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WO1995010856A1 - Cellule photovoltaique et procede de fabrication d'une telle cellule - Google Patents

Cellule photovoltaique et procede de fabrication d'une telle cellule Download PDF

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WO1995010856A1
WO1995010856A1 PCT/CH1994/000192 CH9400192W WO9510856A1 WO 1995010856 A1 WO1995010856 A1 WO 1995010856A1 CH 9400192 W CH9400192 W CH 9400192W WO 9510856 A1 WO9510856 A1 WO 9510856A1
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WO
WIPO (PCT)
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layer
substrate
photovoltaic cell
cell according
transparent conductive
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/CH1994/000192
Other languages
English (en)
Inventor
Herbert Keppner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Universite de Neuchatel
Original Assignee
Universite de Neuchatel
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universite de Neuchatel filed Critical Universite de Neuchatel
Priority to US08/446,628 priority Critical patent/US5589008A/en
Priority to EP94926766A priority patent/EP0673549A1/fr
Priority to AU76506/94A priority patent/AU7650694A/en
Priority to JP7511140A priority patent/JPH08508368A/ja
Publication of WO1995010856A1 publication Critical patent/WO1995010856A1/fr
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Ceased legal-status Critical Current

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    • Y10S438/00—Semiconductor device manufacturing: process
    • Y10S438/958—Passivation layer

Definitions

  • the present invention relates to a photovoltaic cell comprising a semiconductor substrate, an emitter formed by a layer having a first conductivity (p or n), a front passivation layer placed between the substrate and the emitter, a transparent conductive layer before , a rear passivation layer deposited on the rear surface of the substrate and a reflective element comprising a rear transparent conductive layer, a bonding layer and a reflective layer.
  • a photovoltaic cell comprising a semiconductor substrate, an emitter formed by a layer having a first conductivity (p or n), a front passivation layer placed between the substrate and the emitter, a transparent conductive layer before , a rear passivation layer deposited on the rear surface of the substrate and a reflective element comprising a rear transparent conductive layer, a bonding layer and a reflective layer.
  • It also relates to a method of manufacturing such a photovoltaic cell.
  • the present invention relates to the field of photovoltaic cells, commonly called solar cells, which operate essentially on the following principle: when a photon arrives on a semiconductor, it modifies the number of charge carriers by passage of an electron from the valence band to the conduction band and produces an electron / hole pair. An electromotive force then appears at the terminals of the junction which behaves like a battery.
  • photovoltaic cells Two ways are explored to make photovoltaic cells. One of them consists in using a material with high photovoltaic efficiency (greater than 10%) of a crystalline nature which is cut into platelets. The other is to deposit a thin layer a material with a lower yield (5% to 10%) on an inexpensive support (glass, stainless steel, plastic, etc.) of large dimensions.
  • the present invention relates to the first route mentioned.
  • a first method for producing such cells consists in doping a substrate formed of silicon, by thermal diffusion of an element such as boron or phosphorus, at a temperature higher than 1000 ° C.
  • This process has a number of drawbacks. It requires a high temperature treatment which consumes a lot of energy and leads to a high manufacturing cost and moreover, if a thin substrate and a high temperature are used, the risk of folding or breaking of said substrate becomes high and the waste is important.
  • the solar cells obtained according to this process are therefore relatively expensive.
  • the cell comprises a silicon substrate of positive conductivity p on which a front layer of negative conductivity n and a passivation layer of silica (SiO.sub.) Are added.
  • the passivation layer of silica is first deposited on the rear face of the substrate. Part of this passivation layer is then removed, and finally the positive conductivity layer doped with boron is deposited to form the rear contact by locally creating the surface field.
  • the use of a passivation layer of silica necessarily involves the creation of non-passivated zones to make the rear contact.
  • An embodiment has also been devised making it possible to increase the optical path of the light rays in a solar cell, while keeping the thickness of this cell as small as possible.
  • This embodiment consists in providing the upper surface of the cell with a transparent layer, textured in such a way that the light rays which arrive on this layer perpendicular to the plane of the cell are deflected by refraction and pass through the cell in a direction in which its thickness is not minimal.
  • Another method leading to the same result consists in using a textured substrate and in depositing on this substrate layers of substantially uniform thickness.
  • a cell as defined in the preamble characterized in that the rear passivation layer covers the entire rear surface of the substrate, and in that said passivation layer is covered with a rear layer, producing a surface field, having a second conductivity (n or p) opposite to the first conductivity of the emitter.
  • the semiconductor substrate can have said second conductivity (n or p), be intrinsic or be compensated.
  • the semiconductor substrate can be made of crystalline or polycrystalline silicon and its thickness can be between 50 ⁇ m and 150 ⁇ m and preferably substantially equal to 80 ⁇ m.
  • the emitter is advantageously formed from hydrogenated microcrystalline silicon or from hydrogenated silicon carbide. Its thickness is between 20 ⁇ and 500 ⁇ and preferably substantially equal to
  • the front passivation layer is preferably made of intrinsic hydrogenated amorphous silicon and its thickness is advantageously between 20 ⁇ and 500 A and preferably substantially equal to
  • said transparent conductive layer comprises zinc oxide (ZnO) and its thickness is preferably between 500 ⁇ and 5000 ⁇ and substantially equal to 1000 ⁇ .
  • the rear passivation layer may be made of intrinsic hydrogenated amorphous silicon and its thickness is advantageously between 20 A and 500 A and preferably substantially equal to 80 A.
