Brevet FR2343332A1 — publié le 19770930

Cette invention se réfère à un dispositif, communément connu sous l'appellation de Cellule Solaire, dispositif consistant à convertir l'energie solaire en energie électrique par le procédé "photovoltaique". En particulier, cette invention révèle une méthode qui consiste à produire des cellules solaires rapidement et en quantités suffisantes pour satisfaire de façon pratique et économique la demande en énergie électrique. Cette demande, qui est en augmentation constante, ainsi que les dépenses par les méthodes courantes de production énergétique, constituent actuellement une source de graves préoccupations.Un moyen des plus économiques et pratiquement inépuisable consiste à puiser l'énergie électrique à partir des rayons solaires. En fait, ces rayons pourraient également être utilisés pour produire d'autres formes d'énergie, par exemple le chauffage solaire.Cependant, notre invention se limite à la production de l'énergie électrique. Dans notre civilisation technologique cette énergie accomplit certaines fonctions uniques qui ne peuvent être remplacées par d'autres moyens. En ce moment, de nombreuses recherches sont en cours afin de produire de l'électricité, soit dans le domaine des réactions nucléaires, soit du "plasma confine". Cependant, dans ces cas apparaissent des problèmes de radiation et de risques thermiques. Il y aurait d'autres moyens d'envisager l'utilisation des rayons solaires pour la production d'électricité; par exemple celui qui consisterait à absorber l'énergie solaire par un "corps noir" de sorte que l'énergie thérmique ainsi produite pourrait remplacer les combustibles conventionnels;cependant, dans tous ces cas, il faudra toujours avoir recours à un générateur et, en conséquence,maintenir l'usage des centrales électriques. Dans le principe de cette invention, le "collecteur" d'énergie et le générateur de puissance sont incorporés dans le même ensemble et il n'est donc plus nécessaire d'avoir recours à une centralisation; c'est ainsi que le problème couteux de transmission d'énergie par cable peut être éliminé ou du moins minimisé. Cette invention utilise des cellules solaires de Silicium ou de Germanium, qui ont été rapidement developpées et utilisées au service des satellites artificiels. Cependant, l'utilisation directe de la conception courante de cellules solaires pour une production d'énergie électrique sur une grande échelle, en particulier pour des besoins terrestres, nécessiterait des dépenses énormes et une main d'oeuvre hors de toute proportion. Le but primordial de cette invention est de résoudre ces difficultés. Le flux de l'énergie solaire dans l'espace est de 0.14 w/cm2 Au sol, on constate des variations importantes dues à la rotation terrestre, l'absorbsion atmosphérique, et aux con- ditions météorologiques. En une journée claire, vers midi, le chiffre se situe à environ 0.10 w/cm2. Le rendement des cellules solaires de Silicium courantes, pour convertir l'énergie solaire en énergie électrique se situe entre 8 et 13%. Sur la base dXune moyenne de 10% au sol les cellules solaires peuvent donc produire 1.0 x 10 2w/cm2 2 ou bien 260 megaw/mile2. Le coût actuel des cellules so- laires est de l'ordre de Sl/cm2. Ce qui équivaut à $20 milliards par mile2. La configuration actuelle des cellules solaires ne présente pratiquement pas de possibilité d'adaptation à l'automation, le rendement étant d'environ 0.1 heure de main d'oeuvre par par cm2, ce qui revient à 1.25 x 106 homme-an/mile Par conséquent, dans l'état actuel des choses, pour une ville dont les besoins en énergie électrique s'éleveraient à 1000 megaw.: superficie-cellules solaires $2.8 x 101O durée de production l.g x 107 homme-an. La superficie en cellules solaires pour couvrir les besoins terrestres est énorme, mais peut être répartie sur les étendues ou terres incultes, les emplacements de mines abandonnées, tous genres de toitures, etc. Les problèmes essentiels qu'il convient donc de solutionner sont ceux du coût et de la durée de réalisation. Le but de cette invention est la mise au point d'une méthode déstinée à réduire le coût ainsi que la main oeuvre, dans cet ordre, afin que des cellules solaires s'étendant sur des dizaines de miles carrés de surface puissent être produites dans des limites de temps raisonnables et à l'aide d'une main d'oeuvre réduite à une échelle acceptable. Le principe de base de cette invention est expliqué dans les pages suivantes. Afin d'en rendre la présentation plus claire, il a été jugé utile de limiter la description à la cellule solaire de Silicium, mais il sera très facile, par la suite, d';trapoler, avec de très légères modifications, afin d'adapter la description à la cellule de Germanium. A. Les cellules solaires actuellement utilisées sont con stituées de cristaux individuels. Ceux-ci coûtent déjà environ $10/watt. Il est important de souligner que la configuration de base des cellules au Silicium est un flux à dimension