Brevet FR2472840A1 — publié le 19810703

La présente invention concerne de façon générale des cellules à énergie solaire au silicium présentant au moins une surface principale pour recevoir et absorber la lumière incidente sur elle. Plus particulièrement elle concerne des cellules utilisées pour produire de l'électricité en ambiance terrestre bien qu'elle soit également applicable à des cellules utilisées comme source d'énergie pour des satellites orbitaux et autres dispositifs situés dans l'espace et qui de ce fait ne bénéficient pas d'une atmosphère pour atténuer le bombardement de la cellule par des particules d'énergie. Il existe un problème connu depuis de nombreuses années des spécialistes de ce type de cellules solaires et qui n'a pu être résolu de façon satisfaisante, ce problème étant de minimiser la réflexion de la lumière frappant une surface absorbant la lumière d'une cellule solaire et d'en accroitre l'absorption. Bien que des revêtements anti réfléchissants composés par exemple de pentoxyde de tantale ou de niobium se soient révélés utiles à cet égard, on a constaté que des cellules munies de tels revêtements absorbent la lumière utile et n'offrent pas une efficacité complète pour toutes les longueurs d'ondes utiles. Une autre manière d'accroître l'absorption de la lumière disponible, et qui a fait l'objet d'un certain intérêt, a été de texturer la surface d'impact de lumière de la cellule. Dans une application particulière de cette technologie la surface de cellule est attaquée par une solution d'hydroxyde de potassium ou d'hydroxyde de sodium pour créer une surface de cellule dans laquelle sont formées des pyramides en saillie vers le haut. Ces pyramides sont de tailles aléatoires. Le but de ces pyramides en saillie vers le haut sur la surface de la cellule est de capturer la lumière, c'est-àdire que la lumière qui n'est pas absorbée par la cellule sur une surface principale est heureusement réfléchie sur une autre structure pyramidale ou sur la surface principale et est absorbée par la surface ou la pyramide de réflexion. L'emprisonnement de la lumière au moyen de structures en saillie vers le haut sur la surface d'une cellule solaire a certains désavantages bien que ces structures accroissent en principe l'absorption de la lumière disponible. Parmi ces désavantages on trouve le fait que les pointes de pyramidesvou des parties de toutes structures en saillie vers le haut sur la surface de la cellule peuvent être brisées en cours de manipulation. Du fait qu'une cellule présentant une surface texturée est soumise à u-t imprégnation à l'aide d'une impureté formatrice de jonction après réalisation de la structure, si la pointe d'une pyramide se brise par la suite, la partie de la cellule où se trouve à l'origine la pointe n'aura pas de jonction photovoltaîque. En conséquence, l'efficacité de la cellule sera diminuée.De plus, un dessin ou motif de métallisation d'électrode sous la forme d'une grille est difficile à appliquer par suite des pointes algues en saillie. Ainsi le motif de grille métallique dans certains cas doit relier les points voisins ce qui rend la grille fragile. En outre du fait qu'au moins le métal de base du motif métallisé est habituellement appliqué par des procédés de masquage de type "shadow mask", l'application du masque à la surface de la cellule peut briser les sommets des pyramides en saillie vers le haut auquel cas un double masquage est nécessaire faute de quoi le motif de grille sera discontinu. Le principal désavantage est peut être le fait que lorsque le motif de grille métallique prend contact avec une pyramide dont le sommet a été brisé, ce qui expose les régions p et n la grille court-circuite la cellule.Ces difficultés, en particulier la probabilité de court-circuiter la cellule ont eu pour résultat d'entraver le large développement des surfaces structurées dans le domaine des cellules photovoltalques. D'un autre point de vue les cellules solaires ont constitué une partie importante des programmes spatiaux des Etats-Unis du fait de leur utilisation comme source principale d'énergie électrique pour les véhicules spatiaux. Ainsi des programmes ont été développés pour accroître l'efficacité des cellules et ont ainsi amené à des coûts réduits et à un fonctionnement amélioré des missions spatiales où les véhicules sont alimentés par des cellules solaires. Toutefois les travaux les plus récents dans le développement des cellules solaires au silicium se sont concentrés