  • the rear layer producing a surface field is advantageously made of hydrogenated microcrystalline silicon and its thickness is preferably between 100 ⁇ and 1000 ⁇ and substantially equal to 300 ⁇ .
  • the rear transparent conductive layer is made of highly doped zinc oxide (ZnO) and its thickness is between 500 ⁇ and 5000 ⁇ and substantially equal to 2000 A.
  • ZnO highly doped zinc oxide
  • the bonding layer of the reflective element is preferably a layer of titanium (Ti) of thickness between 10 A and 100 ⁇ and substantially equal to 15 A and the reflective layer of this element is composed of silver and a a thickness substantially equal to 2000 . AT.
  • the transparent conductive layers front and rear of the cell according to the invention can be textured and the substrate can be smooth.
  • This substrate can also be textured and the transparent conductive layers front and rear can have a substantially uniform thickness.
  • the method of manufacturing a photovoltaic cell according to the invention is characterized in that the following steps are carried out: - a semiconductor substrate is placed in a deposition chamber; - A plasma is deposited successively at a deposition frequency between 35 and 200 MHz and preferably substantially equal to 70 MHz, a layer of frontal passivation, an emitter, a layer of back passivation and a layer of back producing a field of area;
  • a front transparent conductive layer and a rear transparent conductive layer are deposited by a magnetron sputtering method at a radio frequency between 1 and 100 MHz and preferably substantially equal to 13.56 MHz; and - a bonding layer and a reflective layer are deposited on the rear transparent conductive layer.
  • the substrate which is placed in the deposition chamber, has undergone chemical attack.
  • the substrate which is placed in the deposition chamber, is a raw substrate obtained after sawing, the front surface and the rear surface of which are attacked by means of a plasma at a frequency included between 1 and 200 MHz and preferably equal to 70 MHz.
  • a textured transparent conductive layer is deposited on a substantially smooth substrate.
  • the substrate is attacked by a plasma at a frequency between and between 1 and 200 MHz and layers of substantially uniform thickness are deposited on the textured substrate thus obtained.
  • the whole of the operations is preferably carried out at a temperature between 20 ° C and 600 ° C and preferably between 150 ° C and 300 ° C.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of a first embodiment of a photovoltaic cell according to the invention, obtained from a smooth substrate;
  • FIG. 2 is a schematic sectional view of a second embodiment of a photovoltaic cell according to the invention, obtained from a textured substrate;
  • FIG. 3 illustrates the steps of the manufacturing process of a photovoltaic cell according to the invention.
  • the photovoltaic cell 10 essentially consists of a substrate 11, provided on one of its faces, with a frontal passivation layer 12, with an emitter 14 and with a transparent conductive layer 15 and on its other face, a rear passivation layer 17, a rear layer 18 producing a surface field and a reflective element 19.
  • Light rays 16 arrive on the photovoltaic cell on the side of the front transparent conductive layer 15.
  • the substrate 11 is made of crystalline silicon and in the embodiment described, has a thickness of about 80 ⁇ m.
  • the front passivation layer 12 is obtained by depositing on the front face of this substrate, an intrinsic layer of hydrogenated amorphous silicon of thickness approximately 80 ⁇ . Then deposited on this front passivation layer 12, a microcrystalline layer of hydrogenated silicon of thickness about 100 A having a conductivity, called first conductivity which, in the example shown here, is a negative conductivity n.
  • the layer thus obtained constitutes the emitter 14-.
  • a transparent conductive layer 15 (for example made of zinc oxide ZnO) and having a textured surface obtained by chemical attack, by plasma, or by any other similar process, is then deposited on this emitter 14-.
  • This transparent conductive layer 15 with an average thickness of 1000 ⁇ , taking into account its texture, constitutes a "light trap".
  • the incident light rays 16 arriving perpendicularly to the plane of the cell 10 are deflected by refraction so that the actual length traveled by each ray in the cell is lengthened. This has the effect of increasing the number of band-changing electrons, and therefore the number of electron / hole pairs, and thus increasing the efficiency of the cell.
  • this transparent conductive layer 15 can be made of any transparent conductor. Its thickness is chosen so as to constitute an anti-reflective layer for the range of wavelengths used. In the application described, the thickness is optimized for the solar spectrum.
  • the rear passivation layer 17 deposited on the rear face of the substrate 11 is identical in composition and thickness to the layer 12.
  • the rear layer 18 producing a surface field is obtained by depositing, on the layer 17, hydrogenated silicon, the conductivity, called second conductivity, is opposite to the conductivity of the emitter 14, and in this case, positive. The deposit is made over a thickness of approximately 300 A.
  • the three layers constituting the reflecting element 19 are successively deposited on the monocrystalline layer thus obtained.
  • the first layer 20 of this reflecting element is a transparent conductive layer which prevents light from inside the cell from coming out, returning it back into the cell through the two junctions.
  • This transparent conductive layer 20 is composed of zinc oxide (ZnO) and has a thickness of 2000 ⁇ .
  • a reflective layer is composed of zinc oxide (ZnO) and has a thickness of 2000 ⁇ .
  • This reflective layer 22 also plays the role of rear contact element.
  • the substrate 11 has a conductivity.
  • This conductivity which must be opposite to that of the emitter 14, is a positive conductivity p. It should however be noted that a similar photovoltaic cell can be produced by reversing all the conductivities.
