Brevet FR2457015A1 — publié le 19801212

L'invention concerne un procédé de fabrication de modules de cellules solaires. Un tel module comporte une paroi avant, qui est transparente au rayonnement solaire, des cellules photovoltaiques pouvant prendre par exemple la forme de disques de silicium disposées derrière cette paroi pour recevoir ce rayonnement, une grille conductrice avant et un contact arrière sur chaque cellule pour collecter le courant électrique produit, des connexions entre grilles conductrices et contacts arrières de cellules voisines pour connecter les cellules en série, et parfois en parallèle, et une paroi protectrice arrière. Un panneau peut être constitué par la juxtaposition d'un certain nombre de modules connectés de manière à obtenir les caractéristiques électriques de sortie désirées. La réalisation des modules est délicate, même si on considère que l'on dispose au départ de cellules photovoltaiques de bonne qualité. En effet ces panneaux doivent d'abord posséder de bonnes qualités de transmission de la lumière jusqu'aux cellules, et du courant électrique à partir de ces cellules et entre celles-ci. Ils doivent ensuite présenter une bonne tenue mécanique et une excellente étanchéité, c'est-à-dire garantir la protection physique et chimique des cellules et des connexions, de manière à assurer le maintien dans le temps des qualités optiques et électriques de l'ensemble. En ce qui concerne la réalisation des électrodes de collection du courant sur les cellules, c' est-à-dire de la grille conductrice et du contact arrière, il est connu d'utiliser des pâtes conductrices mises en oeuvre par sérigraphie. Le brevet français n0 2 348 897 du 21 avril 1976 a pour titre "Contacts ohmiques sur silicium à partir de pâtes sérigraphiables et procédé de mise en oeuvre" et décrit cette utilisation Les pâtes sérigraphiables, servant à réaliser des couches épaisses conductrices, sont constituées principalement - d'un matériau actif, qui est généralement un métal conducteur finement divisé, ou un mélange de plusieurs métaux. - d'un matériau passif, tel qu'un verre de scellement, dont le rôle consiste lors de la cuisson de la pâte à rendre le conducteur solidaire du substrat choisi. - d'un liant temporaire organique, à propriétés thixotropiques, approprié à la sérigraphie et pouvant s'éliminer sans charbonner. La partie passive, à savoir le verre de scellement, présente un coefficient de dilatation proche de celui du silicium, et une faible température de scellement, inférieure à 6500C, afin de ne pas modifier les propriétés électriques et d'éviter la diffusion d'impuretés. Le verre de scellement est un verre de type court à bas point de fusion. En tant que liant temporaire, il est utilisé des mélanges simples et connus, comme par exemple une solution d'éthyl cellulose dans du terpinéol. Un tel liant s'élimine lorsqu'il est chauffé aux températures de cuisson de ladite pâte, sans laisser de résidu dans la pâte. Dans la pâte sérigraphiable, avant cuisson, le liant temporaire peut représ#enter 10% à 35% en poids, par rapport aux matériaux actifs et passifs, bien que ces proportions puissent être adaptées à volonté pour modifier les propriétés rhéologiques de la pâte sérigraphiable. Dans la pâte obtenue après cuisson, le matériau actif peut représenter de 90 à 99 % en poids, alors que le matériau passif peut représenter de 10 à 1 %. Un autre problème est celui de la réalisation de connexions fiables entre cellules. Il est connu de réaliser ces connexions par des rubans de cuivre soudés chacun, dans le cas d'une connexion en série,entre la grille conductrice d'une cellule et le contact arrière d'une cellule voisine. Un tel procédé est difficile à rendre automatiques, et il est coûteux. En ce qui concerne la tenue mécanique, la rigidité du module peut être assurée par la paroi arrière, qui peut être constituée par une plaque opaque. De nombreuses possibilités se présentent alors : L'une est de noyer les éléments dans une résine liée à cette plaque arrière, par exemple une résine silicone moulable, et de donner à la paroi avant une forme plane et lisse, eventuellement avec un revêtement de verre. Cette possibilité est coûteuse. On peut être alors amené, par souci d'économie, après avoir fixé les éléments sur la plaque arrière, à former la paroi avant par dépôt d'une fine pellicule de verre ou de résine transparente. Mas la paroi avant présente alors des creux et des reliefs qui gènent son nettoyage automatique par