Brevet FR3035741A1 — publié le 20161104

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE CELLULE PHOTOVOLTAÏQUE La présente invention a trait à un procédé de fabrication d'une cellule photovoltaïque. Un premier procédé connu de l'état de la technique, comporte les étapes : a0) prévoir un substrat semi-conducteur réalisé dans un matériau à base de silicium cristallin dopé de type n, le substrat comportant une première surface et une seconde surface opposée, b0) implanter des atomes de bore à la première surface du substrat de manière à former une première zone semi-conductrice, la première zone semi- conductrice étant destinée à être en contact avec une électrode, c0) implanter des atomes de phosphore ou d'arsenic à la seconde surface du substrat de manière à former une deuxième zone semi-conductrice, la deuxième zone semi-conductrice étant destinée à être en contact avec une électrode, dO) appliquer un recuit thermique au substrat adapté pour activer thermiquement les atomes de bore et les atomes de phosphore ou d'arsenic. Les première et seconde surfaces du substrat peuvent être exposées à un rayonnement lumineux de manière à obtenir une cellule photovoltaïque de type bifaciale. Les atomes de bore présentent une température d'activation thermique supérieure à celle des atomes de phosphore ou d'arsenic, de l'ordre de 150°C. La température du recuit thermique est donc imposée par la température d'activation thermique des atomes de bore. L'exécution de l'étape dO) conduit à une diffusion intempestive des atomes de phosphore à travers le substrat, en raison de la température de recuit qui est trop importante relativement à leur température d'activation thermique. Les atomes de phosphore s'éloignent ainsi de la seconde surface du substrat et la zone de contact correspondante pour une électrode peut devenir inopérante. L'exécution de l'étape dO) conduit à une exo-diffusion des atomes d'arsenic 30 hors du substrat, avec comme conséquence une diminution de leur concentration surfacique, et la zone de contact correspondante pour une électrode peut devenir inopérante. 3035741 2 Afin de pallier les inconvénients précités, un deuxième procédé connu de l'état de la technique comporte les étapes successives : a01) prévoir un substrat semi-conducteur réalisé dans un matériau à base de silicium cristallin dopé de type n, le substrat comportant une première surface et 5 une seconde surface opposée, b01) implanter des atomes de bore à la première surface du substrat de manière à former une première zone semi-conductrice, la première zone semiconductrice étant destinée à être en contact avec une électrode, c01) appliquer un recuit thermique au substrat adapté pour activer 10 thermiquement les atomes de bore, d01) implanter des atomes de phosphore ou d'arsenic à la seconde surface du substrat de manière à former une deuxième zone semi-conductrice, la deuxième zone semi-conductrice étant destinée à être en contact avec une électrode, 15 e01) appliquer un recuit thermique au substrat adapté pour activer thermiquement les atomes de phosphore ou d'arsenic. Ainsi, un tel deuxième procédé de l'état de la technique permet d'appliquer les recuits thermiques lors d'étapes distinctes, et d'éviter par là-même une diffusion intempestive des atomes de phosphore à travers le substrat, ou une exo-diffusion 20 des atomes d'arsenic hors du substrat. La fabrication d'une cellule photovoltaïque se poursuit classiquement par la formation d'une première et d'une seconde couches diélectriques respectivement sur la première et la seconde surfaces du substrat afin de les passiver, les première et seconde couches diélectriques étant des couches d'oxyde thermique. 25 Or, ce deuxième procédé de l'état de la technique n'est pas entièrement satisfaisant dans la mesure où la vitesse de formation de la seconde couche diélectrique est supérieure à celle de la première couche diélectrique car la concentration surfacique des atomes de phosphore ou d'arsenic est classiquement supérieure à celle des atomes de bore. Il peut en résulter la formation d'une seconde couche diélectrique trop épaisse qui ne permet pas d'obtenir un contact électrique, par exemple par sérigraphie. 