sur des perfectionnements à l'efficacité en début de vie de la cellule. Ceci constitue certainement un facteur important et conduit à des cellules qui sont plus économiques pour un usage terrestre.Toutefois dans l'espace les cellules sont l'objet d'un bombardement par des particules d'énergie non atténuées par l'atmosphère entourant la Terre. En conséquence les cellules qui sont utilisées pour le programme spatial se sont révélées avoir une durée de vie sensiblement plus courte que celles utilisées uniquement pour des usages terrestres. Il est toutefois bien admis que les cellules solaires utilisées pour alimenter en énergie des satellites orbitaux ont une vie utile d'environ 7 à 10 ans. C'est pourquoi la vie utile d'un satellite a normalement été limitée à celle des cellules qui lui fournissent son énergie, c'està-dire à environ 7 à 10 àns. Pendant un certain temps des efforts continuels ont été apportés à perfectionner la résistance au rayonnement des cellules solaires. Parmi les efforts qui ont été faits pour améliorer la résistance au rayonnement des cellules solaires en changeant la forme physique de la jonction de la cellule se trouve ce que l'on a appelé la cellule à jonction verticale. Une telle cellule a fait l'objet d'un article scientifique intitulé "New Development in Vertical-Junction Solar Tells, présenté à la Douzième Conférence des spécialistes en matière photovoltaique IEEE tenue du 15 au 18 Novembre 1976 à Baton Rouge en Louisiane. En général le but de réaliser des canaux verticaux dans la surface 1-0-0 de la cellule solaire ce qui a pour conséquence que la jonction photovoltaïque prolonge des canaux verticaux vers l'intérieur depuis la surface de cellule est d'amener la jonction plus près de l'énergie lumineuse absorbée par la cellule.Du fait que des défauts dans la structure de la cellule provoqués par l'exposition à l'espace extérieur peuvent réduire l'efficacité de captation des porteurs engendrés par la lumière, la diminution de la distance entre les porteurs et la jonction accroît la probabilité que ces porteurs atteignent la jonction. Toutefois les cellules à jonction verticale tout en étant incontestablement avantageuses en ce qui concerne la résistance au rayonnement, c'est-à-dire une aptitude au fonctionnement malgré l'endommagement, ont pour désavantage d'être assez difficiles à fabriquer de manière précise. Dans l'état actuel des connaissances, elles peuvent seulement être produites dans une surface sur le plan 1-1-0 du silicium monocristallin dans lequel les plans communs sont 1-1-1 et 1-0-0. En conséquence les cellules à jonction verticale sont difficiles à reproduire de façon uniforme et sont relativement coûteuses à fabriquer. Toutefois il ne fait aucun doute que des cellules solaires à gorges avec des jonctions verticales présentent une vitesse de dégradation par irradiation sensiblement inférieure à celles des cellules solaires au silicium dans lesquelles la jonction est plane. En ce qui concerne l'absorption accrue de la lumière cet accroissement peut être obtenu lorsque les parois séparant les gorges sont très minces, mais alors la structure est extrêmement fragile. La cellule solaire qui fait l'objet de la présente inven tion utilise certains des avantages de la cellule à jonction verticale, avec sa résistance améliorée aux dommages par rayonnement, et certains de la cellule texturée avec son absorption accrue mais sans sa tendance à être facilement l'objet de dommages physiques. La présente invention a ainsi pour objet principal de réaliser une cellule à énergie solaire possédant une surface adaptée à recevoir et à absorber totalement la lumière incidente sur elle, ladite cellule,résistant mieux aux dommages par rayonnement qu'une cellule présentant une jonction plane. Plus précisément une cellule à énergie solaire selon la présente invention possède une surface principale adaptée pour recevoir la lumière incidente sur elle, ladite surface étant munie d'une pluralité d'indentations dont les bases se trouvent dans le plan de la surface principale. Ces indentations définissent généralement des vides ayant la forme d'une figure géométrique, en fait une pyramide. Généralement la plus grande zone de la figure en toute section parallèlement à la surface principale se trouvera à la surface de la cellule. En conséquence lorsque la figure géométrique est une pyramide le corps de la cellule délimite des vides ayant la forme de pyramides dont les pointes s'étendent verticalement