Brevet FR2315168A1 — publié le 19770114

ta presente invention concerne un procédé de fabrication d'un corps lamellaire homogène en un matériau polycristallin, à partir d'une masse liquide dudit matériau contenue dans une nacelle de fusion de laquelle il tombe goutte à goutte. L'invention concerne plus particulièrement la fabrication de lames planes de grande surface en un matériau semiconducteur notamment le silicium - en vue de la construction de cellules solaires. L'utilisation de l'énergie solaire en compétition avec d'autres sources traditionnelles d'énergie, ou en remplacement de celles-ci, est actuellement encore limitée, en raison, surtout, du prix de revient élevé des dispositifs de captation et de transformation de cette énergie. Parmi ces dispositifs, les cellules solaires sont appelées à un grand développement dans la mesure où il sera possible d'abaisser très nettement leur coût de construction. Pour prendre l'exem- ple des cellules solaires au silicium, pour la construction desquelles le matériau de base ne manque pas, la technique d'élaboration des plaquettes monocristallines à partir desquelles sont réalisées lesdites cellules, est encore très complexe. En bref, on sait qu'il faut fabriquer des lingots monoeristallins de silicium, les rectifier, les découper en plaquettes, procéder au brillantage des plaquettes afin d'enlever les couches perturbées par la découpe. A chacune de ces opérations longues et couteuses, une partie du silicium part au déchet; il faut aussi tenir compte des pertes liées aux nombreux contrôles qualitatifs indispensables à chaque stade.La complexité et la durée des opérations de préparation, le taux final important de perte en silicium (de l'ordre de 50% en poids par rapport à la matière polycristalline de départ) font que les cellules solaires en matériau monocristallin sont de réalisation très onéreuse. Aussi, a-t-on cherché à construire des cellules en matériau polycristallin, ce qui permet de supprimer l'opération dite de tirage des lingots monocristallins, en elle-même la plus délicate et la plus longue. Il restait possible de supprimer également les opérations de rectification, de découpe nt aventuellement, de préparation de surface, dans la mesure où l'on pouvait obtenir directement des plaquettes ou des substrats lamellaires de qualité structurale, d'état de surface et de pureté irréprochables. En effet, on sait que des cellules solaires en matériau polycristallin n'ont un rendement de transformation de l'énergie lumineuse en énergie électrique acceptable, comparé à celui des cellules monocristallines, que dans la mesure où ledit matériau est de qualité excellente. Un procédé permettant de fabriquer des "lames en matériau à grande pureté", destinées à la construction de cellules solaires, est décrit dans le brevet français n0 1.374.335. Selon ce procédé, le matériau à l'état pulvérulent étant déposé en couche mince d'épaisseur faible et régulière sur un support plan, est expose par îlots successifs à un bombardement électronique; ce bombardement provoque une fusion superficielle des grains et leur agglomération en une couche polycristalline de faible épaisseur. Un tel procédé permet certainement d'atteindre à une bonne pureté de la couche obtenue, ainsi qu'il est souligné dans ledit brevet. Celle-ci présente cependant l'inconvénient de manquer de cohésion, la liaison entre les grains n'étant que partielle; de plus, en cours de fabrication, les gradients de température importants qui se manifestent entre régions voisines de la couche en cours de fusion et en cours de solidification provoquent des tensions mécaniques dans ladite couche qui se traduisent par des fêlures, d'où la nécessité d'un recuit qui doit impérativement succéder immédiatement à la phase de solidification. D'autre part, la couche obtenue est de surface assez limitée et son épaisseur n'est pas régulière, ne serait-ce qu'en raison des différences inévitables de grosseur entre les grains de la poudre utilisée. Pour ces deux dernières raisons, l'utilisation de lames en matériau semiconducteur ainsi préparées, pour la réalisation de cellules solaires, n'est pas sans poser quelques difficultés. Le procédé que propose la présente invention permet de remédier aux inconvénients cités ci-dessus, tant sur les plans de la réalisation que de la qualité des produits obtenus. L'invention met notamment à profit la possibilité de modeler un dépôt, en forme et en épaisseur, en partant de la phase liquide du matériau utilisé. Selon l'invention, un procédé de fabrication d'un corps lamellaire homogène en un matériau polycristallin, à partir d'une masse liquide dudit matériau contenue dans une nacelle de fusion de laquelle il tombe goutte à goutte, est notamment remarquable en ce que lesdites gouttes sont