3035741 3 La présente invention vise à remédier en tout ou partie aux inconvénients précités, et concerne à cet effet un procédé de fabrication d'une cellule photovoltaïque, comportant les étapes : a) prévoir un substrat semi-conducteur réalisé dans un matériau à base de 5 silicium cristallin dopé de type n, le substrat comportant une première surface et une seconde surface opposée, al) former une première zone semi-conductrice destinée à être en contact avec une électrode, la première zone semi-conductrice étant formée par une implantation d'atomes de bore dans le substrat, le procédé étant remarquable en 10 ce qu'il comporte les étapes : b) former une couche diélectrique à la seconde surface du substrat, la couche diélectrique comportant des atomes de phosphore ou d'arsenic, et la couche diélectrique et le substrat formant une structure, c) appliquer un recuit thermique à la structure adapté pour : 15 - former une deuxième zone semi-conductrice destinée à être en contact avec une électrode, la deuxième zone semi-conductrice étant formée par une diffusion des atomes de phosphore ou d'arsenic dans le substrat depuis la couche diélectrique jusqu'à la seconde surface du substrat, - former une couche d'oxyde thermique, à base de dioxyde de silicium, à la 20 première surface du substrat. Ainsi, un tel procédé selon l'invention permet d'éviter la formation d'une couche diélectrique, de type oxyde thermique, trop épaisse sur la seconde surface du substrat grâce à la formation de la couche diélectrique sur la seconde 25 surface du substrat lors de l'étape b) avant la formation de la couche d'oxyde thermique lors de l'étape c). En outre, un tel procédé selon l'invention s'affranchit d'une diffusion intempestive des atomes de phosphore à travers le substrat ou d'une exodiffusion des atomes d'arsenic hors du substrat grâce à l'étape c). L'activation 30 thermique des atomes de bore s'effectue de préférence antérieurement, lors de l'étape a). 3035741 4 Par ailleurs, un tel procédé selon l'invention permet de réduire les coûts et le temps d'opération car l'étape c), à elle-seule, permet à la fois de former la deuxième zone semi-conductrice et de passiver la première surface du substrat. Par « cristallin », on entend la forme polycristalline ou la forme monocristalline 5 du silicium, excluant donc le silicium amorphe. Le dopage de type n du silicium permet d'améliorer le rendement de la cellule photovoltaïque. Selon un mode de mise en oeuvre, l'étape b) comporte une étape b1) consistant à former une couche diélectrique additionnelle, de préférence en 10 nitrure de silicium hydrogéné, sur la couche diélectrique, et le recuit thermique est appliqué lors de l'étape c) à la structure comportant la couche diélectrique additionnelle. Ainsi, une telle couche diélectrique additionnelle forme une barrière de diffusion aux atomes de phosphore ou d'arsenic vers le milieu extérieur, et 15 améliore la passivation de la seconde surface du substrat. La couche diélectrique additionnelle est avantageusement dépourvue d'atomes de phosphore ou d'arsenic. En outre, un tel matériau permet à la fois d'améliorer la passivation de la seconde surface du substrat et de former une couche optique dite antireflet de par 20 une épaisseur adaptée. La couche optique antireflet permet de réduire les pertes optiques liées aux réflexions du rayonnement lumineux, et donc d'optimiser l'absorption du rayonnement lumineux par le substrat. Selon une forme d'exécution, le recuit est appliqué lors de l'étape c) sous une 25 atmosphère oxydante, et ledit recuit présente de préférence une valeur de température de recuit comprise entre 850°C et 950°C et une valeur de durée de recuit comprise entre 5 minutes et 1 heure. Ainsi, un tel budget thermique permet de diffuser les atomes de phosphore ou d'arsenic à la seconde surface du substrat. La température de recuit conditionne 30 principalement la concentration de surface des atomes de phosphore ou d'arsenic tandis que la durée de recuit conditionne principalement la longueur de diffusion thermique desdits atomes. 