Brevet FR2474242A1 — publié le 19810724

La présente invention concerne de façon générale les cellules photovoltaïques communément appelées cellules solaires et se rapporte plus particulièrement à des générateurs photovoltaïques intégrés contenant au moins deux cellules photovoltaïques. Comme cela est bien connu, les cellules photovoltaïques sont des dispositifs semiconducteurs possédant des jonctions électriques capables de convertir la lumière incidente en énergie électrique. Avec des cellules photovoltaïques du type silicium une seule cellule est notamment capable d'engendrer un potentiel électrique jusqu'à environ 0,5 volt avec suffisamment de lumière incidente. Du fait que la plupart des applications des cellules photovoltaïques nécessitent une tension supérieure à 0,5 volt, il est devenu usuel de connecter électriquement plusieurs cellules en série pour ainsi former un générateur photovoltaïque capable de produire la tension désirée. Un procédé usuel pour fabriquer un tel générateur photovoltaïque, possédant en particulier une taille aussi faible que possible pour être utilisée dans l'industrie des montres numériques pour recharger la pile d'une montre, consiste à prévoir une pluralité de cellules possédant chacune une surface de contact métallisée coplanaire avec chaque surface principale de la cellule, puis à relier les cellules en un assemblage de type "bardeau". Dans un tel assemblage, la portion métallisée de la surface supérieure d'une cellule est reliée par soudure à la portion métallisée de la surface inférieure d'une autre cellule, la portion supérieure métallisée de cette dernière cellule étant reliée à la portion inférieure d'une autre cellule etc... de telle manière que chaque cellule du générateur recouvre partiellement les cellules adjacentes. De cette manière, le nombre de cellules voulu pour réaliser la tension requise pour le générateur peut être obtenu sous la forme d'un assemblage compact et massif de cellules. Le désavantage d'un tel assemblage pour un générateur photovoltaïque réside entre autres dans le fait que les cellules doivent généralement être reliées les unes aux autres manuellement. Même avec des supports spécialement conçus et des outils d'assemblage sophistiqués, la part de main d'oeuvre dans le coût total du générateur photovoltaïque du type décrit est inacceptablement élevée. La présente invention se propose en conséquence de réaliser un générateur photovoltaïque susceptible d'être fabriqué avec des coûts de main d'oeuvre sensiblement réduits. La présente invention se propose également de réaliser un générateur photovoltaïque possédant de bonnes caractéristiques et un bon rendement électriques. La présente invention se propose également de fournir un procédé pour fabriquer des générateurs photovoltaïques dans lequel les coûts de fabrication correspondant à la main d'oeuvre sont sensiblement réduits. La présente invention a pourzobjet un générateur photovoltaque susceptible de produire une tension supérieure à celle engendrée par une cellule photovoltaïque unique de composition chimique comparable, ledit générateur comprenant une plaquette d'un matériau semiconducteur possédant deux surfaces principales dont l'une au moins comprend une pluralité de zones discrètes contenant une impureté d'un type de conductivité, au moins la partie du reste de la plaquette contigüe auxdites zones contenant une impureté d'un type de conductivité opposé, des moyens de conduction électrique étant prévus entre l'une au moins desdites zones et la portion associée contigüe de la plaquette contenant l'impureté du type de conductivité opposé. La présente invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un générateur photovoltaïque dans lequel on utilise une plaquette d'un matériau semiconducteur possédant deux surfaces principales, la plaquette contenant une impureté d'un type de conductivité et dans lequel on forme au moins deux zones contenant une impureté d'un type de conductivité opposé sur une surface principale de la plaquette, une zone au moins étant connectée électriquement au reste de la plaquette. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante de modes de réalisation en se référant au dessin annexé dans lequel La figure 1 est une vue de dessus d'un mode de réalisation d'un générateur photovoltaïque selon l'invention la figure 2 est une vue en coupe d'un générateur selon II-II de la figure i la figure 3 est un schéma électrique d'une portion du générateur des figures 1 et 2 la figure 4 est un graphique tension/intensité de lumière pour différents générateurs selon l'invention possédant des caractéristiques de résistivité différentes et, la figure 5 est une vue de dessus d'un autre mode de réalisation du générateur photovoltaïque selon l'invention. En se référant maintenant aux figures 1 et 2, on voit un générateur photovoltaïque 10 comprenant une plaquette 12 de silicium. La plaquette 12 présente une forme rectangulaire dont la longueur et la largeur sont relativement grandes par rapport à