la pluie. Selon un autre type de solutions, auquel l'invention s'applique, la rigidité mécanique du module est assurée par la paroi avant, qui prend la forme d'une plaque de verre plane et lisse sur la face arrière de laquelle sont collés ou scellés les autres éléments. La plaque avant du module est alors facilement nettoyée des poussières diverses par la pluie, ce qui lui conserve sa transparence et évite de coûteuses opérations d'entretien. Un problème important posé par la fabrication des modules résulte du fait qu'ils sont soumis à des variations de température qui engendrent des dilatations différentielles périodiques. Il peut en résulter l'apparition de fractures qui constituent d'abord des interfaces optiques proprgà réfléchir une fraction excessive du rayonnement reçu, donc à diminuer le rendement énergétique, et qui conduisent ensuite à l'introduction d'humidité, et donc à la dégradation des cellules. En se limitant ici au cas où la rigidité du module est assurée par la plaque avant, il est d'abord connu, pour résoudre ce problème, de choisir pour cette plaque un verre dont le coefficient de dilatation thermique soit voisin de celui des cellules. Ensuite diverses dispositions sont utilisées pour assurer la liaison entre la plaque avant et les cellules. L'une d'elles consiste à utiliser un matériau de liaison et d'encapsulation des cellules suffisamment souple pour que ses déformations absorbent sans dommage les différences de dilatation entre les divers éléments. Ce matériau peut être là encore une résine silicone mouîabîe.ÇEn fait quelle que soit la nature des parois avant et arrière des modules photovoltafques, le matériau d'encapsulation des cellules actuellement le plus largement utilisé est ce type de résine). Ce matériau est cher et sa mise en oeuvre est relativement délicate et difficile à rendre automatique. On a d'autre part proposé de lier des cellules de silicium à la plaque avant en verre par soudure électrostatique. Un tel procédé est encore expérimental. La présente invention a pour but la réalisation d'un procédé de fabrication de module de cellules solaires facile à mettre en oeuvre de manière automatique et peu coûteuse. Elle a pour objet un procédé de fabrication de modules de cellules solaires comportant les étapes suivantes - réalisation de grilles conductrices permettant la collecte du courant sur les faces avant de cellules photovoltaiques, - scellement des faces avant de ces cellules sur la face arrière d'une plaque de verre avant avec interposition des grilles conductrices, - réalisation de contacts arrières pour la collecte du courant sur les faces arrières des cellules, - réalisation de connexions entre les contacts arrières des cellules et les grilles conductrices des cellules voisines, - revêtement de l'ensemble par une couche protectrice arrière, - caractérisé par le fait qu'avant le scellement des cellules on réalise, par sérigraphie d'une pâte conductrice à base de poudre métallique et de poudre de verre sur la face arrière de la plaque avant, puis frittage de cette pâte, des plots conducteurs s'étendant de l'intérieur à l'extérieur des zones (AS) sur lesquelles les cellules doivent être scellées, ceci pour permettre une prise de contact électrique ultérieure avec les grilles conductrices (GC) en dehors de ces zones, - on forme des plots isolants en appliquant une pâte de scellement à base de poudre de verre sur des zones de connexion reliant les plots conducteurs des cellules aux cellules voisines puis en frittant cette pâte, - et on réalise ensuite lesdites connexions entre contacts arrières et grilles conductrices sous la forme de connexions entre contacts arrières et plots conducteurs,par sérigraphie d'une pâte conductrice sur les plots isolants, puis en frittant cette pâte. A l'aide des figures schématiques ci-jointes, on va décrire ci-après à titre non limitatif, comment l'invention peut être mise en oeuvre. Il doit être compris que les éléments décrits et représentés peuvent, sans sortir du cadre de l'invention, être remplacés par d'autres éléments assurant les mêmes fonctions techniques. Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le même signe de référence. La figure 1 représente une vue d'un module fabriqué selon l'invention, deux cellules de ce module étant représentées en coupe à deux niveaux selon la ligne A-A de la figure 2. La figure 2 représente une vue en perspective coupée d'une cellule du même module. Les figures 3 à 7 représentent des vues en perspective du module de la figure 1 à différentes étapes de sa fabrication. La figure 8 représente une vue en perspective du module terminé, vu à travers la plaque avant transparente. La figure 9 représente une vue en perspective des éléments d'un dispositif de scellement de cellules utilisé selon l'invention. Le procédé selon l'invention est facile a mettre en oeuvre de manière automatique parce que, pour réaliser l'encapsulation des cellules et les connexions électriques, il fait une application nouvelle de techniques connues indépendament, à savoir la sérigraphie et l'impression de verres de scellement et d'encres conductrices. On va d'abord décrire son principe, appliqué à la réalisation d'un ou plusieurs "modules". La figure 1 présente une vue en coupe d'un module réalisé selon l'invention et comportant quatre cellules photovoltalques CP présentant la forme de disques de silicium. Les figures 3 à 8 montrent les principales étapes du procédé de réalisation d'un tel module. En partant d'une plaque avant en verre PA, ayant un coefficient de dilatation thermique voisin de celui du silicium, ces étapes principales sont les suivantes - formation par sérigraphie sur la plaque avant en verre, d'abord d'aires de scellement AS en verre d'indice adapté à ceux de la plaque avant et des cellules (figure 3), puis de plots conducteurs PC (figure 4), - scellement des cellules CP munies de grilles conductrices GC réalisées par sérigraphie et obtention de la liaison grille-plots conducteurs (figure 5) Chaque cellule a été préalablement munie d'une grille conductrice GC et d'un contact arrière CA (couche métallique) (figure 2). - isolation électrique locale entre faces avant et faces arrière des cellules par des plots isolants PI formés au niveau des futures connexions par impression d'un verre de scellement (figure 6), et réalisation des connexions CO entre les plots conducteurs PC et la face arrière des cellules par impression d'une encre conductrice (figure 7) à l'aide d'un rouleau encreur souple. - pulvérisation d'un verre de scellement ou d'un émail sur la face arrière du module pour former une couche de protection PR. Les verres de scellement utilisés sont de type "court" à bas point de fusion. Le tableau I, où sont dénombrées les différentes opérations de ce procédé, montre que l'assemblage des cellules en module comporte une vingtaine d'opérations, y compris la réalisation des contacts sur les cellules par sérigraphie. En plus du nombre restreint d'opérations qu'il comporte, ce procédé présente deux autres avantages. D'une part il permet, dans une certaine mesure, d'adapter les coefficients de dilatation thermique et les modules d'élasticité des différents constituants. D'autre part, il est facilement automatisable et l'industrie électronique utilise très largement des machines à sérigraphi#er automatiques permettant d'effectuer un millier d'impressions à l'heure. Enfin,ce procédé pourrait être applicable au cas de cellules photovoltasques en couches minces (par exemple, silicium amorphe). Dans ce cas, les grilles collectrices seraient déposées-par sérigraphie sur la plaque avant en verre avec leurs plots conducteurs et les cellules seraient déposées ensuite directement sur cette plaque. Il convient de noter que l'accrochage des cellules au moyen d'un verre de scellement peut être remplacé par un accrochage direct en utilisant la "soudure électrostatique". En outre, on peut envisager d'utiliser ce procédé pour des cellules à contacts classiques compatibles avec une liaison aux encres conductrices et utiliser pour la protection arrière une feuille de matière plastique (exemple : polytéréphtalate d'ethylène, connu sous la marque "Mylar") formée et collée à chaud. TABLEAU I Dénombrement des différentes opérations. A - Sur les cellules 1 - Sérigraphie du contact arrière CA 2 - Séchage (four à passage) 3 - Sérigraphie de la grille conductrice avant GC 4 - Séchage, pyrolyse et pré-frittage (four à passage) B - Sur la face avant en verre 5 - Sérigraphie des aires de scellement AS 6 - Séchage (four à passage) 7 - Sérigraphie des plots conducteurs PC 8 - Séchage, pyrolyse et pré-frittage (four à passage) C - Assemblage 9 - Mise en place des cellules sur la plaque avant PA 10 - Frittage sous pression 11 - Impression des plots isolants en verre PI 12 - Séchage, pyrolyse et pré-frittage (four à passage) 13 - Impression des connexions CO entre plots conducteurs PC et contacts arrière CA des cellules 14 - Séchage, pyrolyse et