Brevet FR3079967A1 — publié le 20191011

ASSEMBLAGE AUTOMATISE ET MONTAGE DE CELLULES SOLAIRES SUR PANNEAUX SPATIAUX ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION [01] 1. Domaine de l'invention 1021 La présente invention concerne le domaine des réseaux solaires photovoltaïques, et plus particulièrement les processus de fabrication utilisant par exemple, des cellules solaires multijonctions à base de composés semi-conducteurs de type III-V préparées sous forme d'assemblages interconnectés de type cellule-interconnexion-verre de couverture (Cell-Interconnect-Cover Glass (CIC)) et montées sur un support ou substrat par des processus automatisés. [3] 2. Description de la technique apparentée [4] L'énergie solaire dérivée de cellules photovoltaïques, également dites cellules solaires, a été fournie essentiellement par la technologie des semi-conducteurs à base de silicium. Au cours des quelques dernières années, cependant, la fabrication à grande échelle de cellules solaires multijonctions à semi-conducteur de type composé III-V pour les applications spatiales a accéléré le développement de cette technologie, non seulement pour une utilisation dans l'espace, mais également pour des applications terrestres d'énergie solaire. Par comparaison au silicium, les dispositifs multijonctions à semi-conducteur de type composé III-V présentent de plus grandes efficacités de conversion énergétique et de manière générale, plus de résistance au rayonnement, bien qu'ils tendent à être de fabrication plus complexe. Des cellules solaires multij onctions à semi-conducteur de type composé III-V typiques commerciales ont une efficacité énergétique qui dépasse 27% sous une illumination solaire à masse atmosphérique 0 (AMO), alors que les technologies au silicium les plus efficaces n'atteignent généralement qu'environ 18% d'efficacité dans des conditions comparables. Sous une forte concentration solaire (par exemple, 500X), les cellules solaires multijonctions à semi-conducteur de type composé III-V disponibles dans le commerce dans les applications terrestres (à AM1,5D) ont des efficacités énergétiques qui dépassent 37%. La plus grande efficacité de conversion des cellules solaires à semi-conducteur de type P0760/FR Solce104 Docket D004 FR (423.01390101) 2 composé III-V par comparaison aux cellules solaires au silicium est basée en partie sur l'aptitude à atteindre un clivage spectral du rayonnement incident par l'utilisation d'une série de régions photovoltaïques avec différentes énergies de bande interdite, et l'accumulation du courant de chacun des régions. [5] Dans les satellites et autres applications spatiales, la taille, la masse et les coûts d'un système énergétique d'un satellite dépendent de la puissance et de l'efficacité de conversion énergétique des cellules solaires utilisées. En d'autres termes, la taille de la charge utile et la disponibilité des services embarqués sont proportionnelles à la quantité d'énergie fournie. Ainsi, lorsque la charge utile devient plus sophistiquée, le rapport puissance à poids d'une cellule solaire devient de plus en plus important, et il existe un intérêt croissant en un poids plus faible, les cellules solaires de type « film fin » ayant à la fois une grande efficacité et une faible masse. [6] Les applications spatiales utilisent fréquemment des cellules solaires très efficaces, notamment des cellules solaires multijonctions à base de semi-conducteurs de type composé III-V. Les cellules solaires à semi-conducteur de type composé III-V typiques sont fabriquées sur une galette semi-conductrice en structures multij onctions, à la verticale. Les cellules solaires individuelles ou galettes sont alors disposées en réseaux horizontaux, les cellules solaires individuelles étant connectées les unes aux autres dans un circuit électrique en série et/ou en parallèle. La forme et la structure d'un réseau, ainsi que le nombre de cellules qu'il contient, sont déterminées en partie par la tension et le courant de sortie souhaités. [7] Les panneaux solaires spatiaux classiques sont actuellement composés le plus souvent d'un agencement relativement dense de grandes cellules solaires formées de dispositifs à semi-conducteur de type composé III-V, montés sur un panneau rigide de support et fonctionnant sans lentilles pour la concentration optique de la lumière solaire. Un panneau de réseaux solaires spatial classique peut comprendre un support, des cellules solaires spatiales disposées sur le support, des composants d'interconnexion pour connecter les