Brevet FR2489597A1 — publié le 19820305

"CELLULE SOLAIRE A FACE PHOTOSENSIBLE RAINUREE" La présente invention concerne une cellule solaire formée dans une plaquette semiconductrice dont la face principale, par laquelle est admise la lumière, près de laquelle est placée la jonction semiconductrice motrice de la cellule et sur laquelle repose un réseau de lamelles électroconductrices reliées à au moins une bande collec- trice, l'ensemble desdites lamelles et de ladite bande formant une des électrodes de la cellule, est creusée de rainures. L'invention concerne plus particulièrement, mais non exclusivement, les dispositifs à cellules solaires et con- centrateur de lumière dans lesquels une optique permet d'accroître la densité lumineuse par unité de surface des cellules, et qui délivrent en conséquence des courants plus intenses que les dispositifs ordinaires sans concentrateur. L'efficacité de transformation lumière/courant élec- trique d'une cellule solaire est liée, notamment, à la capacité d'absorption en lumière de sa face principale une partie de la lumière est absorbée, une autre partie est réfléchie et donc perdue pour la transformation. En dehors de l'usage, maintenant généralisé, de couches dites "anti-reflets" qui sont déposées superficiellement sur la face principale et qui en réduisent la réflectivité, on a songé, pour augmenter la capacité d'absorption, à creuser ladite face principale de fines rainures à section trian- gulaire, de manière à ce que la lumière qui est réfléchie par un côté de la rainure puisse être récupérée par l'au- tre côté, et vice-versa. -a- Un exemple de cellule solaire présentant ce caractère de structure est décrit dans le brevet américain numéro 4,135,950. La plaquette de silicium, découpée suivant un plan et masquée localement, sur sa face principale, par de fines languettes d'oxyde disposées parallèlement, a été soumise à un décapage chimique sous une solution d'hydrazine. De façon connue, il a été créé ainsi des sil- lons parallèles dont la largeur et la profondeur sont ré- gulières, celle-ci étant sensiblement égale aux 7/10 de celle-là. Une jonction a été créée qui suit la surface des sillons et de fines lamelles métalliques ont été déposées sur des méplats situés à la crCte des dents que déterminent lesdits sillons, lamelles qui forment l'une des électrodes de la cellule. Cette cellule, grâce à sa structure rainurée, a cer- tainement un bon coefficient d'absorption, comparée aux cellules a surface principale plane. Néanmoins, en dépit de l'amélioration substantielle qu'apporte le rainurage, une part non négligeable de la lumière incidente est encore perdue: celle qui est réfléchie par les fines lamelles métalliques d'électrode. Or, la surface occupée par ces lamelles représente, comme dans toute autre cellule solaire d'ailleurs, une part non négligeable de la surface totale de la face principale. C'est dans le but de réduire encore les pertes par ré- flexion de lumière -précisément les pertes liées à la pré- sence indispensable d'une électrode sur la face principale- que la cellule solaire, objet de l'invention, a été conçue. L'invention a pour but particulier la réalisation de cellules solaires pour dispositifs à concentrateur de lu- mière dans lesquelles, en raison de la densité plus élevée du courant que dans des cellules travaillant sans concen- trateur, l'aire occupée par les lamelles de l'électrode est aussi plus élevée et atteint 15% de l'aire totale de la surface principale. -3- 2489597 L'invention est basée sur la recherche d'une disposi- tion nouvelle des lamelles électroconductrices formant ladite électrode, qui permet qu'une grande partie de la lumière qu'elles reçoivent puisse être récupérée. Selon l'invention, une cellule solaire telle que défi- nie dans le préambule du présent mémoire est notamment remarquable en ce que lesdites lamelles électroconductrices sont situées dans les rainures, o elles reposent sur l'une au moins des parois limitant latéralement lesdites rainures. Ainsi la lumière qui tombe sur la surface d'une lamelle est réfléchie, en majeure partie (90% environ lorsqu'il s'agit de lamelles à couche extérieure en argent), sur la paroi située en regard et peut pénétrer, par cette dernière, dans le matériau semiconducteur. Cette lumière, entièrement perdue dans les cellules selon l'art antérieur, est récu- pérée, pour sa plus grande part, dans la cellule selon l'in- vention. Une telle cellule a donc un rendement supérieur à celui de cellules concurrentes et c'est là un avantage im- portant. Par ailleurs, alors que dans une cellule classique à face principale plane ou rainurée la largeur des lamelles électroconductrices doit être choisie la plus faible pos- sible afin de réduire au minimum la surface occultée