pré-frittage (four à passage) 15 - Pulvérisation d'un émail en face arrière pour former la couche PR 16 r Séchage, pyrolyse, frittage. La plaque avant PA peut être constituée par une plaque en verre du type connu sous la marque "Pyrex 732" de 3 à 6 mm d'épaisseur. Les cellules CI peuvent être des cellules au silicium monocristallin. Elles présentent la forme de disques de 300 microns d'épaisseur, de 100 mm de diamètre et sont munies d'une grille conductrice GC réalisée par sérigraphie d'une encre conductrice. Les verres de scellement utilisés sont du type pâte diélectrique pour circuits électroniques. Les encres conductrices utilisées sont à base de poudre d'argent chimique et comportent une faible proportion de verre de l'ordre de 3%. On va maintenant décrire comment on peut sceller les cellules au silicit (CP) sur la plaque en verre PA. Le scellement des cellules sur une plaque en verre et la réalisation d'une liaison électrique entre la grille conductrice GC et les plots conducteu PC, préalablement déposés par sérigraphie sur la plaque en verre PA, sont obtenus au cours d'une opération de frittage sous pression à une température comprise entre 550 et 6000C. La figure 9 présente a titre de simple illustration un dispositif de scellement adapté à effectuer le scellement de six cellules seulement en une seule opération, étant entendu qu'en fait ce nombre peut être avantageusement augmenté de beaucoup. Il comporte les principaux éléments suivants - une plaque de support inférieure 101 munie de guides verticaux 105 - un élément de positionnement (3) permettant de maintenir les cellules (CP) à égales distances les uns des autres en regard des aires de scellement (AS) et de positionner un point de collection BC de la grille GC en regard des plots conducteurs PC déposés sur la plaque de verre PA. Les disques sont munis pour cela d'une encoche périphérique non représentée sur la figure 2, ou d'un méplat, ou de tout autre moyen de repérage angulaire. - une structure de pression 104 constituée par une plaque supérieure équipée de soufflets 108 permettant d'appliquer une-pression connue sur chaque cellule par l'intermëdiaire de répartiteurs de pression 102. Ces répartiteurs sont formés par une plaque d'appui 106 avec un pion central 107 à bout rond. Ce dispositif peut être relativement facilement extrapolé à un dispositif de plus grande taille permettant d'assembler un nombre de cellules correspondant à un module photovoltalque donné. La pression est appliquée au moyen des soufflets 108 qui sont formés d'acier inoxydable réfractaire, et sont alimentés par un gaz sous pression. On peut aussi constituer les éléments de pression par des ressorts tarés. On va maintenant décrire la réalisation des scellements et des connexions électriques de manière à obtenir un scellement des cellules sans détérioration de la géométrie de la grille conductrice et une bonne liaison électrique entre cette grille et les plots conducteurs. On effectue les opérations suivantes a/ Sérigraphie des aires de scellement AS sur la plaque de verre PA. b/ Séchage en étuve, 10 minutes à 1500C, pouréliminer les solvants organiques. ci Sérigraphie des plots conducteurs PC sur la plaque en verre PA. d/ Séchage en étuve, 10 minutes à 1500C, pour éliminer les solvants organiques. - Pyrolyse, 1 minute à 400-4500C, pour éliminer les liants organiques - Pré-frittage, 1 minute à 550-5000C. e/ Scellement des disques de silicium et réalisation de la liaison électrique grille-plots conducteurs par frittage sous pression de l'assemblage plaque de verre-disques de silicium. Le frittage est obtenu par une cuisson à 550-6000C pendant 10 minutes et sous une pression comprise entre 0,25 et 1 Kg/cm2. Les essais ont montrés - qu'il est nécessaire d'éliminer la totalité du liant organique avant d'effectuer l'opération de frittage final - qu'il est préférable d'effectuer un pré-frittage avant de réaliser l'assemblage disques de silicium-plaque de verre. - que la pression de frittage est un paramètre plus critique pour la qualité des liaisons électriques que pour la qualité du scellement. Ainsi, une pression trop élevée provoque une densification des dépôts conducteurs, ce qui peut être favorable à une réduction de la résistance électrique de couche, mais peut induire l'introduction de verre de scellement entre la grille et les plots conducteurs ou entre la grille et le disque de silicium. Les mesures des résistances de contact, à l'interface grille conductriceplot conducteur, ont