Brevet FR2503457A1 — publié le 19821008

Cette invention est relative à des cellules solaires. Elle s'applique plus particulièrement à des cellules solaires au sili- cium amorphe connectées en série qui sont formées sur un substrat unique. On sait que les cellules solaires sont utilisées pour trans- former l'énergie solaire en énergie électrique. De telles cellules peuvent 9tre réalisées à l'aide de divers matériaux semi-conduc- teurs, tel que du silicium amorphe. Pour que les cellules solaires soient disponibles pour une utilisation générale, il est néces- saire que les arrangements de cellules qui comprennent une plura- lité de cellules, puissent être réalisés à un prix relativement faible pour le consommateur. Etant donné qu'une cellule solaire typique au silicium amorphe produit environ un volt d'électricité lorsqu'elle est exposée au soleil, ces cellules doivent être re- liées en série afin d'augmenter leur tension disponible pour que leurs sorties puissent être utilisées soit directement soit par transfert dans des dispositifs de stockage, tels que des batteries, pour une utilisation indirecte. La conception et la mise en oeuvre de cellules solaires connectées en série peut constituer un tra- vail important. Il en résulte qu'un tel procédé est généralement très coûteux à mettre en oeuvre. La présente invention concerne un procédé automatique de production de cellules solaires connectées en série, 'telles que des cellules solaires au silicium amorphe. Les cellules sont pro- duites sous la forme d'arrangements connectés en série, en rai- son du procédé de fabrication. De tels arrangements p'euvent être réalisés de manière à présenter une tension de sortie désirée sans exiger des efforts importants. Un arrangement de cellules solaires selon la présente inven- tion comprend une pluralité de cellules solaires adjacentes, con- nectées en série sur un substrat isolant unique, les cellules adjacentes étant reliées en série en implantant une liaison métal- lique interélectrode à partir de l'électrode sur le sommet d'une cellule au travers de la couche de silicium amorphe, jusqu'à l'électrode située au fond de la cellule adjacente suivante. 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 dépourvus de tout caractère limitatif. Sur les dessins:: - la figure 1 illumtre un premier exemple de réalisation d'une cellule solaire selon la présente invention; - les figures 2 à 4 illustrent le procédé de fabrication de la cellule solaire selon la figure 1; - la figure 5 représente un second exemple de réalisation d'une cellule solaire selon l'invention, et - les figures 6 et 7 illustrent le procédé de fabrication de la cellule solaire selon la figure 5. On se réfère en premier lieu à la figure 1 sur laquelle on voit un arrangement de cellule solaire 10 constituée d'une plura- lité de cellules solaires. Les cellules solaires 12 sont formées sur un substrat 14, constitué de verre, ou d'un autrematériau transparent similaire selon le présent exemple de réalisation de l'invention. Une série d'électrodes métalliques 16, constituées de molybdène dans l'exemple de réalisation préféré de l'invention, est disposée sur une surface 18 du substrat de verre 14. On peut sans sortir du cadre de l'invention utiliser tout autre métal que le molybdène pour réaliser les électrodes 16. Des parties 20 des cellules 12 en silicium amorphe recouvrent les électrodes de mo- lybdène 16 sur le substrat de verre 14. Dans l'exemple de réali- sation préféré de l'invention, les parties semi-conductrices 20 sont constituées de silicium amorphe. Une série d'électrodes mé- talliques 22, qui sont constituées d'un métal tel que l'aluminium, le cuivre ou l'or, recouvre à la fois la surface supérieur en silicium amorphe 20 d'une cellule 12 et une partie au moins de l'électrode 16 de la cellule adjacente suivante. Par dessus les électrodes 22 est disposé un matériau conducteur transparent, tel que de l'oxyde d'étain et d'indium 24, pour des raisons qui seront expliquées ci-après. On prévoit également des liaisons intec-électrodes 26, entre les électrodes 22 sur la surface supérieure des couch2es de sili- cium amorphe 20 et les électrodes 16 sur le substrat de verre 14. On décrira ci-après le procédé de