Brevet FR3028668A1 — publié le 20160520

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE CELLULE PHOTOVOLTAÏQUE DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une cellule photovoltaïque et une cellule photovoltaïque obtenue par un tel procédé. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEUR En référence aux figures la à 1 f, les procédés de fabrication de cellules photovoltaïques de l'art antérieur comportent généralement : - Une étape 101 de dépôt d'une couche métallique arrière 2 sur un substrat 1 en verre. Cette couche métallique 2 est de préférence en molybdène ; - Une étape 102 de gravure d'une tranchée P1 dans la couche métallique arrière 2. La tranchée est gravée sur toute l'épaisseur de la couche métallique arrière; - Une étape 103 de dépôt d'une couche active 3 en alliage CIGS (c'est-à-dire en alliage Cu(ln,Ga)(Se,S)2) ; - Une étape 104 de gravure d'une tranchée P2 dans la couche active 3. La tranchée P2 est gravée sur toute l'épaisseur de la couche active 3, mais pas à travers l'épaisseur de la couche métallique arrière ; - Une étape de dépôt d'une couche en oxyde conducteur transparent 4 sur la couche active 2 ; - Une étape de gravure d'une tranchée P3 à travers la couche active 3 et la couche en oxyde conducteur transparent 4. Un tel procédé permet de fabriquer un module comportant plusieurs cellules photovoltaïques C1, C2, les cellules Cl et C2 étant séparées par la tranchée P1. On 25 dit alors que les cellules C1, C2 sont interconnectées selon un mode d'interconnexion en série « pl p2p3 ». Toutefois, ces techniques de dépôt de la couche active en CIGS par dépôt physique en phase vapeur ou par évaporation sont chères et compliquées à mettre en oeuvre, 3028668 2 notamment parce qu'elles nécessitent l'établissement d'un vide poussé pour permettre au flux de vapeur d'atteindre le substrat et pour éviter les impuretés. Pour résoudre ces problèmes, le document FR n°1452LE3 propose de déposer la couche de CIGS par électrodépôt sur une bande de molybdène. Pour cela, les deux 5 extrémités de la bande de molybdène sont connectées à une alimentation électrique de sorte qu'un courant électrique traverse la couche de molybdène. La bande de molybdène est ensuite immergée dans un bain de cuivre de façon à ce qu'une couche de cuivre se dépose par électrodéposition sur la bande de molybdène. Le même procédé est répété pour déposer les couches d'indium et de gallium de façon lo à former la couche de CIGS. L'ensemble est ensuite recuit de façon à former la couche de CIGS finale. Ce procédé est particulièrement avantageux puisqu'il est simple et peu couteux. Toutefois, lorsque la bande de molybdène sur laquelle on veut déposer la couche de CIGS présente une faible largeur, par exemple de l'ordre de 50 ou 100 microns, voir 15 même de l'ordre de quelques centimètres, et une grande longueur, par exemple supérieure à 10 cm, ce procédé ne permet pas d'obtenir un dépôt de CIGS uniforme sur l'ensemble de la bande de molybdène. En effet, le courant électrique appliqué entre les extrémités de la bande de molybdène circule mal à travers la bande lorsque celle-ci présente une faible largeur et une grande longueur. Par conséquent, le dépôt 20 de CIGS effectué sur une telle bande par électrolyse est généralement de mauvaise qualité, pas très uniforme, et parfois même il ne peut pas du tout être réalisé. Par conséquent, il est difficile de réaliser des cellules photovoltaïques de faible largeur et de grande longueur en déposant la couche de CIGS par électrodéposition. Les cellules photovoltaïques de faible largeur et de grande longueur présentent un autre inconvénient : elles présentent une résistance très élevée au niveau de leurs contacts face avant et au niveau de leurs contacts face arrière, ce qui dégrade fortement leur efficacité. En outre, dans le cas des cellules photovoltaïques étroites, il est difficile de poser des doigts de collecte sans créer trop d'ombrage. EXPOSE DE L'INVENTION 3028668 3 L'invention vise à remédier aux inconvénients de l'état de la technique en proposant un procédé de fabrication d'une cellule photovoltaïque qui soit simple, peu couteux, et qui permettent de réaliser des cellules photovoltaïques de bonne qualité, y compris lorsqu'elles présentent une faible largeur, par exemple de l'ordre de 50 à 5 100 microns, et une grande longueur, par exemple supérieure à 10 cm. Pour ce faire, l'invention propose de réaliser des trous à travers le substrat. Ces trous sont ensuite remplis d'un métal. Des