cellules solaires et des diodes de dérivation également connectées aux cellules solaires. [8] Les panneaux solaires sont formés de manière générale, par combinaison d'un grand nombre de cellules solaires sur un réseau. Les cellules solaires individuelles, fréquemment de forme rectangulaire ou carrée et parfois avec des coins coupés, sont P0760/FR Solce104 Docket D004 FR (423.01390101) 3 connectées en série pour former une bande de cellules solaires, où le nombre de cellules solaires utilisées dans la bande détermine la tension de sortie. Les cellules solaires ou bandes de cellules solaires peuvent également être interconnectés en parallèle de manière à augmenter le courant de sortie. Dans le domaine des applications spatiales, les cellules solaires individuelles sont munies d'interconnexions et d'un verre de couverture de manière à former lesdits assemblages CIC (cellule-interconnexion-verre de couverture), qui sont alors combinés pour former un réseau. Classiquement, ces grandes cellules solaires ont été montées sur un support et interconnectées à l'aide d'une importante quantité de travail manuel. Par exemple, les premiers CIC individuels sont produits avec chaque interconnexion individuellement soudée à chaque cellule et chaque verre de couverture monté individuellement. Ensuite, ces CIC sont connectés en série pour former des bandes, généralement de manière substantiellement manuelle, comprenant des étapes de soudage ou brasage. Ensuite, ces bandes sont appliquées sur un panneau ou substrat et interconnectées, dans un processus qui comprend l'application d'un adhésif, la pose des fils et d'autres étapes d'assemblage. [9] Un agencement compact des grandes cellules solaires sur le panneau de réseaux solaires spatial est un défi à cause de l'exigence de l'interconnexion des cellules solaires pour former un circuit en série et pour mettre en oeuvre et interconnecter les diodes de dérivation. Un défi supplémentaire peut résider parfois dans la nécessité d'interconnecter en parallèle une série de bandes de cellules solaires connectées en série. Tout ceci a été réalisé usuellement de manière manuelle et qui prend beaucoup de temps. [10] Il existe un besoin continu en des procédés améliorés de fabrication et d'assemblage de réseaux solaires photovoltaïques, qui peuvent résulter en des diminutions de coûts et/ou des augmentations de performance. RESUME DE L'INVENTION [11] 1. Objets de l'invention [12] Un objet de la présente invention consiste en un procédé automatisé pour la production de panneaux de cellules solaires pour applications spatiales. P0760/FR Solce104 Docket D004 FR (423.01390101) 4 [13] Un autre objet de la présente invention consiste en un outil d'assemblage automatisé pour la production de panneaux de cellules solaires pour applications spatiales. [14] Un objet de l'invention consiste en une cassette d'alimentation comprenant une série d'assemblages de cellules solaires connectés en série, qui peut être utilisée dans un processus automatisé de formation d'un réseau solaire par placement automatique et adhésion desdits assemblages de cellules solaires sur le support. [15] Un autre objet de l'invention consiste en un procédé de fabrication d'un panneau à cellules solaires. [16] Un autre objet de l'invention consiste en une structure et un procédé d'assemblage, qui facilite l'automatisation d'au moins certaines étapes du processus de fabrication d'assemblages de cellules solaires ou de CIC et de panneaux de CIC interconnectés. [17] Certaines mises en oeuvre de la présente invention peuvent comprendre ou utiliser quelques uns des aspects et caractéristiques mentionnés dans les objets précédents. [18] 2. Caractéristiques de l'invention [19] Brièvement et en termes généraux, la présente invention concerne un procédé de fabrication d'un panneau à cellules solaires selon un processus automatisé. Par exemple, on décrit par la présente un procédé de fabrication de réseau de cellules solaires multij onctions, comprenant une ou plusieurs des étapes de : fabrication d'une galette en utilisant un réacteur de dépôt chimique en phase vapeur à partir de précurseurs métallo-organiques (MOCVD) ; métallisation de la face arrière de la galette, création d'un motif par lithographie et dépôt de métal sur la face avant de la galette ; formation d'un mesa sur la face avant de la galette par lithographie et gravure ; dépôt d'un revêtement antireflet (RAR) sur la galette ; découpe d'une ou plusieurs cellules solaires à partir de la galette ; test de la fonctionnalité de la ou