Brevet FR2524717A1 — publié le 19831007

l 22524717 La présente invention a pour objet un dispositif photo- voltalque au silicium amorphe et plus particulièrement une structure d'un film isolant placé sur une surface d'un substrat sur lequel un film de silicium amorphe est formé. Récemment, on a rencontré un intérêt accru à l'utilisation de dispositifs photovoltalques, en particulier en tant que batterie ou pile solaire constituant une nouvelle source d'éner- gie Parmi les différents types de batteriessolaires, en particulier celles qui utilisent le silicium amorphe sont supposées être tès prometteuses L'une des raisons en est que l'énergie solaire peut être exploitée sans problème de pollution et ne sera jamais épuisée Une autre raison est que, alors que les batteries solaires classiques, par exemple celles constituées par un silicium monocristallin, sont très chères et sont utili- sées seulement pour des applications spécifiques, on escompte que l'on pourra réaliser à des prix de revient très réduits des batteries solaires au silicium amorphe. Jusqu'à présent, le substrat d'une batterie solaire au silicium amorphe est essentiellement formé d'une plaque de verre transparente ou d'une plaque d'acier inoxydable La pla- que de verre ou d'acier inoxydable, lorsqu'elle est utilisée en tant que substrat de la batterie solaire au silicium amorphe présente de nombreuses caractéristiques excellentes. La plaque de verre ou d'acier inoxydable n'est cependant pas toujours désirable en tant que substrat pour une batterie solaire au silicium amorphe, cela au point de vue de la réduc- tion du prix L'un des fondements rendant possible la réduction de prix d'une pile solaire au silicium amorphe est qu'il est possible de former un film de silicium amorphe ayant une grande surface et cela de façon continue et automatique Pour utiliser cet avantage, il est souhaitable d'utiliser un long et mince film d'une feuille qui puisse être enroulée de façon continue. Cependant, la tension de sortie d'une cellule de batterie solaire au silicium amorphe est habituellement inférieure à l volt En utilisation courante, cependant, la tension d'une source d'alimentation doit être supérieure à 1 volt Habituel- lement, on utilise par suite une pluralité de cellules de piles solaires montées en série Du point de vue de la réalisa- tion de la réduction des prix, il est essentiel qu'il soit possible de les former intégralement sur le même substrat. Par suite, on a proposé une pile solaire au silicium amorphe utilisant un film d'acier inoxydable en tant que substrat sur lequel est formé le silicium amorphe. Cependant, lorsqu'on utilise un film d'acier inoxydable en tant que substrat, les problèmes suivants apparaissent. De façon à former une pluralité de cellules de piles solaires connectées en série sur un substrat, les électrodes de même polarité des piles solaires doivent être électriquement isolées les unes des autres Cependant, lorsque les cellules solaires sont formées directement sur le substrat d'un film en acier inoxydable, les électrodes de même polarité des cellules sont connectées électriquement, c'est-à-dire qu'elles ne peuvent être connectées en série, étant donné que l'acier inoxydable présente une conductivité électrique élevée De façon à obtenir la connexion en série d'une pluralité de cellules de piles solaires au silicium amorphe formées sur un film d'acier inoxyda- ble, il est par suite nécessaire d'isoler électriquement les cellules de piles solaires au silicium amorphe d'avec le film en acier inoxydable en formant une couche d'isolation sur la surface du film d'acier inoxydable avant de former les cellules de piles solaires au silicium amorphe. Un objet de la présente invention est de prévoir une pile solaire au silicium amorphe susceptible de présenter une résis- tance d'isolation électrique suffisamment élevée pour former une batterie solaire. Un autre objet de la présente invention est d'assurer une isolation électrique suffisamment élevée ainsi qu'une égalité:-de surface dans la formation-de piles solaires. Un autre objet de l'invention est d'obtenir une isolation électrique suffisamment élevée et une densité de formation des piles solaires. Conformément à une caractéristique de l'invention, une pile solaire au silicium amorphe comporte un substrat cons- titué d'un film d'acier inoxydable et un film de résine mince résistant à la chaleur et formé sur le substrat Une électrode métallique est formée sur le film de résine résistant à la chaleur, un film de silicium amorphe est formé sur l'électrode métallique, et une électrode électriquement conductrice et transparent est formée sur le film de silicium amorphe. Conformément à une autre caractéristique de l'invention, une pile solaire au silicium amorphe comporte un substrat d'un