  • the substrate then has a negative conductivity, as well as the microcrystalline layer 18 and the emitter 14 has a positive conductivity.
  • the substrate can be compensated or intrinsic.
  • Figure 2 shows an embodiment in which the substrate 11 'is made of a material identical to that of the substrate 11 of Figure 1, but has textured front and rear surfaces.
  • the emitter 14 and the rear layer 18 producing a surface field are similar to those described with reference to FIG. 1.
  • the transparent conductive layers front 15 and rear 20 also have a uniform thickness.
  • the final surface of the finished cell is textured in the same way as in the cell shown in Figure 1.
  • FIG. 3 represents the stages of the manufacturing process of a photovoltaic cell as described above.
  • the substrate 11 is placed in a deposition chamber 30, on a support 31 allowing the two faces of this substrate to be exposed simultaneously to etching and deposition devices 32.
  • the substrate introduced may have undergone before its introduction into the deposition chamber, a chemical attack according to a method known per se making it possible to remove the layers of material which have been damaged during its sawing. It can also be introduced as is.
  • the first operation to be carried out consists in removing the deteriorated layer by carrying out a plasma attack at a frequency of approximately 13.56 MHz on both sides. of the substrate.
  • the second step of the process is optional. It consists in attacking the substrate by means of a plasma at a frequency between 1 and 200 MHz. This attack makes it possible to obtain the texture of the surfaces of the substrate. This step is of course only carried out if one wishes to texturize the substrate and not the transparent conductive layers.
  • the front passivation layer of intrinsic hydrogenated amorphous silicon is deposited on the substrate.
  • This deposition is carried out according to the very high frequency plasma deposition method as described in European patent EP-A-0 263 788, this frequency preferably being of the order of 70 MHz.
  • microcrystalline layer of hydrogenated silicon serving as emitter 14 is then successively deposited, the rear passivation layer of hydrogenated amorphous silicon and the rear layer 18 producing a surface field.
  • a fourth step consists in depositing by a vaporization process known per se, such as a magnetron cathode sputtering process at a frequency equal to 13.56 MHz, the transparent conductive layer before 15 and the layers forming the reflecting element 19 - If the substrate is smooth, conductive layers with surface texturing will be deposited. On the other hand, if the substrate is textured, the conductive layers will be produced so as to have a substantially uniform thickness.
  • a vaporization process known per se such as a magnetron cathode sputtering process at a frequency equal to 13.56 MHz
  • This process has the advantage of making it possible to carry out all of the steps continuously without intermediate manipulation between the moment when the substrate is introduced into the deposition chamber, even when it is introduced there directly after sawing, and that when the cell is complete. This not only saves manufacturing time compared to conventional manufacturing processes in which the substrates must be handled during manufacturing, but also allows the use of particularly fine substrates while reducing the risk of breakage which can occur during these manipulations.
  • the substrate may as well be monocrystalline as polycrystalline, or have a given negative or positive conductivity, be intrinsic or compensated, without the manufacturing process being modified. This makes it possible to use a very poor quality base material, therefore particularly inexpensive, without affecting the final yield of the cell;
  • VHF process very high frequency plasma deposition process at a frequency substantially equal to 70 MHz
  • VHF process very high frequency plasma deposition process at a frequency substantially equal to 70 MHz
  • the deposition of the emitter and the back layer producing a surface field gives layers with a lower activation energy than that obtained using other methods. The behavior of these layers is then more favorable.
  • the deposition of the doped microcrystalline layers makes it possible to obtain a better conductivity than using the methods of the prior art. This reduces the serial resistance of the cell, which increases its efficiency;
  • the deposition of a microcrystalline silicon emitter reduces the absorption of the wavelengths belonging to the visible spectrum compared to a doped amorphous silicon emitter;

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Abstract

La cellule photovoltaïque (10) selon l'invention comporte un substrat (11) semi-conducteur, une couche de passivation frontale (12) placée sur le substrat, un émetteur (14) formé d'une couche ayant une première conductivité (p ou n), une couche conductrice transparente avant (15), une couche de passivation arrière (17) déposée sur toute la surface arrière du substrat et maintenue sur toute cette surface, une couche arrière (18) produisant un champ de surface ayant une deuxième conductivité (n ou p) opposée à ladite première conductivité, ainsi qu'un élément réfléchissant (19) formé d'une couche conductrice transparente (20), d'une couche d'accrochage (21) en titane et d'une couche réfléchissante (22) en argent. Cette cellule d'un rendement élevé pour un faible coût de fabrication est utilisée dans les capteurs solaires.

Description

CELLULE PHOTOVOLTAÏQUE ET PROCEDE DE FABRICATION D'UNE TELLE CELLULE.
La présente invention concerne une cellule photovoltaïque comportant un substrat semi-conducteur, un émetteur formé d'une couche ayant une première conductivité (p ou n) , une couche de passivation frontale placée entre le substrat et l' émetteur, une couche conductrice transparente avant, une couche de passivation arrière déposée sur la surface arrière du substrat et un élément réfléchissant comportant une couche conductrice transparente arrière, une couche d'accrochage et une couche réfléchissante.
Elle concerne également un procédé de fabrication d'une telle cellule photovoltaïque.
