Brevet FR2483686A1 — publié le 19811204

La présente invention concerne des batteries solaires. De façon plus spécifique, cette invention concerne un procédé de fa- brication de cellules solaires connectées en série et de cellules solaires à jonction tandem connectées en série. On sait que des dispositifs photovoltaïques, c'est-à-dire des cellules solaires, sont capables de transformer le rayonne- ment solaire en énergie électrique utilisable. Cette transforma- tion d'énergie résulte de l'effet photovoltalque bien connu dans le domaine des cellules solaires. Le rayonnement solaire qui frappe une cellule solaire et qui est adsorbé par une région ac- tive d'un matériau semi- conducteur engendre des électrons et des lacunes. Ces électrons et lacunes sont séparés par un champ électrique interne, par exemple une jonction redresseuse, dans la cellule solaire. De cette séparation des électrons et des lacunes sur le champ électrique interne résultentla phototension et le photocourant de la cellule. Lorsqu'augmente l'aire de la cellule solaire, la résistance série de l'électrode incidente au rayonnement solaire de la cel- lule augmente également et ceci se traduit par l'obligation de prévoir des électrodes de grille plus importantes et plus compli- quées pour extraire le courant engendré pendant l'illumination de la cellule solaire par la lumière du soleil. Le fait de fabri- quer des cellules solaires en longues bandes étroites et de rac- corder en série les bandes permet d'éliminer la nécessité de pré- voir des configurations de grille compliquées. Cependant, jusqu'à présent, la fabrication de minces bandes de cellules solaires connectées en série, ou de cellules solaires à jonction tandem connectées en série nécessitait l'application de techniques de décapage chimique et des techniques photolithographiques. L'uti- lisation de ces techniques provoquent souvent la formation de tête d'épingle (retassures) dans les matériaux semi-conducteurs ce qui entraîne un raccourcissement et un endommagement de tout ou partie de la cellule solaire. En outre, la technique de la photolithographie n'est pas facilement adaptable à un traitement continu sur une grande échelle et elle se traduit par une forte augmentation du prix de fabrication des cellules solaires connec- tées en série. Par conséquent, il est hautement désirable de disposer d'un procédé de fabrication de cellules solaires connec- tées en série ou de cellules solaires à jonction tandem connec- 2 2483686 tées en série ne comportant pas de nombreuses étapes de traite- ment liquide. C'est là précisément le but de la présente inven- tion. L'invention est relative à un procédé de fabrication d'une batterie solaire connectée en série et d'une batteris solaire a jonction tandem, connectée en série, utilisant la technique du traçage ou découpage au laser. Ce procédé met en oeuvre, entre autre, le découpage au laser d'un oxyde conducteur transparent déposé sur un substrat transparent en bandes. Ensuite le matériau semi-conducteur est déposé sur le substrat transparent et sur les bandes d'oxyde conducteur transparent. L'oxyde conducteur transparent constitue le contact supérieur du dispositif. Ce dis- positif subit ensuite un découpage au laser afin de diviser en bandes le matériau semi-conducteur sans affecter l'oxyde trans- parent conducteur. Les bandes sont parallèles et adjacentes aux bandes de découpage précédemment formées au laser. Ensuite, un contact métallique postérieur est appliqué sur les bandes d'oxyde conducteur transparent et de matériau semi-conducteur et on ef- fectue finalement un traçage au laser ou un découpage parallèle et adjacent aux deux découpages au laser effectués précédemment (mais écartés de ceux-ci) afin d'obtenir un dispositif qui est connecté en série. Des panneaux individuels de cellules solaires connectées en série et de cellules solaires à jonction tandem peuvent être reliés en parallèle de façon à obtenir toute tension et courant désirés. Les matériaux semi-conducteurs, les oxydes conducteurs transparents et les électrodes postérieures utilisées lors de la fabrication de la batterie solaire