réalisation des liaisons 26. Comme on peut le voir, il existe une liaison électrique en série entre l'électrode à l'oxyde d'étain et d'indium 24, l'élec- trode métallique supérieure 22, la liaison inter-électrodes 26 et l'électrode de molybdène 16. Par conséquent, chaque électrode à l'oxyde d'étain et dindium 24, sur le sommet d'une cellule 12, réalise le contact électrique vers l'électrode inférieure 16 de la cellule adjacente 12, vers la droite de la cellule 12 sur la- quelle est située l'électrode à l'oxyde d'étain et d'indium. On notera cependant, que les parties 20 en silicium amorphe doivent présenter une conductivité faible, de manière que la liaison entre les électrodes 16, réalisée par la couche semi-conductrice , puisse être ignorée. Les parties en silicium amorphe 20 de chaque cellule 12 sont reliées en série de manière que la partie supérieure de chaque couche de silicium amorphe 20 fasse contact électrique avec la partie inférieure adjacen.te de silicium amorphe 20, vers sa droite en regardant la figure 1. Le nombre de cellules connectées en série 12 dans un arrange- ment particulier est déterminé par les exigences de tension d'une application particulière. On se réfère maintenant aux figures 2 à 4 pour expliquer le procédé de fabrication des cellules connectées en série selon la figure 1. Sur la figure 2, on voit qu'on part d'un substrat 14, par exemple en verre, sur lequel est déposée une couche conduc- trice 16, qui dans cet exemple de réalisation est constituée de molybdène. La couche conductrice 16 peut être appliquée par toute technique désirée, par exemple par évaporation. Après le dépôt de la couche conductrice 16 sur le substrat 14, la couche conductrice 16 est gravée ou entaillée de façon à obtenir la surface discon- tinue représentée sur la figure 3. La gravure ou l'entaillage de la couche conductrice 16 peut être réalisé par tout moyen appro- prié, par exemple à l'aide d'un laser, dans ce cas les lignes d'entaillage 28 peuvent s'étendre dans le substrat de verre 14 comme représenté sur le dessin. Après avoir entaillé la couche conductrice 16, on dépose une couche de silicium amorphe 20 sur la surface de la couche métallique entaillée 16. Comme connu, la couche de silicium amorphe 20 est constituée de façon typique par une structure en trois parties comportant un matériau semiconducteur de type P, I et N. Cependant, selon la présente invention la couche de silicium amorphe 20 peut présen- ter seulement un matériau semi-conducteur de type I et N et une barrière de Schottky. Compte tenu du fait que soit le matériau de type P soit le matériau de type N peut être sur la surface de la couche de silicium amorphe 20 qui est exposée au rayonnement incident, la couche de silicium amorphe 20 sera désignée simple- ment par le terme "couche" dans la description de l'invention. Cependant l'homme de l'art doit reconnaître que le procédé de fa- brication de ces structures est bien connu et décrit notamment dans les brevets américains n0 4 064 521, 4 142 195, 4 162 505 et 4 163 677. On se référera à ces brevets pour expliquer la façon selon laquelle la couche de silicium amorphe 20 peut être fabriquée et pour décrire la composition de la couche de silicium amorphe 20. On se réfère maintenant à la figure 3. Des bandes 22 d'un mé- tal conducteur sont appliquées sur la surface de la couche de si- licium amorphe 20 par toute technique appropriée. Par conséquent, les bandes métalliques 22 peuvent être évaporées sur la surface de la couche de silicium amorphe 20 par l'intermédiaire d'un mas- que. En variante, les bandes 22 peuvent être formées en utilisant un procédé photolithographique du type communément connu dans la technique dite "dép8t par peinture et enlèvement" qui sera décrit en détail ciaprès. Les bandes métalliques 22 sont constituées d'un métal tel que l'aluminium, le cuivre ou l'or qui peut être implanté au travers de la couche de silicium amorphe 20 de la ma- nière expliquée ci-après. Après application des bandes métalliques 22, on dépose une couche conductrice 24 sur la surface du dispositif. La couche conductrice 24 doit être constituée d'un matériau choisi de manière à tre transparent au rayonnement incident si la surface supé- rieure de la