Brevet FR2520558A1 — publié le 19830729

Prooédé 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 semi-conductrice, avec une grille conductrice en face avant et un contact arrière sur chaque cellule pour collecter le courant électrique produit, et des connexions entre grille conductrice et contact arrière de cellules voisines pour connecter les cellules en série. - et une paroi protectrice arrière. Il a pour fonction d'assurer l'assemblage, la protection et la connexion des cellules photovoltaTques qu'il comporte. Les cellules sont fabriquées à partir de disques de silicium semiconducteur d'un type de conductivité déterminé. On fait diffuser un élément de dopage du type opposé, de manière à réaliser une inversion du type de conductivité du semi-conducteur sur une petite 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 700 C risque d'altérer cette efficacité. La réalisation des modules se fait ultérieurement. Elle est délicate, même si on dispose de cellules photovoltafques de bonne qualité. En effet ces modules doivent d'abord posséder de bonnes qualités de transmission de la lumière jusqu'aux cellules, et du courant électrique à partir de ces cellules et entre celles-oi. 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 n 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 ou "encres conductrices", servant à réaliser des couches épaisses conductrices, sont constituées principa lement : - 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, dont le rôle consiste lors de la cuisson de la pâte à rendre le conducteur solidaire du substrat choisi, - d'un ou plusieurs liants temporaires organiques, appropriés à la sérigraphie et pouvant s'éliminer par pyrolyse, - et d'un solvant (ou mélange de solvants) éliminable par évaporation. La partie passive, à savoir le verre, présente une faible température de ramollissement, obligatoirement inférieure à 650 C, afin de ne pas modifier les propriétés électriques et d'éviter la diffusion d'impuretés pouvant être notamment constituées par le métal des contacts formés sur la face avant de la cellule. En tant que liant temporaire, on utilise des mélanges simples et connus, cc-e par exemple une solution d'éthyl cellulose dans du ter pinéal. Un tel liant s'élimine lorsqu'il est chauffé aux températures de cuisson de la pâte, sans laisser de résidu. Dans la pate sérigraphiable, avant cuisson, les liants temporaires et solvants peuvent représenter 10% à 35% en poids, par rapport aux matériaux actifs et passifs, bien que ces proportions puissent être adaptes à volonté pour modifier les propriétés rhéologiques de la pâte sérigraphiable. Dans la pâte obtenue après cuisson, le matériau actif peut représenter 90% en poids, alors que le matériau passif peut représenter 10%. 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 une résine silicone moulable. (En fait, quelle que soit la nature des parois avant et arrière des modules photo voltaiques, 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. Mais un tel procédé est encore expérimental. On a enfin proposé, dans le brevet français n0 2 457 015, de lier ces cellules à cette plaque par scellement par l'intermédiaire d'une couche de verre obtenue par sérigraphie et cuisson d'une encre diélectrique comportant des solvants et des liants organiques temporaires et une poudre de verre. Dans ce dernier procédé connu, qui permet d'obtenir une protection particulièrement fiable de la face avant des cellules, la grille conduc trice est formée sur cette face antérieurement au scellement des cellules sur la plaque avant. Cette formation se fait par exemple, après dépôt d'encre conductrice à l'argent par sérigraphie, par cuisson à 700C pendant quelques minutes sous air, puis recuit sous azote hydrogéné pour éliminer les oxydes. Elle entraine une légère pénétration de l'argent dans le silicium. Ce procédé présente l'inconvénient que, lors de l'étape ultérieure de scellement de la cellule sur la plaque avant, par exemple par chauffage à 580C pendant deux minutes, sous une pression de,1kgf/cm2, les propriétés électriques de la cellule sont altérées. La présente invention a pour but de réaliser un procédé de fabrication de modules de cellules solaires simple et compatible avec un bon rendement électrique des cellules. Elle a pour objet un procédé de fabrication de modules de cellules solaires à partir de disques de silicium, chacun de ces disques comportant une jonction semi-conductrice propre à permettre un effet photovoltaïque et située sous une face "avant" du disque, à une