Brevet FR2947953A1 — publié le 20110114

Cellule photovoltaïque améliorée et procédé de réalisation Domaine technique de l'invention L'invention est relative à une cellule photovoltaïque comportant successivement un substrat de support, une couche électriquement conductrice et un collecteur de courant. L'invention est également relative à un procédé de réalisation d'une cellule photovoltaïque. État de la technique Dans le domaine des cellules photovoltaïques, la recherche se focalise principalement sur l'amélioration du rendement de conversion de la cellule et sur la simplification de son procédé de réalisation. 20 De manière conventionnelle, une cellule photovoltaïque est formée par une diode, par exemple, une jonction de type pin réalisée dans un matériau semi-conducteur tel que le silicium. La diode comporte alors une zone dopée par une impureté de type p, par exemple du bore, qui est en contact avec une zone dopée par une impureté de type n, par exemple du phosphore. La 25 photodiode peut donc être réalisée simplement par la formation d'une zone dopée de type n au sein d'un substrat de type p. Une fois la jonction réalisée, il est nécessaire de former des collecteurs de courant qui permettent d'utiliser le courant généré, hors de la cellule 30 photovoltaïque. 15 2 Le document de Roca et al. (� Process development of amorphous silicon/crystalline silicon solar cells �, Solar Energy Materials and Solar Cells 48 (1997) 15-24) décrit une architecture particulière de cellule photovoltaïque. Comme illustré à la figure 1, la cellule solaire comporte une jonction photovoltaïque formée dans un substrat 1. Le substrat 1 est recouvert par un oxyde transparent conducteur 2. Des collecteurs de courant 3 sont ensuite formés par dépôt électrochimique au moyen d'un masque sacrificiel 4 en résine depuis les zones libres de l'oxyde transparent conducteur 2. Cette architecture présente certains avantages mais elle est relativement longue à mettre en oeuvre et elle présente des risques de mauvais rendement de fabrication. Objet de l'invention L'invention a pour objet une cellule photovoltaïque qui un bon rendement de conversion avec un procédé de fabrication rapide et fiable. Le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce qu'une couche 20 électriquement isolante est disposée sur la couche électriquement conductrice. L'invention a également pour objet un procédé de réalisation d'une cellule photovoltaïque qui soit robuste, facile à mettre en oeuvre et qui comporte un 25 nombre réduit d'étapes technologiques. Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comporte, sur un substrat de support : - la formation d'une couche transparente électriquement conductrice, 30 - la formation d'une couche transparente électriquement isolante,15 la structuration de la couche transparente électriquement isolante pour laisser libre une zone de la couche transparente électriquement conductrice, la formation d'un collecteur de courant par dépôt électrochimique depuis la zone de la couche transparente électriquement conductrice. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels : 15 - la figure 1 représente, de manière schématique, en coupe, une cellule photovoltaïque en cours d'élaboration selon l'art antérieur, - la figure 2 représente, de manière schématique, en coupe, une cellule photovoltaïque selon l'invention, 20 - les figures 3 et 4, représentent, de manière schématique, en coupe, des étapes de réalisation d'une cellule photovoltaïque suivant un procédé selon l'invention. 25 Description d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention Comme illustré à la figure 2, la cellule photovoltaïque comprend un substrat 1 de support qui est recouvert par une couche électriquement conductrice 2. La couche électriquement conductrice 2 est recouverte par une couche 30 électriquement isolante 5 et au moins un collecteur de courant 3. La couche électriquement isolante 5 comporte au moins une zone vide pour permettre la 10 connexion électrique entre le collecteur de courant 3 et la couche électriquement conductrice 2. Ainsi, la couche électriquement isolante 5 et le collecteur de courant sont disposés sur la couche électriquement conductrice 2. Le collecteur de courant 3 peut être disposé directement sur la couche électriquement conductrice 2 ou par l'intermédiaire d'un matériau électriquement conducteur 6. La couche électriquement isolante 5 permet de protéger la couche électriquement conductrice 2 de l'environnement extérieur. De cette manière, ~o la dégradation dans le temps de la cellule photovoltaïque est réduite, notamment liée au vieillissement de la couche électriquement conductrice. La jonction photovoltaïque de la cellule est disposée dans le substrat 1 de support. La jonction photovoltaïque est réalisée par toute jonction adaptée, 15 par exemple, par une