montré que ces résistances pouvaient être inférieures ou égales à quelques milliohms pour des conditions de frittage convenablement choisies. Ces valeurs sont dans une gamme acceptable pour réaliser l'interconnexion entre des cellules dans un module. REVENDICATIONS 1/ Procédé de fabrication de modules de cellules solaires, procédé comportant les étapes suivantes - réalisation de grilles conductrices (GC) permettant la collecte du courant sur les faces avant de cellules photovoltaiques (CP), - scellement des faces avant de ces cellules sur la face arrière d'une plaque de verre avant (PA) avec interposition des grilles conductrices, - réalisation de contacts arrière (CA) pour la collecte du courant sur les faces arrières de cellules, - réalisation de connexions (CO) entre les contacts arrière des cellules et les grilles conductrices des cellules voisines, - revêtement de l'ensemble par une couche protection arrière (PR), - caractérisé par le fait qu'avant le scellement des cellules (CP) on réalise, par sérigraphie d'une pâte conductrice à base de poudre métallique et de poudre de verre sur la face arrière de la plaque avant, puis frittage de cette pâte, des plots conducteurs (PC) s'étendant de l'intérieur à l'extérieur des zones (AS) sur lesquelles les cellules doivent être scellées, ceci pour permettre une prise de contact électrique ultérieure avec les grilles conductrices (GC) en dehors de ces zones, - on forme des plots isolants (PI) en appliquant une pâte de scellement à base de poudre de verre sur des zones de connexion reliant les plots conducteurs des cellules aux cellules voisines puis en frittant cette pâte - et on réalise ensuite lesdites connexions (CO) entre contacts arrière (CA) et grilles conductrices (GC) sous la forme de connexions entre contacts arrière et plots conducteurs (PC), par sérigraphie d'une pâte conductrice sur les plots isolants (PI), puis en frittant cette pâte. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on réalise la couche protection arrière (PR) sous forme d'une couche de verre. 3/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on réalise les grilles conductrices (GC) et les plots conducteurs (PC) en une seule opération de sérigraphie sur la face arrière de la plaque avant (PA). 4/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on réalise les grilles conductrices (GC) par dépôt métallique sur les faces avant des cellules (CP), - et qu'avant le scellement des cellules, on réalise des aires de scellement (AS par sérigraphie d'une pâte à base de poudre de verre sur les zones où les cellules doivent être scellées, et par frittage de cette pâte. 5/ Procédé selon la revendication 4, caractérisé par le fait qu'on réalise le scellement des cellules (CP) sur des aires de scellement (AS) de la plaque de verre avant en disposant cette plaque avant sur une plaque métallique de support (101) munie de guides verticaux (105) en saillie sur cette plaque de support, - en disposant sur cette plaque de support un élément de positionnement (103) guidé par les guides verticaux (105) et percé de fenêtres pour le positionnement des cellules sur les aires de scellement, - en disposant les cellules dans ces fenêtres, - en disposant au dessus de l'élément de positionnement (103) une structure de pression (104) guidée par les guides verticaux et munie d'éléments de pression (108) en saillie vers le bas au dessus de fenêtres de la plaque de positionnement, pour permettre d'appliquer une pression prédéterminée sur chaque cellule, - en chauffant à une température permettant le scellement, - et en fixant cette structure de pression à la plaque de support de manière à permettre l'application de cette pression prédéterminée. 6/ Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que lesdits éléments de pression (108) sont constitués par des soufflets métalliques connectés à une source de gaz sous pression. 7/ Procédé selon la revendication 5, caractérisé par le fait que des répartiteurs de pression sont disposés sur les cellules avant que lton dispose la structure de pression, ces répartiteurs de pression comportant chacun une plaque de répartition (106) disposée sur la cellule, et un pion de transmission central (107) en saillie au dessus de cette plaque avec une extrémité supérieure arrondie, de manière à recevoir la pression appliquée par les éléments de pression (108). 8/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les opérations de frittage sont précédées d'opérations de préfrittage.