vers l'intérieur depuis la surface de la cellule et dont les bases se trouvent dans le plan de cette surface. De préférence les pyramides sont réparties uniformément sur la surface dé la cellule et occupent au moins 90% de cette surface. Par suite de l'utilisation d'une cellule ayant la structure qui vient d'être décrite, c'est-à-dire présentant une série de vides sous forme de pyramides inversées formées dans la surface de la cellule, on obtient une cellule qui résiste au rayonnement et qui, lorsqu'elle réfléchit la lumière, la réfléchit vraisemblablement à une autre des surfaces formées par la pyramide de sorte que lténer- gie lumineuse peut alors être absorbée par cette surface. En outre les désavantages inhérents aux cellules texturées présentant des pyramides en saillie vers le haut sont évités ; il n'y a pas de structures en saillie vers le haut susceptibles d'être brisées ou altérées d'une autre manière lors de la manipulation de la cellule. Ainsi l'aptitude de la surface de la cellule à réfléchir la lumière à une autre surface absorbante est maintepue à la manière d'une cellule présentant des pyramides en saillie vers le haut. Un avantage important d'une cellule selon la présente invention est qu'elle se prête à un procédé de production relativement simple tout en étant efficace. Ce procédé utilise l'aptitude de certains agents d'attaque à attaquer facilement le silicium tout en n'attaquant pas de façon satisfaisante certains autres matériaux. Par exemple il est bien connu que l'hydroxyde de potassium et l'hydroxyde de sodium attaquent le silicium mais n'attaquent pas facilement d'autres matériaux tels que les oxydes de silicium. Ainsi le procédé selon l'invention consiste à masquer la surface d'une plaquette de silicium avec une couche résistant à l'attaque par un tel agent d'attaque du silicium, à former des régions ouvertes dans la couche de masquage pour exposer des portions sensiblement symétriques de la surface de la plaquette de silicium se trouvant en dessous de ces régions.La surface masquée est habituellement la surface 1-0-0 du silicium. Ensuite un agent d'attaque du silicium est appliqué à la couche de masquage y compris sur ses régions ouvertes. L'agent d'attaque du silicium pénètre à travers les régions ouvertes dans la couche de masquage et prend contact et attaque la surface de la plaquette y formant des structures pyramidales ou d'autres structures géométriques dirigées vers l'intwerieur de la surface. Ensuite la couche de masquage est retirée et après un lavage approprié une impureté est diffusée ou introduite d'une autre manière dans le corps de la cellule de silicium qui a précédemment été dopée. La diffusion créée la jonction habituelle n-p ou p-n à l'intérieur de la surface de cellule, cette jonction s'étendant sur la surface entière de la cellule y compris les indentations formées dans cette surface. Un procédé très simple et efficace consiste à utiliser la vapeur pour former une couche d'oxyde sur une plaquette de silicium. La vapeur crée une couche de dioxyde de silicium qui recouvre la totalité de la surface principale de la plaquette à attaquer. Par photolitographie la couche de dioxyde de silicium est attaquée sélectivement par un agent d'attaque qui attaque facilement le dioxyde de silicium mais qui n'attaque pas facilement le silicium. De cette manière on forme une série de régions ouvertes sur la totalité de la couche de dioxyde de silicium qui recouvre la surface principale de la cellule. Après formation de ces régions ouvertes un agent d'attaque du silicium est appliqué sur les régions ouvertes pour former une série de pyramides inversées sur la totalité de la surface de la cellule. La couche de dioxyde de silicium est enlevée par attaque dans sa totalité, la cellule est lavée et une impureté est diffusée ou appliquée d'une autre maniere à la surface struc turée de la cellule pour former une jonction électrique à l'intérieur de cette surface. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation se référant au dessin annexé dans lequel La Fig. 1 est un diagramme illustrant la succession des étapes de mise en oeuvre du procédé de l'invention, La Fig. 2 est une vue en plan de dessus d'une surface de cellule solaire obtenue par la mise en oeuvre du procédé illustré schématiquement dans la Fig. 1. En se référant au dessin et en particulier aux schémas de la Fig. 1 on voit que l'on utilise une plaquette de silicium 10 de dimensions désirées, par exemple un disque de 7,62 cm de diamètre et de 0,254 mm d'épaisseur composé de silicium sensiblement monocristallin qui a été dopé à l'aide de bore. Convenablement protégée la plaquette 10 qui possède une surface principale 11 dans le plan cristallographique 1-0-0 du silicium est placée en atmosphère de vapeur à 9000 C pendant une demi-heure. Après traitement à la vapeur la surface 11 de la cellule est recouverte d'une couche de masquage 12 de dioxyde de silicium. La couche 12 présente une épaisseur sensiblement constante de 2.000 A. Une couche d'un agent photorésistant 14 est ensuite appliquée uniformément sur le revêtement ou couche 12 de dioxyde de silicium. Cette couche d'agent photorésistant est par exemple celle décrite dans la demande de brevet U.S. n0 614 618 déposée le 18 Septembre 1975, qui constitue une illustration des techniques photolitographiques susceptibles d'être utilisées pour la production d'un masque à motif. La couche de film 14 est ensuite photographiée selon un motif de trous minuscules dont les centres sont espacés les uns des autres d'environ 30 microns. On applique ensuite un solvant et les parties du film 14 qui ont été exposées photographiquement sont dissoutes dans le bain de solvant. Avec de telles parties dissoutes la plaquette de silicium présente la forme représentée dans le troisième schéma de la Fig. 1, c'est-à-dire que les parties 14 sont séparées les unes des autres par des régions ouvertes 16 au sommet de la couche continue de dioxyde de silicium 12. On applique ensuite à la totalité de la plaquette 10 un agent d'attaque pour le dioxyde de silicium mais non pour le silicium ou pour la couche d'agent photorésistant. Dans le cas présent l'agent d'attaque utilisé est l'acide fluorhydrique. Après avoir été plongée dans l'acide fluorhydrique la plaquette pré.sente.sensible- ment la forme illustrée dans le quatrième schéma de la Fig. 1 c'est à-dire que les régions ouvertes 16 dans la couche d'agent photorésistant 14 se sont prolongées à travers la couche de dioxyde de silicium 12 vers le bas jusqu'à la surface 11 de la cellule. Pour plus de clarté, ces régions ouvertes ainsi prolongées ont été désignées par le chiffre de référence 17.Le reste de la couche 14 est alors retiré par immersion dans un solvant organique, par exemple l'acétone et la cellule présente la structure illustrée dans le cinquième schéma de la Fig. 1, structure dans laquelle les petites régions ouvertes 18 s'étendent toujours jusqu'à la surface 11 de la plaquette de silicium 10. Dans cette forme on trouve un motif de régions ouvertes 18 réparties uniformément sur la totalité de la surface principale 11 de la plaquette. Ce motif est composé d'un continuum de dioxyde de silicium 12 dans lequel des régions ouvertes 18 ont été formées. Au cours de l'étape suivante la plaquette avec sa couche de dioxyde de silicium est immergée dans un bain d'agent d'attaque du silicium, dans ce cas une solution à. 5 de KOH à 70 à 800 C, pendant approximativement 5 minutes. Du fait que le KOH constitue un agent d'attaque pour le silicium mais n'attaque pas de façon satis faisantele le dioxyde de silicium, après l'attaque par le KOH la couche 12 de dioxyde de silicium, perforée par les régions ouvertes 18 se trouve sensiblement inchangée. Cependant l'attaque de la surface 11 de la plaquette de silicium 10 a été accomplie .Cette attaque dans le plan cristallographique 1-0-0 du silicium monocristallin a eu pour résultat que la surface attaquée présente des plans inclinés 19 qui s'étendent vers l'intérieur dans le corps 10 de la plaquette et se terminent par des sommets 20 s'étendant vers le bas. La plaquette est à nouveau soumise à un traitement par l'acide fluorhydrique après quoi l'on retire complètement la couche de dioxyde de silicium 12. Le résultat obtenu est une plaquette telle que représentée dans le dernier schéma de la Fig. 1 et comportant des zones ouvertes ou indentations 22 réparties uniformément dans sa surface principale 11, les vides de ces indentations étant reliés par des plans inclinés 19 se terminant par des sommets 20. On voit sur la Fig. 2 une vue largement agrandie de la cellule schématiquement représentée dans le dernier schéma de la Fig. 1. Comme on peut le voir l'attaque par le KOH dans le plan 1-0 O du silicium monocristallin a permis d'obtenir une surface présen tant des vides sous la forme de pyramides inversées présentant quatre surfaces inclinées 19 se terminant en un seul sommet 20 pour chaque indentation ou vide. Les