de matériau semiconducteur, dans une cellule selon l'invention - cette largeur est beaucoup moins critique puisque la lu- mière qui frappe lesdites lamelles n'est pas perdue. Par suite, en ce qui concerne la dépose du réseau des lamelles, celle-ci n'est pas plus difficile à réaliser sur le plan oblique des rainuresque sur le plan supérieur d'une cellule à face principale plane puisque, dans le cas d'une cellule selon l'invention, la tolérance sur la largeur du dépôt peut être choisie assez large. Avantageusement, les rainures, de section triangulaire et parallèles les unes avec les autres, sont aussi join- tives, c'est-à-dire qu'elles se touchent deux à deux selon l'arête supérieure des dents de séparation elles-mêmes triangulaires. Pratiquement et compte tenu d'irrégularités inévitables de réalisation, on fait en sorte que les dents, à leur sommet, soient aussi étroites que possible. Bien que les lamelles électroconductrices puissent être placées à tout niveau de profondeur à l'intérieur des rainures, la facilité de réalisation impose qu'elles soient situées à la partie supérieure, partie la plus large, des- dites rainures. Selon une première forme de réalisation d'une cellule solaire selon l'invention, les lamelles sont disposées sur l'une seulement des parois de chaque rainure. La largeur d'une lamelle est choisie telle que tout rayon lumineux tombant sur l'autre paroi et selon une-direction sensible- ment perpendiculaire au plan de la plaquette, est réfléchi (pour la seule lumière non absorbée de ce rayon) sur une partie nue de la paroi portant ladite lamelle0 La limite de largeur d'une lamelle correspond sensiblement à la dis- tance séparant le haut de la paroi sur laquelle-elle repose de la ligne d'impact, sur ladite paroi, des rayons lumineux réfléchis du haut de la paroi opposée. Une cellule solaire est toujours disposée préférentiel- lement face au soleil; ceci est particulièrement vrai dans les dispositifs à concentrateur qui sont généralement équi- pés de moyens leur permettant de suivre le soleil. Aussi est-il logique que la largeur des lamelles électroconduc- trices soit déterminée, comme il a été indiqué ci-dessus, sur la base d'un éclairement perpendiculaire de la cellule. Selon une deuxième forme de réalisation d'une cellule selon l'invention, les lamelles sont disposées sur l'une et l'autre des parois de chaque rainure. Cette forme de réalisation, qui correspond à une augmentation de la sur- face occupée par les lamelles, entraîne une petite réduc,- tion du rendement de transformation lumière/courant par rapport à la première forme de réalisation; en effet, les lamelles absorbent une petite partie (ô 10%) de la lumière qu'elles reçoiventet la quantité de lumière absorbée, si petite soit-elle, est évidemment proportionnelle à la sur- face qu'elles occupent. Par contre, l'augmentation de surface des lamelles permet d'obtenir une réduction de la résistance série de la cellule, ce qui est appréciable pour les cellules à forte densité de courant des disposi- tifs à concentrateur. La largeur limite des lamelles, dans la deuxième forme de réalisation, est déterminée suivant les même modalités que dans le premier cas de réalisation, en considération de la position de la ligne d'impact que déterminent, sur une paroi de rainure, les rayons réfléchis par l'autre paroi et provenant du haut de cette dernière paroi. Le procédé de réalisation de cellules solaires selon l'invention ne diffère pratiquement pas du procédé clas- sique de réalisation des cellules à face principale rainu- rée, tel que décrit par exemple dans le brevet américain précité. On part avantageusement de plaquettes de silicium de type P découpées suivant des plans , que l'on creuse de rainures parallèles adjacentes par un traitement de déca- page chimique. On crée ensuite une jonction P-N par diffu- sion d'un dopant convenable à travers la face principale. Après quoi, on crée le réseau des lamelles électroconduc- trices et de ladite bande collectrice, soit par dépôt d'une couche métallique qui est ensuite photogravée, soit par éva- poration sous une incidence angulaire choisie. Puis, on re- vêt la face arrière d'un dépôt métallique constituant l'éleo- trode postérieure de la cellule et on procède enfin au dépôt d'une couche anti-reflet. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, permettra de bien comprendre comment est structu- rée une cellule selon l'invention. La figure 1 représente, vue en coupe transversale per- pendiculaire à la direction des rainures, une partie d'une cellule solaire selon l'invention dans une première forme de réalisation de cette cellule. La figure 2 est également une vue en coupe transversale perpendiculaire à la direction des rainures d'une partie d'une cellule solaire selon l'invention élaborée suivant une seconde forme de réalisation. -5- -6- La figure 3 est une vue en perspective d'une partie de cellule solaire selon la première forme de réalisation,mon- trant notamment la région de liaison entre les lamelles électroconductrices et la bande collectrice qui forment l'électrode antérieure. Les figures sont schématiques et n'ont pas été tracées à l'échelle exacte, notamment en ce qui concerne les cotes d'épaisseur des différents éléments, ceci dans un souci de clarté. Sur les représentations des figures 1 et 2, on distingue une partie 10 de plaquette de silicium pour cellule solaire. Cette plaquette présente une face antérieure 101, ou face principale, par lâquelle est admise la lumière que symbo+ lisent les flèches F, et une face postérieure 102. La face principale 101 est creusée de rainures 11-à section triangulaire qui s'étendent sur- presque toute sa surface, parallèles entre elles (ici, selon une direction perpendiculaire au plan de la feuille) et immédiatement voisines. Ces rainures ont, par exemple, une largeur maxi- mum de 100 pm. Une jonction P-N 12 suit, à peu de profondeur (ô 0,5 pm) la surface rainurée de la face 101. Un réseau de lamelles électroconductrices 13, qui sont reliées à une lamelle plus large ou bande collectrice 14 (visible sur la figure 3) revêt en partie la face 101, l'en- semble de ces lamelles et de ladite bande 14 formant l'é- lectrode antérieure de la cellule. La position des lamelles 13 en profondeur dans les rainures 11 est, en principe, in- différente. Cependant, la facilité de réalisation de ces lamelles commande qu'elles soient situées au voisinage de la crête des dents que déterminent entre elles lesdites rainures. Une plage conductrice 15, déposée sur la face postée rieure 102 de la plaquette 10, forme l'autre électrode de ladite cellule. Selon l'invention, la cellule solaire formée sur la plaquette 10 est caractérisée en ce que "les laeieles électro- conductrices 13 sont situées dans les rainures 11, o elles reposent sur l'une au moins des parois, 111 et 112, limitant latéralement lesdites rainures". Selon une première forme de réalisation de la cellule, correspondant à la figure 1, les lamelles 13 sont disposées sur l'une seulement, 111, des parois de chaque rainure. La largeur d'une lamelle est choisie telle que tout rayon lumineux, comme par exemple le rayon F1, tombant sur l'autre paroi 112, est réfléchi (hors l'énergie lumineuse absorbée par le matériau semiconducteur affleurant sur la paroi 112)selon F'1 sur une partie nue de la paroi 111 portant ladite lamelle. Des rayons tels que F2 tombant au voisinage de la crête d'une dent inter-rainures sur une paroi-112, soit donc au haut de ladite paroi, sont réflé- chis (pour une part de l'énergie lumineuse d'impact) selon F'2 vers la paroi 111 en regard; la ligne d'impact des rayons FI2 sur la paroi 111 détermine la limite de largeur 1 de la lamelle 13. Si la lamelle s'étendait en largeur au- delà de la ligne d'impact définie ci-dessus, des rayons ré- fléchis depuis la paroi 112 seraient à nouveau réfléchis sur ladite lamelle et renvoyés vers l'extérieur. Ce qui est vrai pour une rainure et une lamelle déterminée est évidem- ment valable pour l'ensemble de la cellule. Selon une deuxième forme de réalisation de la cellule solaire correspondant à la représentation de la figure 2, les lamelles 13 sont disposées sur l'une 111 et sur l'autre 112, desdites parois. La largeur limite des lamelles, dans ce deuxième cas, est déterminée suivant les mêmes modalités que dans le premier cas de réalisation; des rayons F3 tom- bant sur une lamelle 13 au haut d'une paroi sont réfléchis (hors l'énergie lumineuse absorbée par cette lamelle) selon F'3 vers la paroi opposée. La ligne d'impact des rayons F'3 détermine la largeur limite 1 des lamelles 13. Pour une largeur maximum des rainures de 100 Vtm, la largeur des la- melles est choisie entre 10 et 30 pm, selon la densité des courants à véhiculer. On retrouve sur la figure 2, avec les mêmes repères, les éléments représentés sur la figure 1. Il apparaît en plus la bande électroconductrice 14, qui collecte les cou- rants recueillis par les différentes branches parallèles 13. La bande 14 repose sur une partie marginale 103 non rainurée de la plaquette 10. Les'lamelles 13, qui suivent les rainures sur toute la longueur-de celleci, recouvrent partiellement, en extrémité, les parois transversales 113 desdites rainures pour s'élever sur la partie 103 de la plaquette à la rencontre de la bande 14. La marche à gravir pour effectuer la liaison 1314 requise, n'est pas cause de rupture du revêtement électroconducteur dans la mesure o l'angle a de cette marche est obtus; c'est précisément le cas lorsque les rainures sont