doivent dtre choisis de façon qu'un laser unique soit nécessaire pour effectuer le dé- coupage de chaque couche successive avec une énergie décroissante ou que des lasers de différentes longueurs d'onde soient néces- saires pour réaliser le découpage d'une couche sans affecter les autres couches. En variante, par exemple, on peut utiliser des impulsions de laser très courtes de l'ordre de 10 à 20 nanose- condes et des fréquences d'impulsions importantes de l'ordre de 0,2 à 5 MHz pour effectuer le découpage d'une couche sans affec- ter les autres couches. D'autres caractéristiques et avantages de cette invention ressortiront de la description faite ci-après en référence aux dessins annexés qui en illustrent divers exemples de réalisation 3 2483686 dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les dessins: - la figure 1 illustre, en section droite, une batterie so- laire au silicium amorphe hydrogéné à jonction tandem, fabriqué selon la présente invention à partir d'une pluralité de cellu- les solaires à jonction tandem; - les figures 2a à 2f illustrent le procédé de fabrication d'une série de cellules solaires interconnectées, selon un mode de mise en oeuvre du procédé selon cette invention, et - les figures 3a et 3b illustrent une variante de l'invention, prévue pour interconnecter des cellules solaires après les étapes illustrées aux figures 2a à 2e. On se réfère en premier lieu à la figure 1 qui illustre une section droite d'une batterie solaire à jonction tandem fabriquée à partir d'une pluralité de cellules solaires à jonction tandem interconnectées. La batterie solaire à jonction tandem 10 comporte une série de cellules solaires à jonction tandem 20, 21 et 22, connectées en série sur un substrat 32. Par exemple, les cellules solaires sont fabriquées à l'aide des matériaux décrits dans le brevet américain n 4 064 521, et dans les demandes de brevet américain n0 70 513, déposée le 28 Août 1979 et n0 109 637, dé- posée le 4 Janvier 1980. En variante, le silicium amorphe peut 9tre fabriqué avec des modificateurs en addition à l'hydrogène et on peut utiliser des silanes tels que les halogènes, du silicium vaporisé ou ayant subit une pulvérisation cathodique ou d'autres matériaux semiconducteurs, tels que OdS, CdSe, CdTe, Cu2S et similaires. Chaque cellule solaire à jonction tandem 20, 21 et 22 com- prend une bande d'oxyde conducteur transparent 34, en tant que électrode incidente et deux ou plus couches actives 38 et 42 de- matériau semi-conducteur9 séparées par une jonction tunnel 40. Les couches actives possèdent des régions 38a, 58b et 38c et 42a, 42b et 42c de types de conductivité différents. La ou les couches semi-conductrices et les jonctions tunnel seront désignées ci- après collectivement par le terme "région active" 43. Cette ré- gion active 43 comporte une jonction redresseuse soit à l'inté- rieur de la région, c'est-à-dire une jonction PN, soit à sa sur- face, c'est-à-dire une barrière de Schottky. La région active 43 peut être une couche d'un matériau semi-conducteur ou une plura- lité de couches semi-conductrices comme décrit ci-dessus. Les cellules solaires à jonction tandem sont inter-connectées avec une électrode postérieure 44 et ureconnexion série 46. Le découpage ou traçage au laser est utilisé pour fabriquer des bandes à partir du conducteur transparent 34 et les couches semi-conductrices 38 et 40. Les bandes d'oxyde conducteur trans- parent sont parallèles et adjacentes aux bandes de matériau semi- conducteur. La technique de découpage au laser permet également de réaliser les structures solaires qui comportent des bandes d'une seule région active de matériau semi-conducteur 38, connec- tées en série. L'électrode incidente transparente, le matériau semiconducteur et le matériau constituant l'électrode postérieure ou de dos, doivent être choisis de façon qu'un laser de longueur d'onde unique mais de puissance variable, décroissant à partir de la puissance nécessaire au découpage de l'électrode incidente, puisse découper les dispositifs. En variante, les matériaux peu- vent être choisis de façon qu'un laser émettant de la lumière à une fréquence puisse tracer ou découper un matériau, par exemple, du siliciumramorphe, mais non un autre matériau tel que l'oxyde transparent conducteur. Après cette description de la structure d'une cellule solaire terminée 10, on se reportera aux figures 2a à 2f qui illustrent la technique de fabrication. Le procédé mis en oeuvre dans cet exemple se réfère à la fabrication d'une batterie solaire au sili.