film d'acier inoxydable et un film d'oxyde de chrome est formé sur le substrat Une électrode métallique, un film de silicium amorphe et une électrode électriquement conductrice et transparente sont formés sur le film d'oxyde de chrome dans l'ordre mentionné ci-dessus. L'invention apparaîtra plus clairement à la description qui va suivre faite en référence aux dessins annexés dans lesquels La figure l est une vue en plan montrant les parties essentielles d'un mode de réalisation d'une battrie solaire au silicium amorphe conforme à l'invention; La figure 2 est une vue en coupe de la batterie solaire illustrée à la figure 1; et La figure 3 est une vue en coupe faite selon la ligne III-III de la figure l montrant un autre mode de réalisation d'une batterie solaire au silicium amorphe conçue selon l'invention. En se référant tout d'abord aux figures l et 2, on a repéré en 1 un substrat constitué d'acier inoxydable d'une épaisseur d'environ 100 microns Par exemple, ce film étant souple et résistant à la chaleur Il est poli, de sorte que sa surface est plane avec une tolérance de 0,1 micron, par exemple. Un film mince de résine 2 constitué par un haut polymère, par exemple un polyimide, ayant une épaisseur d'environ 5 ihicrons est formé sur la surface polie du substrat d'acier inoxydable 1; d'une façon plus appropriée on utilise comme polyimide de la isoindroquinazolinedione. Le film est formé en effectuant un revêtement uniforme de la résine en phase liquide au moyen d'une essoreuse, d'une projection au pistolet, d'une enduction ou d'un revêtement au rouleau par exemple puis par cuisson à haute température par exemple d'environ 350 OC Des électrodes métalliques 3 a à 3 e ayant une épaisseur d'environ 2 nanomètres( 2,10 9 mètre) et espacées les unes des autres d'une distance prédéterminée, sont alors formées par projection d'acier inoxydable sur le film de résine mince 2 formé sur le substrat l d'acier inoxyda- ble Un film de silicium amorphe 4 comprenant des couches de types de conductivité différents est alors formé dans l'ordre des types de conductivité p, i et N ou n, i et p en utilisant le procédé au plasma CVD avec une température de substrat maintenue à environ 250 'C, de sorte que l'on recouvre les électrodes métalliques 3 a à 3 e Des électrodes métalliques électriquement conductrices transparentes 5 a à 5 e sont alors formées sur le film de silicium amorphe 4 de telle façon qu'elles font face aux électrodes métalliques 3 a à 3 e et qu'elles s'étendent jusqu'à l'une des parties d'extrémité des électrodes inférieures adjacentes 3 a à 3 d en projetant In 203 Sn O 2 sur une épaisseur d'environ 80 nanomètres Finalement, un film de passivation 6 de Si O 2 d'une épaisseur d'environ 200 nanomètres est formé de façon à recouvrir les électrodes supérieures 5 a à 5 e au moyen d'une projection de Si O 2 De cette manière, une batterie solaire comportant cinq cellules de piles solaires au silicium amorphe connectées en série est fabriquée Dans ce cas, l'interconnexion 5 pour les cinq cellules de la batterie solaire au silicium amorphe est formée simultanément à la formation du réseau d' électrodes des électrodes supérieures a à 5 e D'autre part, les bornes de connexion 3 a' et 5 e' pour la tension de sortie sont formées sur une partie d'extré- mité de l'électrode métallique 3 a et sur une partie d'extrémité de l'électrode métallique supérieure 5 e. Avec la construction ci-dessus décrite, dans laquelle la surface supérieure du substrat en acier inoxydable 1 est polie, et le film 2 de résine mince résistant à la chaleur est formé sur cette surface, on obtient une égalité suffisante du substrat des cellules de la batterie solaire, et d'autre part, le substrat 1 en acier inoxydable et le film 4 en sili- cium amorphe peuvent être parfaitement isolés l'un de l'autre. Il a été expérimenté que la tension en circuit ouvert de la batterie était d'environ 3,1 volts, tandis qu'un courant de court-circuiit d'environ 18 ampères pouvait être obtenu sous l'éclairage d'une lampe fluorescente d'environ 200 lux Dans ce cas, la tension en circuit ouvert par cellules (présentant une surface de réception de lumière de 1 cm 2) était d'environ 0,62 volt, et aucune perte due à des défauts d'isolation entre cellules adjacentes n'apparaissait La batterie solaire au silicium amorphe construite de la manière ci-dessus décrite a été testée en la pliant 105 fois jusqu'à un rayon de courbure d'environ 60 millimètres Les résultats des essais montraient 2524717 que la détérioration du rendement de conversion d'énergie était inférieure à 5 %. Tandis que dans le mode de réalisation ci-dessus décrit, on a utilisé un substrat en acier inoxydable présentant une épaisseur d'environ 100 microns en tant que substrat souple résistant à la chaleur sur lequel est