste à mettre en contact les pièces à assembler (tranches de silicium carburées, feuillard en SiC) avec une composition de brasage, appelée brasure, capable de mouiller et de s'étaler sur les interfaces à assembler pour remplir le joint entre les pièces, à chauffer l'ensemble formé par les pièces et la composition de brasure à une température de brasage suffisante pour faire fondre la composition de brasure. Après refroidissement, la brasure se solidifie et assure la cohésion de l'assemblage.
Le brasage peut être effectué selon des techniques connues de l'homme du métier, par exemple rappelées dans le document FR 2 949 696.
Le brasage selon l'invention peut être par exemple effectué en « configuration capillaire », avec une infiltration de la brasure liquide dans le joint de brasage pendant le cycle de brasage.
Le brasage peut être opéré dans un four, en particulier sous vide et plus particulièrement sous vide secondaire (pression de 10"3 à 10"5 Pa).
Il relève des connaissances générales de l'homme du métier d'ajuster les conditions de mise en œuvre du brasage, notamment en termes de durée et de température, pour obtenir une bonne adhérence entre les pièces à assembler.
Comme précisé précédemment, la composition de brasure mise en œuvre est un alliage contenant du silicium et un ou plusieurs métaux d'apport. Les métaux d'apport sont choisis parmi le nickel, le fer, le cuivre, le praséodyme et leurs mélanges.
De tels alliages de brasure permettent avantageusement d'opérer le brasage dans des conditions, notamment de température, adéquates pour limiter, voire s'affranchir du risque de solubilisation du carbone, des couches microniques de SiC formées en surface des tranches, dans l'alliage de brasage, ce qui pourrait conduire à une délamination des couches déposées.
Une limitation de la température de brasage permet également d'éviter la diffusion des métaux contenus dans l'alliage de brasure, ces éléments métalliques pouvant être préjudiciables pour les propriétés photovoltaïques de par leur action en matière de recombinaison des porteurs de charge minoritaires.
De manière avantageuse, le brasage à l'aide d'un alliage de brasure selon l'invention peut être réalisé à une température ne dépassant pas 1 300°C, en particulier comprise entre 500 et 1 300°C, plus particulièrement entre 900 et 1 200°C. La durée du brasage peut aller de 30 minutes à 4 heures, notamment de 1 heure à 3 heures.
Comme évoqué précédemment, la composition de l'alliage de brasage mis en œuvre dans le procédé de l'invention peut être ajustée au regard de l'application envisagée pour le substrat, notamment selon qu'il est destiné à être mis en œuvre dans une technologie basse température de type hétéroj onction, ou haute température de type homojonction, pour la réalisation d'une cellule photovoltaïque.
Ainsi, dans le cas où le substrat composite de l'invention est destiné à être mis en œuvre dans une technologie dite « haute température », de type homojonction, pour l'élaboration d'une cellule photovoltaïque, il convient que les joints de brasure présentent une tenue mécanique et une étanchéité satisfaisantes, même lorsqu'ils sont portés à des hautes températures, en particulier à des températures supérieures à 800°C, de préférence supérieures à 900°C.
Dans le cadre de cette variante de réalisation, l'alliage de brasage mis en œuvre en étape (c) présente de préférence une température de fusion supérieure ou égale à 900°C, en particulier supérieure ou égale à 1 000°C.
La mise en œuvre d'un tel alliage de brasage autorise avantageusement l'utilisation du substrat final selon l'invention dans tout type de procédé pour la réalisation d'une cellule PV, qu'il s'agisse d'une technologie basse température, de type hétéroj onction, ou haute température, de type homojonction.
Dans un mode de réalisation particulièrement préféré, l'alliage de brasage utilisé en étape (c) peut être un alliage binaire constitué de silicium et de nickel. De préférence, cet alliage binaire comporte une teneur en silicium comprise entre 40 et 80 % atomique, et plus préférentiellement comprise entre 40 et 60 % atomique.
Selon une autre variante de réalisation, dans le cas où le substrat composite de l'invention est uniquement destiné à être utilisé dans une technologie dite « basse température », de type hétéroj onction, pour l'élaboration d'une cellule PV, il suffit que l'alliage de brasage présente une température de fusion supérieure ou égale à 500°C.
Dans un mode de réalisation particulièrement préféré, l'alliage de brasage utilisé en étape (c) peut être un alliage binaire constitué de silicium et de cuivre. De préférence, cet alliage binaire comporte une teneur en silicium comprise entre 40 et 80 % atomique, en particulier entre 40 et 60 % atomique.
La brique finale ainsi obtenue à l'issue de l'étape (c), présentant dans au moins un plan de coupe, un empilement de couches actives de silicium dopé p et/ou dopé n séparées entre elles par des couches d'isolation électrique, est ensuite découpée, selon une direction de découpe parallèle à la direction (I) d'empilement desdites couches, comme représenté schématiquement en figure 3c, pour obtenir le substrat souhaité. Cette découpe peut être opérée par toute méthode classique connue de l'homme du métier, par exemple à l'aide d'une scie à fil de diamant ou encore en utilisant des grains de SiC comme abrasifs.