- cium amorphe hydrogéné. La figure 2a représente un substrat 32 constitué par exemple de verre, de matière plastique et similaire. La figure 2b repré- sente le substrat 32 recouvert d'un oxyde transparent conducteur 54, en tant qu'électrode incidente, constitué d'un matériau tel que l'oxyde d'étain et d'indium, l'oxyde d'étain et similaire. L'oxyde transparent conducteur est déposé par vaporisation ou par pulvérisation cathodique ou tout autre procédé bien connu des techniciens. En variante, le substrat de verre 32, recouvert d'un matériau d'électrode transparent tel que l'oxyde d'étain et a in- dium est disponible dans le commerce. Le matériau d'électrode transparent et conducteur 34 doit présenter une épaisseur de l'ordre de 6,5 nanomètres et une résistivité de couche inférieure à environ 150 ohms par carré, de préférence inférieure à environ 100.a par carré. En se référant à la figure 2c, on voit que le substrat 32 qui comporte la couche 34 d'oxyde conducteur transparent est découpé en bandes n l'aide d'un laser. Le laser peut être de tout type capable de découper l'oxyde transparent conducteur. On oeut utiliser par exemple un laser YAG au neodyne excité en continu, rayonnant à 1,06 /um et commandé selon un mode de commutation Q. avec une puissance moyenne de l'ordre de 4,5 watts, une fréquence d'impulsion de l'ordre de 56 K Hz et une vitesse de découpage d'environ 20 cm/seconde. Ensuite, comme illustré par la figure 2d, la région active 43 est déposée sur les bandes d'électrode incidente. Le substrat 32 comprenant la couche 34 d'oxyde transparent conducteur et la région semi-conductrice active 43 est encore découpée au laser, parallèlement et de façon adjacente au découpage précédent Jusqu'à l'électrode transparente, comme représenté sur la figure 2a. Par exemple, un laser YAG au neodyme à excitation continue, rayonnant à 1,06/um et fonctionnant avec une fréquence d'impulsion de 36 KHz, une vitesse de découpage de 20 cm/seconde et une puis- sance réglée à 1,7 watts est suffisant pour découper d' silicium amorphe hydrogéné et un cermet jusqu'aux bandes d'oxyde transpa- rent conducteur 34 mais sans passer au travers de celles-ci. Comme représenté sur la figure 2f, un matériau d'électrode postérieure, constitué de titane, d'aluminium, d'indium ou simi- laire est évaporé angulairement sur les bandes de la cellule so- laire par exemple selon un angle de l'ordre de 30 à 450 par rapport à une perpendiculaire au substrat 32, de telle façon que le matériau forme des bandes 46 qui interconnectent en série les cellules individuelles. Enfin, des contacts 50 et 52 sont connec- tés à la structure de batterie solaire par tout procédé connu. En variante, le matériau de l'électrode postérieure peut être vaporisé, pulvérisé cathodiquement ou déposé par tout procédé connu, sur toute la partie postérieure des bandes de matériau semi-conducteur, comme représenté sur la figure 3a et ensuite ce matériau est découpé au laser, parallèlement au découpage au laser ayant formé la rainure.illustrée à la figure 2e. La rainure est adjacente à la rainure représentée sur la figure 3b. Un découpage au laser YAG au neodyme, à excitation continue, effectué à l'aide d'une fréquence d'impulsion similaire et une vitesse identique, mais avec une puissance de l'ordre de 1,5 w, est suffisant pour tracer le contact électrique postérieur en formant une rainure 24'83686 6 2483686 nais sans découper les couches de semi-conducteur ou d'oxyde conducteur transparent. Cette technique de zabricetion est appli- cable aux matériaux semi-conducteurs dans lesquels la résistivité superficielle latérale est suffisamment élevée par exemple supé- rieure à 1010- adjacentes ne sorte pas des