Brevet FR2481522A1 — publié le 19811030

Procédé de fabrication de modules de cellules solaires L'invention concerne un procédé de fabrication de modules de cellules solaires. Un tel module se présente classiquement sous la forme d' un panneau dont la face avant est exposée au soleil. En partant de cette face il comporte successivement - une paroi avant transparente au rayonnement solaire, - des cellules photovoltaiques pouvant prendre par exemple la forme de disques de silicium qui sont disposés derrière cette paroi pour recevoir ce rayonnement et dans lesquels on a créé une jonction semiconductrice, avec une grille conductrice en face avant et un contact arrière sur chaque cellule pour collecter le courant électrique produit et 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. D'autres structures de module sont cependant possibles,les cellules pouvant par exemple être protégées individuellement. Mais, quelle que soit sa structure, un tel module a pour fonction dtassurer l'assemblage, la protection et la connexion des cellules photovoltaiques qu'il comporte. Ces cellules sont fabriquées, à partir de disques de silicium semi-conducteur d'un type de conductivité déterminé; par diffusion d'un élément de dopage du type opposé à partir d'une face du disque, de manière à réaliser une inversion du type de conductivité du semiconducteur sur une fraction de l'épaisseur du disque On crée ainsi une jonction semi-conductrice interne. Cette diffusion se fait à une température qui est de l'ordre de 900 à 11000C, et pendant une durée qui sont déterminées avec soin de manière à obtenir une bonne efficacité de conversion photovoltaique. Tout chauffage ultérieur à une température supérieure à 6500C risque d'altérer cette efficacité. La réalisation des modules se fait ultérieurement. Elle est délicate, meme si on dispose de cellules photovoltalques de bonne qualité. En effet ces modules doivent d'abord posséder de bonnes qualités de transmission de la lumière jusqu' aulx cellules, et du courant électrique à partir de ces cellules et entre celles ei. 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 par pyrolyse sans charbonner, - et d'un solvant éliminable par séchage. La partie passive, à savoir le verre de scellement, présente un coefficient de dilatation aussi proche que possible de celui du silicium, et une faible température de scellement, obligatoirement inférieure à 650 C, afin de ne pas modifier les propriétés électriques et d'éviter la diffusion d'impuretés. Cette dernière obligation empêche de rapporcher autant qu'on le voudrait le coefficient de dilatation du verre de celui du silicium, ce qui compremet la fiabilité du scellement à long terme. 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 la pâte, sans laisser de résidu. Dans la pâte sérigraphiable, avant cuisson, le liant temporaire peut représenter 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 %. En ce qui concerne la tenue mécanique, la rigidité du module peut être 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 propres à 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 moulable. (En fait, quelle que soit la nature des parois avant et arrière des modules photovoltalques, 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 d'obtenir que la fabrication de module de cellules solaires soit facile, fiable, automatique et peu coûteuse. Elle a pour objet un procédé de fabrication de cellules solaires, caractérisé par le fait que l'on part de disques de silicium d'un seul type de conductivité, et dans un premier temps, l'on apporte par sérigraphie et impression d'encres dopantes et conductrices sur ces disques, d'une part un élément de dopage permettant d'inverser superficiellement le type de conductivité, d'autre part des éléments métalliques destinés à réaliser des contacts électriques sur ces disques, de manière à pouvoir, dans un second temps, réaliser simultanément d'une part la diffusion de l'élément de dopage dans le silicium à haute température, pour y former une jonction semi-conductrice, d'autre part le frittage des encres conductrices pour former les contacts des cellules. Elle a plus particulièrement pour objet un procédé de fabrication de modules de cellules solaires, un tel module comportant - des cellules photovol talque présentant la forme de disques de silicium comportant chacun une jonction semi-conductrice interne, et des contacts électriques superficiels pour collecter le courant produit, ces contacts étant une grille