l'épaisseur. Ainsi la plaquette 12 possède deux surfaces principales, à savoir une surface supérieure 14 et une surface inférieure 16. Sur la surface supérieure 14 sont réalisées trois zones 18 possédant une impureté d'un type de conductivité, telle que le phosphore, le reste de la plaquette 12 contigüe à ces zones contenant une impureté de type conductivité opposé, telle que le bore. Chaque zone 18 est ainsi séparée des zones adjacentes par des bandes 20 #de silicium possédant une impureté de conductivité de type opposé s'étendant jusqu'à la surface supérieure 14. De cette manière, une pluralité de jonctions 21 sont formées entre les portions contigües de la plaquette de silicium 12 possédant un type de conductivité et les portions possédant le type de conductivité opposé. Directement au-dessus de chacune des bandes 20, se trouve une mince couche 22 d'un matériau de masquage tel que du dioxyde de silicium développé thermiquement. Au-dessus d'une portion de chaque couche 22 et d'une portion de chaque zone 18, se trouve un conducteur électrique 24 qui pénètre à travers la couche 22 pour réaliser une connection électrique directe entre une zone et une bande. Des fils électriques 26 et 28 fournissent la connection électrique externe pour le générateur 10. Ainsi le générateur 10, tel que représenté, comprend trois cellules photovoltaïques dans une seule plaquette de silicium, les cellules étant connectées en série par des conducteurs électriques 24. Naturellement la plaquette 12 peut contenir plus de 3 cellules distinctes pour produire la tension de sortie désirée pour le générateur 10, le nombre particulier de cellules représentées ne l'ayant été qu'à titre uniquement d'illustration. De préférence, comme représenté dans la figure 2, la zone 18 à laquelle est attaché le fil électrique 28 n'est pas connectée électriquement par un conducteur 24 au reste de la plaquette 12. Ainsi cette portion du générateur 10 est capable de fonctionner à la manière d'une cellule solaire conventionnelle comme sera expliqué ci-dessous, le générateur dans son ensemble pouvant ainsi avoir grâce à cette portion une capacité de sortie améliorée à de faibles niveaux d'éclairement. La figure 3 est un schéma électrique d'une cellule du générateur 10. Si l'on retire les connecteurs électriques 24 reliant les zones 18 aux bandes 20, chaque cellule du générateur fonctionne simplement comme la combinaison d'un générateur de courant 30 et d'une diode 32. Par l'addition de conducteurs électriques de pontage 24 pour produire. la connection en série d'une pluralité de cellules une résistance 34 apparaît en parallèle avec la diode 32. Pour que le générateur 10 fonctionne de manière efficace comme générateur photovoltaïque, la résistance 34 de chaque cellule doit être aussi grande que possible. Les facteurs qui déterminent la résistance 34 de chaque cellule du générateur 10 incluent la résistivité inhérente du matériau semiconducteur de la plaquette 12, la distance entre les bandes 20, c'est-à-dire la largeur des zones 18 et l'épaisseur de la plaquette. En général, la résistivité du matériau semiconducteur augmente avec la pureté du matériau. Ainsi lorsque l'on utilise le silicium comme matériau semiconducteur, celui-ci doit être aussi pur que possible compte tenu du coût d'un tel matériau. De plus, la résistance de chaque cellule est accrue en augmentant la distance entre les bandes 20 ou en réduisant l'épaisseur de la plaquette 12.Ainsi pour obtenir une tension maximale pour le générateur 10, la résistivité du matériau semiconducteur et la largeur des zones 18 doivent être aussi grandes que possible, tandis que l'épaisseur de la plaquette 12 doit être aussi faible que possible. Par exemple, on a trouvé qu'un générateur photovoltaïque formé de silicium possédant une résistivité d'environ 100 ohm-cm et possédant un rapport largeur de zone/épaisseur d'environ 10:1 fournit une résistance suffisante pour que le générateur fonctionne efficacement. En variante, est également acceptable un générateur photovoltaïque formé de silicium possédant une résistivité de 50 ohm-cm et un rapport largeur de zone/épaisseur de 20:1. Le matériau utilisé pour former les conducteurs électriques 24 peut être pratiquement tout matériau électriquement conducteur susceptible d'être appliqué facilement et économiquement à la plaquette. Les matériaux actuellement préférés sont l'aluminium et le matériau titane-palladium-argent décrit dans le brevet U.S. 4.082.568. Bien que le dioxyde de silicium thermiquement développé soit actuellement le matériau préféré pour réaliser les zones de masquage 18, d'autres matériaux tels que l'oxyde de tantale, le nitrure de silicium et analogues peuvent être utilisés. La figure 4 illustre qualitativement l'effet de la résistance sur les caractéristiques de sortie du générateur selon la présente invention. Chaque courbe du graphique représente la tension de sortie en fonction d'un éclairement croissant pour différents générateurs photovoltaïques possédant différentes