Brevet FR2971086A1 — publié le 20120803

B10511 - DI 04050-01 1 STRUCTURE ADAPTÉE À LA FORMATION DE CELLULES SOLAIRES Domaine de l'invention La présente invention concerne une structure adaptée à la formation de cellules photovoltaïques, couramment appelées cellules solaires. Exposé de l'art antérieur De façon générale, les cellules solaires les plus couramment utilisées aujourd'hui sont des cellules comprenant une jonction PN formée dans du silicium. Pour la fabrication de cellules solaires, on est 10 notamment parti dans la technique de trois types de substrat : - des plaquettes de silicium monocristallin ; - des plaquettes de silicium polycristallin ; - des dépôts de silicium sur divers substrats. L'utilisation de plaquettes de silicium monocristallin 15 conduit aux meilleurs rendements (rendement expérimental maximum de 23%) mais conduit également à des produits extrêmement coûteux et de telles cellules ne sont pratiquement utilisées que quand des cellules de très haute qualité sont nécessaires, par exemple dans des satellites. 20 L'utilisation de plaquettes de silicium polycristallin conduit à un compromis plus avantageux entre le rendement des photocellules et le coût de production, mais exige d'utiliser B10511 - DI 04050-01 2 des installations complexes de fabrication de lingots de silicium polycristallin. Surtout, les différentes opérations de conditionnement des lingots (éboutage, écroutage) ainsi que le sciage des plaquettes conduisent à une perte de matière importante, de près de 50 % du poids du lingot et de plus de 50% de la charge initiale en silicium. Le dépôt d'une couche de silicium sur un substrat conducteur, par exemple métallique, constitue la solution la moins coûteuse mais, dans les techniques actuelles, cela amène à des dépôts de silicium amorphe ou microcristallisé. Or, une cellule solaire constituée à partir de silicium amorphe atteint un rendement de l'ordre de 5 % beaucoup plus faible que celui de silicium mono ou polycristallin. Dans le cas de silicium micro-cristallisé, le rendement est compris dans une gamme supérieure à celle du silicium amorphe mais limitée par un taux de défauts élevé par rapport au silicium cristallin. Ces défauts sont générés par une forte densité de joints de grains et par l'accumulation de défauts (dislocations, défauts ponctuels, impuretés,...) dans les grains eux-mêmes. Ainsi, les procédés courants de fabrication de substrats de cellules solaires présentent divers inconvénients en ce qui concerne le compromis coût-rendement. Plusieurs approches visant à palier ces défauts ont été proposées parmi lesquelles ont peut mentionner les trois suivantes. 1) Elaboration de silicium cristallin à basse température (T 3 préjudiciable au rendement de conversion, et limite la vitesse de croissance. 2) Dépôt de silicium cristallisé directement sur un substrat métallique cristallographiquement optimisé, tel que décrit dans la demande de brevet EP2031082A1. Cette solution présente l'avantage de transférer des caractéristiques cristallographiques au silicium élaboré sur le substrat métallique. La réactivité à l'interface entre le silicium et le substrat n'est pas bloquée, ce qui limite les procédés d'élaboration du silicium à des techniques de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) à basse température (T B10511 - DI 04050-01 Résumé Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir une structure comprenant une couche de silicium cristallin sur une feuille métallique pour la fabri- cation de cellules solaires à bas coût et à rendement de conversion photovoltaïque élevé (>15%). Un autre objet plus particulier de la présente invention est de prévoir une telle structure dans laquelle la feuille métallique puisse servir d'électrode pour les cellules solaires. Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, un mode de réalisation de la présente invention prévoit une structure adaptée à la formation de cellules solaires comprenant successivement une feuille d'un métal texturé à grains cristallins d'une dimension moyenne supérieure à 50 pm, adaptée à former une élec- trode de face arrière desdites cellules ; une couche barrière de diffusion d'une épaisseur de 0,2 à 2 pm en un matériau électriquement conducteur, présentant des grains cristallins d'une dimension moyenne supérieure à 50 pm ; et une couche de silicium multi-cristallin dopé d'une épaisseur de 30 à 100 pm présentant des grains cristallins d'une dimension moyenne supérieure à 50 à 100 pm, dans laquelle la longueur de diffusion des porteurs a une valeur moyenne supérieure à 50 pm. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la couche barrière est en un matériau choisi dans le groupe 25 comprenant TiN, TiAlN, TaN, CrN, TiB2, WSi2, LaB6. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la feuille de métal est une feuille en un matériau choisi dans le groupe comprenant un alliage métallique à base de fer, un alliage métallique à base de nickel, un alliage métallique à 30 base de cuivre, un acier austénitique, un acier ferritique. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la dimension moyenne des grains cristallins dans la feuille de métal est supérieure à 1 mm. Un mode de réalisation de la présente invention 35 prévoit une cellule solaire formée dans la couche de silicium de 4 B10511 - DI 04050-01 la structure ci-dessus, dans laquelle la feuille de métal constitue l'électrode de face arrière. Un mode de réalisation de la présente invention prévoit un procédé de fabrication d'une structure telle que ci- 5 dessus, dans lequel la couche barrière et la couche de silicium sont déposées successivement par dépôt chimique à des températures comprises entre 800 et 1000°C. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec la figure 1 ci-jointe. Description détaillée Comme l'illustre la figure 1, une structure adaptée à la formation de cellules solaires selon un mode de réalisation de la présente invention comprend sur un support métallique 1, une couche barrière électriquement conductrice 2 et une couche de silicium multi-cristallin dopé de préférence de type électroaccepteur (type P) 3. Le support 1 est une feuille métallique ayant une épaisseur suffisante pour assurer sa tenue mécanique, par exemple une épaisseur supérieure à 100 }gym. Cette feuille est constituée à partir d'un métal structuré, c'est-à-dire présentant des grains cristallins de relativement grande dimension, par exemple des grains cristallins dont la dimension moyenne est supérieure à 50 }gym, et peut atteindre des valeurs de l'ordre de 1 à 5 mm. Un exemple d'une telle feuille métallique est une feuille d'acier inoxydable, comprenant par exemple un pourcentage de chrome de l'ordre de 15 à 25 %. Un tel produit est couramment disponible commercialement. La face supérieure de cette feuille métallique est traitée de façon à être désoxydée en surface par exemple par un traitement par un ou plusieurs acides tel que l'acide fluorhydrique ou l'acide nitrique. Ensuite, cette surface supérieure est de préférence polie pour avoir une rugosité moyenne inférieure à 0,1 }gym. B10511 - DI 04050-01 6 La couche barrière 2 est en matériau choisi pour être électriquement conducteur (résistivité ou en fonc- tion des conditions de croissance afin de maximiser l'accord de paramètre de maille avec le matériau constitutif de la couche B10511 - DI 04050-01 7 barrière. Ceci peut se faire par des procédés classiques de dépôts CVD de silicium en ne dépassant toutefois pas une température de 1000°C et de préférence de 800 à 900°C pour rester compatible avec la présence du métal 1 qui, comme on l'a indiqué, est par exemple de l'acier. On constate ainsi que la texture de la couche de silicium 3 est bien une texture de silicium multi-cristallin présentant des grains du même ordre de dimension que les grains du support métallique 1. En figure 1, on a représenté une continuité des limites de grain entre le support métallique 1, la couche barrière 2 et la couche de silicium multi-cristallin 3. Le transfert de structure cristallographique permet d'obtenir des dimensions finales de grain de l'ordre de 50 à 100 }gym ou plus. Ces caractéristiques du silicium multi-cristallin lui permettent d'atteindre, une fois utilisé en cellule solaire, des rendements de conversion photovoltaïque supérieurs à 15 %. La méthode de dépôt proposée permet de réaliser un dopage in-situ, lors du dépôt de la couche de silicium, par exemple au bore. La couche de silicium est dopée. Un avantage de sa