La recherche de sources d'énergies renouvelables produisant peu ou pas de déchets , respectueuses de l'environnement et permettant de fournir de l'énergie à un faible coût, représente une des préoccupations majeures de notre époque. Une des voies qui a été choisie pour tenter de résoudre ces problèmes d'approvisionnement en énergie "propre" est l' utilisation de l'énergie solaire. De nombreux types de capteurs d'énergie solaire ont été développés pour permettre la transformation de cette énergie solaire en une énergie plus facile à stocker et à transporter, telle que l'énergie électrique par exemple.
La présente invention touche au domaine des cellules photovoltaïques , couramment appelées cellules solaires , qui fonctionnent essentiellement selon le principe suivant : lorsqu'un photon arrive sur un semi¬ conducteur, il modifie le nombre de porteurs de charges par passage d'un électron de la bande de valence à la bande de conduction et produit une paire électron/trou. Une force électromotrice apparaît alors aux bornes de la jonction qui se comporte comme une pile.
Deux voies sont explorées pour réaliser des cellules photovoltaïques . L'une d'elles consiste à utiliser un matériau à haut rendement photovoltaïque (supérieur à 10%) de nature cristalline que l'on découpe en plaquettes . L'autre consiste à déposer une couche mince d'un matériau de rendement plus faible (5% à 10%) sur un support bon marché (verre, inox, plastique, etc. ) de grandes dimensions . La présente invention concerne la première voie citée .
Dans cette voie, différents modes de réalisation de cellules photovoltaïques ont été développés afin d'obtenir des cellules bon marché et ayant un rendement suffisamment élevé.
Un premier procédé pour produire de telles cellules consiste à doper un substrat formé de silicium, par diffusion thermique d'un élément tel que le bore ou le phosphore, à une température supérieure à 1000° C . Ce procédé présente un certain nombre d'inconvénients . Il nécessite un traitement à haute température qui consomme beaucoup d'énergie et entraîne un coût de fabrication élevé et de plus , si l'on utilise un substrat mince et une température élevée, le risque de pliage ou de cassure dudit substrat devient élevé et le déchet est important. Les cellules solaires obtenues selon ce procédé sont donc relativement coûteuses .
Afin de pallier certains de ces inconvénients, d'autres procédés ont été imaginés . L'un d'eux consiste à remplacer le dopage du substrat en silicium par le dépôt à basse température d'une couche dopée. En pratique, on dépose une mince couche de silicium amorphe de conductivité positive p sur un substrat de silicium cristallin de conductivité négative n à une température inférieure à 200°C. On obtient ainsi une hétérojonction de type p/n. Comme ce procédé est réalisé à basse température, il consomme relativement peu d'énergie. De plus , la contamination croisée des porteurs de charges due à la diffusion d'impuretés provenant de la chambre de traitement, et liée à un procédé à haute température, est inférieure à celle qui se produit lorsque l'on utilise le procédé précédent, ce qui améliore le rendement de la cellule. Ce rendement n'est toutefois pas optimal du fait que la contamination croisée n' est pas entièrement supprimée.
Pour tenter de supprimer totalement ce phénomène, on a imaginé un procédé qui consiste à déposer entre le substrat en silicium cristallin de conductivité n et la couche de silicium amorphe de conductivité p, une couche intrinsèque de silicium amorphe. La cellule ainsi obtenue et connue sous le nom de ACJ-HIT ( Artif icially Constructed Junction - Heterojunction with Intrinsic Thin layer) utilise un procédé à basse température et offre un bon rendement du fait qu'elle ne présente pas de contamination croisée et que la jonction est abrupte .
Toujours afin d'augmenter encore le rendement des cellules photovoltaïques, on a imaginé de réaliser une jonction semi- conductrice sur les deux faces du substrat. A cet effet, la cellule comporte un substrat en silicium de conductivité positive p sur lequel on ajoute une couche frontale de conductivité négative n et une couche de passivation de silice (SiO..) . Dans l'ordre suivant, on dépose tout d'abord la couche de passivation de silice sur la face arrière du substrat . Une partie de cette couche de passivation est ensuite retirée, et l'on dépose enfin la couche de conductivité positive dopée avec du bore pour former le contact arrière en créant localement le champ de surface. L' utilisation d'une couche de passivation en silice implique obligatoirement la création de zones non passivées pour réaliser le contact arrière. Bien que le rendement d' une telle cellule atteigne le maximum obtenu actuellement, sa réalisation présente certains inconvénients . 11 est relativement malaisé de diffuser du bore tout en maintenant la durée de vie des porteurs de charges à une valeur suffisamment grande pour obtenir un bon rendement de la cellule. De plus , pour réaliser une jonction efficace, la diffusion du bore doit être importante, donc doit se faire pendant un laps de temps assez long et à haute température. Ainsi, les inconvénients mentionnés ci-dessus et découlant de l' utilisation d' un traitement à haute température limitent l' utilisation de ce procédé.
On a également imaginé un mode de réalisation permettant d'augmenter le chemin optique des rayons lumineux dans une cellule solaire, tout en maintenant l' épaisseur de cette cellule la plus faible possible. Cette forme de réalisation consiste à munir la surface supérieure de la cellule d' une couche transparente, texturée de telle manière que les rayons lumineux qui arrivent sur cette couche perpendiculairement au plan de la cellule soient déviés par réfraction et traversent la cellule dans une direction dans laquelle son épaisseur n' est pas minimale. Un autre procédé aboutissant au même résultat consiste à utiliser un substrat texture et à déposer sur ce substrat des couches d'épaisseur sensiblement uniformes .