Les dimensions de la tranche découpée sont bien entendu choisies au regard des dimensions du substrat de silicium souhaité, en particulier de son épaisseur (e) et de sa longueur (L).
Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée à la variante illustrée en figure 3, dans laquelle la brique (100) est formée par simple empilement de tranches de silicium après création des couches intermédiaires d'isolation électrique. Il est entendu que l'homme du métier est à même de mettre en œuvre des assemblages plus complexes des slabs de silicium, en vue d'obtenir, via l'une ou l'autre des variantes décrites précédemment, les substrats de silicium souhaités.
Par exemple, dans le cadre de l'élaboration d'un substrat de silicium présentant des zones actives agencées selon un motif bidimensionnel de type damier, comme évoqué précédemment, il est entendu que les slabs de silicium sont alors assemblés suivant deux directions perpendiculaires d'empilement, pour former une brique adéquate qui fournira par découpe un tel substrat. DISPOSITIFS PHOTO VOLTAIOUES
L'invention concerne encore, selon un autre de ses aspects, un dispositif photovoltaïque, en particulier une cellule photovoltaïque ou un module photovoltaïque, comportant au moins un substrat composite à base de silicium selon l'invention.
Elle vise également l'utilisation d'un substrat composite à base de silicium selon l'invention pour élaborer un dispositif photovoltaïque, en particulier une cellule photovoltaïque ou un module photovoltaïque.
L'homme du métier est à même de mettre en œuvre les traitements adéquats classiques, pour l'élaboration d'une cellule photovoltaïque (PV), à partir d'un substrat selon l'invention.
Comme évoqué précédemment, un substrat selon l'invention peut être mis en œuvre dans tout type de procédé pour la réalisation d'une cellule PV, par exemple dans des technologies dites « basse température » de type hétéroj onction, des technologies « haute température » de type homojonction, ou des technologies de cellules PV à contacts arrière, etc ..
L'élaboration d'une cellule PV comprend en particulier la réalisation au sein de chaque zone active n ou p de jonctions p/n, puis la formation de contacts pour assurer la mise en série des différentes sous-cellules formées, les zones d'isolation électrique étant destinées à réaliser une isolation électrique entre deux sous-cellules.
Une cellule PV, élaborée à partir d'un substrat composite selon l'invention, est ainsi subdivisée en plusieurs sous-cellules de plus petite taille. De telles cellules PV permettent avantageusement de produire un niveau de tension élevé, tout en débitant moins de courant.
Les cellules PV obtenues selon l'invention peuvent alors être assemblées pour élaborer un module photovoltaïque de taille raisonnable, classiquement de dimension de l'ordre du m2, et présentant une tension accrue par rapport aux modules élaborés à partir de cellules classiques.
Selon encore un autre de ses aspects, l'invention concerne ainsi un module photovoltaïque formé d'un ensemble de cellules photovoltaïques selon l'invention.
L'invention va maintenant être décrite au moyen de l'exemple suivant, donné bien entendu à titre illustratif et non limitatif de l'invention.
EXEMPLE
(a) Tranches de silicium
Une brique de silicium (4) dopé au bore à 1016 atm/cm3, de 156 x 156 mm2 de base et de 250 mm de haut, est découpée en 6 tranches (110), encore appelées « slabs », d'environ 25 mm de largeur (Figure 3a).
(b) Couches de SiC
Une couche de SiC (220) de 10 μιη d'épaisseur est formée par CVD sur les faces des slabs destinées à être réassemblées (Figure 3b).
Cette couche est réalisée en deux étapes selon des techniques connues de l'homme de l'art : on utilise d'abord un précurseur propane à 1 200°C pendant 30 minutes pour former une sous-couche d'environ 500 nm d'épaisseur, puis on injecte un précurseur triméthylsilane pendant 2 heures toujours à 1 200°C. (c) Assemblage par brasage
Les slabs carburés sont brasés sur un feuillard de SiC (210) de 500 μιη d'épaisseur et de haute résistivité (commercialisé par Rohm and Haas sous la référence « High resistivity grade CVD silicon carbide »).
Pour la brasure, on utilise un alliage de composition équimolaire en nickel et silicium. Le brasage est réalisé par infiltration capillaire selon des techniques connues de l'homme du métier à une température de 1 100°C sous vide secondaire.
La durée du procédé, limitée en pratique par la désoxydation du SiC, est de deux heures.
Les faces des slabs et du feuillard de SiC n'étant par rigoureusement parallèles (tolérances du procédé de découpe au fil et d'élaboration du feuillard), l'épaisseur des joints de brasure (230) est variable entre 100 et 250 μπι.
A l'issue de ce traitement, la brique (100) reconstituée peut être manipulée
(Figure 3 c).
