Brevet FR2217808A1 — publié le 19761126

La présente invention est relative à des piles soldai res et concerne, plus particulierement la protection de la jonction p-n de la pile solaire lorsque des connexions sont réali sées entre des piles solaires pour en constituer un réseau, La pile solaire porte aussi le nom de pile photovol talquez cette dernière étant un dispositif qui est sensible à la lumière en créant une différence de potentiel entre deux bornes du dispositif en question. La pile solaire la plus courante actuellement utilisée est la pile au silicium, mais d'au- tres matières semi-conductrices conviennent également pour la réalisation de piles solaires. Les parties fondamentales d9une pile sont la matière semi-conductrice comportant une jonction p-n en dessous de la surface supérieure de la pile, une électrode supérieure et une électrode inférieure Liélectrode supérieure est toujours construite de manière à permettre à de la lumière de passer dans la pile à travers sa surface supérieure. De manière typique, l'é lectrode supérieure est formée d'un certain nombre de fins doigts métalliques connectés à une plage métallique plus grande La plage, telle que définie dans le présent mémoire, est la partie de l'électrode supérieure à laquelle se fixe -un dispos sitif de connexion externe.La connexion externe est nécessaire pour former des réseaux complets de piles solaires La plupart des piles solaires comportent également des revêtements antiréfléchissants qui couvrent au moins la partie de la surface supérieure qui n'est pas recouverte de l'électrode de supérieure. Le revêtement antiréfléchissant sert à empêcher un rayonnement utile d'être réfléchi par la surface de la cellule.Le brevet des E.U.A. n0 3 533 850 décrit un certain nombre de revêtements antiréfléchissants et de procédés associés de fabrication de piles comportant de tels rev#tements La revue et les demandes de brevet ci-dessus décrivent des revetew ments antiréfléchissants particuliers ainsi que des procédés de fabrication de piles solaires sont pourvues des revêtement antiréfléchissants en question 1. "Comsat Technical Review" vol 3, n0 2, 1973;; Il. demande de brevet français n0 74 04 320 déposée le 8.2.1974 Iii. demande de brevet français intitule "Procédé d'application d'une couche antiréfléchissante sur une pile photovoltaSque', déposé ce jour. La plupart des piles solaires actuelles comprennent également un filtre en quartz placé au-dessus du revêtement antiréfléchissant et de l'électrode supérieure. Le fIltre en quartz protège la pile de tout rayonnement nuisible0 Dans le passé 9 la plupart des réseaux de piles solaires destinés à être utilisés dans 19 espace 9 comme sur des satellites artificiels 9 étaient montés dans le corps du véhicule spatial.Bien que les réseaux montés dans le corps du véhicule spatial passaient à la portée et hors de portée des rayons so lairds. le corps du véhicule spatial en question empêchait le cycle thermique auquel les réseaux étaient soumis de provoquer la rupture ou la fatigue de la soudure qui était classiquement utilisée pour connecter les dispositifs de connexion aux plages, Plus récemment 9 on a utilisé des réseaux de piles solaires orientés vers le soleil, C2est-à-dire que plutôt que autre montés directement dans le corps du véhicule, ces réseaux ont été montés sur des ailes ou des volets qui s'écartent du corps'du véhicule et qu orientent les réseaux de piles vers le soleil, Bien que l'orientation vers le soleil des réseaux de piles présente des avantages évidents, l'un des désavantages des réseaux orientés vers le soleil réside dans le fait que le brasage ne convient plus pour connecter les dispositifs de connexion aux plages. Le cycle thermique auquel les réseaux orientés vers le soleil sont soumis est si important que la soudure cède. Pour apporter une solution au problème précité, le brasage a été abandonné et des procédés d'assemblage, comme la soudure et l'assemblage par compression thermique ont été mis en oeuvre pour fixer les dispositifs de connexion aux plages. Le problème que pose ces procédés d'assemblage réside dans l'introduction d'une pression mécanique et d'importantes quan futés de chaleur dans la cellule à l'endroit dgia plage. Cela tend à détruire localement la jonction p-n en dessous de la plage donnant une courbe I-V pour les piles, quin9est pas aussi aigu qu'elle pourrait leetrQiutrementO On peut également utiliser un assemblage par ultra-sons mais il pose le même problème que leassemblage par soudure et compression thermique. Le problème est encore plus aigu Qorsqutil a trait à une pile solaire à haut rendement particulièrement préférée du type décrit dans la demande de brevet