Tous ces procédés connus ont permis d'arriver à la conclusion que la cellule photovoltaïque. idéale est celle qui est réalisée à partir d'un substrat particulièrement mince et bon marché et où les dépôts de couches sont faits au moyen d'un procédé à basse température, en limitant les interventions lors des dépôts et aboutissant quand même à un rendement élevé.
Ce but est atteint par une cellule telle que définie en préambule, caractérisée en ce que la couche de passivation arrière recouvre la totalité de la surface arrière du substrat, et en ce que l'on recouvre ladite couche de passivation d'une couche arrière, produisant un champ de surface, ayant une deuxième conductivité (n ou p) opposée à la première conductivité de l'émetteur.
Selon diverses variantes de réalisation, le substrat semi-conducteur peut avoir ladite deuxième conductivité (n ou p) , être intrinsèque ou être compensé.
Selon différents modes de réalisation, le substrat semi-conducteur peut être en silicium cristallin ou poly cristallin et son épaisseur peut être comprise entre 50 μm et 150 μm et de préférence sensiblement égale à 80 μm.
L'émetteur est avantageusement formé de silicium microcristallin hydrogéné ou de carbure de silicium hydrogéné. Son épaisseur est comprise entre 20 Â et 500 Â et de préférence sensiblement égale à
100 A.
La couche de passivation frontale est de préférence en silicium amorphe hydrogéné intrinsèque et son épaisseur est avantageusement comprise entre 20 Â et 500 A et de préférence sensiblement égale à
80 Â. Selon une forme de réalisation avantageuse, ladite couche conductrice transparente comporte de l'oxyde de zinc (ZnO) et son épaisseur est de préférence comprise entre 500 Â et 5000 Â et sensiblement égale à 1000 Â.
La couche de passivation arrière peut être en silicium amorphe hydrogéné intrinsèque et son épaisseur est avantageusement comprise entre 20 A et 500 A et de préférence sensiblement égale à 80 A.
La couche arrière produisant un champ de surface est avantageusement en silicium microcristallin hydrogéné et son épaisseur est de préférence comprise entre 100 Â et 1000 Â et sensiblement égale à 300 Â.
Selon une forme de réalisation avantageuse, la couche conductrice transparente arrière est en oxyde de zinc (ZnO) fortement dopé et son épaisseur est comprise entre 500 Â et 5000 Â et sensiblement égale à 2000 A.
La couche d'accrochage de l'élément réfléchissant est de préférence une couche de titane (Ti) d'épaisseur comprise entre 10 A et 100 Â et sensiblement égale à 15 A et la couche réfléchissante de cet élément est composée d'argent et a une épaisseur sensiblement égale à 2000. Â.
Les couches conductrices transparentes avant et arrière de la cellule selon l'invention peuvent être texturées et le substrat peut être lisse.
Ce substrat peut également être texture et les couches conductrices transparentes avant et arrière peuvent avoir une épaisseur sensiblement uniforme.
Le procédé de fabrication d'une cellule photovoltaïque selon l'invention, est caractérisé en ce que l'on effectue les étapes suivantes : - on place un substrat semi-conducteur dans une chambre de dépôt; - on dépose successivement par un plasma à une fréquence de dépôt comprise entre 35 et 200 MHz et de préférence sensiblement égale à 70 MHz , une couche, de passivation frontale, un émetteur, une couche de passivation arrière et une couche arrière produisant un champ de surface;
- on dépose par une méthode de pulvérisation cathodique à magnetron à une fréquence radio comprise entre 1 et 100 MHz et de préférence sensiblement égale à 13,56 MHz, une couche conductrice transparente avant et une couche conductrice transparente arrière; et - on dépose sur la couche conductrice transparente arrière, une couche d'accrochage et une couche réfléchissante.
Dans une première forme de réalisation du procédé, le substrat, qui est placé dans la chambre de dépôt, a subi une attaque chimique.
Dans une deuxième forme de réalisation de ce procédé, le substrat, qui est placé dans la chambre de dépôt, est un substrat brut obtenu après sciage, dont on attaque la surface frontale et la surface arrière au moyen d'un plasma à une fréquence comprise entre 1 et 200 MHz et de préférence égale à 70 MHz.
Selon une première variante du procédé, on dépose sur un substrat sensiblement lisse, une couche conductrice transparente texturée.
Selon une deuxième variante du procédé, on attaque le substrat par un plasma à une fréquence comprise entre et 1 et 200 MHz et on dépose sur le substrat texture ainsi obtenu, des couches d'épaisseur sensiblement uniforme.
On effectue de préférence l' ensemble des opérations à une température comprise entre 20°C et 600°C et de préférence comprise entre 150°C et 300°C .
La présente invention et ses avantages apparaîtront mieux dans la description suivante d'un exemple de réalisation, en référence aux dessins annexés , dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en coupe d'une première forme de réalisation d'une cellule photovoltaïque selon l'invention , obtenue à partir d'un substrat lisse ;
- la figure 2 est une vue schématique en coupe d' une deuxième forme de réalisation d' une cellule photovoltaïque selon l'invention, obtenue à partir d'un substrat texture; et
- la figure 3 illustre les étapes du procédé de fabrication d'une cellule photovoltaïque selon l'invention.