conductrice sur la face avant recevant le rayonnement solaire et un contact arrière sur la face arrière, - des connexions pour connecter électriquement ces cellules entre elles et à l'extérieur par l'intermédiaire de ces contacts, - et des couches de protection pour protéger ces cellules des intempéries, - le procédé de fabrication de modules comportant - des opérations de fabrication des cellules photovoltalques munies de leurs contacts, avec utilisation d'"encresw incluant un solvant éliminable par séchage, un liant organique éliminable par pyrolyse, et un élément permanent, - et des opérations d'assemblage de ces cellules, de mise en place des connexions et de mise en place des couches de protection, - et étant caractérisé par le fait que ces opération de fabrication des cellules sont les suivantes - dépôt, sur une face avant de disques de silicium d'un type de conductivité déterminé, d'une encre dopante dont l'élément permanent est un élément de dopage correspondant au type de conductivité opposé, et séchage de cette encre, - dépôt et séchage d'une encre "conductrice", l'élément permanent d'une telle encre contenant une poudre métallique, ce dépôt étant fait à travers un écran de sérigraphie en vue de former la grille conductrice sur cette même face avant, - dépôt et séchage d'une encre conductrice sur la face arrière des disques de silicium en vue de former le contact arrière, - pyrolyse des liants organiques de ces encres, - et chauffage des disques à haute température de manière à réaliser simultanément dsune part la diffusion superficielle dudit élément de dopage dans le silicium pour former ladite jonction semi-conductrice et d'autre part le frittage desdites encres conductrices pour former la grille conductrice et le contact arrière. Ce procédé comporte en outre avantageusement les étapes suivantes avant ladite opération de chauffage à haute température, - dépôt d'une encre de scellement, dont l'élément permanent est une poudre de verre, sur des zones d'une plaque de protection "avant" en verre sur lesquelles les cellules photovoltaïques doivent etre scellées, - élimination du solvant et du liant de cette encre, - et application des faces avant desdits disques sur ces zones, de manière que l'opération de chauffage à haute température réalise non seulement la diffusion de l'élément de dopage et la formation de la grille conductrice et du contact arrière, mais aussi le scellement des cellules sur cette plaque avant, ce qui réalise à la fois l'assemblage des cellules et la mise en place d'une couche de protection de leurs faces avant. Quoique l'expression "disque de silicium" employée ei-dessus corresponde à la forme circulaire habituelle des cellules photovoltaiques, il doit être compris qu'il pourrait tout aussi bien s' agir de formes différentes, par exemple de plaquettes rectangulaires. 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. Le procédé selon l'invention est facile à mettre- en oeuvre de manière automatique parce que, pour former les cellules avec leurs connexions électriques, et pour réaliser leur assemblage et leur protection, il fait une application nouvelle de diverses techniques connues indépendament, à savoir la sérigraphie et l'impression de verres de scellement et d'encres contenant des éléments permanents convenables, et la diffusion d'éléments de dopage à partir de la surface d'une plaquette semi-conductrice. Le module représenté sur les figures 1 et 2 comporte des cellules photovoltalques CP scellées à l'arrière d'une plaque avant PA. Au niveau de chaque cellule on trouve, à partir de cette plaque avant, une couche de verre de scellement AS, sensiblement coextensive à la cellule, une grille conductrice GC dont les intervalles sont remplis par la couche AS, puis le disque de silicium dans lequel une jonction semi-conductrice- a été formée pour lui permettre de constituer une cellule photovoltaiique, puis le contact arrière CA de cette cellule et enfin une couche de protection arrière PR en verre. Des connexions CO sont réalisées entre la grille conductrice GC d'une cellule et le contact arrière CA d'une cellule voisine pour les mettre électriquement en série. Le contact entre une telle connexion CO et la grille GC est réalisé par l'intermédiaire d'un plot conducteur PC déposé contre la face arrière de la plaque avant PA et pénétrant entre la grille conductrice GC et cette plaque. Un plot isolant en verre est déposé entre la connexion CO et la plaque avant PA, sur le bord de la cellule CP dont le contact arrière CA est ainsi connecté de manière à isoler cette connexion CO du bord de cette cellule. La couche de protection arrière PR recouvre l'ensemble et est scellée à la plaque avant PA sur les bords non représenté de celleci avec seulement deux passages étanches pour la connexion électrique du module à un circuit extérieurs Les figures 3 à 8 montrent les principales étapes d'un mode préféré de mise en oeuvre du procédé de fabrication d'un tel module selon l'invention.