profondeur suffisante pour permettre la réalisation, ultérieure d'une grille conductrice sur cette face sans alteration de cette jonction, ce procédé comportant les étapes suivantes - Formation de couches de verre sur des zones de scellement de la face arrière d'une plaque avant en verre, cette formation étant obtenue par sérigraphie et cuisson d'une encre diélectrique contenant un verre de scellement, pour permettre un scellement ultérieur de disques de sili cium, - réalisation d'un contact arrière sur la face arrière de ces disques, - réalisation d'une grille conductrice par sérigraphie et cuisson d'une encre conductrice, pour collecter le courant en face avant des cellules, - scellement des disques par application de ces disques sur ces zones de scellement à une température et une pression suffisantes pour assurer le scellement de ces disques sur la plaque avant en verre, - réalisation de connexions entre les contacts arrière des disques et les grilles conductrices de disques voisins, - et revêtement de l'ensemble par une couche protectrice arrière, ce procédé étant caractérisé par le fait que - lors de ladite étape de formation de couches de verre l'encre diélectrique est déposée en réservant l'espace qui doit être occupé ultérieurement par la grille conductrice, - ladite étape de réalisation d'une grille conductrice ayant lieu après la formation des couches de verre sur les zones de scellement et consistant d'abord en un dépôt d'encre conductrice dans les parties de la zone de scellement préalablement réservées, - les températures et les pressions appliquées pendant l'étape de scellement des disques étant suffisamment élevées pour assurer le frittage de cette encre conductrice, et sa prise de contact électrique sur le silicium, de manière à achever la réalisation de la grille conductrice. Quoique l'expression "disque de silicium" employée ci-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 ciaprès 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, supposée isolée de celui-ci, ce qui est en fait impossible mais facilite la compréhension des figures. Les figures 3 à 6 représentent des vues en perspective du module de la figure 1 à différentes étapes de sa fabrication. La figure 7 représente une vue en perspective du module terminé, vu à travers la plaque avant transparente. La figure 8 représente une vue d'une cellule d'un autre module comportant une grille conductrice d'un type différent pouvant être utilisé sans modification du procédé selon l'invention. Le module représenté sur les figures 1 et 2 comporte des cellules photovoltaTques 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 constituée d'un tronc collecteur GCT et de branches GCB dont les intervalles sont remplis par la couche AS, puis un disque de silicium CP dans lequel une jonction semi-conductrice a été formée pour lui permettre de constituer une cellule photovoltaIque, 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 OC d'une cellule et le contact arrière CA d'une cellule voisine pour les mettre électriquement en série. Plus précisément, ces connexions sont réalisées par dépôt et cuisson d'encres conductrices entre, d'une part, le contact arrière CA d'une cellule et, d'autre part, une partie PC de la grille conductrice GC de la cellule voisine, cette partie étant exté- rieure à la zone de scellement. La couche de protection arrière PR recouvre l'ensemble et adhère à la plaque avant PA sur les bords non représentés de celle-ci avec seulement deux passages étanches pour la liaison électrique du module à un circuit extérieur. Les figures 3 à 7 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 coeffi- cient de dilatation thermique voisin de celui du silicium, ces étapes principales sont les suivantes A - Sur les disques CP - Sérigraphie du contact arrière CA (encre conductrice) - cuisson (c'est-à-dire séchage par évaporation des solvants, pyrolyse des liants et frittage) B - Sur la plaque avant en verre - Sérigraphie des couches de scellement AS en réservant l'emplacement de la grille conductrice GC(encre diélectri que > (fig.3) - Cuipaon (four à pas'sage) - Sérigraphie dè la grille conductrice avant OC (encre conductrice) C - Formation des cellules et assemblage - Mise en place des disques CP sur la plaque avant PA (fig.5) - Chauffage à haute température sous pression pour assurer à la fois, le frittage de l'encre conductrice, la prise de contact électrique et le scellement sur la face avant - Sérigraphie des connexions CO entre partie extérieures de grilles PC et contacts arrière