jonction de type PIN formée dans un matériau cristallin (polycristallin ou monocristallin) ou par une jonction entre un matériau cristallin et un matériau amorphe. La jonction photovoltaïque est par exemple en silicium ou en tout autre matériau adapté, par exemple une jonction comme CdS/CdTe ou à bas de matériaux organique comme 20 PEDOTIPSS (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) poly(styrenesulfonate)). Le substrat de support est par exemple en silicium cristallin ou en tout autre matériau adapté. Dans une variante de réalisation privilégiée, le collecteur de courant 3 25 occupe au moins toute la zone vide associée de la couche électriquement isolante 5. Ainsi, le collecteur de courant 3 et la couche électriquement isolante 5 sont formés sur la couche électriquement conductrice 2 et de manière complémentaire de sorte que la couche électriquement conductrice 2 n'est pas en contact avec le milieu extérieur. Ainsi, il ne peut y avoir le 30 dépôt ou la stagnation d'un matériau parasite dans la zone vide de la couche électriquement isolante et non rebouchée par le collecteur de courant. La cuvette ainsi formée serait alors une zone privilégiée pour des réactions parasites comme par exemple pour la corrosion différentielle du collecteur de courant. De manière encore plus avantageuse, les dimensions de la zone libre et du collecteur associé sont identiques ou sensiblement identiques de manière à optimiser la surface de la cellule photovoltaïque. La surface ouverte dans la couche électriquement conductrice et recouverte par le collecteur de courant limite la quantité de courant qui peut être extrait par le collecteur de courant. ~o Il n'est donc pas utile d'avoir un collecteur de courant plus large dans sa partie supérieure et qui a pour effet de réduire la surface effective de collection du rayonnement lumineux. La couche électriquement conductrice 2 et la couche électriquement isolante 15 5 doivent être traversées par le rayonnement lumineux pour que la cellule photovoltaïque délivre du courant. L'ensemble formé par les couches électriquement isolante 5 et électriquement conductrice 2 ne doit donc pas empêcher le rayonnement lumineux d'atteindre la jonction photovoltaïque. La transmission effectif du rayonnement lumineux doit être la plus élevée 20 possible, de préférence supérieur ou égal à 80%. La couche électriquement isolante 5 et la couche électriquement conductrice 2 doivent séparément avoir des propriétés de transparence au rayonnement lumineux incidents, mais elles doivent surtout conserver ces propriétés lors de leur combinaison. Les couches électriquement isolante 5 et électriquement conductrice 2 sont 25 donc transparentes seules et en combinaison. Pour les couches électriquement isolante 5 et électriquement conductrice 2, le coefficient d'absorption doit être inférieur à 0,5 sur la majorité du spectre solaire (300-1200nm). 30 La couche électriquement conductrice 2 est typiquement un oxyde transparent conducteur. La couche électriquement conductrice 2 permet le 6 passage du courant depuis la jonction photovoltaïque vers le collecteur de courant 3 mais elle ne participe pas à l'effet photovoltaïque. La couche électriquement conductrice 2 est, par exemple, un oxyde d'indium-étain ou un oxyde de zinc dopé à l'aluminium. Dans une autre variante de réalisation qui peut être combinée aux précédentes, les deux couches 2 et 5 doivent former une couche antireflet afin de permettre un meilleur confinement du rayonnement lumineux dans la cellule photovoltaïque et ainsi un rendement de conversion amélioré. Pour obtenir le confinement recherché, l'indice de réfraction des différentes couches traversées par le rayonnement lumineux doit être croissant. Ainsi, il faut l'indice de réfraction de la couche électriquement isolante 5 soit inférieur à l'indice de la couche électriquement conductrice 2 qui doit avoir elle même un indice inférieur à celui du substrat. Dans la majorité des cas, les contraintes optiques de la cellule sont affectées à la couche électriquement isolante 5 car la couche électriquement conductrice 2 présente un très bon coefficient de transmission de la lumière. II faut cependant tenir compte de l'interaction optique entre les deux couches. De ce fait, la couche électriquement isolante 5 est réalisée dans un matériau qui présente un coefficient d'absorption k inférieur ou égal à 0,5. L'épaisseur de la couche électriquement isolante 5 dépend de son indice de réfraction et de la proportion de rayonnement lumineux qui doit arriver à la jonction photovoltaïque. Afin d'obtenir un bon effet antireflet, la couche électriquement isolante présente un indice de réfraction n compris entre 1,5 et 2,5 (pour une longueur d'onde égale à 630nm) pour un substrat en silicium en CdS/CdTe ou en matériau organique. Dans le cas où la couche électriquement