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 A - Sur les cellules - Sérigraphie du contact arrière CA (encre conductrice) - Séchage (four à passage) - Sérigraphie d'une couche d'encre dopante sur la face avant - Séchage, pyrolyse et préfrittage - Sérigraphie de la grille conductrice avant GC (encre conductrice) - Séchage, pyrolyse et pré-frittage (four à passage) B - Sur la plaque avant en verre - Sérigraphie des couches de scellement AS (encre à base de verre (fig.3) - Séchage (four à passage) - Sérigraphie des plots conducteurs PC (encre conductrice) (fiv.4) - Séchage, pyrolyse et pré-frittage (four à passage) C - Formation des cellules et assemblage - Mise en place des cellules sur la plaque avant PA (fig.5) - Chauffage à haute température sous pression pour assurer à la fois la diffusion de l'élément de dopage, le frittage des encres oonductrices et le scellement sur la face avant - Impression des plots isolants en verre PI (encre à base de verre) (fig.6) - Séchage, pyrolyse et pré-frittage (four à passage) - Impression des connexions CO entre plots conducteurs PC et contacts arrière CA des cellules (encre conductrice) (fig.7) - Séchage, pyrolyse et pré-frittage (four à passage) - Pulvérisation d'un émail en face arrière pour former la couche PR - 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 CP peuvent être des cellules au silicium monocristallin. Elles présentent la forme de disques de 300 microns d'épaisseur, de 100 mm de diamètre. Elles peuvent être constituées à partir de disques homogènes de type N ou P. L'encre "dopante" utilisée pour la formation de la jonction semi-conductrice interne contient comme élément dopant soit du phosphore ou de l'arsenic pour réaliser un dopage superficiel de type N dans un disque de type P, soit du bore ou de l'aluminium pour réaliser un dopage de type P dans un-disque de type N. On peut par exemple partir des disques de type P présentantune résistivité de 0,5 à 1 ohm centimètre, déposer une couche d'encre dopante contenant 2,5 à 5 x 10 8 grammes par centimètre carré de la surface du disque, cet élément étant le phosphore. Le chauffage à haute température destiné à assurer la diffusion de cet élément dure alors 30 à 45 minutes entre 1000 et 1100 C. Les encres conductrices utilisées sont à base de poudre d'argent chimique ou éventuellement d'autres métaux et comportent de préférence une faible proportion de verre de l'ordre de 3%. Le verre utilisé pour réaliser les couches de scellement AS peut, dans le cadre de la présente invention, être choisi parmi les verres qui se ramollissent à la haute température nécessaire à la diffusion de l'élément dopant. Ceci permet de choisir un verre présentant des caractéristiques particulièrement bonnes pour assurer un scellement permanent et fiable sur le silicium, ces caractéristiques étant surtout la proximité des coefficients de dilatation thermique et d'élasticité. Cet avantage tient au fait que l'opération de frittage du verre de scellement peut être réalisée en même temps que celle de diffusion, alors que, si cette opération de frittage avait du être réalisée après l'opération de diffusion, la nécessité de ne pas altérer les propriétés photovoltalques des cellules aurait obligé à choisir un verre se ramollissant à basse température. Les opérations de séchage peuvent être faites en étuves pendant 10 minutes à 1560C, pour éliminer les solvants organiques. La pyrolyse peut durer 1 minute à 2100-4500C, pour éliminer les liants organiques, et le pré-frittage, 1 minute à 550-5000C. Le scellement des disques de silicium et la réalisation de la liaison électrique entre la grille conductruces et les plots conducteurs sont obtenus par frittage de l'assemblage plaque de verre 2 disques de silicium, sous une pression comprise entre 0,25 et 1 Kg/cm2, dans les conditions de température et de durée choisies pour assurer la diffusion de l'élément dopant dans le silicium 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 conductrice-plot 