français n0 72 33 669 dans la pile solaire à géométrie fine, le modèle d'électrode améliorez permet de pla cer la jonction p-n beaucoup plus près de la surface qu'rl n était possible dans les piles de la technique antérieure, avec comme résultat un accroissement du rendement global .Cependant, ces piles en raison de la proximité de la jonction p-n de la surface, sont meme plus susceptibles encore de subir une destruction locale de la Jonction pzn située en dessous de la plage au cours de 1 r assemblage que les piles de la technique ante- rieur Conformément à la présente invention, on pallie les défauts des piles de la technique antérieure par l'incorpora tion à ces piles d'un tampon en dessous de la plage de l9élec- trode supérieure.Le-tampon possède une médiocre conductibilité thermique est dur et adhère au métal de l'électrode et à la surface du semi-conducteur Au cours de làssemblage9 le tam pon empêche le transfert de quantités destructrices de chaleur et de pression mécanique à la jonction p-n sous-jacente Selon une forme de réalisation particulière de la pile conforme à l#invention, le tampon est constitué de la même matière que celle qui forme le revêtement antiréfléchissant Selon une autre forme de réalisation particulière de la pile conforme à l'invention, le tampon et le revêtement antiréfléchissant sont réalisés dans la pile au cours de la même étape de fabrication Les dessins ci-annexés illustrent des formes de réalisation d'une pile solaire conforme a l-#-nvention ainsi que des modes de mise en oeuvre de sa fabrication, Dans ces dessins - la figure 1 est une vue en perspective d'une forme de réalisation préférée d'une pile conforme à l'invention; - la figure 2 est une vue en coupe transversale de la pile représentée sur la figure 19 prise le long de la ligne 2-2; - la figure 3 est une vue en coupe transversale de la pile représentée sur la figure 1 prise le long de la ligne 3-3; ; - les figures 4A - 4F sont des vues latérales d'une pile solaire à divers stades d'achèvement fabriquée selon un premier procédé conforme à l'invention; et - les figures SA - 5F sont des vues latérales d'une pile solaire à divers stades d'achèvement, fabriquées selon un second procédé conforme à l'irwention La pile solaire particulière illustrée sur les figures 19 2 et 3 est du même type, à 11 exception du tampon supplémen taire que la pile solaire à géométrie fine décrite dans le brevet belge précité Cependant, il faut comprendre que la présente invention 5 9 appllque également à d'autres types de piles solaires Au surplus5 dans la forme de réalisation de la pile solaire représentée sur les figures 19 2 et 3, le tampon est supposé être fcrmé de la même matière que le revêtement antiréfléchissant, mais cette caractéristique n'est pas nécessaire et l'invention ny est par conséquent nullement limitée La pile solaire est constituée du semi-conducteur 10 comportant une partie 12 du type p et une partie 14 du type n définissant une Jonction p-n 160 Une électrode supérieure en métal unitaire comportant des doigts minces 18, des doigts plus larges 20 et des plages 22 est déposée sur la surface supérieure du semi-conducteur 10 Selon une forme de réalisation préférée de la pile solaire conforme à l'invention, le semi-conducteur est en silicium et électrode est obtenue par dépôt d'or et de chrome.Un revêtement antiréfléchissant 24, comme du Nb205 ou du Ta205 amorphe, couvre toutes les parties de la surface de silicium non recouverte par l'électrode supérieure9 Un tampon de matière 26 apparat sous les plages 22 de l'électrode. Le tampon est en une matière relativement dure possédant une médiocre conductibilité thermique et s conformément à une forme de réalisation spécifique de la pile conforme à lvin- vention, la matière du tampon est la même que celle constituant le revêtement antiréfléchissant. Par exemple, le tampon peut être constitué de Nb205 ou de Ta205 amorphe, le pentoxyde de tantale étant la matière préférée.Une autre matière convenant à la fois pour la réalisation du tampon et du revêtement antiréfléchissant est le Tir,, On voit sur les dessins que le tampon se loge seulement sous la partie centrale des plages 22 et que les bords des plages chevauchent et touchent la surface de silicium, Cette caractéristique particulière est sans importance, Le point important réside dans le lait que le tampon 26 se trouve en dessous de la plage 22; la plage en question étant définie comme étant la partie de l'électrode supérieure à laquelle on doit fixer le dispositif de connexion des piles entre elles. Un filtre de quartz 28 empêche tout rayonnement nuisible dvatteindre la pile et la pile en question comprend également une électrode