obtenues par gravure ani- sotropique de silicium découpé selon un plan . L'angle en question est alors voisin de 1250 Pour réaliser une cellule telle que celle précédemment décrite, on part d'une plaquette de silicium dopée par exemple de type P dont les faces sont orientées suivant des plans du réseau cristallin. On revêt cette pla- quette d'une couche d'oxyde de silicium. Dans la couche d'oxyde déposée sur la face principale 101 on découpe, par photogravure, de fines bandes parallèles à un plan .et équidistantes; la largeur de ces bandes et leur pas de ré- partition sont soigneusement choisis. La plaquette est alors soumise à un traitement de décapage chimique, par exemple à l'aide d'une solution de potasse dans l'eau. Pour une profondeur choisie de décapage, les rainures, à profil trapézoïdal en début d'opération, deviennent triangulaires en fin d'opération; si la largeur et le pas de répartition des fines bandes d'oxyde ont été convenablement choisis, on obtient simultanément que, par l'effet de la sous-gra- vure latérale, deux rainures voisines ne soient séparées que par très peu de matériau semiconducteur au sommet de la dent intermédiaire et soient alors pratiquement adja-,: centes à ce niveau. Les parois, 113., 112 et 113 des rainures 1i sont inclinées d'un angle voisin de 550 par rapport au -8- plan de la plaquette 10; cet angle correspond à l'angle entre un plan et un plan du réseau cristallin. Les rainures 11 étant créées, on forme la jonction 12 par diffusion, par exemple de phosphore, à partir de la face 101. Pour élaborer alors le réseau des lamelles 13 en même temps que la bande 14, on opère préférentiellement, dans le cas de réalisation selon la figure 1, par évaporation sous une incidence angulaire déterminée, les dents de sépa- ration entre les rainures de la plaquette servant de mas- que. Le dépôt est fait de titane-palladium-argent comme il est habituel de le faire pour les cellules solaires. On dépose ensuite une couche de titane-palladium-argent sur la face 102 de la plaquette pour former l'électrode postérieure 15 de la cellule et, finalement, on procède à l'élaboration de la couche anti-reflet (celle-ci n'apparaît pas sur les figures). Dahs le cas d'une cellule solaire selon la figure 2 le réseau des lamelles 13 est obtenu par évaporation d'une couche métallique sur l'ensemble de la face 101 et gravure de cette couche à travers un masque de laque photosensibi- lisée. L'emploi du procédé d'évaporation angulaire néces- siterait, en effet, que l'on fasse deux évaporations sous des incidences différentes. Il apparaît clairement que le processus de réalisation d'une cellule solaire selon l'invention décrit ci-dessus en ce qui concerne let seules séquences opératoires essen- tielles, n'a rien de particulièrement délicat. Ce proces- sus fait appel à des techniques classiques parfaitement connues et maîtrisées.- _9_ - REVENDICATIONS - 1.- Cellule solaire formée dans une plaquette semicon- ductrice (10) dont la face principale (101), par laquelle est admise la lumière, près de laquelle est placée la jonc- tion semiconductrice (12) motrice de la cellule, et sur la- quelle repose un réseau de lamelles électroconductrices (13) reliées à au moins une bande collectrice (14), l'ensemble desdites lamelles et de ladite bande formant une des élec- trodes de la cellule, est creusée de rainures (11), caracté- risée en ce que lesdites lamelles électroconductrices (13) sont situées dans les rainures (11), o elles reposent sur l'une au moins des parois (111, 112) limitant latéralement lesdites rainures. 2.- Cellule solaire selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que lesdites rainures, de section triangulaire et parallèles les unes avec les autres, sont aussi jointives. 3.- Cellule solaire selon l'ensemble des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que lesdites lamelles électro- conductrices sont situées à la partie supérieure des rainures. 4.- Cellule solaire selon la revendication 3, caractéri- sée en ce que les lamelles électroconductrices sont disposées sur l'une seulement des parois de chaque rainure. 5.- Cellule solaire selon la revendication 3, caractéri- sée en ce que les lamelles électroconductrices sont disposées sur l'une et l'autre des parois de chaque rainure. 6.- Cellule solaire selon l'une des revendications 4 et , caractérisée en ce que la limite de largeur (1) d'une lamelle électroconductrice est sensiblement égale à la dis- tance séparant le haut de la paroi de rainure sur laquelle elle repose de la ligne d'impact, sur ladite paroi, de ra- yons lumineux réfléchis du haut de la paroi en regard et correspondant à des rayons incidents frappant cette dernière paroi selon une direction perpendiculaire au plan de ladite plaquette.