couche de silicium amorphe 20 doit recevoir la lu- mière. Par conséquent, un matériau tel que l'oxyde d'étain et d'indium est utilisé de façon typique pour constituer la couche 24. Après application de la couche conductrice 24, la structure est encore soumise à un procédé d'entaillage, par exemple au la- ser, afin de découper la couche conductrice 24 pour la rendre discontinue, comnie on peut le voir sur la figure 4. Compte tenu du fait que les couches d'oxyde d'étain et d'indium, utilisées dans la fabrication de cellules solaires au silicium amorphe, ont typiquement une épaisseur de l'ordre de quelques centaines d'Angs- trbms, un entaillage au laser de la couche d'oxyde d'étain et d'indium 24, entaillera typiquement la couche 20 de silicium amorphe, comme représenté. Cependant, comme on le verra ci-après, il n'est pas nécessaire que le laser entaille totalement ou même partiellement la couche de silicium amorphe 20, tant que ce laser sert à découper entièrement la couche d'oxyde d'étain et d'in- dium 24 afin que cette couche 24 présente une discontinuité élec- trique. Ensuite, le dispositif est soumis à un recuit au cours du- quel il est chauffé pendant une durée et à une température suffi- santE pour que les bandes métalliques 22 engendrent des pointes 26 au travers de la couche de silicium amorphe 20 pour relier élec- triquement la couche d'oxyde d'étain et d'indium 24 à l'électrode métallique sous-jacente 16, comme on peut le voir sur la figure 1. La durée et la température du recuit sont déterminées par le type particulier du matériau utilisé pour réaliser les bandes métal- liques 22-et l'épaisseur de la couche de silicium amorphe 20. A titre d'exemple, si on utilise du cuivre, un recuit à une tempéra- ture de 2600C pendant trente minutes peut être utilisé-. Un recuit plus long à une température inférieure ou un recuit plus court à une température/élevée donneront bien entendu les mêmes résultats. Après le processus de recuit, le dispositif 10, tel que représenté sur la figure 1, est terminé et il existe une liaison en série entre les cellules solaires au silicium amorphe 12. On se réfère maintenant à la figure 5 sur laquelle on peut voir un second exemple de réalisation 30 d'une cellule solaire selon cette invention. Selon cet exemple de réalisation, une série de cellules solaires au silicium amorphe 32, est connectée en sé- rie de façon similaire au premier exemple de réalisation 10. Les cellules solaires 32 au silicium amorphe connectées en série, sont réalisées sur le substrat isolant 34 qui peut être donstitué d'un matériau transparent, par exemple du verre. Sur une surface 36 du substrat 34 est disposée une série d'électrodes conductrices 38 qui peuvent être constituées soit d'im métal soit d'un oxyde 3o d'étain et d'indium, selon que la lumière incidente doit attein- dre les cellules solaires depuis le dessus de la surface 36 ou qu'elle doit traverser le substrat 34, l'une ou l'autre de ces possibilités ne sortant pas du cadre de l'invention. Chacune des cellules solaires 32 comprend en outre une couche de silicium amorphe 40 qui recouvre les électrodes conductrices 38. Par ailleurs, il existe des électrodes supérieures 42, qui peuvent être constituées soit de métal soit d'oxyde d'étain et d'indium comme on l'a décrit ci-dessus. Les électrodes supérieures 42 sont connectées électriquement aux électrodes inférieures 38 de la cellule suivante adjacente 32 par l'intermédiaire de bandes métal- liques 44 et de contacts inter-électrode 46 de la même manière que décrite ci-dessus en référence au premier exemple de réalisa- tion 10 de l'invention. Afin de fabriquer le second exemple de réalisation 30 de l'invention, on part d'un substrat 34, tel que représenté sur la figure 6. On applique une série de bandes 48, par exemple des bandes de peinture ou de photoresist, sur une surface 36 du subs- trat 34. Les bandes de peinture 48, utilisées dans l'exemple de réalisation préféré de l'invention sont pulvérisées sur la sur- face 36 du substrat 34, par l'intermédiaire d'un masque muni de découpage en bandes. De telles bandes de peinture présentent une épaisseur relativement importante, comparée à celle des matériaux typiquement utilisés dans les cellules solaires