Énergie solaire photovoltaïque
Semaine 13 : Fabrication des cellules et modules photovoltaïques
Guidance

Classiquement, on part d'une substrat (une tranche) de silicium cristallin pour fabriquer une cellule solaire. Le coût de fabrication des substrats représente 40 à 50% des coûts finaux de production des modules. La fabrication des cellules représente pour sa part 15 à 20% de ces coûts finaux. Elle nécessite une succession de plusieurs opérations avant d'arriver à une cellule ayant la structure ci-dessous.

Dans une production courante, les étapes suivantes sont normalement effectuées

D'autres opérations peuvent être effectuées pour les applications où le coût de production est moins critique (spatial...). Nous nous contenterons ici des opérations courantes.

Élimination des dégats de découpe

Le silicium situé à la surface du substrat est très endommagé lors de l'opération de coupe. Pour cette raison, on commence par enlèver par attaque chimique plusieurs dizaines de microns de chaque côté du substrat. Ce décapage s'effectue dans une solution aqueuse à 20-30% de soude ou de potasse caustique, à une température de l'ordre de 90°C.

Texturation de la surface

Après élimination des dégats de coupe, la surface du substrat ressemble à un miroir (elle réfléchit plus de 35% de la lumière incidente). Afin de limiter cette réflexion, on rend la surface moins lisse, soit par un procédé chimique, soit par un procédé mécanique. De cette façon, la lumière qui a été réfléchie a une deuxième chance de frapper la surface de la cellule, voir une troisième ...

Le procédé chimique consiste en un décapage moins énergique que celui utilisé pour éliminer les dégats de coupe. On utilise cette fois une solution aqueuse de soude et de potasse caustique à 2% , à une température de 70-80°C. Le résultat est le dégagement sur la surface de structures pyramidales réparties aléatoirement.
Dans le cas du silicium monocristallin, la surface du substrat étant orientée constamment dans la direction cristallographique <100>, le procédé chimique fournit un résultat isotrope et uniforme. Le procédé chimique est moins efficace dans le cas du silicium polycristallin en raison de l'orientation multiple des grains.

Une autre possibilité, meilleure d'un point de vue optique, consiste à réaliser des sillons en V , ce qui peut s'obtenir à l'aide d'une scie à lame biseautée.

Formation de l'émetteur

Le matériau de départ étant normalement de type p (silicium dopé bore), la jonction p-n est formée par diffusion d'une impureté de type n, normalement du phosphore. Ceci nécessite une température d'au moins 900°C. La figure ci-dessous schématise un four à diffusion.

Pendant la diffusion, le four est traversé par un courant d'un gaz inerte (azote). A la figure ci-dessus, on voit qu'une partie de l'azote barbotte, avant son entrée dans le four, dans un liquide chaud, du POCl₃, afin d'en emporter des vapeurs. Celles-ci apportent à la surface des substrats le phosphore utilisé pour le dopage. En fait, la source du dopage peut aussi être un gaz (P₂H₂), un solide (P₂O₅). On peut aussi avant de le porter à haute température déposer à la surface du substrat un composé riche en phosphore, ce qui peut se faire par une multitude de techniques (sérigraphie, vaporisation, condensation d'une vapeur...).

L'épaisseur de l'émetteur est le résultat d'un compromis entre :

• le fait qu'il doit être assez mince pour laisser la lumière pénétrer jusqu'à la jonction p-n,
• le fait qu'il doit être assez épais pour que l'on puisse y attacher les contacts métalliques
• le fait que la concentration de phosphore en surface doit être élevé pour obtenir un bon contact électrique avec les métallisation, du moins si celles-ci sont réalisées par sérigraphie (voir description plus loin)

L'épaisseur de l'émetteur dépend donc de la technique choisie pour réaliser les contacts. Sa valeur est de quelques dizaines de microns. Si la technique de réalisation des contacts métalliques impose un émetteur épais (c'est le cas si la métallisation est faite par sérigraphie), la sanction serait logiquement une mauvaise conversion de la lumière bleue ( une faible réponse bleue). Pour obtenir une bonne réponse bleue malgré une technique de métallisation qui pénètre profondément dans l'émetteur, il faut réaliser un émetteur d'épaisseur variable, mince loin des métallisations mais épais au voisinage de celles-ci. Ceci va de pair avec l'objectif d'avoir une forte concentration de phosphore à la surface à l'endroit des métallisations.