résistances. Les courbes de droite correspondent à des générateurs possédant une résistance relativement basse tandis que les courbes de gauche correspondent à ceux possédant une résistance relativement élevée. Comme on le voit, le générateur possédant une résistance relativement élevée doit être utilisé pour optimiser la tension de sortie à de faibles niveaux d'éclairement. Le générateur photovoltaïque 10 représenté aux figures 1 et 2, peut être fabriqué selon un grand nombre de procédés comme cela est évident à un spécialiste des dispositifs à semiconduct Un procédé actuellement préféré consiste à prévoir une plaque 12 de dimensions appropriées constituée de silicium monocristallin -munie d'une impureté de type p telle que le bore. Après un nettoyage soigne de la plaquette 12 une couche mince de dioxyde de silicium est développée thermiquement sur la totalité de la surface supérieure 14 puis un masque est réalisé par photolithographie sur la couche de dioxyde de silicium. La couche 22 correspondant aux bandes 20 est épargnée tandis que le reste de la couche de dioxyde de silicium correspondant aux zones 18 est retiré chimiquement. Le masque photolithographique (non représenté) est ensuite également retiré. Après l'enlèvement du masque, une impureté de type n telle que le phosphore est diffusée dans la surface supérieure 14 de la plaquette 12 pour réaliser une pluralité de zones 18 possédant une conductivité de type opposé à celui du reste de la plaquette 12. Un masque photolithographique est appliqué de telle manière qu'une portion de chaque couche 22 soit couverte par le masque de même qu'une portion des zones 18. Des conducteurs électriques 24 sont ensuite appliqués à la surface supérieure 14 par dépot de vapeur d'un métal ou par d'autres procédés conventionnels. Le métal des conducteurs électriques 24 est ensuite amené à pénétrer à travers la couche d'oxyde 22 par chauffage à environ 7000C de façon à réaliser une connection électrique entre les surfaces 18 de conductivité de type n et les bandes 20 de conductivité de type p.Le générateur photovoltaïque 10 est achevé en coupant la plaquette 12 aux dimensions voulues, le long de lignes telles que la ligne 2-2 de la figure 1 et la- ligne 3-3 de la figure 2, puis en fixant les connections externes 26 et 28. La figure 5 illustre une variante de réalisation de générateur photovoltaïque selon la présente invention. Dans ce mode de réalisation, les conducteurs électriques 24 se présentent sous la forme de bandelettes discrètes plutôt que des bandes continues comme représenté aux figures 1 et 2. De plus, les zones 18 ne s'étendent pas sur la totalité de la largeur de la plaquette 12. En choisissant de façon appropriée l'emplacement des conducteurs discrets 24 et la forme des zones 18, on peut former des motifs et/ou des caractères sur la surface supérieure 14 de la plaquette 12 pour ainsi accroître l'aspect esthétique du générateur 10. Il est clair que des configurations autres que celle représentée dans la figure 5 sont possibles pour les zones 18 et les-conducteurs 24 et il en est de même pour les différents emplacements des conducteurs les uns par rapport aux autres. Des détails spécifiques d'un générateur photovoltaïque intégré et particulier et son procédé de fabrication sont décrits dans l'exemple suivant. On doit bien comprendre que cet exemple n'est donné qu'à titre seulement d'illustration et que l'invention n'y est nullement limitée. EXEMPLE On a réalisé selon l'invention un générateur photovoltaïque susceptible d'être utilisé dans des montres-bracelets de type numérique, actionnées électriquement, pour recharger la pile de la montre. On utilise une plaquette circulaire de silicium possédant un diamètre d'environ 7,62 cm et une épaisseur d'environ 0,25 mm comportant à titre d'impureté du bore dispersé sur la totalité du volume de la plaquette. Le silicium utilisé pour réaliser la plaquette possède une résistivité d'environ 100 ohm-cm. Après nettoyage, la plaquette est placée dans un four maintenu à environ 9000C et contenant une atmosphère à base de vapeur de façon à développer thermiquement une couche de dioxyde de silicium sur la surface principale de la plaquette. Après 30 minutes environ, la plaquette est retirée du four. Un masque photolithographique possédant 31 fenêtres allongées est ensuite appliqué sur la couche de dioxyde de silicium de telle manière que les fenêtres s'étendent sur toute la largeur de la plaquette.Les portions de la couche de dioxyde de silicium qui ne sont pas recouvertes par le masque sont ensuite enlevées par attaque chimique puis le masque est retiré par lavage à l'acétone. La surface supérieure de la plaquette est ainsi divisée en 30 zones par les bandes de dioxyde de silicium développées. La plaquette est ensuite placée dans un four de diffusion à environ 9000C possédant une circulation de gaz de diffusion comportant 100 parties d'argon, 10 parties d'oxygène, 0,5 partie de PH 3, de façon à diffuser du phosphore dans les zones de la plaquette délimitées