Brevet FR3087940A1 — publié le 20200501

Dispositif photovoltaïque semi-transparent en couches minces pourvu d'un contact électrique métal/oxyde natif/métal optimisé La présente invention se rapporte à un dispositif photovoltaïque semi- transparent en couches minces optimisant la reprise de contact métal/oxyde natif/métal par le dimensionnement de la surface de contact du second métal déposé. ETAT DE LA TECHNIQUE Dans la suite du document, un dispositif photovoltaïque désigne tout type de cellules ou modules photovoltaïques. Les modules photovoltaïques sont composés d'une pluralité de cellules photovoltaïques toutes connectées entre elles selon une architecture série, parallèle, série parallèle ou parallèle série. Un dispositif photovoltaïque en couches minces fait référence à des dispositifs photovoltaïques constitués d'un empilement de couches minces d'épaisseur inférieure à 20 pm (hors substrat). On distingue dans la littérature plusieurs types de matériaux semi-conducteurs employés dans les dispositifs photovoltaïques, tels que les matériaux solides cristallisés, les matériaux organiques (polymères ou petites molécules) ou encore les couches minces inorganiques (amorphes ou poly cristallines). Dans la plupart des cas, une couche métallique est employée pour collecter les charges électriques générées par ces dispositifs sous illumination. Ces couches métalliques forment généralement une électrode, des bus de collecte ou les interconnexions entre les différentes cellules composant le module photovoltaïque. Dans la suite du document, on ne considère que les dispositifs photovoltaïques possédant des couches métalliques pour la collecte desdites charges électriques. Afin d'améliorer les performances des modules photovoltaïques, il est connu de l'homme du métier qu'augmenter par exemple l'épaisseur des électrodes métalliques permet de diminuer les pertes par effet Joule. Dans ce cas, il faut donc mettre en contact un métal A ayant été à l'air libre (l'électrode métallique de la cellule initiale) avec un autre conducteur B pour épaissir ladite électrode, et donc augmenter 2 sa conductivité globale. Cependant, certains métaux, dont l'aluminium (AI) et le cuivre (Cu), couramment utilisés pour former par exemple l'électrode métallique des dispositifs photovoltaïques en couches minces, s'oxydent en surface à l'air libre, voire même dans des atmosphères dont les taux d'oxygène sont contrôlés. Il y a alors 5 formation d'un oxyde appelé couramment oxyde natif. Cette fine couche d'oxyde natif de quelques nanomètres d'épaisseur est le plus souvent isolante électriquement. C'est le cas notamment des oxydes d'aluminium et de cuivre. Dans ce cas, l'empilement constitué de l'électrode métallique A, de son oxyde et du conducteur B ne présente pas une conductivité améliorée telle qu'espérée par l'épaississement a posteriori de 10 l'électrode métallique car la résistance électrique de contact entre les deux métaux est très importante, du fait de la présence entre les deux métaux de l'oxyde natif. Le même phénomène est observé lorsque l'on cherche à mettre en série ou en parallèle a posteriori plusieurs cellules photovoltaïques afin de contrôler les niveaux de tension et de courant en sortie des modules photovoltaïques. 15 Pour résoudre cette problématique, il existe une solution qui consiste à utiliser une soudure active telle que décrite par la société S-Bond Technologies sur leur site internet à la page htto://www.s-bond. com/blog/2015/01/12/active-solders-for-solarpanel-manufacture en date du 12 octobre 2018). Cet article explicite comment est réalisée la soudure active qui permet de supprimer l'oxyde natif et donc d'augmenter 20 les performances des cellules solaires. Cependant cette technique de soudure n'est pas applicable aux dispositifs photovoltaïques en couches minces. Les dispositifs photovoltaïques semi-transparents en couches minces (à base de silicium amorphe par exemple sont composés : - De surfaces pleines et opaques contenant l'empilement des couches 25 photovoltaïques actives ; - De surfaces transparentes formées du substrat transparent et éventuellement de matériaux transparents conducteurs ou isolants. La semi-transparence peut par exemple être réalisée à partir de modules photovoltaïques pleins, c'est-à-dire ne présentant pas de zones de transparence tel 30 que décrit dans le document W02014/188092 Al. Les zones photovoltaïques (respectivement les zones de transparence) peuvent être de formes quelconques. On définit alors la dimension critique de ladite forme comme étant la plus petite des tailles 3 qui la caractérisent. Il s'agit par exemple d'un côté pour un carré, de la largeur pour un rectangle, de la hauteur pour un triangle. Par exemple, dans le cas d'une bande photovoltaïque, la dimension critique CD correspond à la largeur de ladite bande. Lorsqu'un aspect homogène transparent est recherché (c'est-à-dire lorsqu'on ne 5 souhaite pas distinguer à l'oeil nu les zones opaques des zones de transparence), la dimension critique des bandes photovoltaïques est de préférence inférieure à 200 microns. Après la gravure des différentes couches constituant l'empilement photovoltaïque (la première électrode, la couche active photovoltaïque et la seconde électrode), des 10 reprises de contact de type métal/métal sont nécessaires afin de connecter les zones électriquement actives aux bus de collecte et de connecter les cellules unitaires entre elles (en série et/ou parallèle) afin d'obtenir un module photovoltaïque. La problématique de reprise de contact métal/métal est renforcée dans le cas des dispositifs photovoltaïques semi-transparents, car les reprises de contact sont réalisées 15 sur des surfaces dont les côtés les plus larges n'excèdent pas quelques dizaines de micromètres, générant ainsi des surfaces de reprises de contact de quelques centaines de micromètres carrés. Or si l'électrode métallique est de l'aluminium, son oxyde natif (l'alumine) peut avoir