unique d'électrons et de trous (porteurs minoritaires) perpendiculaire à la surface. Par conséquent, au lieu de cristaux individuels, l'on pourrait également utiliser des polycristaux, à condition que la dimension du cristal corresponde plus ou moins à l'epais- seur de la cellule solaire. B. En désignant les cellules solaires actuellement utilisées du nom de "cellule ordinaire "et les cellules solaires destinées à cette invention du nom de "cellule nouvelle", il convient de souligner que l'épaisseur de la cellule ordinaire est d'environ 300 microns tandisque celle de la cellule nouvelle est d'environ le microns. Un des paramètres de base pour déterminer le rendement de transformation énergétique est l'absorption optique par le cristal de la longueur d'onde utile, c.à.d. des ondes plus courtes que la distance séparant les longueurs d'onde de la bande. Numériquement, 80% de l'énergie solaire disponible est absorbé dans du silicium de 10 microns d'épaisseur. Il s'en suit que le rendement de la cellule solaire nouvelle serait de 20% inférieur à celui de la cellule ordinaire. Cependant,le coût du Silicium en question serait réduit dans des proportions de 30 à 1. En plus, quand l'epais- seur du cristal se trouve être inférieure à 100 microns, le rendement n'est plus affecté par la durée de vie du porteur minoritaire. Par conséquent,les imperfections des cristaux, les dégats mécaniques et les contaminations dues à des impuretés qui, dans le cas des cellules solaires ordinaires,en affectent la durée et, par conséquent, requièrent d'énormes précautions, ne posent point de problèmes en ce qui concerne les cellules solaires nouvelles. C. Compte tenu des explications données dans les paragraphes A et B ci-dessus, il est possible de concevoir une configuration de cellule solaire flexible, qui puisse s'adapter à un système de production utilisant des tapis roulants. Un des éléments de base de ce système consistera en un substrat porteur déstiné à supporter la couche fragile de la pellicule de silicium. Il vA cependant, deux impératifs à considérer concernant le substrat porteur (1) le coefficient d'expansion thermique doit correspondre à celui du -Silicium (11) cout réduit. L'invention dont il est question préconise l'utilisation d'un alliage de nickel et de fer, communément utilisé pour souder le verre, les composants majeurs étant constitués comme suit: 42% nickel et 58% fer. Un substrat de rechange serait le"Polyimide" (appellation commerciale KAPTON fourni par DuPont) Ce produit a l'avantage d'être plus stable, mais l'harmonisation de 11 expansion thermique est incertaine et, de plus, il coûte très cher. Pour en venir aux diverses étapes de base et configurations requises pour produire la nouvelle cellule solaire, celles-ci seront décrites sous forme de huit postes contigus. 1.- On commence par un rouleau de substrat flexible, que l'on déroule au moyen d'un tapis roulant afin d'alimenter le poste (1) On déposera ensuite sur le substrat, par évaporation, une couche d'argent et, dessus, une seconde couche de titane, ou bien une simple couche d'aluminium, pour former une électrode avec contact atomique au silicium, devant être déposé. 2.- Dans le poste (11) on installera une source d'évaporation de silicium avec les impuretés et les concentrations requises(type n ou type p) Cette source sera conçue sous l'une des formes suivantes (1) une solution chimique selon la formule utilisée dans le processus d'évaporation epitaxiale (11) Un état solide pour l'évaporation des faisceaux d'élec tron (111) une plaque d'électrode pour la pulvérisation d'ions.# Dans ce poste on fera croître une couche de silicium d'environ 10 microns d'épaisseur. 3.- Ensuite, la pellicule de silicium avec le substrat alimentera, de façon continue, le poste (1V) à partir du poste (11) en passant par le poste (111) Là,soit par un accélérateur d'ion à haute tension, soit par un procédé thérmique,des ions du type d'impureté opposé à celui du silicium original, seront respectivement implantés ou diffusés afin de former une jonction p-n. 4.- Les étapes prévues en (3) et (4) ayant été accomplies, les postes de température (111) et (V) dev#ront entrer en fonction afin de permettre la recuite. La température à l'interieur de ces postes devra être maintenue à quelque 5000C et la période de la recuite sera d'environ 10 minutes. 5.- Le poste (VI > servira à l'évaporation' des grilles, comme dans le cas des cellules solaires ordinaires, pour les électrodes de devant. 6.- Le poste (VII)réalise un soudage thermique par compression, ou procède à la formation d'électrodes déstinées à recevoir les connections électriques. 7.- Le poste (VIII) est SiO ou bien un autre type de recouvrement accomplissant une double fonction; fournir un revêtement anti-reflechissant et une protection de grilles contre la corrosion ambiante. 8.- En plus, on pourrait vaporiser une couche de plastique telle que le téflon propre. Ceci constitue un supplément au SiO pour protéger la face et le dos de la cellule, si nécessaire. 