conductrice 2 est un oxyde 30 transparent conducteur avec une épaisseur comprise entre 60 et 100nm, la couche électriquement isolante 5 est réalisée dans un matériau qui présente un coefficient d'absorption k inférieur ou égale à 0,5, un indice de réfraction n compris entre 1,5 et 2,5 (pour une longueur d'onde égale à 630nm) et l'épaisseur de la couche électriquement isolante est alors avantageusement comprise entre 10 et 100nm. Le matériau de la couche électriquement isolante 5 est, par exemple, un oxyde de silicium, un nitrure de silicium ou un matériau de type a-SiC :H stoechiométrique ou non. Le matériau de la couche électriquement isolante 5 peut également être un empilement ou un mélange de ces derniers matériaux. De manière préférentielle, si la couche électriquement isolante 5 est un matériau à base de silicium, comme des oxydes ou nitrures de silicium ou un matériau de type a-SiC :H, le matériau est non stoechiométrique et présente une plus forte concentration en atomes de silicium. Afin que la cellule photovoltaïque puisse être mise en oeuvre au moyen d'un procédé de réalisation robuste, facile à mettre en oeuvre et qui assure des cadences compatibles avec une réalisation industrielle, il est avantageux de former le collecteur de courant 3 par dépôt électrochimique. Cependant, ce mode de réalisation implique des contraintes supplémentaires au niveau de la structure à réaliser. Comme expliquée précédemment, la couche électriquement isolante 5 est structurée afin de présenter au moins une zone vide. Cette zone vide qui laisse libre une partie de la couche électriquement conductrice 2 est alors utilisée comme masque de croissance pour former le collecteur de courant 3 par dépôt électrochimique. L'épaisseur de la couche électriquement isolante 5 doit donc être suffisante pour obtenir une couche continue et suffisamment résistive. La couche électriquement isolante 5 est réalisée dans un matériau qui présente avantageusement une conductivité inférieure à 10-1° S.cm-1, afin de privilégier le dépôt électrolytique du matériau 3 localement dans les ouvertures. Cependant, comme la couche électriquement isolante est conservée dans la cellule photovoltaïque finale, elle ne doit pas être trop épaisse ni trop absorbante de manière na pas à limiter la quantité de rayonnement lumineux qui entre dans la cellule photovoltaïque. Il est donc nécessaire de trouver un compromis au niveau de la couche électriquement isolante 5 entre ses caractéristiques optiques et ses caractéristiques électriques. De manière préférentielle, si la couche électriquement isolante 5 est un matériau à base de silicium, comme des oxydes ou nitrures de silicium ou un matériau de type a-SiC :H, le matériau est non stoechiométrique et présente une plus forte concentration en atomes de silicium. II a été observé que ces matériaux riches en silicium montrent une absorption plus importante du rayonnement lumineux que les matériaux plus pauvres en silicium, mais les matériaux riches en silicium présentent des caractéristiques électriques plus favorables. Il est donc nécessaire de réduire l'épaisseur de matériau déposé afin de limiter l'absorption du rayonnement lumineux. Un tel matériau est typiquement obtenu au moyen d'un dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma. Avantageusement, le dépôt est réalisé à une température inférieure à 200°C afin d'obtenir des matériaux isolants qui sont moins denses et moins conducteurs de courant que ceux réalisés à de plus hautes températures. On peut également utiliser les techniques de dépôt de couches atomiques assistées ou non par plasma (ALD, PEALD). II est aussi possible de déposer des matériaux comme AI2O3, TIOX., le choix est réalisé selon la structure et les contraintes optiques présentes. Dans un mode de réalisation particulier, la cellule photovoltaïque est formée de la manière suivante. Comme illustré à la figure 3, le substrat 1 de support est recouvert par la couche électriquement conductrice 2. La couche 9 électriquement conductrice est déposée par toute technique adaptée, c'est par exemple une couche d'oxyde d'indium-étain ou une couche de type ZnO dopée déposée par pulvérisation. Cette couche électriquement conductrice 2 est recouverte par la couche électriquement isolante 5. La couche électriquement isolante 5 est, par exemple, une couche en nitrure de silicium déposée par dépôt chimique en phase vapeur assistée par plasma de 10nm d'épaisseur. Les conditions d'un tel dépôt sont par exemple, une fréquence de plasma de 13,56Mhz, une température de dépôt de 200°C, une puissance de plasma de 122mW.cm"2, une pression de travail de 1700mTorr, une distance entre les électrodes égale à 1 mm, un flux de silane égale à 648 sccm, un flux d'ammoniac égale à 5,2 sccm sans dilution avec de l'hydrogène. La couche électriquement isolante 5 est ensuite