Passivation

Pour séparer le semi-conducteur l'air ambiant, la solution la plus simple est d'oxyder sa surface, ce qui peut se faire à chaud en introduisant de l'oxygène dans le four utilisé pour la diffusion. La couche d'oxyde doit rester mince pour ne pas gêner le passage de la lumiére. Une épaisseur de 6 à 15 microns est un bon compromis.

Couche anti-reflet

Le fait que la surface du silicium cristallin soit réfléchissante provient de la différence entre l'indice de réfraction du silicium cristallin ( 4 ) et celui du milieu extérieur ( 1 pour l'air, 2 pour l'EVA , matière plastique utilis´e pour la fabrication des modules). On peut réduire la réflexion en déposant à la surface des cellules une couche transparente ayant un indice de réfraction moyen (idéalement, égal à la moyenne géométrique entre les indices du silicium et du milieu extérieur).

La couche anti-reflet est souvent constituée d'un oxyde de titane, qui peut être déposé par différentes techniques (vaporisation, pulvérisation...).

La couche anti-reflet peut aussi être constituée d'un nitrure de silicium.

Création d'une jonction P-P⁺ à l'arrière

La diffusion des porteurs photogénérés n'est pas limitée à la jonction p-n : elle s'étend aussi au voisinage de la jonction. Si la jonction est trop proche de la face arrière, les porteurs des deux signes pourraient atteindre cette surface et s'y recombiner. Pour éviter cela, on peut réaliser à l'arrière de la cellule une jonction p-p⁺. Le champ électrique de cette jonction repousse alors les porteurs et les empêche de se recombiner sur la face arrière.

Pour réaliser cette jonction, on peut effectuer un dépôt de pâte d'aluminium par sérigraphie suivi d'un alliage. Une autre solution est une diffusion de bore.

Pose des contacts métalliques

Les contacts métalliques doivent occuper une place minimum (pour ne pas trop masquer la cellule), être en bon contact électrique avec l'émetteur, mais sans le traverser, et avoir aussi une section suffisante pour ne pas occasionner trop de pertes ohmiques (avoir une résistance électrique faible).

Le choix de la technique est lié au choix du profil de l'émetteur, de la méthode de passivation et de la couche anti-reflet.

Une première technique consiste en une électrodéposition de nickel, de cuivre et d'argent dans des sillons creusés au laser. Comme la hauteur des pistes ainsi obtenues peut être grande, la largeur des pistes peut être réduite à 20 ou 25 microns. Malheureusement, la gravure laser est coûteuse et il faut gérer des sels de nickel et de cuivre potentiellement dangereux pour l'environnement.

La technique de la sérigraphie est plus fréquente car elle est plus facile à automatiser. Le tamis comporte une émulsion dans laquelle on constitue des ouvertures par photolithographie. Au cours de la sérigraphie, une pâte d'argent est pressée à l'aide d'une racle au travers de ces ouvertures et atteint ainsi la cellule en cours de fabrication. La pâte doit ensuite être frittée. Pendant cette opération, le métal diffuse dans l'émetteur, ce qui assure un bon contact, mais impose que ce dernier soit suffisamment épais pour ne pas être percé, du moins à proximité des métallisations. Un autre inconvénient de cette technique est que la métallisation est poreuse, donc moins bonne conductrice du courant électrique qu'un métal plein.

Avec cette technique, on peut maintenant réaliser des largeurs de ligne de 50 à 100 microns. Le coefficient de remplissage atteint 78%.

Dernière mise à jour le 11-05-2005