inférieure, non représentée, à la surface inférieure de la couche 12 du semi-conducteur 10 le revêtement antiréfléchissant ne doit pas se limiter aux seules surfaces non recouvertes par l'électrode et peut tout aussi ber recouvrir l'électrode en qzlesticn. Au surplus, comme cn l'indiquera dans la suite du présent mémoire l'électrode peut comprendre une couche diun métal élémentaire dont loxyde forme le revêtement antiréfléchissant et le tampon9 en dessous de toutes les parties de l'électrode à l'exception des plages. Les figures 4A à 4F illustrent divers stades par lesquels la pile passe au cours de sa fabrication conformément à un mode de réalisation préféré du procédé selon l'invention. En se référant en premier lieu à la figure 4A, on voit qu'une matière semi-conductrice 40y de préférence en silicium9 contient une jonction p-n 48. La jonction peut etre obtenue selon des techniques classiques Une technique particulièrement pré férée pour obtenir la jonction p-n est celle décrite dans la demande de brevet français n0 74 04 438 déposée le 11.2.1974 On réalise un modèle en matériau photosensible 46 à la surface de silicium Le modèle est identique au modèle de l'électrode par exemple l'électrode représentée sur la figure 19 à une importante exception près Le modèle en matériau photosensible ne comprend pas de matériau photosensible aux posi tions correspondant aux plages de lfélectrodesOLe modèle sou- haité peut être créé en utilisant des techniques photolithogra- phlques classiques couramment mises en oeuvre dans l'art de fabrication des semi-conducteurs Des techniques photolitho-- graphiques spécifiques peuvent se lire dans Comsat Technical Review", vol 3 n 2 1973. ainsi que dans les demandes de brevet français précitées, déposées respectivement le 8.2.1974 et ce jour. Dans le cas présent la différence avec la technique exposée dans la revue précitée ainsi que dans les deux demandes de brevet en question réside dans le modèle du masque à travers lequel on expose le matériau photosensible . Pour la photolithographie à exposition positive le modèle opaque du masque est tel que décrit plus haut c'est-à-dire identique au modèle de électro de à la seule exception susmentionnée près, Ensuite comme le montre la figure 4B9 une couche de métal élémentaire 50 est déposée sous vide à la surface de la pile Le métal en question peut être n'importe quel métal convenant à la réalisation du revetement antirêfléchîssant et du tampon .Comme exemples de métaux préférés, on peut citer les suivants Ta, Nb et Ti La couche de métal élémentaire peut etre déposée selon des techniques évaporatîon à faisceau d'électron. Une épaisseur d'environ 200 par exemple convient parfaitement bien, Par mise en oeuvre de techniques photolithographiques "à retrait" on enlève le matériau photosensible résiduel 46 et le métal recouvrant le matériau photosensible La couche de métal subsistant après l'enlèvement au retrait est d'un modèle qui constitue un négatif du modèle en matériau photosensible représenté sur la figure 4A. Le métal est ensuite oxydé de manière à engendrer, par exemple, du Ta205, du Nb205 ou du Ti02. Ceci peut se réaliser par oxydation thermique ou par oxydation anodique On connatt parfaitement bien chacun de ces types d'oxydation Chaque type d'oxydation est également décrit dans la revue Comsat précitée Dans le cas du tantale et du niobium, la couche obte- nue sera principalement amorphe par opposition à l'état cristal;; lin, La couche de métal oxydé est représentée par/la notation de référence 52 sur la figure 4C Le modèle d'oxyde est recouvert d'un autre matériau photosensible qui est exposé à de la lumière ultraviolette à travers un autre masque Le masque est un négatif du modèle de l électrode de métal, Cela revient à dire que la partie transparente du masque est du même modèle que l'électrode de métal, Le matériau photosensible exposé est développé et enlevé, selon des techniques classiques . en laissant subsister un modèle de matériau photosensible 549 comme représenté sur la figure 4D, Le matériau photosensible recouvre la totalité de l'oxyde, à exception de la partie de dioxyde qui se trouvera en dessous de la ou des plages de l'électrode, Une couche de métal, par exemple dGor et de chrome, est déposée de la manière représentée en 56 sur la figure 4E Le dépôt de la couche de métal peut s'effectuer selon n'importe quel procédé classique Des détails concernant le dépôt de cette couche de métal peuvent se lire dans la revue précitée ainsi que dans les demandes de brevet français précitées, déposées res pectivement le 8.2.1974 et ce jour. En mettant en oeuvre des techniques photolithographiques "à retrait" classiques, on enlève le matériau photosensi ble résiduel 54 et les fractions de a couche de métal se trouvant au#dessus du matériau photosens-ible 54 de fanon à obtenir une structure de pile comme celle représentée sur la figure 4F Cette structure comprend une électrode 56 du modèle souhaité, un revêtement antiréfléchissant. 