pistes de connexion sont ensuite réalisées sur la face arrière du substrat de façon à permettre la connexion sélective de ces trous à une alimentation électrique. Sur la face avant du substrat, un motif métallique 10 est réalisé. Les trous remplis de métal permettent de connecter sélectivement les parties du motif métallique sur lesquelles on veut déposer une couche métallique par électrodéposition. Plus précisément, un premier aspect de l'invention concerne un procédé de fabrication d'une cellule photovoltaïque sur un substrat comportant une face avant et 15 une face arrière, le procédé comportant les étapes suivantes : - (a) réalisation de trous à travers le substrat, chaque trou présentant une extrémité avant débouchant sur la face avant du substrat et une extrémité arrière débouchant sur la face arrière du substrat ; - (b) remplissage des trous par un matériau conducteur électriquement ; 20 - (c) formation d'un motif métallique sur la face avant du substrat ; - (d) connexion d'au moins une partie des extrémités arrières des trous à une alimentation électrique ; - (e) immersion de la face avant du substrat dans au moins un premier bain d'électrolyse de façon à former par électrodépôt un motif en CIGS sur le motif 25 métallique. Le procédé permet donc de connecter à une alimentation électrique, de façon sélective, une partie du motif métallique déposé sur la face avant du substrat de façon à déposer par électrolyse un motif en CIGS sur la partie du motif métallique qui est reliée à l'alimentation électrique. Les parties du motif métallique qui ne sont pas reliées à l'alimentation électrique ne sont donc pas recouverte de la couche de CIGS. On choisit donc facilement les parties du motif métallique sur lesquelles la couche de 3028668 4 CIGS se dépose et celle sur laquelle la couche de CIGS ne se dépose pas. En outre, le fait de faire circuler le courant via des trous traversant le substrat permet d'obtenir un dépôt de CIGS uniforme sur l'ensemble du motif métallique, même lorsque celui-ci présente une grande longueur et une faible largeur. Les trous peuvent également 5 être réutilisés par la suite pour établir des contacts à travers le substrat. Le procédé peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-après prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles. Selon un mode de réalisation, les étapes (a) et (b) peuvent être réalisées avant l'étape (c). Ce mode de réalisation permet de ne pas endommager le motif lo métallique une fois qu'il est réalisé. Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux lorsque les trous sont creusés à travers le substrat grâce à un procédé de gravure difficile à contrôler, comme c'est par exemple le cas pour la gravure laser. Selon un autre mode de réalisation, l'étape (c) peut être réalisée avant les étapes (a) et (b). Ce mode de réalisation peut être privilégié lorsque les trous sont réalisés 15 grâce à un procédé facile de contrôler en épaisseur comme par exemple par gravure chimique. Selon différents modes de réalisation : - les trous peuvent être réalisés par gravure laser ; ou - les trous peuvent être réalisés par gravure chimique. zo Avantageusement, les trous présentent un diamètre compris entre 5 pm et 500 pm. Avantageusement, la distance entre deux trous consécutifs est comprise entre 5 mm et 20 mm. Avantageusement, l'étape de formation du motif métallique comporte les étapes suivantes : 25 - dépôt d'une couche métallique sur la face avant du substrat ; - gravure de la couche métallique de façon à former le motif métallique. En effet, le procédé est particulièrement avantageux lorsque le motif métallique présente une faible épaisseur. 3028668 5 Avantageusement, lors de l'étape (e), une couche est formée en immergeant la face avant (2) du substrat successivement dans : - un bain de cuivre ; - un bain d'indium ; 5 - un bain de gallium. Avantageusement, lors de l'étape (e), la couche formée est recuite sous atmosphère soufre et/ou sous atmosphère sélénium. Avantageusement, le procédé comporte en outre une étape de dépôt d'une couche en oxyde conducteur transparent sur le motif en CIGS. 10 BREVES DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description détaillée qui suit, en référence aux figures annexées, qui illustrent : - Les figures la à 1f, une représentation schématique des étapes d'un procédé 15 de fabrication d'une cellule photovoltaïque en couches minces de l'art antérieur ; - Les figures 2a à 2f, des vues en perspective d'un substrat