recueillies et cristallisent sur un substrat plan animé d'un mouvement régulier de rotation sur lui-même autour d'un axe de direction variable, en moyenne verticale. Recueillir le matériau liquide sur un substrat animé d'un mouvement uniforme circulaire, ainsi que le prévoit l'invention, entraîne l'avantage important de l'obtention d'un dépôt homogène, tant en structure qu'en épaisseur, suivant les diverses directions possibles parallèles à la surface du substrat. D'autre part, le dépôt formé par cristallisation à partir du matériau porté en totalité sous la phase liquide présente, après cristallisation, une parfaite cohésion. Ce dépôt est exempt de tensions mécaniques et un recuit postérieur ne s'impose donc pas. La Demanderesse a en outre observé --en ce qui concerne plus particulièrement la fabrication de lamelles en des corps semiconducteurs, et notamment en silicium - que le dépôt obtenu a une surface brillante qui le rend apte, sans traitement ultérieur de décapage, à recevoir, par diffusion, des corps susceptibles de modifier localement son type de conductivité, et à servir ainsi à la construction de cellules solaires. Avantageusement, l'axe de direction moyenne verticale autour duquel s1 effectue la rotation du substrat est distinct de la trajectoire verticale de chute des gouttes du matériau liquéfié. Cette disposition vise à l'obtention d'un meilleur étalement des gouttes en profitant de la force centrifuge, et à éviter ainsi des surépaisseurs dans la région centrale du substrat. La Demanderesse a pu déterminer expérimentalement que les conditions d'étalement régulier les plus favorables sont réunies lorsque la distance horizontale séparant ledit axe de direction moyenne verticale de rotation du substrat et ladite trajectoire verticale de chute dçs gouttes est au moins égale au 1/10 et au diametre plus égale au 1/3 du / de la surface sensiblement circulaire d'étalement des gouttes sur le substrat. Avantageusement, ladite distance est au moins égale au 1/5 et au plus égale au 1/4 dudit diamètre D'autre part et de façon particulièrement avantageuse, au mouvement régulier du substrat est associé un mouvement de basculement sur son plan qui le fait osciller de part et d'autre d'un plan sensiblement horizontal.L'ouverture de l'angle d'oscillation, mesurée entre les points morts haut et bas du basculement, se situe entre 3 et 10 degrés. Cette dernière disposition vise à l'obtention d'un disque lamellaire parfaitement et régulièrement rempli dans sa région centrale. Par suite du décalage horizontal entre la trajectoire des gouttes et l'axe moyen vertical de rotation du substrat, le risque apparaît, en effet, en l'absence de mouvement de basculement dudit substrat, que la région centrale de ce substrat reste nue ou soit revêtue d'une couche d'épaisseur très variable. L'obtention d'un dépôt lamellaire de caractéristiques géométriques données dépend de la combinaison heureuse de plusieurs paramètres, notamment la vitesse de rotation du substrat et la fréquence de basculement de ce substrat, ainsi que du volume de liquide recueilli sur ledit substrat. Par l'expérience, la Demanderesse a pu établir que les meilleurs résultats sont obtenus lorsque la fréquence du mouvement de basculement est comprise entre 3 et 6 oscillations par seconde, le chiffre de la vitesse de rotation du substrat se situant entre 15 et 20 tours par minute. En ce qui concerne le volume du liquide, celui-ci peut correspondre à celui d'une ou de plusieurs gouttes de matériau liquide; dans le cas de plusieurs gouttes affectées à l'élaboration d'un même corps lamellaire, la fréquence de chute des gouttes doit être réglée suffisamment rapide pour que leur cristallisation steffec- tue de manière pratiquement simultanée. On peut d'ailleurs agir sur la vitesse de cristallisation par un chauffage plus ou moins élevé du substrat. Le procédé selon l'invention a permis à la Demanderesse de fabriquer des disques lamellaires dont le diamètre atteint cent millimètres et dont l'épaisseur est comprise entre 50 et 400 um. Avec de tels disques, il est alors possible de réaliser des cellules solaires de grande surface. Pour ce faire le matériau semiconducteur à l'état liquide est dopé de façon à ce que le corps lamellaire élaboré à partir de ce matériau ait un type de conductivité caractérisé. Ensuite, ledit corps lamellaire est soumis à un processus de diffusion, tout comme il est fait dans le cas d'un matériau monocristallin, afin d'y créer superficiellement une région de type de conductivité opposé au type initial et de former une jonction P/N. Avantageusement, le corps lamellaire demeure lié au substrat sur lequel il s'est cristallisé et qui lui donne la tenue mécanique nécessaire. Pour un corps lamellaire en silicium on choisit avantageusement, et