formé le film de silicium amorphe, l'invention n'est pas limitée à de tels moyens, et les mêmes effets que décrits ci-dessus peuvent étre obtenus en rempîaçant le substrat d'acier inoxydable par un autre substrat métallique, par exemple un substrat d'un alliage Fe-Ni ayant une épaisseur d'environ 100 microns, ou encore en utilisant un film résistant à la chaleur par exemple du type "Capton' (nom de marque déposée) composé d'une résine en polyimide, et ce, à titre d'exemple L'épaisseur du subs- trat n'est pas non plus limitée à l'épaisseur indiquée de microns. En outre, tandis que dans le mode de réalisation ci-des- sus décrit, le film mince de résine résistant à la chaleur formé sur le substrat présente une épaisseur d'environ 5 mi- crons, cette épaisseur variera en fonction de l'épaisseur du substrat et elle pourra s'établir entre 0,1 et 100 microns. Si l'épaisseur est inférieure à 0,1 micron, une isolation suffisante ne peut être obtenue Si l'épaisseur dépasse 100 microns d'autre part, le film s'écaillera lorsque la batterie solaire sera pliée Ainsi, l'ordre de grandeur de l'épaisseur appropriée est compris entre 0,1 et 100 microns Le meilleur intervalle est compris entre 2 et 10 microns en tenant compte des caractéristiques du film,délaproductivité et d'autres facteurs. Comme il a été décrit ci-dessus, conformément au mode de réalisation décrit de l'invention, le film de résine mince résistant à la chaleur est formé sur le substrat souple résistant à la chaleur sur lequel le film de silicium amorphe est formé Ainsi, une grande égalité de surfaces et de bonnes propriétés d'isolation peuvent être obtenues, de sorte qu'il est possible d'obtenir des batteries solaires très fiables, de qualité élevée et présentant de bonnes performances, ces batteries ayant une résistance élevée à la flexion et ne présentant pas de défaut d'isolation entre cellules adjacen- tes. On fera maintenant référence à la figure 3 illustrant en coupe un autre mode de mise en oeuvre de l'invention. Un substrat 1 en acier inoxydable est fabriqué par exemple par laminage d'un substrat d'une épaisseur d'environ 0,1 milli- mètre à partir d'une feuille de métal mince contenant du chrome. Ce substrat est chauffé dans de l'hydrogène présentant un point de rosée de 00 C, et le chauffage est maintenu à environ 8500 C pendant trente minutes, grâce à quoi, seul le chrome contenu dans le substrat 1 est sélectivement oxydé de façon à former un film isolant 2 d'oxyde de chrome oxydé thermiquement sur le substrat 1 L'acier inoxydable est alors soumis à une projection par dessus le film d'oxyde 2 de façon à former les électrodes inférieures 3 a à 3 e présentant une épaisseur d'en- viron 200 nanomètreset espacées les unes des autres d'une dis- tance prédéterminée Un film 4 de silicium amorphe comprenant des couches de types de conductivité différents est alors formé sur les électrodes inférieures respectives 3 a à 3 e en déposant le silicium amorphe dans l'ordre des types de con- ductivité p, i et N ou n, i et p sur une épaisseur d'environ 30 nanomètres, 500 nanomètres et 15 nanomètres respectivement, en utilisant un procédé au plasma CVD avec le substrat maintenu à une température d'environ 250 'C Des électrodes transparentes supérieures 5 a à 5 e sont alors formées sur le film 4 de silicium amorphe, de façon à s'étendre jusqu'à une partie d'extrémité exposée des électrodes inférieures adjacentes 3 b à 3 e et cela par projection de In 203-Sn O 2 sur une épaisseur d'environ 80 nanomètres Un film de passivation 6 Si O 2 est alors formé de façon à recouvrir les électrodes supérieures 5 a à 5 e par projection de Si O 2 sur une épaisseur d'environ 200 nanomètres. De cette façon, on fabrique une batterie solaire comprenant cinq piles de batterie solaire au silicium amorphe connectées en série Dans ce cas, l'interconnexion des cinq cellules de la batterie solaire au silicium amorphe est effectuée simultané- ment à la formation du réseau d'électrodes des électrodes su- périeures 5 a à 5 e Ensuite, des bornes de tension de sortie 3 a' et 5 e' sont formées respectivement sur une partie d'extré- mité de l'électrode inférieure 3 a et d'une partie d'extrémité de l'électrode supérieure 5 e. Avec une telle batterie solaire au silicium amorphe, la tension en circuit ouvert mesurée sous éclairement lumineux était cinq fois plus grande que la tension obtenue avec une batterie solaire au silicium amorphe unique A titre de com- paraison, des échantillons de batterie solaire au silicium amorphe ont été préparés dans les mêmes conditions à ceci près que la couche d'isolation entre les cellules de la batterie solaire au silicium amorphe et le substrat en acier inoxydable était formée par projection de Si O 2 sur une épaisseur d'environ 500 nanomètres, et la tension en circuit ouvert