3035741 5 L'atmosphère oxydante permet la formation de la couche d'oxyde thermique à la première surface du substrat. L'étape c) se déroule de manière continue ; la formation de la deuxième zone semi-conductrice et la formation de la couche d'oxyde thermique sont 5 concomitantes. Par « budget thermique », on entend le choix d'une valeur de température de recuit et le choix d'une valeur de durée de recuit. Selon une variante d'exécution, l'étape c) comporte les étapes : 10 cl) appliquer le recuit thermique selon un premier budget thermique adapté pour diffuser les atomes de phosphore ou d'arsenic de manière à former la deuxième zone semi-conductrice, le premier budget thermique présentant de préférence une valeur de température de recuit comprise entre 850°C et 950°C et une valeur de durée de recuit comprise entre 5 minutes et 1 heure, 15 c2) appliquer le recuit thermique sous une atmosphère oxydante selon un deuxième budget thermique adapté pour former la couche d'oxyde thermique, le deuxième budget thermique présentant de préférence une valeur de température de recuit comprise entre 700°C et 800°C et une valeur de durée de recuit comprise entre 5 minutes et 1 heure. 20 Ainsi, la formation de la deuxième zone semi-conductrice et la formation de la couche d'oxyde thermique sont successives, et peuvent être interverties. L'étape cl) est avantageusement exécutée avant l'étape c2). D'une part, un tel premier budget thermique permet de diffuser les atomes de phosphore ou d'arsenic à la seconde surface du substrat. La température de 25 recuit conditionne principalement la concentration de surface des atomes de phosphore ou d'arsenic tandis que la durée de recuit conditionne principalement la longueur de diffusion thermique desdits atomes. D'autre part, un tel deuxième budget thermique permet une oxydation thermique de la première surface du substrat, le substrat étant réalisé dans un 30 matériau à base de silicium cristallin. 3035741 6 Selon une forme d'exécution, la couche diélectrique formée lors de l'étape b) est à base d'un oxynitrure de silicium SiOxNy vérifiant 0 0,50 , de préférence 0,50 0,50 , de préférence 0,50 0,50, de préférence 0,50 REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'une cellule photovoltaïque, comportant les étapes : a) prévoir un substrat (1) semi-conducteur réalisé dans un matériau à base de silicium cristallin dopé de type n, le substrat (1) comportant une première surface (10) et une seconde surface (11) opposée, al) former une première zone semi-conductrice (100) destinée à être en contact avec une électrode (E), la première zone semi-conductrice (100) étant formée par une implantation d'atomes de bore dans le substrat (1), le procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte les étapes : b) former une couche diélectrique (2) à la seconde surface (11) du substrat (1), la couche diélectrique (2) comportant des atomes de phosphore ou d'arsenic, et la couche diélectrique (2) et le substrat (1) formant une structure (1, 2), c) appliquer un recuit thermique à la structure (1, 2) adapté pour : - former une deuxième zone semi-conductrice (110) destinée à être en contact avec une électrode (E), la deuxième zone semi-conductrice (110) étant formée par une diffusion des atomes de phosphore ou d'arsenic dans le substrat (1) depuis la couche diélectrique (2) jusqu'à la seconde surface (11) du substrat (1), - former une couche d'oxyde (3) thermique, à base de dioxyde silicium, à la première surface (10) du substrat (1). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape b) comporte une étape bl) consistant à former une couche diélectrique additionnelle (4), de préférence en nitrure de silicium hydrogéné, sur la couche diélectrique (2), et en ce que le recuit thermique est appliqué lors de l'étape c) à la structure (1, 2, 4) comportant la couche diélectrique additionnelle (4). 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le recuit est appliqué lors de l'étape c) sous une atmosphère oxydante, et en ce que ledit recuit présente de préférence une valeur de température de recuit comprise entre 850°C et 950°C et une valeur de durée de recuit comprise entre 5 minutes et 1 heure. 3035741 26 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'étape c) comporte les étapes : cl) appliquer le recuit thermique selon un premier budget thermique adapté pour diffuser les atomes de phosphore ou d'arsenic de manière à former la deuxième 5 zone semi-conductrice (110), le premier budget thermique présentant de préférence une valeur de température de recuit comprise entre 850°C et 950°C et une valeur de durée de recuit comprise entre 5 minutes et 1 heure, c2) appliquer le recuit thermique sous une atmosphère oxydante et selon un deuxième budget thermique adapté pour former la couche d'oxyde (3) thermique, 10 le deuxième budget thermique présentant de préférence une valeur de température de recuit comprise entre 700°C et 800°C et une valeur de durée de recuit comprise entre 5 minutes et 1 heure. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la couche 15 diélectrique (2) formée lors de l'étape b) est à base d'un oxynitrure de silicium SiOXNY vérifiant 0 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'oxynitrure de silicium SiOXNY vérifie 0 7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que l'oxynitrure de silicium SiOXNY vérifie 0,30 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la couche 25 diélectrique (2) formée lors de l'étape b) est à base de carbure de silicium. 9. Procédé selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que les atomes de phosphore ou d'arsenic dans la couche diélectrique (2) formée lors de l'étape b) présentent une proportion atomique comprise entre 1% et 10%, et en ce que 30 les atomes de phosphore ou d'arsenic dans la couche diélectrique (2) après l'étape c) présentent une proportion atomique comprise entre 1% et 10%, et de préférence comprise entre 1% et 5%. 3035741 27 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le recuit thermique appliqué lors de l'étape c) est adapté pour activer thermiquement les atomes de bore de la première zone semi-conductrice (100) implantés lors de 5 l'étape al). 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'étape a) comporte une étape a2) consistant à appliquer un recuit thermique au substrat (1) selon un budget thermique adapté pour activer thermiquement les atomes de bore 10 de la première zone semi-conductrice (100), l'étape a2) étant exécutée avant l'étape b), le recuit thermique appliqué lors de l'étape a2) présentant de préférence une valeur de température de recuit comprise entre 1000°C et 1100°C et une valeur de durée de recuit supérieure à 1 minute. 15 12. Procédé de fabrication d'une cellule photovoltaïque, comportant les étapes : a) prévoir un substrat (1) semi-conducteur réalisé dans un matériau à base de silicium cristallin dopé de type p, le substrat (1) comportant une première surface (10) et une seconde surface (11) opposée, al) former une première zone semi-conductrice (100) destinée à être en contact 20 avec une électrode (E), la première zone semi-conductrice (100) étant formée par une implantation d'atomes de phosphore ou d'arsenic dans le substrat (1), le procédé étant caractérisé en ce qu'il comporte les étapes : b) former une couche diélectrique (2) à la seconde surface (11) du substrat (1), la couche diélectrique (2) comportant des atomes de bore, et la couche diélectrique 25 (2) et le substrat (1) formant une structure (1, 2), c) appliquer un recuit thermique à la structure (1, 2) adapté pour : - former une deuxième zone semi-conductrice (110) destinée à être en contact avec une électrode (E), la deuxième zone semi-conductrice (110) étant formée par une diffusion des atomes de bore dans le substrat (1) depuis la couche 30 diélectrique (2) jusqu'à la seconde surface (11) du substrat (1), - former une couche d'oxyde (3) thermique, à base de dioxyde de silicium, à la première surface (10) du substrat (1). 3035741 28 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte une étape b1) consistant à former une couche diélectrique additionnelle (4), de préférence en nitrure de silicium hydrogéné, sur la couche diélectrique (2), et en ce que l'étape b1) est exécutée de préférence après l'étape c). 5 14. Procédé selon la revendication 12 ou 13, caractérisé en ce que le recuit est appliqué lors de l'étape c) sous une atmosphère oxydante, et en ce que ledit recuit présente de préférence une valeur de température de recuit comprise entre 900°C et 950°C et une valeur de durée de recuit comprise entre 5 minutes et 1 10 heure. 15. Procédé selon l'une des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que la couche diélectrique (2) formée lors de l'étape b) est à base d'un oxynitrure de silicium SiOXNY vérifiant 0 16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que l'oxynitrure de silicium SiOXNY vérifie x > 0,50, de préférence 0,50 17. Procédé selon la revendication 15 ou 16, caractérisé en ce que l'oxynitrure de 20 silicium SiOXNY vérifie 0 18. Procédé selon l'une des revendications 12 à 14, caractérisé en ce que la couche diélectrique (2) formée lors de l'étape b) est à base d'un carbure de 25 silicium. 