de façon connue, un substrat en graphite.Les contacts électriques de la cellule sont établis d'une part sur la couche superficielle diffusée, d'autre part sur la face extérieure nue dudit substrat. Il est clair que le prix de revient d'une cellule solaire ainsi réalisée est incomparablement plus faible que celui d'une cellule réalisée selon le processus opératoire conventionnel établi pour les cellules en matériau monocristallin, d'abord en raison de la réduction du nombre d'opérations, ensuite en ce qu'il est possible d'obtenir des éléments de plus grande surface. Le procédé selon l'invention peut être appliqué pour la fabrication de lames polycristallines de divers matériaux, notamment des matériaux semiconducteurs et, en particulier, de silicium. La description qui va suivre, en regard du dessin annexé, fera mieux comprendre comment le procédé selon l'invention peut être mis en oeuvre. La figure unique représente, de façon schématique, un dispositif permettant la réalisation de corps lamellaires polycristallins selon l'invention. Le matériau à partir duquel doivent être obtenus des corps lamellaires polycristallins est disposé dans une nacelle 1 dans laquelle il est chauffé à une température suffisante pour être amené en l'état d'une masse liquide 2. Les éléments chauffants sont figurés en 3. Un ajutage calibré 4 est prévu à la partie inférieure de la nacelle 1 de manière à ce que le matériau liquide 2 puisse s'échapper sous la forme de gouttes telles que la goutte 5. Une tige piston 6, dont l'extrémité inférieure est profilée pour pouvoir s'engager dans l'ajutage 4, permet, suivant sa profondeur d'enfoncement dans ledit ajutage, soit de fermer cet ajutage, soit encore de régler la fréquence de chute desdites gouttes. Avantageusement, la nacelle 1 est animée d'un mouvement de rotation afin d'assurer l'homogénéité de la masse liquide 2. Selon une des caractéristiques de l'invention, les gouttes telles que 5 sont recueillies et cristallisent sur un substrat plan 7 animé d'un mouvement régulier de rotation sur lui-meme que lui communique le plateau 8 sur lequel repose ledit substrat 7, plateau 8 lui-même entraîné en rotation par l'arbre 9 qui tourne, par exemple, dans le sens positif correspondant à la flèche F1. La liaison mécanique entre ledit plateau 8 et ledit arbre 9 est dotée d'une certaine souplesse liée, par exemple, à la présence d'un organe à rotule que schématise l'agencement 10, afin que, suivant une autre caractéristique de l'invention, au mouvement régulier de rotation du substrat 7 puisse être associé un mouvement de basculement de ce substrat qui permette de le faire osciller de part et d'autre d'un plan sensiblement horizontal.Ce mouvement de basculement est signifié sur la figure par la double flèche F2; son ouverture angulaire, soit l'angle défini entre les deux plans correspondant au point mort haut (par exemple lorsque le substrat 7 est dans la position indiquée en trait pointillé sous le repère 7a) et au point mort bas (par exemple lorsque le substrat 7 est dans la position indiquée en trait pointillé sous le repère 7b) dudit mouvement de basculement, est avantageusement comprise entre 3 et 10 degrés. Ainsi qu'il a été indiqué dans la première partie du présent mémoire, il y a lieu de prévoir un décalage, correspondant à la distance repérée sous d -sur la figure, entre l'axe de direction moyenne verticale AA autour duquel s'effectue la rotation du substrat et la trajectoire verticale BB de chute des gouttes. Le dispositif tel que décrit jusqu'alors comprend, de plus, un élément chauffant 11, disposé de préférence, comme indiqué sur la figure, au-dessus et en lisière du substrat 7. Ainsi peut-on fixer la température du substrat 7 et jouer sur la durée de la cristallisation; d'autre part, cet élément chauffant 11, par son effet retardateur sur la cristallisation, permet que plusieurs gouttes successives soient utilisées pour l'élaboration d'un même corps lamellaire. L'ensemble du dispositif est disposé dans une enceinte parcourue par un gaz convenable; l'enceinte est figurée pour mémoire, à l'exclusion de toute indication concernant les passages ou les tubulures de circulation de gaz, par le rectangle 12. A titre d'exemple de réalisation d'un corps lamellaire polycristallin par le procédé selon l'invention, il a été choisi la fabrication d'une plaquette revêtue d'un disque de silicium. La plaquette ou substrat 7 est choisie en graphite. Cette plaquette est circulaire; elle a un diamètre de 100 mm et une épaisseur de 100 pm. Elle est portée sur le plateau 8 à une température comprise entre 1390 et 14100C; l'élément chauffant 11 est placé à une hauteur de 5 cm.par rapport à ladite plaquette. La hauteur de la sortie de l'ajutage 4, toujours mesurée à partir de la plaquette 7, est