pendant un procédé de fabrication selon un mode de réalisation de l'invention ; - Les figures 3a à 3f, des vues en coupe transversale suivant une ligne B-B du 20 substrat des figures 2a à 2f ; - Les figures 4a à 4d, des vues en perspective d'un autre substrat pendant un procédé de fabrication selon un mode de réalisation de l'invention ; - Les figures 5a à 5d, des vues en coupe longitudinale effectuées suivant une ligne A-A du substrat des figures 4a à 4d. 25 Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de références identiques sur l'ensemble des figures. DESCRIPTION DETAILLEE D'AU MOINS UN MODE DE REALISATION 3028668 6 Un procédé de fabrication d'une cellule photovoltaïque sur un substrat selon un premier mode de réalisation de l'invention va être décrit en référence aux figures 2a à 2f et 3a à 3f. En référence aux figures 2a et 3a, le substrat 1 comporte une première face, appelée 5 « face avant » 2, et une deuxième face, appelée « face arrière » 3. Le substrat peut par exemple être réalisé en verre. En référence aux figures 2b et 3b, le procédé comporte une première étape 101 au cours de laquelle des trous 4 sont creusés à travers le substrat 1. Chaque trou 4 traverse le substrat 1 de part en part. Chaque trou 4 comporte donc une première 10 extrémité 5, appelée « extrémité avant », qui débouche sur la face avant du substrat, et une deuxième extrémité, appelée « extrémité arrière 6 », qui débouche sur la face arrière du substrat. Chaque trou présente de préférence un diamètre compris entre 5 pm et 500 pm. La distance entre deux trous consécutifs est de préférence comprise entre 5 mm et 20 mm. Les trous peuvent être creusés en utilisant différentes 15 techniques comme par exemple la gravure laser ou la gravure chimique. Chaque trou est ensuite rempli par un matériau conducteur électriquement. Ce matériau est de préférence un métal. On peut par exemple choisir de remplir chaque trou avec du cuivre. En référence aux figures 2c-2d et 3c-3d, le procédé comporte ensuite une étape 102 20 de réalisation d'un motif métallique 7 sur la face avant 2 du substrat. Ce motif métallique 7 remplira la fonction de contact métallique arrière dans la future cellule photovoltaïque. Ce motif métallique 7 est de préférence réalisé en molybdène. Il peut comporter plusieurs portions séparées les unes des autres comme représenté sur les figures. Ainsi dans ce mode de réalisation, le motif métallique comporte une 25 partie principale 14 et une partie secondaire 15. Le motif métallique est de préférence réalisé en déposant une couche métallique 8 sur la face avant du substrat (figures 2c et 3c). La couche métallique 8 est ensuite gravée de façon à former le motif métallique 8. Alternativement, l'étape 102 de formation du motif métallique peut être réalisée avant 30 l'étape 101 de formation des trous dans le substrat. 3028668 7 En référence aux figures 2e et 3e, le procédé comporte ensuite une étape de connexion d'une partie des extrémités arrière 6 des trous à une alimentation électrique. Seules les extrémités arrière 6 des trous 4 situés sous des parties du motif métallique que l'on veut recouvrir d'une couche de CIGS par électrodéposition 5 sont connectées à une alimentation électrique 9. Par CIGS, on entend un alliage de cuivre, indium, gallium et sélénium. Ainsi, des pistes de connexion 12 sont réalisées sur la face arrière 3 du substrat de façon à pouvoir relier individuellement ou collectivement certains trous 4a à l'alimentation électrique 9. Dans ce mode de réalisation, seuls les trous 4a situés sous la partie principale 14 de chaque motif i.o métallique sont reliés à l'alimentation électrique. Les trous 4b situés sous la partie secondaire 15 de chaque motif métallique ne sont reliés à aucune alimentation électrique. Les trous 4a dont l'extrémité arrière 6 est reliée à l'alimentation électrique sont dits appartenir à une « première série de trous ». Les trous non reliés à l'alimentation électriques sont dits appartenir à une « deuxième série de trous » 4b. 15 Cette étape permet de faire passer un courant à travers des parties choisies du motif métallique, via la face arrière 3 du substrat. Le procédé comporte ensuite une étape d'immersion de la face avant 2 du substrat dans un bain d'électrolyse de façon à former un motif en CIGS 10 par électrodéposition sur les parties 14 du motif métallique qui sont reliées à 20 l'alimentation électrique via la première série de trous 4a. Pour cela, la face avant 2 du substrat est successivement immergée dans un bain de cuivre et/ou un bain d'indium, et/ou un bain de gallium. On recuit ensuite sous atmosphère soufre et/ou sélénium la couche déposée par électrodéposition. On obtient à l'issue de cette étape un motif en CIGS 10 déposée sur des parties choisies du motif métallique 7. 