EP4441799A1 - Procede de passivation - Google Patents
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- EP4441799A1 EP4441799A1 EP22821485.4A EP22821485A EP4441799A1 EP 4441799 A1 EP4441799 A1 EP 4441799A1 EP 22821485 A EP22821485 A EP 22821485A EP 4441799 A1 EP4441799 A1 EP 4441799A1
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Classifications
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- H01L31/02167—
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- H01L31/1864—
Definitions
- the invention relates to the technical field of surface passivation of a substrate based on crystalline silicon.
- the invention finds its application in particular in the manufacture of photovoltaic cells, and in particular of silicon-based photovoltaic cells.
- Surface passivation is a major issue in the photovoltaic sector. It makes it possible to limit the recombinations between the minority and majority carriers, and therefore to increase the number of carriers collected, which results in a significant improvement in efficiency.
- first and second layers of polysilicon formed respectively on the first and second oxide films, and respectively comprising phosphorus atoms and boron atoms.
- the “polysilicon layer on oxide film” stacking makes it possible to obtain good passivation of the surfaces of the substrate. Indeed, the oxide films make it possible to fill the dangling bonds on the surfaces of the substrate, which makes it possible to obtain a chemical passivation of the surfaces. The oxide films also act as a barrier against the diffusion of phosphorus atoms and boron atoms from the corresponding polysilicon layer towards the substrate. The oxide films therefore make it possible to maintain sufficient doping of the polysilicon layers with phosphorus and boron atoms in order to obtain a good quality electrical contact.
- the optimum electrical activation temperature of the boron atoms is strictly higher than the electrical activation temperature of the phosphorus atoms.
- the optimum electrical activation temperature of the boron atoms can be of the order of 950° C.
- the temperature electrical activation of the phosphorus atoms can be of the order of 875°C when the polysilicon layers have a thickness of 15 nm, the oxide films have a thickness of 1.5 nm and the boron/phosphorus atoms are implanted using a plasma immersion ion implantation technique.
- the subject of the invention is a passivation process, comprising the successive steps: a) providing a structure comprising:
- composition closer to the stoichiometric compound c) forming first and second layers of polysilicon, respectively on the first and second oxide films, and respectively comprising phosphorus atoms and boron atoms having respectively first and second electrical activation temperatures, the second temperature d the electrical activation being strictly greater than the first electrical activation temperature; d) applying a heat treatment to the assembly comprising the structure and the first and second layers of polysilicon, the heat treatment being applied at a temperature greater than or equal to the second electrical activation temperature so as to electrically activate the phosphorus atoms and boron atoms concomitantly.
- step b) makes it possible, thanks to step b), to electrically activate the phosphorus atoms and the boron atoms simultaneously during step d), while preventing an excessive diffusion of the atoms of phosphorus out of the first layer of polysilicon during step d).
- the UV-ozone treatment applied during stage b) allows, by increasing the thickness and/or modifying the composition (closer to a stoichiometric composition compared to the composition of stage a)) of the first oxide film, to improve the blocking of the diffusion of phosphorus atoms from the first layer of polysilicon towards the substrate during step d).
- the method according to the invention may comprise one or more of the following characteristics.
- step a) comprises the steps: ai) providing a substrate based on crystalline silicon, having first and second opposite surfaces; a 2 ) chemically treating the first and second surfaces of the substrate using an oxidizing agent so as to form the first and second oxide films.
- an advantage obtained is to take advantage of a chemical treatment (for example for cleaning the first and second surfaces) to form the first and second oxide films.
- step a) comprises the steps: ar) providing a substrate based on crystalline silicon, having first and second opposite surfaces; a 2 >) heat treating the first and second surfaces of the substrate so as to form the first and second oxide films of the thermal oxide type.
- an advantage obtained is to be able to form the first and second thermal oxide films in the same industrial frame as that for forming the first and second layers of polysilicon, the industrial frame being for example suitable for chemical vapor deposition at low pressure (LPCVD for "Low Pressure Chemical Vapor Deposition" in English).
- step a) comprises the steps: a1») providing a substrate based on crystalline silicon, having first and second opposite surfaces; a?') chemically treating the first and second surfaces of the substrate with an oxidizing agent so as to form a first part of the first and second oxide films; as”) heat treating the first and second oxidized surfaces of the substrate so as to form a second part of the first and second oxide films.
- the industrial frame being for example suitable for low pressure chemical vapor deposition (LPCVD for “Low Pressure Chemical Vapor Deposition” in English).
- LPCVD low Pressure Chemical Vapor Deposition
- step a) is carried out so that the first and second oxide films are of the tunnel oxide type.
- an advantage obtained is to ensure a role of diffusion barrier to the phosphorus atoms and to the boron atoms, while allowing the circulation of an electric current within it advantageously by tunnel effect.
- the invention also relates to a passivation process, comprising the successive steps: a′) providing a substrate based on crystalline silicon, having first and second opposite surfaces; b) applying ultraviolet radiation to the substrate, under an ozone atmosphere, so as to form first and second oxide films, respectively on the first and second surfaces of the substrate; the first oxide film having: - a thickness strictly greater than that of the second oxide film, and/or
- first and second layers of polysilicon respectively on the first and second oxide films, and respectively comprising phosphorus atoms and boron atoms having respectively first and second electrical activation temperatures, the second temperature d the electrical activation being strictly greater than the first electrical activation temperature; d) applying a heat treatment to the assembly comprising the substrate, the first and second oxide films, and the first and second layers of polysilicon, the heat treatment being applied at a temperature greater than or equal to the second activation temperature electric so as to electrically activate the phosphorus atoms and the boron atoms concomitantly.