des cellules solaires ; fixation des interconnexions à la ou les cellules solaires ; fixation d'un verre de couverture sur chaque cellule solaire afin de former un cellule-interconnexion-verre de couverture (CIC) ; formation d'une configuration en bande de CIC; interconnexion des configurations en bande de CIC; lien des configurations en bande ou des configurations en bande interconnectées sur un substrat ; configuration et câblage du circuit de panneau ; configuration d'une diode de blocage ; câblage d'une première borne et d'une deuxième P0760/FR Solce104 Docket D004 FR (423.01390101) borne de première et deuxième polarités, respectivement, pour le panneau à cellules solaires ; et test de la fonctionnalité du panneau à cellules solaires ; où au moins une des étapes du procédé est réalisée par un processus automatisé. [20] Dans certaines formes de réalisation, les cellules solaires sont des cellules solaires multij onctions à base de semi-conducteurs de type composé III-V et la fabrication de la galette comprend : la mise à disposition d'un système de dépôt chimique en phase vapeur à partir de précurseurs métallo-organiques (MOCVD), configuré pour contrôler indépendamment, le débit des gaz source pour le gallium, l'indium-aluminium et l'arsenic ; la sélection d'une durée et d'une température de réaction ainsi qu'un débit pour chaque gaz source afin de former l'intercouche à gradation continue disposée sur la sous-cellule du bas, où le gaz source pour l'indium est le triméthyl-indium (InMe3), le gaz source pour le gallium est le triméthyl-gallium (GaMe3), le gaz source pour l'arsenic est l'arsine (AsH3), et le gaz source pour l'aluminium est le triméthyl-aluminium (Al2Me6). - [21] Dans d'autres formes de réalisation, la fabrication d'une galette comprend : la mise à disposition d'un premier substrat ; le dépôt sur le premier substrat, d'une série de couches de matériau semi-conducteur pour former au moins une première, une deuxième et une troisième cellule solaire ; la formation d'une intercouche de gradation sur lesdites première, deuxième et/ou troisième cellules solaires ; le dépôt sur ladite intercouche de gradation, d'une deuxième série de couches de matériau semi-conducteur pour former une quatrième cellule solaire, le réseau de la quatrième cellule solaire étant décalé par rapport à la troisième cellule solaire ; le montage et l'application d'un substitut de substrat sur le haut de la série de couches, et l'enlèvement du premier substrat, où la formation de l'intercouche de gradation comprend : le prélèvement d'une intercouche composée de InGaAlAs en utilisant un programme d'ordinateur pour identifier une série de compositions de la formule (InxGai_x)yAli_yAs définie par des valeurs spécifiques de x et de y, où 0 REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un panneau à cellules solaires multijonctions, comprenant une ou plusieurs des étapes de : mise à disposition d'une galette en utilisant un réacteur de dépôt chimique en phase vapeur à partir de précurseurs métallo-organiques (MOCVD) ; fixation des interconnexions (962, 972) à la ou les cellules solaires (900) ; fixation d'un verre de couverture (980) sur chaque cellule solaire afin de former un cellule-interconnexion-verre de couverture (CIC) ; formation d'une configuration en bande de CIC ; interconnexion des configurations en bande de CIC ; lien des configurations en bande ou des configurations en bande interconnectées sur un substrat (912); configuration et câblage du circuit de panneau ; configuration d'une diode de blocage ; câblage d'une première borne et d'une deuxième borne de première et deuxième polarités, respectivement, pour le panneau à cellules solaires ; et test de la fonctionnalité du panneau à cellules solaires ; où au moins une des étapes du procédé est réalisée par un processus automatisé. 2. Procédé selon la revendication 1, où le procédé comprend une ou plusieurs des étapes suivantes, réalisées notamment en utilisant un processus automatisé : métallisation de la face arrière de la galette ; création d'un motif par lithographie et dépôt de métal sur la face avant de la galette ; formation d'un mesa sur la face avant de la galette par lithographie et gravure ; dépôt d'un revêtement antireflet (RAR) sur la galette ; découpe d'une ou plusieurs cellules solaires (900) dans la galette ; test de la fonctionnalité de la ou des cellules solaires (900). 