était mesurée sous éclairement Avec la plupart des échantillons de batterie solaire au silicium amorphe ainsi préparés, la tension mesurée était inférieure à 5 fois celle disponible avec une batterie solaire au silicium amorphe unique, tandis que la ten- sion d'un petit nombre d'échantillons atteignait la valeur égale à cinq fois celle de la batterie solaire au silicium amorphe unique Ceci confirme que dans de telles batteries solaires, l'isolation entre les électrodes inférieures et le substrat en acier inoxydable était insuffisante, de telle sorte qu'il existait des fuites plus ou moins élevées Avec le procédé de fabrication d'une batterie solaire au silicium amorphe tel que décrit ci-dessus dans lequel on utilise un substrat l en acier inoxydable mince laminé (le substrat en acier inoxydable mince est constitué à partir d'une feuille d'acier inoxydable mince provenant d'un rouleau) ayant une épaisseur de 0,3 mm ou moins, et lorsque le chrome contenu dans le substrat l d'acier inoxydable est sélectivement oxydé de façon à former un film d'oxyde de chrome 2, il est possible de former un film d'isolation uniforme dense dépourvu de trous d'aiguilles et cela de façon continue sur de grandes surfaces. En variante du second mode de réalisation, il est na- turellement possible de former une structure d'isolation à double couches en formant un film d'un matériel tel que Si O 2 et A 1203 sur le film d'oxyde de chrome 2 Dans ce cas, les propriétés d'isolation peuvent être encore améliorées et l'égalitéde la surface du film isolant peut également être améliorée. Comme autre variante, le film d'oxyde de chrome 2 peut être formé en déposant extérieurement seulement l'oxyde de 8 2524717 chrome au moyen d'une projection ou d'un dépôt à la vapeur sur le substrat l d'acier inoxydable Dans ce cas, les mêmes effets que décrits ci-dessus peuvent être obtenus. Tandis que le mode de réalisation ci-dessus décrit, concernait l'utilisation d'acier inoxydable en tant que métal contenant du chrome, l'invention n'est pas limitée à de tels moyens et des effets tout-à-fait identiques peuvent être obtenus en utilisant des alliages Fe-Ni-Cr, des alliages Fe-Cr et des alliages Ni-Cr. Comme autre modification encore, du chrome ou un métal contenant du chrome peut être déposé par projection ou par dépôt à la vapeur sur une fine feuille -métallique dépourvue de chrome, et l'on peut oxyder sélectivement le chrome seulement dans de l'hydrogène contenant H 20 de façon à former le film d'oxyde de chrome isolant En outre, les mêmes effets peuvent être évidemment obtenus en déposant seulement l'oxyde de chrome au moyen d'une projection ou d'un dépôt à la vapeur sur une feuille de métal mince dépourvue de chrome, de façon à former ainsi le film d'oxyde de chrome. Comme il a été décrit ci-dessus, conformément au second mode de réalisation de l'invention, un film d'oxyde de chrome est formé sur un substrat métallique sur lequel des batteries solaires au silicium amorphe sont formées Ainsi, un film isolant dense entièrement dépourvu de trou d'aiguille peut être uniformément formé sur une grande surface, de sorte qu'il est possible d'obtenir des batteries solaires au silicium amorphe très fiables, d'excellente qualité, présentant des performances élevées, et cela avec de très bonnes conditions de productivité. REVENDICATIONS 1 Batteriessolairesau silicium amorphe, caractérisées en ce qu'elles comprennent un film métallique d'un substrat ( 1), un film isolant électrique résistant à la chaleur ( 2) formé sur ledit substrat, des électrodes inférieures ( 3 a 3 e) formées sur ledit film isolant résistant à la chaleur ( 2), un film de silicium amorphe ( 4) formé sur lesdites électrodes inférieures, et des électrodes supérieures ( 5 a 5 e) formées sur ledit film de silicium amorphe. 2 Batteries solaires selon la revendication 1, caractéri- sées en ce que ledit film isolant électrique résistant à la chaleur ( 2) est constitué en une résine. 3 Batteries solaires selon la revendication 2, caracté- risées en ce que l'épaisseur dudit film ( 2) de résine résistant à la chaleur est comprise entre 0,1 et 100 microns. 4 Batteries solaires selon la revendication 1, caracté- risées en ce que ledit film isolant électrique résistant à la chaleur ( 2) est formé d'oxyde de chrome. Batteries solaires, selon la revendication 4, caracté- risées en ce que ledit film métallique formant substrat ( 1) est constitué en un matériau métallique contenant du chrome, et ledit film d'oxyde de chrome ( 2) est formé par chauffage dudit substrat dans de l'hydrogène en présence d'eau. 6 Batteries solaires selon l'une des revendications précédentes, caractérisées en ce que ledit film métallique formant substrat ( 1) est un film d'acier inoxydable ayant une épaisseur de 0,3 millimètre ou moins.