CA des cellules (encre conductrice) (fig.6) - Cuisson - Application à chaud d'une feuille d'éthyl-vinylacétate stabilisé de l'ordre de 0,5mm d'épaisseur recouverte d'une feuille composite du commerce constituée de polyfluorure de vinyl entourant une feuille d'aluminium, ceci en face arrière pour former la couche PR. La plaque avant PA peut être constituée par une plaque en verre du type connu sous la marque "Pyrex 732" qualité "satiné" 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. Les encres conductrices utilisées sont à base de poudre d'argent ou éventuellement d'autres métaux et comportent de préférence une faible proportion de verre de l'ordre de 3%. Les opérations de séchage peuvent être faites en étuve, pendant 10 minutes à 150 C, pour éliminer les solvants organiques. La pyrolyse peut durer 10 minutes à 400-450 C, pour éliminer les liants organiques. Le frittage peut durer 5 minutes à 610 C. Le scellement des disques de silicium et la réalisation de la liaison électrique entre grille conductrice et disque sont obtenus par chauffage progressif de l'assemblage plaque de verre-disque de silicium jusqu'à 610 C, pendant 5 minutes, sous une pression de l'ordre de 1 Kgf/cm, et refroidissement de l'ensemble avec une étape de recuit à 400 C pendant 30 minutes. La cellule CP' représentée sur la figure 8 diffère de la cellule CP précédemment décrite par la forme de sa grille conductrice GC' qui comporte deux collecteurs principaux parallèles GCA' au lieu d'un seul COCA, la grille GC' comportant en outre, comme la grille OC, des arêtes perpendiculaires à ce ou ces collecteurs principaux et référencées respectivement GCB' et GCB. La présente invention présente les avantages suivants - Abscence d'altérations des propriétés électriques des cellules photo voltaiques. - L'étape de frittage de l'encre conductrice pour réaliser la grille conductrice se confond avec l'étape de scellement, alors qu'il fallait antérieurement effectuer une cuisson spéciale pour ce frittage, d'où un gain de temps de fabrication. REVENDICATIONS 1/ Procédé de fabrication de modules de cellules solaires à partir de disques de silicium (CP), chacun de ces disques comportant une jonction semi-conductrice propre à permettre un effet photovoltaque et située sous une face "avant" du disque, à une profondeur suffisante pour permettre la réalisation ultérieure d'une grille conductrice sur cette face sans altération de cette jonction, ce procédé comportant les étapes suivantes - Formation de couches de verre (AS) sur des zones de scellement de la face arrière d'une plaque avant en verre (PA), cette formation étant obtenue par sérigraphie et cuisson d'une encre diélectrique contenant un verre de scellement pour permettre un scellement ultérieur de disques de silicium, - Réalisation d'un contact arrière (CA) sur la face arrière de ces disques, - Réalisation d'une grille conductrice (GC) par sérigraphie et cuisson d'une encre conductrice, pour collecter le courant en face avant des cellules, - Scellement des disques par application de ces disques sur ces zones de scellement à une température et une pression suffisantes pour assurer le scellement de ces disques sur la plaque avant en verre, - Réalisation de connexions (CO) entre les contacts arrière des disques et les grilles conductrices (GC) de disques voisins, - et revêtement de l'ensemble par une couche protectrice arrière (PR), ce procédé étant caractérisé par le fait que - lors de ladite étape de formation de couches de verre (AS) l'encre diélectrique est déposée en réservant l'espace qui doit être occupé ultérieurement par la grille conductrice (GC), - ladite étape de réalisation d'une grille conductrice ayant lieu après la formation des couches de verre sur les zones de scellement et consistant d'abord en un dépôt d'encre conductrice dans les parties de la zone de scellement préalablement réservées, - les températures et les pressions appliquées pendant l'étape de scellement des disques étant suffisamment élevées pour assurer le frittage de cette encre conductrice et sa prise de contact électrique sur le silicium, de manière à achever la réalisation de la grille conductrice. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que lors de ladite étape de réalisation de la grille conductrice (GC) le dépôt d'encre conductrice est prolongé au delà de la zone de scellement (AS) de façon à former un prolongement (PC) continuant des collecteurs principaux (GCA) et permettant une prise de contact sur cette grille après le scellement du disque (CP).