3. Procédé de fabrication d'un panneau de cellules solaires multijonctions sur un support en utilisant un ou plusieurs processus automatisés, le procédé comprenant : la mise à disposition d'une première cellule solaire multijonction comprenant une première pastille de contact et d'une deuxième pastille de contact, disposées de manière P0760/FR Solce104 Docket D004 FR (423.01390101) 24 adjacente sur la surface supérieure de la cellule solaire multijonction le long d'un premier bord périphérique de celle-ci ; la fixation d'une première interconnexion électrique à la première pastille de contact de ladite première cellule solaire multijonction ; la fixation d'une deuxième interconnexion électrique à la deuxième pastille de contact de la première cellule solaire multij onction ; le positionnement de ladite première cellule solaire multijonction sur une région adhésive d'un support permanent en utilisant un machine automatisée/appareil de vision ; le montage d'un verre de couverture (980) sur ladite première cellule solaire multij onction, et la liaison de ladite première cellule solaire multijonction à ladite région adhésive à l'aide de pression et/ou de chaleur. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, notamment où la cellule solaire est une cellule solaire multijonction à semi-conducteur composé III-V préparée à partir d'une galette fabriquée, où la fabrication de la galette comprend : la mise à disposition d'un premier substrat (912) ; le dépôt sur le premier substrat (912), d'une série de couches de matériau semiconducteur pour former au moins une première, une deuxième et une troisième cellule solaire ; la formation d'une intercouche de gradation sur lesdites première, deuxième et/ou troisième cellules solaires ; le dépôt sur ladite intercouche de gradation, d'une deuxième série de couches de matériau semi-conducteur pour former une quatrième cellule solaire, le réseau de la quatrième cellule solaire étant décalé par rapport à la troisième cellule solaire ; le montage et l'application d'un substitut de substrat sur le haut de la série de couches, et l'enlèvement du premier substrat (912), où la formation de l'intercouche de gradation comprend : le prélèvement d'une intercouche composée de InGaAlAs en utilisant un programme d'ordinateur pour identifier une série de compositions de la formule (In'Gai,)yAli_yAs définie par des valeurs spécifiques de x et de y, où 0 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, où le processus automatisé utilise la vision artificielle. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, où au moins un des processus automatisés utilise un robot. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, où au moins un des processus automatisés utilise un outil d'assemblage pick and place ; une machine de câblage ou une machine de soudage laser pour fixer les interconnexions (962, 972) sur une ou plusieurs cellules solaires (900) ; un équipement automatique de dépôt en phase vapeur, un équipement automatique de placage métallique ; des techniques automatiques de lithographie ; des techniques automatiques de gravure ; des techniques automatiques de découpe ; un équipement automatique de test ; un équipement automatique de brasage ou de soudage laser ; un équipement automatique d'application; un équipement automatique de câblage ; et/ou une application automatique de pression et/ou de chaleur. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, où les cellules solaires (900) ont chacune, une surface inférieure à 5 cm2. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, où les cellules solaires (900) sont des cellules solaires multij onctions à semi-conducteur composé III-V, et la fabrication des galettes comprend : P0760/FR Solce104 Docket D004 FR (423.01390101) 26 la mise à disposition d'un système de dépôt chimique en phase vapeur à partir de précurseurs métallo-organiques (MOCVD) configuré pour contrôler indépendamment le débit des gaz sources pour le gallium, l'indium, l'aluminium et l'arsenic ; la sélection d'une durée et d'une température de réaction et d'un débit ainsi qu'un débit pour chaque gaz source afin de former l'intercouche à gradation continue disposée sur la sous-cellule du bas, où le gaz source pour l'indium est le triméthyl-indium (InMe3), le gaz source pour le gallium est le triméthyl-gallium (GaMe3), le gaz source pour l'arsenic est l'arsine (A5H3), et le gaz source pour l'aluminium est le triméthyl-aluminium (Al2Me6). 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, où le panneau est flexible et est composé d'un matériau poly(4,4'-oxydiphénylène-pyromellitimide). P0760/FR Solce104 Docket D004 FR (423.01390101)