au silicium amor- phe. Ensuite, le matériau qui doit comprendre les électrodes infé- rieures 38 est appliqué sur la surface 36 du substrat 54 et sur la surface exposée des bandes 48. Dans le cas d'oxyde d'étain et d'indium, le matériau est simplement pulvérisé sur la surface des bandes 48 et sur la surface 36 du substrat 34. Dans le cas d'un métal, le matériau sera déposé par pulvérisation cathodique ou évaporé sur les surfaces. En raison de l'épaisseur des bandes 48, le matériau 38 ne forme pas une couche continue compte tenu de la topologie en forme de gradins élevés des bandes 48. Par conséquent après -application du matériau 38, les bandes de peinture 48 peu- vent être détachées de la surface 36 du substrat 34. Il en résulte que, bien qu'un procédé photolithographique puisse être utilisé pour obtenir le même résultat et bien qu'un tel procédé ne sorte pas du cadre de l'invention, le fait d'utiliser le procédé décrit ci-dessus de "peinture et détachement" permet d'économiser un temps et un travail considérables, et également de faire des éco- nomies d'argent, lors de la fabrication de l'arrangement 30 de cellules solaires. On se réfère maintenant à la figure 7. Après l'enlèvement des bandes 48, une couche de silicium amorphe 40 est appliquée sur la surface de la structure, selon tout procédé approprié en fonction de la structure particulière recherchée. On se reportera aux bre- vets américains mentionnés ci-dessus pour ce qui concernent le procédé de dépôt de la couche de silicium amorphe 40 et sa compo- sition. Ensuite, les bandes métalliques 44 sont appliquées sur la surface de la couche de silicium amiorphe 40, selon tout procédé approprié, par exemple par évaporation au travers d'un masque en bandes. Ensuite, les liaisons inter-électrode 46 sont formées en chauffant la structure de la manière décrite ci-dessus afin d'ame- ner les bandes métalliques 44 à faire saillie sous la forme de pointes au travers des électrodes sous jacentes 38. Ensuite on forme les électrodes supérieures 42. Les élec- trodes supérieures 42 peuvent être réalisées en mettant en oeuvre le procédé par peinture et détachement selon lequel on commence par appliquer une série de bandes de peinture 49, de la manière décrite ci-dessus et ensuite on applique le matériau qui consti- tue les électrodes supérieures 42, comme décrit ci-dessus. Ce matériau peut être soit un métal soit un oxyde d'étain et indium et, compte tenu de la topologie abrupte des bandes de peinture 49, il est discontinu pour les raisons déjà mentionnées. Après l'application du matériau constituant les électrodes supérieures 42, les bandes de peinture 49 et le matériau 42 sur la surface supérieure sont enlevés par un procédé de détachement (en les "pelant") de manière que subsiste la structure de l'ar- rangement 30, représentée sur la figure 5. Selon cet exemple de réalisation, il n'est pas nécessaire d'effectuer un entaillage lors de la fabrication de l'arrangement , compte tenu de la propriété du silicium amorphe selon laquelle il ne possède virtuellement aucune conduction latérale. Par con- séquent, un aspect intéressant d'un arrangement de cellule so- laire 30 du type décrit en référence à la figure 5 est qu'il n'est pas nécessaire que la couche de silicium amorphe 40 soit électriquement discontinue. Par conséquent, bien que l'entaillage au laser décrit cidessus en référence au premier exemple de réalisation 10 (figure 1 et 4) traverse la couche de silicium amorphe 20, une telle découpe n'est pas nécessaire pour former un arrangement de cellule solaire. La description ci-dessus a été faite en référence à des cellules solaires au silicium amorphe, il demeure cependant bien entendu que l'invention peut être utilisée avec d'autres types de cellules solaires incluant, sans que cette énumération soit limitative, les cellules au silicium monocristallin, polycristal- lin ou microcristallin ou des cellules solaires au sulfure de cadmium. De même, le terme "couche de silicium amorphe" est utilisé ici pour désigner tout type de matériau semi-conducteur de cellule solaire qui peut être interconnecté en réalisant des pointes en saillie et qui possède une faible conductivité laté- rale pour les motifs évoqués ci-dessus. REVENDICATIONS 1.