cellules. On peut utiliser à cet ef- fet du silicium amorphe hydrogéné, des cermets et similaires. Si le semiconducteur ou d'autres matériaux utilisés pour former la région active, présentent une faible résistivité superficielle latérale, il convient alors de protéger le bord de la région ac- tive à l'aide d'un matériau dielectrique approprié, avant de con- necter les bandes en série. Cette invention sera maintenant décrite par les exemples non limitatifs suivants. Il demeure bien entendu que toute variante est à la portée de l'homme de l'art. :EX EP LE 1 Un substrat de verre ayant des dimensions de 7,6 x 7,6 cm, recouvert d'une couche d'oxyde d'étain et d'indium ayant une épais- seur de l'ordre de 250 nanomètres et une résistivité d'environ ohms par carré, fabriqué par la Société britannique "Triplex Glass Company, Ltd", Kings Norten, Birmingham, a été découpé au - laser, en utilisant un laser YAG au neodyme à excitation continue et commutation en code Q, avec une puissance de 4,5 watts, une fréquence d'impulsion de 36 Khz, une vitesse de traçage de 20 cm/ sec et une distance focale de l'ordre de 27 mm. Le découpage au laser a formé une rainure ayant une largeur d'environ 0,002 cm entre des bandes d'oxyde d'étain et d'indium de 0,5 cm de large. Le verre sous-jacent a légèrement fondu par endroits sur une nro- fondeur de quelques centaines d'Angstroms. Après le découpage au laser, la conductivité sur la zone découpée a été mesurée et elle a été trouvée légèrement conductrice. La zone légèrement conduc- trice a été éliminée par immersion du substrat dans une solution d'une Fart d'acide chlorhydrique concentré dans deux parts d'eau, pendant une durée d'environ 45 secondes. Ensuite, la région semi-conductrice active comprenant le cermet PtSiO2, ayant une épaisseur d'environ 15 nanomètres, con- tenant environ 123X en volume de platine, une couene dopée de type P+ de silicium amorphe hydrogéné d'une épaisseur de l'ordre de 36 nanomètres9 une couche non dopée de silicium amorphe hydro- gené ayant une épaisseur d'environ 590 nanomètres, et une couche finale de silicium amorphe hydrogéné dopé en type N+, d'une épais- seur de 36 nanomètres, a été déposée sur le substrat et les bandes d'oxyde d'étain et d'indium par les procédés décrits dans le bre- vet américain n0 4 167 051. Le silicium amorphe a été déposé par décharge luminescente dans une atmosphère contenant du -silicium, de l'hydrogène et des agents modificateurs de conductivité appro- priés. Le cermet a été formé par co-pulvérisation cathodique de platine (Pt) et de silice (SiO2). La région semi-conductrice active a été découpée par traçage à l'aide du laser mentionné précédemment, afin -de former des rai- nures dans la région semi-conductrice active, parallèles mais décalées par rapport au découpage initial au laser. Le laser fonctionnait à une puissance de 1,7 watts et avec une distance focale de 48 mm, la fréquence d'impulsion et la vitesse de décou- page étant identiques à celles indiquées précédemment. La largeur de la rainure ainsi tracée était d'environ 0,005 cm. La profon- deur-de découpage était suffisante pour que la rainure aille jusqu'à l'oxyde transparent conducteur, sans toutefois le traver- ser' Ensuite, les bandes et la région active ainsi que le substrat transparent ont été revOtus d'une électrode postérieure de titane jusqu'à une épaisseur de l'ordre de 100 nanomètres. La cellule a été découpée pour une troisième fois pour former une rainure dans le contact électrique postérieur, cette rainure étant parallèle et adjacente aux découpages précédents, en utilisant-un laser fonctionnant à une puissance d'environ 1,3 watts, avec une dis- tance focale de l'ordre de 75 mm et les fréquences d'impulsions ainsi que les vitesses de découpage indiquées précédemment. Des bandes de cuivre ont été fixées aux extrémités des électrodes à l'aide d'un cément epoxyargent. Enfin on a enlevé les shunts électriques en appliquant une polarisation inverse de 5 volts à chaque cellule. La cellule fabriquée selon le processus indiqué ci-dessus a été testée avec une lumière dont l'intensité était équivalente à, une lumière