Brevet FR2579832A1 — publié le 19861003

C) o2579832 La présente invention concerne un procédé d'allègement de cellules solaires (appelées aussi photo- piles ou cellules photovoltaiques) par amincissement sé- lectif du substrat, ainsi que les cellules solaires allé- gées ainsi produites. La fabrication des cellules solaires actuelles, telles que les cellules au silicium ou à l'arséniure de gallium, est basée sur la création d'une homojonction ou d'une hétérojonction par des techniques de diffusion ou d'épitaxie sur un substrat de base..Ces substrats ont une épaisseur d'environ 150 à 200/4m qui est très supérieure pour certains matériaux à l'épaisseur correspondant à l'ab- sorption du spectre solaire, qui est typiquement de quelques dizaines de micromètres. Par conséquent une grande partie de l'épaisseur du substrat de base est inutile dans le pro- cessus de création de courant électrique par effet photo- voltalque dans ce type de matériaux. Comme un des domaines d'application des cellules solaires se trouve dans les satellites et autres véhicules spatiaux, on a cherché depuis longtemps à réduire la masse des cellules solaires en amincissant les substrats des cellules. Il existe actuellement deux principaux types de procédés d'amincissement des substrats, à savoir un procédé par polissage mécanique, mécano-chimique ou chimi- que, et un procédé dénommé CLEFT développé par le M.I.T. aux Etats-Unis,. pour la fabrication de cellules solaires à l'arséniure de gallium. Ces deux procédés permettent effectivement de réduire l'épaisseur du substrat après fabrication de la cellule solaire, mais présentent le défaut de réaliser un amincissement uniforme du substrat, ce qui rend critique le procédé de fabrication. La présente invention vise à remédier à ce défaut en fournissant un procédé d'allègement d'une cellule so- laire par amincissement sélectif du substrat, qui permet de conserver une bonne tenue mécanique à la cellule, de réduire le nombre d'opérations de fabrication et leur difficulté d'exécution. Plus précisément, l'invention concerne un pro- cédé d'allègement d'une cellule solaire pouvant Otre mis en oeuvre au cours du processus de fabrication de cette cellule, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes sui- vantes: (a) application sur la face arrière nue du substrat de base de la cellule d'une couche d'une composition de réserve photosensible, (b) exposition sélective de la face arrière revêtue du substrat obtenue dans l'étape (a) de façon à former un mo- tif de composition de réserve durcie de configuration ap- propriée adhérant à cette face arrière, (c) éliminer les zones non durcies de la composition de ré- serve de façon à mettre à nu le substrat dans ces zones, (d) attaquer chimiquement les zones dénudées du substrat jusqu'à ce que l'épaisseur du substrat dans ces zones soit réduite à la valeur désirée, et (e) élimination des zones durcies de la composition de réserve. Le motif de composition de réserve photosensible durcie que l'on forme sur le substrat dans l'étape (b) peut avoir diverses configurations. La configuration dudit motif devra être choisie pour atteindre un compromis optimum entre le gain en masse et la conservation d'une bonne tenue mé- canique. A titre indicatif on peut utiliser des motifs géo- métriques à mailles répétées, par exemple à mailles carrées ou rectangulaires (configuration en forme de grilles), pen- tagonales, hexagonales (configuration en nid d'abeilles), etc..., mais d'autres types de motifs pourraient tre conçus, ainsi que cela sera évident pour l'homme de l'art. Comme composition de réserve photosensible, on peut utiliser toutes compositions de réserve de type posi- tif ou négatif, sensible à un rayonnement électromagnétique, par exemple la lumière visible ou ultra-violette. L'expo- sition sélective peut se faire à travers un élément transparent portant un motif semblable ou complémentaire (selon le type de composition de réserve utilisé) de celui que l'on veut former dans l'étape (b), ou encore en appo- sant un masque de configuration approprié sur le substrat. De nombreuses compositions de réserve photosensibles sont décrites dans la littérature des brevets et sont disponibles dans le commerce en provenance de divers fabricants, leur usage étant très répandu dans le domaine de la fabrication de circuits impriméso Des exemples de telles compositions sont les produits vendus sous les désignations commerciales AZ 1350J et AZ 1350H par la Société américaine SHIPLEY. L'invention concerne aussi les cellules so- laires allégées obtenues par le procédé de l'invention. La description qui va suivre faite en se ré- férant aux dessins annexés fera bien comprendre la pré- sente invention. Sur ces dessins: La figure 1 est une vue schématique en coupe d'une cellule solaire à l'arséniure de gallium avant mé- tallisation de la face arrière du substrat; Les figures 2 à 5 sont des vues schématiques en coupe (figures 2, 4 et 5) ou vue de dessous (figure 3) illustrant diverses étapes du procédé de l'invention;et les figures 6A et 6B sont des vues schémati- ques en coupe montrant respectivement, de façon compara- tive, une cellule classique non allégée et une cellule allégée selon l'invention. La description détaillée du procédé de l'in- vention va être faite ci-dessous à propos d'une photopile à l'arséniure de gallium, mais il va de soi que l'in- vention n'est pas limitée à ce genre de photopiles et peut être appliquée à des cellules solaires de tous types. La figure 1 montre une photopile à l'arséniure de gallium typique avant métallisation de la face arrière du substrat. Cette photopile comprend typiquement un sub- strat 1 en arséniure de gallium de type N, une couche active 2 de type N, une couche avant 3 de type P consti- tuant avec la couche 2 