comprise entre 8 et 12 cm. L'élément chauffant 3 amène et maintient le silicium contenu dans la nacelle 1 à une température légèrement supérieure à la température de fusion, soit 14300C. L'enceinte 12 est balayée par un courant continu d'argon, ou bien il y est établi un vide partiel correspondant à une pression de l'ordre de 16 mm de mercure. Le plateau 8 a une vitesse de rotation de 20 tours/minute. La fréquence du mouvement de basculement selon F2 est de 5 oscillations/seconde; son amplitude angulaire totale est de 6 degrés. La distance d est de 20 mm. Le volume moyen d'une goutte 5 est de 20 mm3. Il est admis la chute de 6 gouttes tombant à la vitesse de 3 gouttes/seconde. Dans ces conditions, il se dépose sur l'entière surface de la face supérieure, opposée au plateau 8, de la plaquette 7, une couche lamellaire de silicium polycristallin dont l'épaisseur, uniforme, est égale à 15 pm et dont la cristallisation est achevée entre 6 et 10 secondes après la chute de la dernière des 6 gouttes précitées.Cette couche adhère très intimement au graphite sousjacent; elle a un aspect très brillant qui témoigne de son homogénéité et de sa parfaite pureté. La plaquette 7 de graphite revêtue de sa couche lamellaire de silicium polycristallin peut être utilisée pour la réalisation d'une cellule solaire, dans la mesure où ce silicium a été convenablement dopé. Pour cela, il suffit d'ajouter initialement dans le matériau liquide 2 la quantité appropriée de dopant. De façon habituelle, le dopant employé est du bore et le silicium cristallisé est donc de conductivité P. Sur une épaisseur de 0,3 vm comptée à partir de la surface de la couche polyeristalline il est procédé à la diffusion de phosphore afin de créer une région de type de conductivité N et une jonction P/N. Le contact sur la zone N est pris en surface de ladite couche, tandis que l'autre contact de la cellule est pris sur la face nue en graphite de la plaquette 7. - REVENDICATIONS 1.- Procédé de fabrication d'un corps lamellaire homogène en un matériau polycristallin, à partir d'une masse liquide dudit matériau contenue dans une nacelle de fusion de laquelle# il tombe goutte à goutte, caractérisé en ce que lesdites gouttes sont recueillies et cristallisent sur un substrat plan animé d'un mouvement régulier de rotation sur lui-même autour d'un axe de direction variable, en moyenne verticale. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'axe de direction moyenne verticale autour duquel s'effectue la rotation du substrat est distinct de la trajectoire verticale de chute des gouttes du matériau liquide. 3.- Procédé selon l'ensemble des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la distance horizontale séparant ledit axe de direction moyenne verticale et ladite trajectoire verticale est au moins égale au 1/10 et au plus égale au 1/3 du diamètre de la surface sensiblement circulaire d'étalement des gouttes sur le substrat. 4.- Procédé selon l'ensemble des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que la distance horizontale séparant ledit axe de direction moyenne verticale et ladite trajectoire verticale est au moins égale au 1/5 et au plus égale au 1/4 dudit diamètre. 5.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, au mouvement régulier de rotation du substrat, est associé un mouvement de basculement de ce substrat sur son plan qui le fait osciller de part et d'autre d'un plan sensiblement horizontal. 6.- Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'ouverture angulaire d'oscillation, mesurée entre le point mort haut et le point mort bas de basculement, est comprise entre 3 et 10 degrés. 7.- Procédé selon l'une des revendications 5 et 6, caractérisé en ce que la fréquence du mouvement de basculement est comprise entre 3 et 6 oscillations par seconde. 8.- Procédé selon l'une des revendications 5, 6 et 7, caractérisé en ce que la vitesse de rotation du substrat est comprise entre 15 et 20 tours par minute. 9.- Corps lamellaire homogène en un matériau polycristallin, caractérisé en ce qu'il est réalisé par un procédé de fabrication défini sous l'une des revendications 1 à 8. 10.- Corps lamellaire selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il est fait d'un matériau polycristallin semiconducteur. 11.- Cellule solaire, caractérisée en ce qu'elle est réalisée à partir d'un corps lamellaire selon la revendication 10. 12.- Cellule solaire selon la revendication 11, caractérisée en ce que le corps lamellaire dans lequel a été créée la jonction P/N est en silicium, en ce que ledit corps lamellaire de silicium repose sur un substrat de graphite et en ce que les contacts électriques de ladite cellule sont établis, d'une part sur la couche superficielle de silicium et,d'autre part, sur la face nue dudit substrat.