solaire de 1 AM. Une batterie solaire constituée de 12 bandes individuelles de cellule solaire présentait une tension Voc de 9,3 volts, environ 0,775 volt par cellule, un cou- rant de court-circuit J de l'ordre de 5,3 milliampères par cm2, un facteur de charge de 0,51 environ et un rendement de l'ordre de 2,1%. EXEIMPLE II Une batterie solaire connectée en série a été fabriquée selon la technique indiquée dans l'exemple I, cependant le métal du contact postérieur était de l'indium et il a été vaporisé sur la région active du dispositif semi-conducteur en m8me temps que l'oxyde d'étain et d'indium. Ensuite, des rainures ont été décou- pées dans l'indium par traçage au laser en utilisant une puissanee de laser de 1,3 watt, parallèlement et de façon adjacente aux rainures tracées au laser dans le silicium amorphe hydrogéné. Après fixation des électrodes et élimination des courts-circuits électriques, la cellule solaire constituée de 10 cellules à bandes individuelles connectées en série, présentait une tension en cir- cuit ouvert de 7,9 volts, un courant de court-circuit de 4,6 mil- liampères par cm, un facteur de charge de 0,51 et un rendement de 1,9%o lorsqu'elle était exposée à une lumière d'essai présentant une intensité de l'ordre de 1 AM. EXEMPLE III Un substrat de verre de 7,6 x 7,6 cm recouvert d'une couche d'oxyde d'étain et d'indium ayant une résistivité de l'ordre de 104(2-par carré a été découpé par traçage à l'aide d'un laser, selon le processus défini à l'exemple I. Ensuite une structure à jonction tandem comprenant un cermet de platine, une couche de silicium amorphe, une jonction tunnel et une seconde couche de silicium amorphe, a été déposée sur le substrat et les bandes d'oxyde d'étain et d'indium. L'épaisseur de la couche de cermet était de l'ordre de 7,5 nanomètres. La première couche de silicium amorphe, ayant une région de type Pl une épaisseur d'environ 30 manomètres, une région intrinsèque dont l'épaisseur était de l'ordre de 76 nanomètres et une région de type N, a été déposée sur le cermet de platine. Une jonction tunnel d'un cermet de platine de 7,5 manomètres d'épaisseur a été déposée sur la couche de silicium amorphe. La seconde couche de silicium amorphe, ayant une région de type P. une région intrin- sèque et-une région de type N avec des épaisseurs de 30 nanomètres, 408 nanomètres et 45 nanomètres., respectivement, a été déposée sur la jonction tunnel. Les régions de silicium amorphe ont été 9 248368-6 déposées par décharge luminescente et les cermets-de platine ont été déposés par co-pulvérisation cathodique de platine et de si- lice. Ces couches ont été découpées par traçage au laser afin de former une rainure parallèle et adjacente au traçage effectué précédemment, à l'aide d'un laser fonctionnant dans les conditions indiquées dans l'exemple I avec une puissance de 1,7 watts. Les rainures ainsi réalisé-es étaient adjacentes et parallèles aux rai- nures décrites en référence à la figure 2a. Ensuite, une couche d'étain ayant une épaisseur de 100 nanomètres a été vaporisée selon un angle de l'ordre de 30 , par rapport à la perpendiculaire au substrat, comme représenté sur la figure 2f. Des bandes de cuivre ont été fixées à l'électrode à l'aide d'un cément epoxy- argent. Les courts-circuits électriques ont été éliminés par l'ap- plication d'une tension de polarisation inverse. La batterie solaire a été constituée par les cellules dispo-- sées horizontalement en série avec deux cellules verticalement en tandem soit un total de 20 cellules. Le dispositif présentait une tension en circuit ouvert de 11,8 volts lorsqu'il était exposé à une lumière d'une intensité de 1 AM. - - Il demeure bien entendu que cette invention n'est pas limitée aux différents exemples de réalisation décrits et/ou représentés ici mais qu'elle en englobe toutes les variantes. REVENDICATI ONS 1.