- Arrangement de cellules solaires (10) comprenant une pluralité de cellules solaires adjacentes, connectées en série (12) sur un substrat isolant unique (14), dans lequel chaque cel- lule solaire (12) est caractérisée en ce qu'elle comprend: - une électrode (16) formée sur une première surface (18) du substrat (14); - une couche semi-conductrice (20) comportant au moins une région intrinsèque et une région de type N - une électrode supérieure (22) et - des moyens pour connecter électriquement l'électrode supé- rieure (22) d'une cellule solaire (12) à l'électrode inférieure (16) de la cellule solaire adjacente suivante (12) qui com- prennent une bande métallique (22) sur la surface de la seconde photocellule et une liaison inter-électrode (26) entre la bande métallique (22) et l'électrode inférieure (16) de la cellule so- laire adjacente suivante, cette liaison inter-électrode (26) étant une connexion métallique en pointe. 2.- Arrangement de cellulessolaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche semi-conductrice (20) est consti- tuée de silicium amorphe. 3.- Arrangement de cellules solaire selon la revendication 2, caractérisé en ce que la liaison inter-électrode (26) comprend une connexion en aluminium en forme de pointe. 4.- Arrangement de cellule solaire selon la revendication 2, caractérisé en ce que la liaison inter-électrode (26) comprend une connexion en or en forme de pointe. 5.- Arrangement de cellulessolaires selon la-revendication 2, caractérisé en ce que la liaison inter-électrode (.26) comprend une connexion en cuivre en forme de pointe. 6.- Procédé pour réaliser un arrangement de cellules solaires connectées en série qui consiste à former une série d'électrodes inférieures conductrices sur un substrat isolant, à former une couche semiconductrice sur la surface des électrodes inférieures conductrices et sur ledit substrat et à appliquer une série d'élec- trodes conductrices en cuivre sur la surface de la couche semi- conductrice, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser une liaison électrique entre l'électrode supérieure d'une cellule et l'électrode inférieure de la cellule adjacente suivante en insérant une connexion inter-électrode en pointe au travers de la couche semi-conductrice. 7.- Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'insertion de la connexion en pointe s'effectue par chauffage d'une série de bandes métalliques sur la surface de la couche semi-conductrice afin de les amener à faire saillie selon des pointes au travers de ladite couche semi-conductrice. 8.- Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la série d'électrodes inférieures conductrices, est formée en réalisant une couche conductrice unique et ensuite en l'entaillant de manière à la rendre électriquement discontinue. 9.- Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la série d'électrodes conductrices supérieures est formée en réa- lisant une couche conductrice unique et ensuite en l'entaillant de manière à la rendre électriquement discontinue. 10.- Procédé selon l'une des revendications 8 ou 9, caracté- risé en ce que l'entaillage est effectué par gravure au laser, 11.Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la série d'électrodes inférieures conductrices est obtenue en ap- pliquant un matériau épais ayant une configuration en forme de bandes sur la surface du substrat, en appliquant une couche con- ductrice discontinue sur la surface dudit matériau épais en forme de bandes et en enlevant ledit matériau en même temps que le ma- tériau conducteur sur sa surface afin qu'une série d'électrodes électriquement discontinues demeurent sur la surface dudit subs- trat. 12.- Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la série d'électrodes conductrices supérieures est obtenue en déposant un matériau épais ayant une configuration en forme de bandes, sur la surface de la couche de silicium amorphe, en ap- pliquant une couche conductrice discontinue sur la surface dudit matériau épais et en enlevant ledit matériau en même temps que le matériau conducteur présent sur sa surface de manière que sub- siste une série d'électrodes électriquement discontinues sur la surface de la couche de silicium amorphe.