(d) Découpe de la brique
La brique (100) formée par assemblage est découpée en wafers d'épaisseur de 200 μπι dans un dispositif industriel (machine B5 de la société Applied Materials).
Les wafers obtenus comprennent 6 zones actives, séparées entre elles par des zones d'isolation électrique de 600 à 900 μπι de largeur (Figure 3d).
Références :
[1] Pozner et al, Progress in Photovoltaics 20 (2012), 197 ;
[2] Mewe et al, Silicon PV Conférence, March 25-27, 2013, XIS: A Low- Current, High- Voltage Back-Junction Back-Contact Device, Energy Procedia (2013).

Claims

REVENDICATIONS
1. Substrat composite (1) à base de silicium, présentant, dans un plan vertical de coupe, des zones actives (10) de silicium dopé p et/ou dopé n, chacune des zones actives s'étendant sur toute l'épaisseur (e) du substrat, deux zones actives étant séparées entre elles par au moins une zone d'isolation électrique (20),
ladite zone d'isolation électrique (20) étant formée d'un feuillard en carbure de silicium (21), brasé entre deux couches (22) de carbure de silicium adjacentes auxdites zones actives, par des joints de brasure (23) à base de silicium et d'un ou plusieurs métaux d'apport choisis parmi le nickel, le fer, le cuivre et le praséodyme.
2. Substrat selon la revendication précédente, dans lequel lesdites zones actives (10) présentent, indépendamment les unes des autres, une largeur (Li) comprise entre 1 mm et 10 cm, en particulier entre 5 mm et 5 cm.
3. Substrat selon la revendication 1 ou 2, dans lequel chacune des zones d'isolation électrique (20) présente une largeur (L2) comprise entre 100 μιη et 5 mm, en particulier entre 300 μιη et 1 mm.
4. Substrat selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la disposition desdites zones actives (10) dans le substrat, observé suivant une direction verticale, forme un motif bidimensionnel, en particulier de type damier, avec le côté d'un carré étant plus particulièrement compris entre 1 mm et 10 cm, notamment entre 5 mm et 5 cm, lesdites zones d'isolation électrique (20) formant le pourtour de chacune des zones actives.
5. Substrat selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les joints de brasure (23) sont à base de silicium et de cuivre, en particulier avec une teneur atomique en silicium comprise entre 40 et 80 %, notamment entre 40 et 60 %.
6. Substrat selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lesdites couches (22) à base de SiC présentent, indépendamment les unes des autres, une largeur (Lc) comprise entre 5 et 50 μιτι, en particulier entre 10 et 20 μιη.
7. Procédé de préparation d'un substrat composite (1) à base de silicium, par découpe d'une brique (100) présentant, dans au moins un plan de coupe, des couches actives (1 10) de silicium dopé p et/ou dopé n séparées entre elles par des couches d'isolation électrique (200), comprenant au moins les étapes consistant en : (a) disposer de tranches de silicium (110) dopé n et/ou p, lesdites tranches étant destinées à former, par assemblage et après création des couches d'isolation électrique, ladite brique (100) souhaitée ;
(b) former, en surface de chacune des faces des tranches (110) destinées à être assemblées, une couche (220) de carbure de silicium (SiC) d'épaisseur supérieure ou égale à 5 μπι ;
(c) intercaler un feuillard (210) en carbure de silicium entre les faces carburées des tranches à assembler, et assembler l'ensemble par brasage à l'aide d'un alliage de brasage comprenant du silicium et un ou plusieurs métaux d'apport choisis parmi le nickel, le fer, le cuivre et le praséodyme ; et
(d) découper ladite brique (100) obtenue à l'issue de l'assemblage des tranches en étape (c), perpendiculairement aux plans d'assemblage, pour obtenir ledit substrat (1) souhaité.
8. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel ladite couche (220) de SiC formée en étape (b) présente une épaisseur (Lc) comprise entre 5 et 50 μπι, en particulier entre 10 et 20 μιη.
9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, dans lequel ladite couche (220) de SiC est formée en étape (b) par dépôt chimique en phase vapeur (CVD), opéré en particulier à une température comprise entre 1 000°C et 1 400°C.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, dans lequel le brasage en étape (c) est opéré à une température comprise entre 500 et 1 300°C, en particulier entre 900 et 1 200°C.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, dans lequel le brasage en étape (c) est opéré pendant une durée allant de 30 minutes à 4 heures, en particulier de 1 heure à 3 heures.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, dans lequel l'alliage de brasage est un alliage binaire constitué de silicium et de nickel, comportant en particulier une teneur en silicium comprise entre 40 et 80 % atomique, notamment entre 40 et 60 % atomique.
13. Dispositif photovoltaïque, en particulier cellule photovoltaïque, comportant un substrat composite à base de silicium tel que défini selon l'une quelconque des revendications 1 à 6.
14. Utilisation d'un substrat composite à base de silicium tel que défini selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 pour former un dispositif photovoltaïque, en particulier une cellule photovoltaïque.
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