25 Ainsi, dans ce mode de réalisation, le motif en CIGS 10 s'est déposé sur la partie principale 14 de chaque motif métallique, tandis que la partie secondaire 15 de chaque motif métallique reste découverte. La partie secondaire 15 non recouverte et les trous 4b de la deuxième série de trous disposés sous cette partie serviront ensuite pour contacter l'oxyde conducteur transparent par la face arrière 3 du 30 substrat. Le procédé est particulièrement avantageux car il permet de sélectionner les parties 14 du motif métallique sur lesquelles on dépose le motif en CIGS par électrodéposition. En outre, même lorsque les parties 14 du motif métallique sur lesquelles on veut déposer le motif en CIGS par électrodéposition présentent une 3028668 8 faible largeur et une grande longueur, le courant circule bien à travers ces parties 14 grâce aux trous 4a situés sous ses parties et répartis sous chacune de ces parties, de sorte que le dépôt effectué par électrodéposition est uniforme et de bonne qualité. Le procédé comporte une étape 104 de dépôt d'une couche d'oxyde conducteur 5 transparent 11 sur les couches précédemment déposées. La couche en oxyde conducteur transparent peut par exemple être réalisée en ZnO. Elle peut par exemple être déposée par PVD, CVD ou encore par MOCVD voir par électrodéposition. La couche d'oxyde transparent conducteur se dépose à la fois sur le motif en CIGS et sur les parties du motif métallique non recouvertes par le motif en 10 CIGS. Dans ce mode de réalisation, la couche d'oxyde transparent conducteur se dépose donc à la fois sur le motif en CIGS 10 et sur la partie secondaire 15 de chaque motif métallique 7. La couche d'oxyde transparent conducteur 11 est donc reliée électriquement aux trous 4b de la deuxième série de trous par la partie secondaire 15 de chaque motif métallique. Les trous 4b de la deuxième série de 15 trous peuvent alors servir pour relier électriquement la couche d'oxyde conducteur 11 à un réseau électrique via la face arrière 3 du substrat, tandis que les trous 4a de la première série de trous permettent de relier la partie principale du motif métallique 7 à un réseau électrique via la face arrière 3 du substrat. Tous les contacts électriques de la cellule photovoltaïque peuvent donc être établis via la face arrière 3 du zo substrat. En outre, la cellule photovoltaïque ainsi réalisée présente une efficacité plus importante que celles de l'art antérieur même lorsqu'elle présente une faible largeur du fait de la présence des trous qui permettent de diminuer sa résistance au niveau des contacts sans utiliser de doigt de collecte. En effet, la cellule photovoltaïque peut 25 être reliée au réseau électrique via une multitude de contacts formés par les trous remplis de matériau conducteur électriquement de sorte que le contact électrique est réparti uniformément sur l'ensemble de la cellule photovoltaïque. Les figures 4a à 4d représentent un autre mode de réalisation dans lequel des trous 4 sont creusés lors d'une étape 101 à travers le substrat de façon à être alignés 30 comme représenté sur les figures 4a et 5a. 3028668 9 Comme précédemment, le procédé comporte une étape 102 de réalisation d'un motif métallique 7 sur la face avant 2 du substrat. Le motif métallique 7 forme une bande longitudinale qui s'étend au dessus des trous 4 (figures 4b et 5b). Le motif métallique 7 est percé par des ouvertures 13 pratiquées au dessus de certains trous 4b de 5 façon à les rendre accessibles depuis la face avant 2 du substrat. Comme précédemment, le motif métallique 7 est de préférence en molybdène et il est de préférence formé par dépôt d'une couche de molybdène sur la face avant du substrat, puis par gravure de cette couche de façon à former le motif voulu. Le procédé comporte ensuite une étape 103 de dépôt par électrodéposition d'un 10 motif en CIGS 10 sur des parties du motif métallique 7. Plus précisément, dans ce mode de réalisation, le motif en CIGS est déposé partout sauf au niveau des ouvertures 13 qui ont été réalisées dans le motif métallique 7. Pour cela, les trous 4b situés au niveau des ouvertures 13 ne sont pas reliés à une alimentation électrique, tandis que les autres trous 4a sont reliés à une alimentation électrique. Les trous 15 dont l'extrémité arrière est reliée à l'alimentation électrique sont dits appartenir à une « première série de trous » 4a. Les trous non reliés à l'alimentation électriques sont dits appartenir à une « deuxième série de trous » 4b. Cette étape permet de faire passer un courant à travers des parties choisies du motif métallique, via la face arrière substrat. 