une jonction P N, une couche dite "fenêtre" 4 en GaAlAs de type P qui crée un champ élec- trique repoussant les photoporteurs vers la jonction, une métallisation en forme de "peigne" 5 et une couche anti-reflet 6 constituée d'un oxyde métallique tel que Ta205, SiO2 etc.... Les épaisseurs des différentes couches semi- conductrices sont typiquement de 200 à 400Am pour le substrat 1, d'environ 5 à 10/ m pour la couche 2, de 0,3 à 5A m pour la couche 3 et de 0,1 à 1 m pour la couche 4. La majeure partie de la masse de la photo- pile est donc attribuable au substrat 1. Selon le procédé de l'invention, on commence (figure 2) par appliquer sur les faces exposées du substra- 12 d'une part, et de la métallisation 5 et de la couche 6, d'autre part, une composition de réserve photosensible de type positif, vendue sous la désignation commerciale AZ 1350J par la Société Shipley. Cette composition durcit en température en formant des couches protectrices 7 et 8 sur la métallisation 5 et la couche 6, d'une part, et sur le substrat 1, d'autre part. Ces couches protectrices ont une bonne résistance aux agents chimiques et une bonne adhérence sur l'arséniure de gallium. Ensuite, on expose la couche 8 appliquée sur le substrat pendant environ 5 secondes à un rayonnement ultra-violet provenant d'une source constituée par une lampe à vapeur de mercure et d'un système optique permet- tant un éclairement en faisceau parallèle du substrat, après avoir apposé sur cette couche un masque en forme de quadrillage. Cette exposition a pour effet de dégrader la couche 8 dans les zones exposées et de les rendre solubles dans un bain de lavage ou révélateur. Aprè l'exposition, on lave ou développe la couche exposée dans un bain de lavage (révélateur) constitué d'une solution aqueuse basique (produit AZ 50 ou AZ 351 vendu par la Société Shipley) pendant 1 minute environ pour éliminer les parties exposées de la couche. On obtient ainsi sur le substrat un motif de réserve en forme de quadrillage 9 comme illustré par les figures 3 et 4. La surface de chaque carré unitaire du quadrillage est d'environ 1 cm2. La largeur de chaque ligne du quadrillage est d'environ à 250/m. Ensuite, on procède à l'attaque chimique du substrat 1 dans les zones laissées nues par le quadrillagE 9 en mettant en contact ces zones avec une composition d'attaque constituée d'eau désionisée, d'eau oxygénée à 30 volumes et d'acide sulfurique concentré dans un rapport envolume de 3/1/1. La vitesse d'attaque est de l'ordre de 10/Tm/mn. On poursuit l'attaque jusqu'à ce que l'épaisseur résiduelle du substrat dans les zones attaquées soit de 5OA/m environ. Il est à noter que, dès que la profondeur d'attaque atteint on dépasse 100$/m environ, il se produit un certain effet de sous-gravure non négligeable. Ceci fait qu'il faut prévoir pour les lignes du quadrillage (ou pour les éléments constitutifs de tout autre motif protecteur choisi) une largeur suffisante pour éviter que les cavités générées par l'attaque ne se re- joignent par en-dessous le motif protecteur ou n'affai- blissent exagérément les nervures 10 qui subsistent après l'attaque. Une fois l'attaque terminée, on lave la cellule dans de l'eau désionisée, puis on la sèche, par exemple sous un jet d'azote. La composition de réserve durcie qui subsiste sur la cellule est alors éliminée, par exemple dans un bain de solvant approprié, tel que l'acétone. On obtient ainsi la cellule représentée sur la figure 5. La fabrication de la cellule peut alors être achevée en effectuant une métallisation de la face arrière des nervures 10. Cette métallisation 11 peut ttre réalisée en procédant d'abord à un mince dépOt de métal par éva- poration, puis en épaississant la couche mince de métal résultante par voie électrochimique, de manière connue. Les figures 6A et 6B illustrent comparative- ment une cellule solaire conventionnelle (figure 6A) et une cellule allégée selon l'invention (figure 6B). Grâce à l'invention, on peut obtenir un gain de masse pouvant atteindre 50% et plus. Il est à noter que l'invention per- met également de réduire la masse de métallisation né- cessaire. Bien que l'invention ait été décrite plus particulièrement à propos d'une cellule solaire à l'ar- séniure de gallium, elle pourrait être mise en oeuvre tout aussi bien avec d'autres types de cellules solaires, 6 2579832 par exemple les cellules au silicium, comme cela sera évident pour l'homme de l'art. Egalement, la mise en oeuvre du procédé dle l'invention pourrait s'insérer dans le processus de fabri- cation de la cellule à un moment autre que celui précé- dant la métallisation de la face arrière du substrat, comme cela sera évident pour l'homme de l'art. Il va de soi que le mode de réalisation décrit n'est qu'un exemple et qu'on pourrait le modifier, notam- ment par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Un procédé d'allègement d'une cellule solaire pouvant ttre mis en oeuvre au cours du processus de fabrication de cette cellule, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: (a) application sur la face arrière nue du substrat de base (1) de la cellule d'une couche d'une composition de réserve photosensible, (b) exposition sélective de la face arrière revêtue du. substrat obtenue dans l'étape (a) de façon à former un motif (9) de composition de réserve durcie dé configuration appropriée adhérant à cette face arrière, (c) éliminer les zones non durcies de la composition de ré- serve de façon à mettre à nu le substrat dans ces zones, (d) attaquer chimiquement les zones dénudées du substrat jusqu'à ce que l'épaisseur du substrat dans ces zones soit réduite à la valeur désirée, et (e) élimination des zones durcies de la composition de ré- serve. 2. Cellule solaire allégée produite par le procédé de la revendication 1.