une épaisseur de 3nm à 6nm. La combinaison de ce matériau avec une surface de contact d'à peine quelques centaines de micromètres carrés donne 20 un contact électrique précaire, qui se traduit par une dégradation de l'efficacité électrique du dispositif. Une première solution consiste à supprimer la couche d'alumine qui s'est formée à sa surface avant le dépôt du second métal permettant la reprise de contact. Il est possible d'utiliser par exemple une gravure plasma, et de déposer le second métal 25 immédiatement après sans avoir cassé les conditions de vide entre l'étape de gravure et celle du dépôt métallique. Cette étape nécessite un équipement de dépôt ayant un module plasma dans la chambre de dépôt ou dans une chambre annexe. Cette configuration peut ne pas être disponible dans les équipements de production, auquel cas l'investissement pour les mettre à niveau peut être conséquent. 30 Une seconde solution pour pallier cette problématique serait de modifier la nature de l'électrode métallique. Cette solution n'est pas intéressante d'un point de vue 4 industriel car l'aluminium est un matériau privilégié dans le cadre des modules photovoltaïques à base de silicium amorphe de par : - son faible coût ; - sa faible résistivité ; 5 - sa compatibilité avec le matériau de la couche active photovoltaïque dans le cas notamment du silicium amorphe ; - sa facilité d'enchainement des étapes de gravure pour générer la semitransparence ; - sa disponibilité et sa maîtrise par les industriels des procédés de dépôt et 10 de gravure. La présente invention cherche à résoudre la problématique d'optimisation de la reprise de contact métal/métal en considérant le cas de l'utilisation de l'aluminium et de la présence de son oxyde natif au sein des dispositifs photovoltaïques semitransparents. 15 BUT DE L'INVENTION L'invention a pour but de proposer un dispositif photovoltaïque semitransparent en couches minces dont la surface de reprise de contact métal/oxyde 20 métallique/métal a été optimisée afin d'augmenter les performances électriques dudit dispositif photovoltaïque. OBJETS DE L'INVENTION 25 L'invention s'applique à un dispositif photovoltaïque semi-transparent à couches minces comportant au moins : - des zones photovoltaïques actives, de surface S5 formées: o d'un substrat transparent ; o d'une électrode avant constituée d'un matériau électriquement 30 conducteur et transparent, disposée sur le substrat transparent ;; o d'un absorbeur composé d'une ou plusieurs couche(s) mince(s) photo-active(s) ; 5 d'une électrode arrière constituée d'un empilement d'au moins : o une couche conductrice métallique ; o une couche d'oxyde métallique natif d'épaisseur nanométrique ; - des zones de transparence de dimension critique CDr séparant au moins 5 deux zones photovoltaïques actives ; une couche métallique de reprise de contact de surface de contact S avec l'électrode arrière. On définit le rapport Ra comme le rapport entre la surface de contact S de la 10 couche métallique de reprise de contact et la surface S5 d'une zone photovoltaïque active, i.e. Ra=S/Ss- Lors de la fabrication de reprise de contact au seins de dispositifs semi-conducteur, l'homme du métier utiliserait un rapport de l'ordre de 0,02%. Cependant, en utilisant ce rapport au dispositif photovoltaïque semi-transparent en couches minces décrit ci-dessus, l'optimisation électrique de la reprise de contact n'est 15 pas atteinte. Pour atteindre cette optimisation électrique, de manière surprenante, l'invention prévoit qu'il faut utiliser un Ra rapport compris entre 0,2% et 2%, i.e. 0,2% REVENDICATIONS1 - Dispositif photovoltaïque semi-transparent à couches minces comportant 5 au moins : - des zones photovoltaïques actives (5), de surface S5 formées: o d'un substrat transparent (1) ; o d'une électrode avant (2) constituée d'un matériau électriquement conducteur et transparent, disposée sur le substrat transparent ; 10 o d'un absorbeur (3) composé d'une ou plusieurs couche(s) mince(s) photo-active(s) ; - d'une électrode arrière (4) constituée d'un empilement d'au moins : o une couche conductrice métallique (40); o une couche d'oxyde métallique natif d'épaisseur nanométrique 15 (41) ; - des zones de transparence (6-r) séparant au moins deux zones photovoltaïques actives (5); - une couche métallique de reprise de contact présentant une surface de contact S avec l'électrode arrière (4) ; 20 caractérisé en ce que le rapport Ra entre la surface de contact S de la couche métallique de reprise de contact et la surface S5 d'une zone photovoltaïque active (5) est tel que 0,20/o 2 - Dispositif photovoltaïque semi-transparent à couches minces selon la 25 revendication précédente, caractérisé en ce que le rapport Ra est tel que 1,6% 3 - Dispositif photovoltaïque semi-transparent à couches minces selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche 30 conductrice métallique (40) est en aluminium et son oxyde natif (41) en alumine. 15 4 - Dispositif photovoltaïque semi-transparent à couches minces selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche métallique de reprise de contact est en aluminium. 5 - Dispositif photovoltaïque semi-transparent à couches minces selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface de contact de la couche métallique de reprise de contact est composée de plusieurs motifs de forme quelconque tous électriquement reliés entre eux. 6 - Dispositif photovoltaïque semi-transparent à couches minces selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites zones photovoltaïques actives sont des bandes de longueur L5 et de dimension critique CD5. 7 - Dispositif photovoltaïque semi-transparent à couches minces selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la surface S de contact entre la couche métallique de reprise de contact et l'électrode arrière (4) est de forme rectangulaire dont la dimension critique CD est inférieure à la dimension critique CD5 des zones photovoltaïques.20