52. par exemple en Ta205, Nb205 ou Tio2, recouvrant toutes les surfaces non couvertes par l'élec- trode et un tampon 52' de la même composivion que celle du revêtement antiréfléchissant en dessous de la ou-des plages de l'électrode Un autre procédé de fabrication diune pile solaire conforme à l'invention est représentée sur les figures 5A ~ 5F. Conformément à ce procédé, le tampon est fabriqué séparément du revêtement antiréfléchissant Par conséquent, le tampon ne doit pas être formé de la même matière que le revêtement antiréfléchissant mais il peut être constitué par une matière iden tiqueO-Ce procédé particulier, comportant en plus l'étape de formation du tampon, corrrespond au procédé préféré décrit dans la demande de brevet français précitée, déposée ce jour, Les étapes spécifiques du procédé peuvent être individuellement réalisées de manière identique à celles intervenant dans le procédé décrit plus haut0 La différence réside dans l'ordre de mise en oeuvre des étapes et dans le masque utilisé En se référant plus particulièrement à la figure 5A on voit que le semi-conducteur 20 comporte une jonction p-n On procède à la formation séparée du tampon Par exemple 9 Si le tampon doit être constitué de'Ta205 amorphes une couche de Ta est déposée par dépôt électronIque à travers une couche d'un matériau photosensible qui a été exposée, développée et enlevée dans la région du tampon Le matériau photosensible résiduel et le tantale qui le recouvre sont enlevés et le tantale résiduel est oxydé en Ta205 par oxydation thermique ou anodique On obtient ainsi le tampon 73 formé à llendrolt des plages de 19éiec- trode Ensuite, on dépose une couche complète de métal 74 sur le dispositif; comme représenté sur la figure 5E Le métal choix si est un métal qui peut être oxydé pour engendrer le revêtement antiréfléchissant A titre d'exemple, ce métal peut être en Ta, Nb ou Ti, La couche de métal 74 est ensuite recouverte d9un matériau photosensible qui est exposé à travers un masque d'un modèle ou motif transparent identique au modèle voulu de l'élec- trode Le matériau photosensible exposé est enlevé, en laissant subsister un modèle de matériau photosensible 7b qui est le négatif exact du modèle voulu électrode Ceci est illustré sur la figure 5C- Une couche de métal 78 qui doit former l'électrode est déposée sur le dispositif comme le représente la figure 5D. Ce métal est de préférence constitué d'or et de chrome0 Le matériau photosensible résiduel 76 et les parties de la couche de métal 78 qui recouvrent le matériau photosensible sont enlevés par des techniques photolithographiques ll# retrait, Le dispositif ainsi obtenu est représenté sur la figure 5E.Sur cette figure, l'électrode dor et de chrome a la forme du modèle voulu pour 19électrode mais pose sur une couche d'un métal conducteur9 par exemple du Ta, Au cours de l'étape suivante, le dispositif est soumis à une oxydation thermique ou anodique, Le métal 73, par exemple du Ta, du Nb ou du Ti, s'oxyde à l'endroit où IT n'est pas recouvert par le modèle d'électrode 78 Le métal 78 ne s'oxyde cependant pas Le métal élémentaire 74 subsistant après l'oxy- dation se trouve directement en dessous du modèle de chrome et d'or 78 et devient partie constitutive de l'électrode0 Le métal 74 qui a été oxydé en Ta2059 Nb205 ou TiO2 devient le revêtement antiréfléchissant 80 du dispositif, comme le montre la figure 5F. REVENDICATIONS 1.- Pile solaire comprenant un matériau semieconduc teur contenant une jonction pcn; une électrode reco'#vrant une partie de la surface supérieure de la pile et présentant une ou plusieurs plages pour la fixation deun dispositif de connexion de piles solaires entre elles et un revêtement antiréfléchis- sant recouvrant au moins les parties de la surface supérieure de la pile en question non couverte par électrode précitée, la pile solaire en question étant caractérisée par ltexistence d n un tampon thermiquement isolant sur la surface précitée en dessous de la ou des plages de l#électrode 2.- Pile solaire suivant la revendication 19 caractérisée en ce que le tampon et le revêtement antiréfléchissant sont constitués d'une matière identique. 3.- Pile solaire suivant l:une quelconque des revens dications précédentes, caractérisée en ce que la matière antiréfléchissante est constituée principalement de pentoxyde de tantale amorphe, de pentoxyde de niobium amorphe ou d'oxyde de titane. 