structurée afin de présenter au moins une zone vide qui laisse libre une portion de la couche électriquement conductrice 2 disposée en dessous. Comme illustré à la figure 4, une fois la ou les zones vides formées, le substrat 1 est soumis à une étape de dépôt électrochimique afin de former le ou les collecteurs de courant 3. Un collecteur de courant 3 ne croît qu'à partir d'une zone découverte de la couche électriquement conductrice. De manière classique, pour obtenir une croissance, la couche électriquement conductrice est soumise à une différence de potentiels selon les conditions opératoires du dépôt électrochimique. Dans les cas où la conductivité de la couche électriquement conductrice 2 n'est pas assez importante, il est avantageux de former une couche d'initiation 6 sur la portion libre de la couche électriquement conductrice 2 afin de favoriser la croissance lors du dépôt électrochimique. La couche d'initiation 6 est, par exemple en argent. Cette couche d'initiation 6 peut être déposée, par exemple, par sérigraphie ou jet d'encre. Cette couche d'initiation 6 peut être formée avant ou après le dépôt de la couche électriquement isolante 5, avantageusement avant le dépôt de la couche électriquement isolante pour que la couche électriquement isolante serve de masque lors de la croissance. La zone vide dans la couche électriquement isolante 5 peut être formée par toute technique adaptée, par exemple, au moyen d'une étape de photolithographie suivie d'une gravure ou par une étape de sérigraphie de pâte gravante ou au moyen d'une gravure par un rayonnement laser. A titre d'exemple, si la couche électriquement isolante 5 est une couche de nitrure de silicium, le rayonnement laser présente un courant de 23,5A, une fréquence de pulsation de 60kHz, une vitesse de faisceau égale à 3m.s-' et un recouvrement de 98% entre deux pulsations. Le laser utilisé est typiquement un laser de type YAG 1064nm. Il est également envisageable de former le collecteur de courant par d'autres techniques, par exemple par les techniques à décollement ou par photolithographie et gravure, une fois la couche électriquement isolante structurée.20 Revendications1. Cellule photovoltaïque comportant successivement un substrat (1) de support, une couche électriquement conductrice (2) et un collecteur de courant (3), cellule caractérisée en ce qu'une couche électriquement isolante (5) est disposée sur la couche électriquement conductrice (2). 2. Cellule photovoltaïque selon la revendication 1 caractérisée en ce que la couche électriquement isolante (5) et la couche électriquement conductrice (2) forment un empilement transparent au rayonnement lumineux. 3. Cellule photovoltaïque selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le collecteur de courant (3) et la couche électriquement isolante (5) sont disposées de manière complémentaire. 4. Cellule photovoltaïque selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la couche électriquement conductrice (2) est un oxyde transparent conducteur. 5. Cellule photovoltaïque selon la revendication 4, caractérisée en ce que la couche électriquement conductrice (2) est en oxyde d'indium-étain ou en oxyde de zinc dopé à l'aluminium. 6. Cellule photovoltaïque selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la couche électriquement isolante (5) présente un indice de réfraction compris entre 1,5 et 2,5 et une épaisseur comprise entre 10 et 100 nm. 11 30 7. Cellule photovoltaïque selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la couche isolante (5) présente une conductivité électrique inférieure à 10"10S.cm-1 8. Cellule photovoltaïque selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la couche électriquement isolante (5) est en oxyde de silicium, en nitrure de silicium, de type a-SiC :H ou un mélange ou un empilement d'oxyde de silicium et/ou de nitrure de silicium et/ou de a-SiC :H. 9. Procédé de réalisation d'une cellule photovoltaïque caractérisé en ce qu'il comporte, sur un substrat (1) de support : la formation d'une couche transparente électriquement conductrice (2), la formation d'une couche transparente électriquement isolante (5), la structuration de la couche transparente électriquement isolante (5) pour laisser libre une zone de la couche transparente électriquement conductrice (2), la formation d'un collecteur de courant (3) par dépôt électrochimique depuis la zone de la couche transparente électriquement conductrice (2). 10. Procédé selon la revendication 9 caractérisé en ce qu'il comporte une étape de formation d'une couche d'initiation (6) par sérigraphie ou par jet d'encre avant la formation du collecteur de courant. 11. Procédé selon l'une des revendications 9 et 10 caractérisé en ce que la couche transparente électriquement isolante (5) est déposée par dépôt chimique en phase vapeur assistée par plasma.30