- Procédé de fabrication d'une batterie solaire, caracté- risé en ce qu'il consiste à: découper une électrode transparente sur un substrat transparent (32) en utilisant un laser ayant une énergie suffisante pour former une pluralité de bandes d'électrode transparentes (34); réaliser une région active (43) d'un matériau semi-conducteur sur ledit substrat et lesdites bandes d'électrode transparentes; découper ladite région active en utilisant un laser parallèle et adjacent au premier laser de façon à réaliser un tracé au travers de ladite région active en vue de former des bandes de région active sans former d'électrode transparente et interconnecter lesdites bandes de région active, en série avec - une électrode postérieure. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérise en ce que ladite électrode transparente, ladite région active (45) et ladite électrode postérieure sont choisies de façon que le laser exige une puissance plus grande pour découper l'électrode transparente que pour découper ladite région active et une puissance plus grande pour découper ladite région active que pour découper ladite électrode postérieure. 3.- Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite région active est constituée d'un matériau semi-conducteur choisi dans le groupe qui comprend: le silicium amorphe hydro- géné, le silicium vaporisé, du silicium ayant subit une pulvéri- sation cathodique, CdS, CdSe, CdTe et Cu2S. 4.- Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite région active est constituée d'une pluralité de couches de matériau semi-conducteur. 5.- Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que 0 ladite région active est constituée de silicium amorphe. 6.- Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit laser est un laser YAG au neodyme excité de façon ontinue, émettant une lumière présentant une longueur d'onde de l'ordre de 1,06/um. 7.- Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit laser est commandé en mode de commutation Q avec une fré- quence de répétition de l'ordre de 36 KHz. 8.- Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce mie ledit traçage ou découpage est effectué par ledit laser fonction- 1O nant avec une énergie de l'ordre de Il5 Watts afin de tracer ledit matériau d'électrode transparent et avec une énergie de l'ordre de 1,7 Watt, pour tracer ladite région active. 9.- Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite région active comprend une pluralité de couches de sili- cium amorphe hydrogéné. 10.- Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que chaque paire de couches adjacentes de silicium amorphe hydrogéné (38, 42) est séparée par une jonction tunnel (40). 110- Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite jonction tunnel est constituée d'un cermet. 12.- Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que ladite électrode postérieure est fabriquée par évaporation angulaire. 13.Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite électrode postérieure est fabriquée sur les bandes de la région active et de l'électrode transparente, un découpage au laser de ladite électrode postérieure étant ensuite réalisé paral- lèlement et de façon adjacente au découpage des bandes de la ré- gion active. 14.- Procédé selon la revendication 1f, caractérisé en ce que le découpage au laser de l'électrode postérieure s'effectue avec une énergie inférieure à celle qui est nécessaire pour.ef- fectuer le découpage de la région actïve et en ce que le découd page de ladite région active exige une énergie inférieure à celle exigée pour le découpage de l'électrode transparente. 15.- Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que ladi'te région active est constituée de silicium amorphe hydro- géné 16.- Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que ledit laser est un laser YAG au neodyme excité en continu, émettant une lumière qui possède une longueur d'onde d'environ 1,06 um. 17.- Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce que ledit laser est commandé selon un mode de commutation Q. 18.- Procédé selon la revendication 17, caractérisé en ce que ladite région active est constituée d'une pluralité de couches de silicium amorphe hydrogéné. 1 1 12 2483686 19.- Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que chaque paire de couches adjacentes de silicium amorphe hydro- géné est séparée par une jonction tunnel.