indentations formées par les plans 19 couvrent plus de 50% de la surface 11 restant dans la cellule. Dans le mode de réalisation préféré les indentations occupent plus de 90% de la surface principale 11 de la cellule, surface à laquelle la lumière-est reçue et absorbée par la cellule. D'après les mesures qui ont été faites, le sommet de chaque indentation pyramidale s'étend dans le corps de la cellule jusqu'à une profondeur d'environ 20 microns La base d'un vide pyramidal inversé présente une longueur et une largeur d'environ 15 microns ; la largeur de la partie de surface 11 de la surface de cellule restant entre les indentations voisines et les séparant est d'environ 1 micron. Selon une caractéristique importante de la présente invention les zones exposées de la surface 11 en dessous des régions ouvertes dans le revêtement 12 sont sensiblement symétriques. L'utilisation du terme sensiblement symétrique n'exclut pas les portions exposées qui, en vue en plan, seraient autres que rondes ou carrées. Ainsi rentrent dans le cadre de la présente invention des régions ouvertes dont le rapport entre la plus grande et la plus petite dimension peut être par exemple de 2, bien que l'on pense actuellement que les portions exposées parfaitement symétriques de la surface constituent le mode de réalisation le plus préférable. Selon une caractéristique supplémentaire de l'invention, on réalise une surface structurée de vides pyramidaux inversés sur les deux surfaces principales, c'est-à-dire les surfaces frontale et arrière d'une plaquette de silicium. On remplit ensuite les vides de la surface arrière de la plaquette, qui ne doit pas être exposée à la lumière, d'un métal conducteur de la chaleur tel que de l'étain. Sous cette forme la structure frontale structurée de la cellule assure sa fonction d'absorption de lumière et la surface arrière agit comme un collecteur de chaleur pour transférer la chaleur à l'écart du reste de la cellule puis en contact avec un milieu dissipateur de chaleur, par exemple l'air ou l'eau. On doit bien comprendre que le procédé et le produit qui viennent d'être illustrés et décrits ne représentent qu'un mode préféré de mise en oeuvre. Ainsi les dimensions spécifiques des indentations pyramidales inversées de la cellule ont été utilisées pour illustrer les caractéristiques qui à présent sont jugées les plus avantageuses. Toutefois l'expérimentation peut montrer que d'autres dimensions d'indentations offrent certains avantages en particulier en relation avec l'utilisation spécifique à laquelle la cellule est destinée. En outre des procédés autres que la photolitographie peuvent être utilisés pour disposer les régions ouvertes dans le dioxyde de silicium ou une autre couche de masquage peut être appliquée à la surface d'impact de lumière de la cellule.De plus de telles régions ouvertes peuvent être définies autrement, par exemple en appliquant un masque à la surface de la cellule et en attaquant les indentations de la surface de cellule à travers le masque. Toutefois du fait qu'une grande précision est requise et que le masque lui-même doit être résistant à l'agent d'attaque du silicium le procédé qui a été décrit précédemment s'est révélé particulièrement avantageux. En outre l'attaque de la surface de la plaquette peut également avoir lieu à travers les régions ouvertes dans un revêtement de titane ou de dioxyde de titane qui aurait l'avantage d'être appliqué à une température inf8rieure-évitant des dommages thermiques possibles à la cellule. Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec un mode de réalisation particulier, elle n'y est nullement limitee et de nombreuses variantes et modifications peuvent y être- apportées sans pour autant sortir de son cadre ni de son esprit. REVENDICATIONS t. Procédé de fabrication d'une cellule solaire au silicium possédant au moins une surface principale adaptée à recevoir de la lumière incidente sur elle et absorber et convertir cette lumière en énergie électrique, caractérisé par le fait que l'on utilise une plaquette de silicium possédant au moins une surface principale susceptible d'être attaquée par un agent d'attaque du silicium, que l'on masque cette surface avec une couche résistant à l'attaque par ledit agent d'attaque du silicium, ladite couche de masquage étant munie de régions ouvertes qui exposent des portions sensiblement symétriques de ladite surface de la plaquette de silicium, que l'on attaque lesdites portions exposées de ladite surface à travers lesdites régions ouvertes de ladite couche de masquage avec ledit agent d'attaque du silicium pour produire des indentations dans ladite surface, et que l'on forme une jonction électrique à ladite surface. 