En référence à la figure 1 , la cellule photovoltaïque 10 se compose essentiellement d'un substrat 11 , pourvu sur une de ses faces , d' une couche de passivation frontale 12, d'un émetteur 14 et d'une couche conductrice transparente 15 et sur son autre face, d'une couche de passivation arrière 17, d' une couche arrière 18 produisant un champ de surface et d'un élément réfléchissant 19. Des rayons lumineux 16 arrivent sur la cellule photovoltaïque du côté de la couche conductrice transparente avant 15.
Le substrat 11 est réalisé en silicium cristallin et dans le mode de réalisation décrit, a une épaisseur d' environ 80 μm. La couche de passivation frontale 12 est obtenue par dépôt sur la face avant de ce substrat, d' une couche intrinsèque de silicium amorphe hydrogéné d' épaisseur 80 Â environ. On dépose ensuite sur cette couche de passivation frontale 12, une couche microcristalline de silicium hydrogéné d' épaisseur 100 A environ ayant une conductivité, dite première conductivité qui, dans l'exemple représenté ici, est une conductivité négative n. La couche ainsi obtenue constitue l'émetteur 14-. Une couche conductrice transparente 15 (par exemple en oxyde de zinc ZnO) et présentant une surface texturée obtenue par une attaque chimique, au plasma, ou par tout autre procédé similaire, est ensuite déposée sur cet émetteur 14-. Cette couche conductrice transparente 15, d'épaisseur moyenne de 1000 Â, compte tenu de sa texture, constitue un "piège à lumière" . Les rayons lumineux incidents 16 arrivant perpendiculairement sur le plan de la cellule 10, sont déviés par réfraction de sorte que la longueur réelle parcourue par chaque rayon dans la cellule est allongé. Ceci a pour effet d'augmenter le nombre d'électrons changeant de bande, et par conséquent le nombre de paires électron/ trou, et d'accroître ainsi le rendement de la cellule. 11 est à noter que cette couche conductrice transparente 15 peut être réalisée en un conducteur transparent quelconque. Son épaisseur est choisie de manière à constituer une couche anti-réfléchissante pour la gamme de longueur d'ondes utilisée. Dans l'application décrite, l'épaisseur est optimisée pour le spectre solaire.
La couche de passivation arrière 17 déposée sur la face arrière du substrat 11 est identique en composition et en épaisseur à la couche 12. La couche arrière 18 produisant un champ de surface est obtenue par dépôt, sur la couche 17, de silicium hydrogéné dont la conductivité, dite deuxième conductivité, est opposée à la conductivité de l'émetteur 14, et dans le cas présent, positive. Le dépôt est fait sur une épaisseur d'environ 300 A. On procède ensuite au dépôt successif sur la couche monocristalline ainsi obtenue, des trois couches constituant l'élément réfléchissant 19. La première couche 20 de cet élément réfléchissant est une couche conductrice transparente qui empêche la lumière provenant de l'intérieur de la cellule d' en ressortir, en la renvoyant dans la cellule à travers les deux jonctions . Cette couche conductrice transparente 20 est composée d'oxyde de zinc (ZnO) et a une épaisseur de 2000 Â. Pour empêcher la lumière de sortir de la cellule, une couche réfléchissante
22, formée par exemple d'argent, est déposée sur une couche d'accrochage 21 obtenue par un dépôt préalable de 15 A environ de titane sur la couche transparente 20. Cette couche réfléchissante 22 joue également le rôle d'élément de contact arrière.
L'utilisation de silicium pour réaliser la couche de passivation arrière permet d'obtenir un contact arrière sans qu'il ne soit nécessaire d'intervenir lors des dépôts , pour supprimer partiellement cette couche de passivation avant le dépôt des couches constituant l'élément réfléchissant. Dans la forme de réalisation décrite, le substrat 11 a une conductivité. Cette conductivité, qui doit être opposée à celle de l'émetteur 14, est une conductivité positive p. 11 est toutefois à noter que l'on peut réaliser une cellule photovoltaïque similaire en inversant toutes les conductivités. Le substrat a alors une conductivité négative, ainsi que la couche microcristalline 18 et l'émetteur 14 a une conductivité positive.
Toutefois, dans d'autres formes de réalisation, le substrat peut être compensé ou intrinsèque.
La figure 2 représente une forme de réalisation dans laquelle le substrat 11' est réalisé dans une matière identique à celle du substrat 11 de la figure 1 , mais comporte des surfaces avant et arrière texturées . Les couches de passivation frontale 12 et arrière
17, l'émetteur 14 et la couche arrière 18 produisant un champ de surface, sont similaires à ceux décrits en référence à la figure 1. Dans cette réalisation, les couches conductrices transparentes avant 15 et arrière 20 ont également une épaisseur uniforme. Ainsi, la surface finale de la cellule terminée est texturée de la même manière que dans la cellule représentée à la figure 1.
La figure 3 représente les étapes du procédé de fabrication d' une cellule photovoltaïque telle que décrite ci-dessus .
Dans une première étape, on place le substrat 11 dans une chambre de dépôt 30, sur un support 31 permettant d'exposer simultanément les deux faces de ce substrat à des dispositifs d'attaque et de dépôt 32.
Le substrat introduit peut avoir subi avant son introduction dans la chambre de dépôt, une attaque chimique selon un procédé connu en soi permettant de retirer les couches de matière qui ont été détériorées lors de son sciage . Il peut également être introduit tel quel. Cependant , dans ce cas là, la première opération à réaliser consiste à retirer la couche détériorée en procédant à une attaque par plasma à une fréquence d' environ 13, 56 MHz sur les deux faces du substrat.