9.- Le rouleau continu de substrat alimentant le poste (1) ressortira du poste (VIII) sous forme d'un rouleau de cellules solaires terminées. Ces feuilles ont des files de connection intermédiaires qui peuvent être conçus soit pour assemblage en série ou en parallèle afin de produire la tension ou le courant désiré. Ces diverses étapes peuvent être soit augmentées, soit di minuées en nombre. Quelques unes pourraient être soit réunies soit éliminées. Par exemple, on pourrait estimer qu'il soit possible de remplacer les diverses étapes de recuite thérmique en une seule étape. Par ailleurs, plusieurs étapes supplémentaires pourraient être envisagées: par exemple. i.- Enduire le substrat d'une couche d'oxyde de silicium avant l'évaporation de l'électrode métallique. Cette couche pourrait servir à trois fins (1) elle pourrait réaliser une isolation électrique à partir du substrat (11) réduire la diffusion entre le substrat et la couche du semi-conducteur (III) constituer un substrat mieux harmonisé pour la croissance des pellicules de silicium. ii.- Quand l'amalgame titane-argent est employé comme électrode de base, et si l'on applique une température suffisamment élevée, le titane pourrait agir en quarté d'agent d'interception pour éliminer les impuretés nocives de la couche semi-conductrice. En résumé, la méthode comporte un vaste dispositif de dé pot et de recuite muni d'un système de cloisonnage séparant les diverse postes afin d'éviter toute contamination. Les contaminations externes et les tensions et contraintes méca- niques sont réduites à un niveau minimum, étant donné que le produit, jusqu'à ce qu'il soit términé,ne sera pas exposé à des éléments en dehors du système clos. En résumé, voici ce que ette invention: 1. Un procédé de formation de cellules solaires utilisant le Silicium, supporté par un substrat d'aluminium conducteur de courant électrique, le dit procédé comportant les étapes suivantes: -dépot et croissance d'une mince couche de silicium à cristaux (d'un type spécifique d'impureté et de concentration) sur le substrat d'aluminium, en utilisant l'aluminium comme terrain de "nucléation pour la croissance des cristaux de silicium et l'auto-dopage du silicium. -formation de jonctions p-n afin de permettre au dispositif de procéder à la transformation de l'énergie photovoltaique et d'assurer la jonction des électrodes de devant et des files de connection au système. 2.- La réalisation, d'après les données (1) consistant à améliorer le rendement des cellules solaires de silicium,en procédant à une étape de recuite thermique entre les pre mière et seconde étapes. 3.- La réalisation d'après les données (1) consistant à assurer à la légère couche de silicium à cristaux une épaisseur d'environ 10 microns. 4.- La réalisation, d'après les données (1) de l'étape comportant le revêtement d'une pellicule anti-réfléchissante et anti-corrosion. 1) Un procedé de formation de cellules solaires utilisant le Silicium, supporté par un substrat de métal conducteur de courant electrique; le dit procédé comportant les étapes suivantes: Dépot et croissance d'une mince couche de silicium à cristaux ( d'un type spécifique d'impureté et de concentration) sur le substrat de métal, en utilisant le métal comme terrain de#nu-léation pour la croissance des cristaux de silicium et l'auto-dopage du silicium. 2) Revendication formulé sur le principe du procédé 1 dans lequel le métal utilisé est l'Aluminium 3) Revendication formulé sur le principe du procédé 1 dans lequel le métal utilisé est le Boron 4) Revendication formulé sur le principe du procédé 1 dans lequel le métal utilisé est leo lxum 5) Revendication formulé sur le principe du procédé 1 dan lequel le métal utilisé est l'Indium 6) Revendication formulé sur le principe du procédé 1 dans lequel le métal utilisé est le'Lithium 7) Revendication formulé sur le principe du procédé 1 dans lequel le métal utilisé est le Phosphate 8) Revendication formulé sur le principe du procédé 1 dans lequel le métal utilisé est l'Arsenic 9) Revendication formulé sur le principe du procédé 1 dans lequel le métal utilisé est l'Antimoine 10) Revendication formulé sur le principe du procédé 1 dans lequel le métal utilise est le Bismuth ll)Une cellule solaire de Silicium comprenant un substrat de métal conducteur de courant éléctrique; une couche légère de Silicium à cristaux ( d'un type specifique d'impureté et de concentration) déposée et nue sur le substrat métallique, le dit substrat de métal constituant le terrain de nucléation pour la croissance des cristaux de silicium et provocant l'auto-dopage du silicium; Formation d'au moins une jonction p-n dans le silicium afin de permettre à la cellule de procéder à la transformation de I'enérgie photovoltaique; et un contact d'electrode à la dite jonction. 