2. Procédé de fabrication d'une cellule solaire au silicium selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite couche de masquage est sensiblement uniforme et recouvre la totalité de ladite surface principale; 3. Procédé de fabrication d'une cellule solaire au silicium selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite couche de masquage est le produit de réaction du silicium et d'un réactif appliqué extérieurement. 4. Procédé de fabrication d'une cellule solaire au silicium selon la revendication 3, caractérisé par le fait que lesdites régions ouvertes de ladite couche de masquage sont formées par attaque par un agent d'attaque qui n'attaque pas facilement le silicium. 5. Procédé de fabrication d'une cellule solaire au silicium selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite couche de masquage est constituée de titane. 6. Procédé de fabrication d'une cellule solaire au silicium possédant au moins une surface principale adaptée à recevoir et absorber la lumière incidente sur elle et à convertir ladite lumière en énergie électrique caractérisé par le fait que l'on utilise une plaquette de silicium présentant une surface principale dans le plan 1-0-0 du silicium cristallin, ledit silicium étant soumis à l'attaque par un agent d'attaque du silicium, que l'on fait réagir cette surface avec un agent oxydant pour former une couche d'un oxyde de silicium recouvrant ladite surface, que l'on réalise une attaque sélective de ladite couche d'oxyde sur ladite surface à l'aide d'un agent n'attaquant pas le silicium pour former des régions ouvertes dans ladite couche d'oxyde traversant ladite couche d'oxyde pour exposer des portions se trouvant en dessous de ladite surface principale de ladite plaquette, que l'on attaque lesdites portions exposées de ladite surface à travers les régions ouvertes dans ladite couche d'oxyde avec un agent d'attaque du silicium qui ne constitue pas un agent d'attaque pour ladite couche d'oxyde pour produire des indentations dans ladite surface principale et que l'on forme une jonction électrique à ladite surface. 7. Procédé pour fabriquer une cellule solaire au silicium selon la revendication 6, caractérisé par le fait que ledit agent d'oxydation est la vapeur et que ladite couche d'oxyde est constituée de dioxyde de silicium. 8. Procédé pour fabriquer une cellule solaire au silicium selon la revendication 6, caractérisé par le fait que ladite couche d'oxyde est retirée après la formation desdites indentations dans ladite surface principale. 9. Procédé pour fabriquer une cellule solaire au silicium selon la revendication 6, caractérisé par le fait# que ladite couche d'oxyde est sélectivement attaquée à travers un revêtement. présentant des parties non revêtues espacées, lesdites parties non revêtues étant produites par photolithographie. 10. Cellule à énergie solaire au silicium possédant une surface principale adaptée pour recevoir la lumière incidente sur elle, et absorber et convertir cette lumière en énergie électrique, caractérisée par le fait que ladite surface présente une pluralité d'indentations, lesdites indentations étant formées complètement à l'intérieur et délimitées entièrement par le corps de ladite cellule et possédant leurs bases dans le plan de ladite surface principale. 1.1. Cellule à énergie solaire au silicium selon la revendication 10, caractérisée par le fait que lesdites indentations sont sensiblement sous la forme de pyramides dont les bases se trouvent dans le plan de ladite surface principale. 12. Cellule à énergie solaire au silicium selon la revendication 11, caractérisée par le fait que lesdites pyramides présentent une profondeur sensiblement égale et sont espacées uniformément le long de ladite surface principale, les bases desdites pyramides occupant plus de 90% de ladite surface principale. 13. Cellule à énergie solaire au silicium selon la reven dication 10, caractérisée par le fait qu'ellé présente une surface arrière opposée à ladite surface principale munie également desdites indentations s'étendant vers l'intérieur. 14. Cellule à énergie solaire au silicium selon la revendication 13, caractérisée par le fait que les indentations de ladite surface arrière sont remplies d'un métal conducteur de la chaleur.