40--Procédé de fabrication drune pile solaire comprenant la formation d'une jonction p-n dans une couche semi-conductrice sensiblement parallèle à la surface supérieure de la pile, la formation dune couche de matière antiréfléchissante à la surface supérieure en question, ladite couche possédant un modèle permettant l'exposition de régions de la surface supérieure précitées et le dépôt d'une électrode supérieure sur les régions exposées, caractérisé en ce que l'on dépose également l'électrode supérieure précitée sur au moins une région de la couche de matière antiréfléchissante en question, l'élec- trode déposée sur ladite région de la couche de matière antiréfléchissante précitée formant la plage de l'électrode concernée, 50- Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la couche de matière antiréfléchissante est principalement-constituée de pentoxyde de tantale amorphe4 de pentoxy de de niobium amorphe ou dioxyde de titane 6o Procédé suivant la revendication 4;; caractérisé en ce que l'étape de formation dune couche d'une matière antiréfléchissante comprend a) la formation d'un modèle en matériau photosensible sur la surface supérieure en questions le modèle étant identique au modèle de lwélectrode supérieure ultérieurement formée à exception que le modèle en matériau photosensible précité ne comporte pas de matériau photosensible aux endroits correspondants aux plages de l'électrode supérieure précitée;; b) le dépit dune couche de métal sur la surface su supérieure et le modèle en matériau photoconducteur précité9 ce métal étant le constituant métallique de la matière antiréflé chissante c) l'enlèvement bu modèle en matériau photosensible précité et du métal précité recouvrant directement le matériau photosensible en question9 d) l'oxydation du métal en un oxyde de métal, 7o Procédé suant la revendication 69 caractérisé en ce que le métal en question est le tantale ou le niobium et en ce que l'étape d'oxydation du métal s'effectue par oxydation anodique ou oxydation thermique tantale ou du niobium concerné, 8;;- Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que l'étape de dépôt d'une électrode supérieure comprend a) la formation d'un revêtement en matériau photosensible sur le modèle complet de matière antiréfléchissante à l'exception des régions de la matiere antiréfléchissante en question qui se trouveront en dessous de la ou des plages de l'électrode b) le dépôt de métal pour former une électrode sur le matériau photosensible mentionné en dernier lieu, ladite surface supérieure exposée et lesdites régions du revêtement antiréfléchissant, et c) 1 enlèvement desdits matériaux photosensibles men- tionné en dernier lieu et du métal déposé recouvrant le matériau photosensible en question, 9o Procédé de formation d'une pile solaire comprenant la formation dCune jonction p-n dans une couche semi- conductrice sensiblement parallèle à sa surface supérieure9 caractérisé en ce que a) on forme une couche d'une matière thermiquement isolante sur une partie de la surface supérieure 4 ladite par= tie correspondant à la ou aux plages d9une électrode supérieure à placer sur la pile solaire concernées b) on dépose une couche de métal sur la matière ther miquement isolante en question et la partie exposée de ladite surface supérieure, le métal en question étant le constituant métallique dùn revêtement antiréfléchissant c) on dépose une électrode de métal sur la couche de métal mentionnée en dernier lieu, ladite électrode de métal formant un modèle prédéterminé comprenant des plages situées directement au-dessus de la matière thermiquement isolante pré citée, et d) on oxyde les parties de ladite couche de métal mentionnée en dernier lieu non recouverte dudit modèle d':élec trode de métal afin de former un revêtement antiréfléchissant. 10o Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'étape de formation d'une couche d'une matière thermiquement isolante sur une partie de ladite surface supérieure comprend a) le dépôt d'un métal choisi dans le groupe formé par le tantale, le niobium et le titane sur ladite partie de la surface supérieure en question, et b)lioxydation du métal mentionné en dernier lieu en un oxyde de métal. 11.- Procédé suivant la revendication 10, caractérisé en ce que le métal en question est le tantale et l'oxyde est le pentoxyde de tantale principalement amorphe0 12~- Procédé suivant la revendication 10 caractérisé en ce que le métal est le niobium et en ce que oxyde de métal est le pentoxyde de niobium sensiblement amorphe0 130 Procédé suivant la revendication 10, caractérisé en ce que le métal est le titane et en ce que l'oxyde de métal est l'oxyde de titane,