12) Revendication formulé sur le principe du procédé 11 dans lequel le métal utilisé est l'Aluminium 13) Revendication formulé sur le principe du procédé Il dans lequel le métal utilisé est le Boron 14) Revendication formulé sur le principe du procédé Il dans lequel le métal utilisé est le Gallium 15) Revendication formulé sur le principe du procédé 11 dans lequel le métal utilisé est l'Indium 16) Revendication formulé sur le principe du procédé Il dans lequel le métal utilisé est le Lithium 17) Revendication formulé sur le principe du procédé Il dans lequel le métal utilisé est le Phosphate 18) Revendication formulé sur le principe du procédé 11 dans lequel le métal utilisé est l'Arsenic 19) Revendication formulé sur le principe du procédé 11 dans lequel le métal utilisé est l'Antimoine 20) Revendication formulé sur le principe du procédé Il dans lequel le métal utilisé est le Bismuth 21) Un procédé de formation de cellules solaires utilisant le Silicium, supporté par un substrat revêtu d'une couche de métal conductrice de courant electrique; le dit procédé comprenant les étapes de dépôt et de croissance par dopage d'une légère pellicule de silicium cristalline, de type spécifique d'impureté et de concentra-. tion sur la couche métallique utilisant le métal comme terrain de nucléation pour la croissance des cristaux de silicium, formant des jonctions p-n afin de permettre au dispositif de procéder à la transformation de l'enérgie photovoltaique, et assurant la jonction des éléctrodes de devant et des files de connection au système. 22) Revendication formulé sur le principe du procédé 21 dans lequel le métal utilisé est l'Etain 23) Revendication formulé sur le principe du procédé 21 dans lequel le métal utilisé est le Zinc 24) Revendication formulé sur le principe du procédé 21 dans lequel le métal utilisé est l'Argent 25) Revendication formulé sur le principe du procédé 21 dans lequel le métal utilisé est l'Or 26) Revendication formulé sur le principe du procédé 21 dans lequel le dit substrat est d'Acier et dans lequel une couche de materiel "protecteur" est placée entre le substrat d'acier et la couche de métal afin de séparer ces deux éléments. 27) Une cellule solaire de Silicium comprenant un substrat revêtu d'une couche métallique conductrice de courant electrique; une fine pellicule de silicium cristalline ( d'un type spécifique d'impurité et de concentration ) déposé et mis en croissance avec dopage sur la couche métallique, le métal constituant le terrain de nucléation pour la croissance des cristaux de silicium; formation d'au moins une joinction p-n dans le Silicium afin de permettre à la cellule de procéder à la transformation de l'énergie photovoltaique; et un contact d'éléctrode connecté à la dite jonction. 28) Revendication formulé sur le principe du procédé 27 dans lequel le métal utilisé est l'Etain 29) Revendication formulé sur le principe du procédé 27 dans lequel le mé-al utilisé est le Zinc 30) Revendication formulé sur le principe du procédé 27 dans lequel le métal utilisé est l'Argent 31) nevendiesteon-formule sur le principe du procédé 27 dans lequel 31) Revendication formulé sur le principe du procédé 27 dans lequel le métal utilisé est l'Or 32) Revendication formulé sur le principe du procédé 27 dans lequel le dit substrat est d'Acier et dans lequel une couche de materiel "protecteur" est placée entre le substrat d'acier et la couche de métal afin de séparer, ces deux éléments. 33) Un procédé de formation de cellules solaires utilisant le Silicium, supporté par un substrat revêtu d'une couche de materiel "protecteur"; le dit procédé comprenant les étapes suivantes: dépôt et croissance avec dopage d'une légère pellicule de Silicium cristallin (d'un type specifique d'impureté et de concentration) sur la couche de materiel protecteur; formation de jonctions p-n afin de permettre au dispositif de proceder à la transformation de l'énergie photovoltaique, et assurant pour le moins la jonction des éléctrodes de devant et des files de connection au système. 34) Revendication formulé sur le pricipe du procédé 33 dans lequel le substrat est un materiel conducteur de courant electrique 35) Revendication formulé sur le principe du procédé 33 dans lequel le substrat est un matériel isolant de courant electrique et la jonction de la deuxième éléctrode est assurée à la couche de materiel "protecteur" 36) Une cellule solaire de silicium comprenant un substrat revêtu d'une couche de matériel protecteur; une légère pellicule de silicium cristallin (d'un type spécifique d'impureté et de concentration) déposé et mis en croissance avec dopage sur la couche de matériel protecteur; formation d'au moins une jonction p-n dans le silicium afin de permettre à la cellule de procéder à la transformation de l'énergie photovoltaique; et un courant-d'éléctrode connecté à la dite jonction 37) Un procédé visant à la formation d'une jonction p-n, par co-évaporation de silicium et d'impureté d'un type de conductibilité sur la surface du silicium ayant crû avec une impureté du type opposé de conductibilité.