19. Procédé selon l'une des revendications 15 à 17, caractérisé en ce que les atomes de bore dans la couche diélectrique (2) formée lors de l'étape b) présentent une proportion atomique comprise entre 10% et 50%, de préférence 30 comprise entre 10% et 30%, et en ce que les atomes de bore dans la couche diélectrique (2) après l'étape c) présentent une proportion atomique comprise entre 1% et 10%, de préférence comprise entre 3% et 8%. 3035741 29 20. Procédé selon l'une des revendications 1 à 19, caractérisé en ce que la première zone semi-conductrice (100) est formée à la première surface (10) du substrat (1) lors de l'étape a). 5 21. Procédé selon l'une des revendications 1 à 20, caractérisé en ce que la première zone semi-conductrice (100) est formée à la seconde surface (11) du substrat (1) lors de l'étape a) de manière à former un premier caisson, et en ce que la couche diélectrique (2) formée lors de l'étape b) est agencée de sorte que 10 la deuxième zone semi-conductrice (110) formée lors de l'étape c) forme un deuxième caisson espacé relativement au premier caisson. 22. Cellule photovoltaïque susceptible d'être obtenue par un procédé selon l'une des revendications 1 à 21. 15 23. Cellule photovoltaïque comportant : - un substrat (1) d'un matériau semi-conducteur à base de silicium cristallin dopé de type n, le substrat (1) comportant une première surface (10) et une seconde surface (11) opposée ; 20 - des première et deuxième zones semi-conductrices (100, 110) s'étendant respectivement sous la première surface (10) et sous la seconde surface (11) du substrat (1), la première zone semi-conductrice (100) comportant des atomes de bore, la deuxième zone semi-conductrice (110) comportant des atomes de phosphore ou d'arsenic ; 25 - une première couche (2) d'un matériau diélectrique formée à la seconde surface (11) du substrat (1), le matériau diélectrique étant à base d'un oxynitrure de silicium SiOXNY vérifiant 0 24. Cellule photovoltaïque selon la revendication 23, caractérisée en ce que l'oxynitrure de silicium SiOXNY vérifie 0 25. Cellule photovoltaïque selon la revendication 23 ou 24, caractérisée en ce que 5 l'oxynitrure de silicium SiOXNY vérifie 0,30 26. Cellule photovoltaïque selon l'une des revendications 23 à 25, caractérisée en ce que les atomes de phosphore ou d'arsenic présentent une proportion atomique dans le matériau diélectrique comprise entre 1% et 10%, de préférence comprise 10 entre 1% et 5%. 27. Cellule photovoltaïque comportant : - un substrat (1) d'un matériau semi-conducteur à base de silicium cristallin dopé de type p, le substrat (1) comportant une première surface (10) et une seconde 15 surface (11) opposée ; - des première et deuxième zones semi-conductrices (100, 110) s'étendant respectivement sous la première surface (10) et sous la seconde surface (11) du substrat (1), la première zone semi-conductrice (100) comportant des atomes de phosphore ou d'arsenic, la deuxième zone semi-conductrice (110) comportant 20 des atomes de bore ; - une première couche (2) d'un matériau diélectrique formée à la seconde surface (11) du substrat (1), le matériau diélectrique étant à base d'un oxynitrure de silicium SiOXNY vérifiant 0 28. Cellule photovoltaïque selon la revendication 27, caractérisée en ce que l'oxynitrure de silicium SiOXNY vérifie x > 0,50, de préférence 0,50 29. Cellule photovoltaïque selon la revendication 27 ou 28, caractérisée en ce que l'oxynitrure de silicium SiOXNY vérifie 0 30. Cellule photovoltaïque selon l'une des revendications 27 à 29, caractérisée en ce que les atomes de bore présentent une proportion atomique dans le matériau diélectrique comprise entre 1% et 10%, de préférence comprise entre 3% et 8%. 5 31. Cellule photovoltaïque selon l'une des revendications 23 à 30, caractérisée en ce qu'elle comporte une seconde couche (4) d'un matériau diélectrique formée sur la première couche (2) et, de préférence, sur la couche d'oxyde (3) thermique, le matériau diélectrique de la seconde couche (4) étant à base d'un oxynitrure de 10 silicium SiOXNY vérifiant 0 32. Cellule photovoltaïque selon l'une des revendications 23 à 31, caractérisée en ce que la première couche (2) présente une épaisseur comprise entre 3 nm et 15 100 nm.