La deuxième étape du procédé est facultative. Elle consiste à attaquer le substrat au moyen d'un plasma à une fréquence comprise entre 1 et 200 MHz. Cette attaque permet d'obtenir la texture des surfaces du substrat. Cette étape n'est bien sûr réalisée que si l'on désire une texturation du substrat et non des couches conductrices transparentes .
Dans la troisième étape, on dépose sur le substrat la couche de passivation frontale en silicium amorphe hydrogéné intrinsèque. Ce dépôt ainsi que les suivants, est réalisé selon le procédé de dépôt par plasma à très haute fréquence tel que décrit dans le brevet européen EP-A-0 263 788, cette fréquence étant de préférence de l'ordre de 70 MHz.
On dépose ensuite successivement la couche microcristalline de silicium hydrogéné servant d'émetteur 14, la couche de passivation arrière de silicium amorphe hydrogéné et la couche arrière 18 produisant un champ de surface.
Une quatrième étape consiste à déposer par un procédé de vaporisation connu en soi, tel qu'un procédé de pulvérisation cathodique à magnétron à une fréquence égale à 13,56 MHz, la couche conductrice transparente avant 15 et les couches formant l'élément réfléchissant 19- Si le substrat est lisse, on déposera des couches conductrices ayant une texturation de surface. Par contre, si le substrat est texture, les couches conductrices seront réalisées de façon à avoir une épaisseur sensiblement uniforme.
Ce procédé a l'avantage de permettre d'effectuer l'ensemble des étapes en continu sans manipulation intermédiaire entre le moment où le substrat est introduit dans la chambre de dépôt, même lorsqu'il y est introduit directement après sciage, et celui où la cellule est terminée. Ceci représente non seulement un gain de temps de fabrication par rapport aux procédés de fabrication conventionnels dans lesquels les substrats doivent être manipulés en cours de fabrication, mais permet également d'utiliser des substrats particulièrement fins tout en diminuant le risque de rupture qui peut se produire lors de ces manipulations .
La cellule photovoltaïque décrite ci-dessus , présente un certain nombre d'avantages par rapport aux cellules de l'art antérieur:
- du fait que le substrat utilisé est particulièrement fin, il ne nécessite que peu de matière pour sa réalisation;
- grâce au fait que tout le procédé de fabrication se déroule à basse température, il n'y a pratiquement pas de diffusion d' impuretés provenant de la chambre de dépôt où se déroulent toutes les étapes de fabrication. Ceci permet d'utiliser un procédé de nettoyage du substrat simple et bon marché, sans modifier le rendement par rapport aux systèmes connus où le nettoyage est plus complexe et plus coûteux . De plus , ce procédé permet de supprimer le risque de pliage du substrat lorsque celui-ci est particulièrement fin et de réduire ainsi le taux de déchets ;
- le substrat peut aussi bien être monocristallin que polycristallin, ou présenter une conductivité négative ou positive donnée, être intrinsèque ou compensé, sans que le procédé de fabrication ne soit modifié . Ceci permet d' utiliser un matériau de base de très mauvaise qualité, donc particulièrement bon marché, sans affecter le rendement final de la cellule;
- l' utilisation du procédé de dépôt par plasma à très haute fréquence connu (procédé VHF à une fréquence sensiblement égale à 70 MHz) permet de diminuer les dommages en surface et proches de la surface dus au bombardement de particules à haute énergie générées par le procédé de dépôt par plasma à une fréquence de 13,56 MHz habituellement utilisé. Le dépôt de l'émetteur et de la couche arrière produisant un champ de surface, donne des couches ayant une énergie d'activation plus faible que celle obtenue en utilisant d'autres procédés . Le comportement de ces couches est alors plus favorable. Le dépôt des couches microcristallines dopées permet d'obtenir une meilleure conductivité qu'en utilisant les procédés de l'art antérieur. Ceci réduit la résistance sérielle de la cellule, ce qui augmente son rendement;
- le fait de réaliser une passivation avant et arrière, permet de diminuer la vitesse de recombinaison en surface des porteurs de charges minoritaires , ce qui aboutit à une tension en circuit ouvert plus élevée, donc à un meilleur rendement;
- le dépôt d' un émetteur en silicium microcristallin réduit l'absorption des longueurs d'onde appartenant au spectre visible par rapport à un émetteur en silicium amorphe dopé;

Claims

REVENDICATIONS
1. Cellule photovoltaïque comportant un substrat semi-conducteur, un émetteur formé d'une couche ayant une première conductivité (p ou n) , une couche de passivation frontale placée entre le substrat et l'émetteur, une couche conductrice transparente avant, une couche de passivation arrière déposée sur la surface arrière du substrat et un élément réfléchissant comportant une couche conductrice transparente arrière, une couche d'accrochage et une couche réfléchissante, caractérisée en ce que la couche de passivation arrière (17) recouvre la totalité de la surface arrière du substrat (11 , 11' ) , et en ce que l'on recouvre ladite couche de passivation d' une couche arrière ( 18) produisant un champ de surface, ayant une deuxième conductivité (n ou p) opposée à ladite première conductivité de l'émetteur.
2. Cellule photovoltaïque selon la revendication 1 , caractérisée en ce que le substrat ( 11 , 11' ) a ladite deuxième conductivité (n ou p) .
3- Cellule photovoltaïque selon la revendication 1 , caractérisée en ce que le substrat ( 11 , 11' ) est intrinsèque.