formation par dépôt CVD à une température de 800 à 1000°C est que la qualité cristallographique des grains obtenus est excellente, ce qui se caractérise par le fait que la longueur de diffusion des porteurs dans cette couche atteint une valeur moyenne supérieure à 50 }gym. On pourra ensuite, de façon classique former des cellules solaires dans la couche de silicium 3 par formation de zones dopées dans la surface supérieure de cette couche, et dépôt d'électrodes de face supérieure. La feuille métallique 1 est alors utilisée comme électrode de face arrière. La présente invention est susceptible de nombreuses variantes et modifications qui apparaitront à l'homme de l'art. En ce qui concerne le matériau de la couche barrière, on pourra choisir tout matériau présentant, en couche mince, des caractéristiques de conductivité électrique suffisantes et un paramètre de maille compatible avec une croissance de silicium B10511 - DI 04050-01 8 cristallin. On pourra notamment choisir l'un des matériaux suivants : TiN, TiAlN, TaN, CrN, TiB2, WSi2, LaB6. En ce qui concerne le matériau de la feuille de métal texturé, on pourra choisir tout matériau métallique conformable en feuille mince, et dont la structure cristalline présente un paramètre de maille compatible avec une croissance des couches barrière et de silicium cristallin. On pourra notamment choisir l'un des matériaux suivants : un alliage métallique à base de fer, un alliage métallique à base de nickel, un alliage métal- lique à base de cuivre, un acier austénitique, un acier ferritique. Le choix d'une couche tampon telle que susmentionnée permet d'élaborer par voie gazeuse à température élevée (T>800°C) directement sur un substrat électriquement conducteur une couche de silicium multi-cristallin dopé propice à l'obtention de rendements de conversion photovoltaïque élevés (>15%). Ce rendement résulte de l'élaboration d'un polycristal de silicium ayant à la fois une faible densité de joints de grains et de défauts structuraux, ce qui résulte de la formation de la couche de silicium à une température supérieure à 800°C. Cette couche pourra avoir une épaisseur comprise entre 30 et 100 On notera que la feuille de métal décrite ici a une triple fonction : - elle sert de support mécanique de la structure, elle transmet sa texturation cristallographique aux couches sus-jacentes, et - elle est destinée à constituer l'électrode de face arrière des cellules formées à partir de la structure. REVENDICATIONS1. Structure adaptée à la formation de cellules solaires comprenant successivement : une feuille (1) d'un métal texturé à grains cristal-lins d'une dimension moyenne supérieure à 50 }gym, adaptée à former une électrode de face arrière desdites cellules ; une couche barrière (2) de diffusion d'une épaisseur de 0,2 à 2 }gym en un matériau électriquement conducteur, présentant des grains cristallins d'une dimension moyenne supérieure à 50 }gym ; et une couche de silicium multi-cristallin dopé (3) d'une épaisseur de 30 à 100 }gym présentant des grains cristallins d'une dimension moyenne supérieure à 50 à 100 }gym, dans laquelle la longueur de diffusion des porteurs a une valeur moyenne supérieure à 50 }gym. 2. Structure selon la revendication 1, dans laquelle la couche barrière (2) est en un matériau choisi dans le groupe comprenant TiN, TiAlN, TaN, CrN, TiB2, WSi2, LaB6. 3. Structure selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la feuille de métal (1) est une feuille en un matériau choisi dans le groupe comprenant un alliage métallique à base de fer, un alliage métallique à base de nickel, un alliage métallique à base de cuivre, un acier austénitique, un acier ferritique. 4. Structure selon la revendication 1, dans laquelle 25 la dimension moyenne des grains cristallins dans la feuille de métal (1) est supérieure à 1 mm. 5. Cellule solaire formée dans la couche de silicium de la structure selon la revendication 1, dans laquelle la feuille de métal (1) constitue l'électrode de face arrière. 30 6. Procédé de fabrication d'une structure selon la revendication 1, dans lequel la couche barrière et la couche deB10511 - DI 04050-01 10 silicium sont déposées successivement par dépôt chimique à des températures comprises entre 800 et 1000°C.