20 La face avant 2 du substrat est ensuite immergée dans des bains électrolyse successifs de cuivre et/ou d'indium, et/ou de gallium. On recuit ensuite sous atmosphère soufre et/ou sélénium la couche 10 déposée par électrodéposition. On obtient alors un motif en CIGS 10 déposée par électrodéposition sur l'ensemble du motif métallique 7, sauf au niveau des ouvertures 13 de sorte que les trous 4b de la 25 deuxième série de trous restent accessibles depuis la face avant du substrat. Le procédé comporte ensuite une étape 104 de dépôt d'un oxyde conducteur transparent 11 sur les couches précédemment déposées. La couche en oxyde conducteur transparent 11 peut par exemple être réalisée en ZnO. Elle peut par exemple être déposée par PVD, CVD ou encore par MOCVD voir par 30 électrodéposition. La couche en oxyde transparent conducteur 11 se dépose dans les ouvertures 13 de sorte qu'elle contacte les trous 4b de la deuxième série de trous sur lesquels le motif en CIGS n'avait pas été déposé. Les trous 4b de la deuxième 3028668 10 série de trous peuvent alors servir à relier la couche en oxyde transparent conducteur à un réseau électrique par la face arrière du substrat. Par ailleurs, les trous 4a de la première série de trous, au niveau desquels le motif en CIGS a été déposé, permettent eux de relier le motif métallique 7 à un réseau électrique, 5 également par la face arrière 3 du substrat. On obtient donc une cellule photovoltaïque dont tous les contacts électriques sont situés sur la face arrière 3 du substrat. Naturellement, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits en référence aux figures et des variantes pourraient être envisagées sans sortir du 1.13 cadre de l'invention. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une cellule photovoltaïque sur un substrat (1) comportant une face avant (2) et une face arrière (3), le procédé comportant les étapes suivantes : (a) réalisation de trous (4) à travers le substrat (1), chaque trou (4) présentant une extrémité avant (5) débouchant sur la face avant (2) du substrat (1) et une extrémité arrière (6) débouchant sur la face arrière (3) du substrat (1); (b) remplissage des trous (4) par un matériau conducteur électriquement ; (c) formation d'un motif métallique (7) sur la face avant (2) du substrat ; (d) connexion d'au moins une partie des extrémités arrières (6) des trous (4a) à une alimentation électrique (9) ; (e) immersion de la face avant (2) du substrat (1) dans au moins un premier bain d'électrolyse de façon à former par électrodépôt un motif en CIGS (10) sur le motif métallique (7). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les étapes (a) et (b) sont réalisées avant l'étape (c). 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape (c) est réalisée avant les étapes (a) et (b). 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les trous (4) sont réalisés par gravure laser. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les trous (4) sont réalisés par gravure chimique. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les trous présentent un diamètre compris entre 5 pm et 500 pm. 3028668 12 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la distance entre deux trous consécutifs est comprise entre 5 mm et 20 mm. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'étape de 5 formation du motif métallique (7) comporte les étapes suivantes : - dépôt d'une couche métallique sur la face avant du substrat ; - gravure de la couche métallique de façon à former le motif métallique. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel, lors de 10 l'étape (e), une couche est formée en immergeant la face avant (2) du substrat successivement dans : - un bain de cuivre ; - un bain d'indium ; - un bain de gallium. 15 10. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel, lors de l'étape (e), la couche formée est recuite sous atmosphère soufre et/ou sous atmosphère sélénium 20 11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, comportant en outre une étape de dépôt d'une couche en oxyde conducteur transparent (11) sur le motif en CIGS (10). 25