par les bandes de dioxyde de silicium. La diffusion est poursuivie pendant environ 20 minutes pour réaliser des zones possédant une pluralité de jonctions n-p creuses sous la surface principale de la plaquette. Un masque photolithographique est ensuite appliqué à la plaquette de telle manière qu'une portion de chaque bande de dioxyde de silicium et une partie notable de chaque surface soit couverte par le masque. La plaquette munie du masque est placée dans un dispositif de revêtement du type à vide contenant une source d'aluminium à l'intérieur d'une nacelle. L'aluminium est ensuite chauffé à environ 15000C sous vide pour vaporiser l'aluminium qui se dépose alors sur les portions de la plaquette exposées par le masque pour former des conducteurs électriques entre les surfaces de types de conductivité différents pour ainsi ponter les jonctions n-p. Le masque est ensuite retiré. La plaquette est ensuite ébarbée et découpée en plusieurs générateurs possédant chacun une dimension d'environ 0,25 x 0,50 x 1,25 mm et cinq zones ou cellules. La plaquette est coupée le long de lignes similaires à la ligne 2-2 de la figure 1 et la ligne 3-3 de la figure 2 pour réaliser chaque générateur. Le générateur est ensuite achevé en y fixant un fil électrique en contact électrique avec une zone diffusée à une extrémité et un autre fil électrique en contact électrique avec une zone de conductivité différente à l'autre extrémité du générateur, les fils réalisant la connection électrique externe pour le générateur. Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec des modes de réalisation préférés, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée, qu'on peut lui apporter de nombreuses variantes et modifications sans pour autant sortir ni de son cadre ni de son esprit. REVENDICATIONS 1. Générateur photovoltaïque susceptible de produire une tension supérieure à celle produite par une cellule photovoltaque unique de composition chimique comparable, ledit générateur étant caractérisé par le fait qu'il comprend une plaquette d'un matériau semiconducteur possédant deux surfaces principales dont l'une au moins comprend une pluralité de zones discrètes contenant une impureté d'un type de conductivité, une portion au moins du reste de la plaquette contigüe à ces zones contenant une impureté de type de conductivité opposé, des moyens de conduction électrique étant prévus entre au moins l'une desdites zones discrètes et la portion associée contigüe de la plaquette contenant l'impureté de conductivité de type opposé. 2. Générateur photovoltaïque selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lesdites zones sont rectangulaires et s'étendent à travers les surfaces principales de la plaquette. 3. Générateur photovoltaique selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les moyens de conduction électrique sont des bandes continues de métal sur la surface principale qui s'étendent le long de, et pontent la jonction entre chaque zone et la portion contigüe de la plaquette. 4. Générateur photovoltaïque selon la revendication 3, caractérisé par le fait que lesdites zones sont au moins partiellement délimitées par une couche d'oxyde, les moyens de conduction électrique recouvrant une portion de ladite couche et pénétrant à l'intérieur. 5. Générateur photovoltaïque selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'au moins certaines desdites zones sont complètement délimitées par le matériau semiconducteur possédant une impureté de conductivité de type opposé à celui de l'impureté desdites zones. 6. Générateur photovoltaïque selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les moyens de conduction électrique entre chaque zone et la portion contigüe de la plaquette comprennent une pluralité de bandelettes discrètes. 7. Procédé pour fabriquer un générateur photovoltaïque caractérisé par le fait qu'il consiste à utiliser une plaquette d'un matériau semiconducteur possédant deux surfaces principales, la plaquette possédant une impureté d'un type de conductivité, et à former au moins deux zones possédant une impureté de conductivité de type opposé sur une surface principale de la plaquette, l'une au moins desdites zones étant connectée électriquement à la portion de la plaquette possédant le premier type de conductivité. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé par le fait que lesdites zones sont formées sur la surface après quoi l'on réalise les connections électr#iques. 9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé par le fait que les connections électriques sont réalisées sur la surface après quoi l'on forme lesdites zones. 10. Procédé selon la revendication 7, caractérisé par le fait que lesdites zones sont formées par masquage d'une portion de la surface de la plaquette puis par diffusion d'une impureté dans la surface. 11. Procédé selon la revendication l0, caractérisé par le fait que le matériau semiconducteur est le silicium et que le masquage est effectué par du dioxyde de silicium développé thermiquement.