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. En plus du nombre restreint d'opérations qu'il comporte, ce procédé présente deux autres avantages. D'une part il permet, d'adapter les coefficients de dilation 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 sérigraphier automatiquement permettant d'effectuer un millier d'impressions à l'heure Il convient de noter que l'accrochage des cellules au moyen d'un verre de scellement peut être remplacé par un accrochage direct en utisant le procédé connu de "soudure électrostatique". En outre, on peut utiliser pour la protection arrière une feuille de matière plastique (exemple : polytéréphtalate d'éthylène, connu sous la marque "Mylar") formée et collée à chaud. REVENDICATIONS 1/ Procédé de fabrication de cellules solaires, caractérisé par le fait que l'on part de disques de silicium d'un seul type de conductivité, et dans un premier temps, l'on apporte par sérigraphie et impression d'encres dopante et conductrices sur ces disques, d'une part un élément de dopage permettant d'inverser superficiellement le type de conductivité, d'autre part des éléments métalliques destinés à réaliser des contacts électriques sur ces disques, de manière à pouvoir, dans un second temps, réaliser simultanément d'une part la diffusion de l'élément de dopage dans le silicium à haute température, pour y former une jonction semi-conductrice, d'autre part le frittage des encres conductrices pour former les contacts des cellules. 2/ Procédé de fabrication de modules de cellules solaires, un tel module comportant - des cellules photovoltalque (CP) présentant la forme de disques de silicium comportant chacun une jonction semi-conductrice interne, et des contacts électriques superficiels pour collecter le courant produit, ces contacts étant une grille conductrice (GC) sur la face avant recevant le rayonnement solaire et un contact arrière (CA) sur la face arrière, - des connexions (CO) pour connecter électriquement ces cellules entre elles et à l'extérieur par l'intermédiaire de ces contacts, - et des couches de protection (PA, PR) pour protéger ces cellules des intempéries, - le procédé de fabrication de modules comportant 9 - des opérations de fabrication des cellules photovoltaiques munies de leurs contacts, avec utilisation d"'encres" incluant un solvant éliminable par séchage, un liant organique éliminable par pyrolyse, et un élément permanent, - et des opérations d'assemblage de ces cellules, de mise en place des connexions et de mise en place des couches de protection, - et étant caractérisé par le fait que ces opération de fabrication des cellules (CP) sont les suivantes - dépôt, sur une face avant de disques de silicium d'un type de conductivité déterminé, d'une encre dopante dont l'élément permanent est un élément de dopage correspondant au type de conductivité opposé, et séchage de cette encre, - dépôt et séchage d'une encre "conductrice", l'élément permanent d'une telle encre contenant une poudre métallique, ce dépôt étant fait à travers un écran de sérigraphie en vue de former la grille conductrice (GC) sur cette même face avant, - dépôt et séchage d'une encre conductrice sur la face arrière des disques de silicium en vue de former le contact arrière (CA), - pyrolyse des liants organiques de ces encres, - et chauffage des disques à haute température de manière à réaliser simultanément d'une part la diffusion superficielle dudit élément de dopage dans le silicium pour former ladite jonction semi-conductrice et d'autre part le frittage desdites encres conductrices pour former la grille conductrice (GC) et le contact arrière (CA). 3/ Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre les opérations suivantes avant ladite opération de chauffage à haute température - dépôt d'une encre de scellement, dont l'élément permanent est une poudre de verre, sur des zones (AS) d'une plaque de protection "avant" (PA) en verre sur lesquelles les cellules photovoltaiques (CP) doivent être scellées, - élimination du solvant et du liant de cette encre, - et application des faces avant desdits disques sur ces zones (AS), de manière que l'opération de chauffage à haute température réalise non seulement la diffusion de l'élément de dopage et la formation de la grille conductrice et du contact arrière, mais aussi le scellement des cellules (CP) sur cette plaque avant (PA), ce qui réalise à la fois l'assemblage des cellules et la mise en place d'une couche de protection (PA) de leurs faces avant.