4. Cellule photovoltaïque selon la revendication 1 , caractérisée en ce que le substrat (11 , 11' ) est compensé.
5. Cellule photovoltaïque selon la revendication 1 , caractérisée en ce que le substrat (11 , 11' ) est en silicium cristallin ou polycristallin et en ce que son épaisseur est comprise entre 50 μm et 150 μm et de préférence sensiblement égale à 80 μm.
6. Cellule photovoltaïque selon la revendication 1 , caractérisée en ce que l' émetteur ( 14) est en silicium microcristallin hydrogéné ou en carbure de silicium hydrogéné.
7. Cellule photovoltaïque selon les revendications 1 et 6, caractérisée en ce que l'émetteur (14) a une épaisseur comprise entre 20 Â et 500 Â et de préférence sensiblement égale à 100 Â.
8. Cellule photovoltaïque selon la revendication 1 , caractérisée en ce que la couche de passivation frontale (12) est en silicium amorphe hydrogéné intrinsèque et en ce que son épaisseur est comprise entre 20 Â et 500 Â et de préférence sensiblement égale à 80 Â.
9. Cellule photovoltaïque selon la revendication 1 , caractérisée en ce que la couche conductrice transparente avant (15) comporte de l'oxyde de zinc (ZnO) et en ce que son épaisseur est comprise entre 500 Â et 5000 Â et de préférence sensiblement égale à 1000 Â.
10. Cellule photovoltaïque selon la revendication 1 , caractérisée en ce que la couche de passivation arrière (17) est en silicium amorphe hydrogéné intrinsèque.
11. Cellule photovoltaïque selon les revendications 1 et 10, caractérisée en ce que la couche de passivation arrière (17) a une épaisseur comprise entre 20 A et 500 Â et de préférence sensiblement égale à 80 Â.
12. Cellule photovoltaïque selon la revendication 1 , caractérisée en ce que la couche arrière (18) produisant un champ de surface est en silicium microcristallin hydrogéné.
13. Cellule photovoltaïque selon les revendications 1 et 12, caractérisée en ce que la couche arrière (18) a une épaisseur comprise entre 100 Â et 1000 Â et de préférence sensiblement égale à 300 A.
14. Cellule photovoltaïque selon la revendication 1 , caractérisée en ce que la couche conductrice transparente arrière (20) est en oxyde de zinc (ZnO) fortement dopé et en ce que son épaisseur est comprise entre 500 A et 5000 Â et de préférence sensiblement égale à 2000 Â.
15. Cellule photovoltaïque selon la revendication 1 , caractérisée en ce que la couche d'accrochage (21) de l'élément réfléchissant (19) est en titane (Ti) et en ce que son épaisseur comprise entre 10 Â et 100 Â et de préférence sensiblement égale à 15 A.
16. Cellule photovoltaïque selon la revendication 1 , caractérisée en ce que la couche réfléchissante (22) de l'élément réfléchissant est en argent et en ce que son épaisseur est sensiblement égale à 2000 À.
17 » Cellule photovoltaïque selon la revendication 1 , caractérisée en ce que les couches conductrices transparentes avant ( 15) et arrière (20) sont texturées et en ce que le substrat ( 11 ) est sensiblement lisse.
18. Cellule photovoltaïque selon la revendication 1 , caractérisée en ce que le substrat ( 11' ) est texture et en ce que les couches conductrices transparentes avant (15) et arrière (20) ont une épaisseur sensiblement uniforme.
19. Procédé de fabrication d'une cellule photovoltaïque selon la revendication 1 , caractérisé en ce que l'on effectue les étapes suivantes : - on place un substrat ( 11 , 11' ) semi-conducteur dans une chambre de dépôt (30) ;
- on dépose successivement par un plasma à une fréquence de dépôt comprise entre 35 et 200 MHz et de préférence sensiblement égale à 70 MHz, une couche de passivation frontale ( 12) , un émetteur ( 14) , une couche de passivation arrière ( 17) et une couche arrière ( 18) produisant un champ de surface;
- on dépose par une méthode de pulvérisation cathodique à magnetron à une fréquence radio comprise entre 1 et 100 MHz et de préférence sensiblement égale à 13,56 MHz, une couche conductrice transparente avant ( 15) et une couche conductrice transparente arrière (20) ; et
- on dépose sur la couche conductrice transparente arrière (20) , une couche d'accrochage (21) et une couche réfléchissante (22) .
20. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce que ledit substrat ( 11 , 11' ) , qui est placé dans la chambre de dépôt (30) , a subi une attaque chimique.
21. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce que ledit substrat ( 11 , 11' ) , qui est placé dans la chambre de dépôt (30) , est un substrat brut tel qu'obtenu après sciage, et en ce que l'on attaque la surface frontale et la surface arrière dudit substrat au moyen d'un plasma à un fréquence comprise entre 1 et 200 MHz et de préférence sensiblement égale à 70 MHz.
22. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce que l'on dépose sur un substrat ( 11) sensiblement lisse, une couche conductrice transparente (15, 20) texturée.
23. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce que l'on attaque le substrat ( 11 , 11' ) par un plasma à une fréquence comprise entre 1 et 200 MHz et en ce que l'on dépose sur le substrat (11' ) texture obtenu, des couches d'épaisseur sensiblement uniforme.
24- Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce que l'on effectue l'ensemble des opérations à une température comprise entre 20°C et 600°C et de préférence comprise entre 150°C et 300°C.
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