- step b) makes it possible, thanks to step b), to electrically activate the phosphorus atoms and the boron atoms simultaneously during step d), while preventing an excessive diffusion of the atoms of phosphorus out of the first layer of polysilicon during step d).
- the UV-ozone treatment applied during state b) makes it possible to form a first oxide film:
- Such a UV-ozone treatment thereby makes it possible to improve the blocking of the diffusion of phosphorus atoms from the first layer of polysilicon towards the substrate during step d).
- the thickness obtained from the first oxide film (greater than that of the second oxide film) and/or the composition obtained from the first oxide film (tending towards the stoichiometric compound) improve its quality as a barrier of diffusion for the phosphorus atoms, this diffusion barrier then being able to withstand a temperature greater than or equal to the electrical activation temperature of the boron atoms.
- step b) is performed so that the first and second oxide films are of the tunnel oxide type.
- an advantage obtained is to ensure a role of diffusion barrier to the phosphorus atoms and to the boron atoms, while allowing the circulation of an electric current within it advantageously by tunnel effect.
- the ultraviolet radiation applied during step b), under the ozone atmosphere is adapted so that the thickness and/or the composition of the first oxide film obtained at the end of step b) limit the diffusion of phosphorus atoms in the substrate during step d).
- an advantage obtained is to improve the performance of the photovoltaic cell.
- the ultraviolet radiation is applied during step b), under the ozone atmosphere, according to a surface power density of between 28 W/cm 2 and 32 W/cm 2 .
- ultraviolet radiation is applied during step b), under the ozone atmosphere, at a wavelength comprised in the absorption band of ozone, preferably comprised between 250 nm and 255 nm.
- an advantage obtained is to improve the effectiveness of the UV-ozone treatment.
- the temperature at which the heat treatment is applied during step d) is between 950°C and 1050°C.
- an advantage obtained is to be able to electrically activate the phosphorus atoms and the boron atoms simultaneously.
- step c) comprises the steps: ci) forming the first and second layers of polysilicon, respectively on the first and second oxide films;
- step c) is carried out so that the phosphorus atoms and the boron atoms have a volume density greater than 10 20 at./cm 3 at the end of step d). .
- an advantage obtained is to create a strong field effect conducive to good passivation of the surfaces of the substrate, as well as to form an electrical contact zone of good quality.
- the method comprises a step e) consisting in forming first and second layers of transparent conductive oxide, respectively on the first and second layers of polysilicon, step e) being carried out after step d).
- a step e) consisting in forming first and second layers of transparent conductive oxide, respectively on the first and second layers of polysilicon, step e) being carried out after step d).
- the method comprises a step f) consisting in forming electrodes on the first and second layers of conductive transparent oxide.
- passivation is meant the neutralization of electrically active defects on the surfaces of the substrate.
- a surface of a crystalline silicon substrate has a density of defects (e.g. dangling bonds, impurities, discontinuity of the crystal, etc.) which can lead to significant losses related to surface recombination of carriers in the case of a photovoltaic application.
- substrate we mean the mechanical support, self-supporting, intended for the manufacture of a photovoltaic cell.
- the substrate can be a wafer cut from a crystalline silicon ingot.
- Crystalstalline means the multicrystalline form or the monocrystalline form of silicon, thus excluding amorphous silicon.
- crystalline silicon is the main and majority material making up the substrate.
- the ultraviolet radiation can be applied to all or part of the structure, i.e.: either on one side of the structure only (the side defined by the first surface of the substrate), the side defined by the second surface of the substrate not being exposed to ultraviolet radiation; either successively on both sides of the structure.
- Thickness means the dimension extending along the normal to the first surface (or to the second surface) of the substrate.
- composition we mean the atomic composition of an oxide film.
- stoichiometric compound is meant a compound having an atomic composition having stoichiometric proportions.
- silicon dioxide SiO 2 is a stoichiometric compound, having an atomic composition presenting proportions stoichiometric
- silicon oxide SiCh x is a non-stoichiometric compound, having an atomic composition exhibiting non-stoichiometric proportions, “x” being the deviation from stoichiometry with x>0 or x ⁇ 0.
- atomic proportions of the oxide film obtained at the end of step b) are closer to the stoichiometric proportions of the stoichiometric compound with regard to the initial atomic proportions of the oxide film provided during step a).
- the atomic proportions of the oxide film obtained at the end of step b) can tend towards the stoichiometric proportions of the stoichiometric compound.
- sending towards or “tending towards”, it is meant that the atomic proportions of the oxide film obtained at the end of step b) are sufficiently close to the stoichiometric proportions of the stoichiometric compound (i.e. reduction in the absolute value of the deviation “x” from the stoichiometry) to consider that the oxide film behaves like a stoichiometric oxide film.
- polysilicon also designates polycrystalline silicon.
- tunnel oxide film an oxide film thin enough to allow the circulation of an electric current within it, advantageously by tunnel effect.
- transparent conductive oxide TCO for "Transparent Conductive Oxide” in English
- transparent conductive oxide an oxide transparent in all or part of the solar spectrum, and electrically conductive.
- the conductive transparent oxide may have a transmittance greater than or equal to 60% (preferably greater than or equal to 80%) on the spectrum [300 nm, 900 nm],
- electrical activation we mean a supply of energy of a thermal nature to cause the migration of dopants (phosphorus/boron atoms) to substitutional sites in which they are likely to generate carriers.
- Figure 3 are schematic sectional views, illustrating steps of a third embodiment of a method according to the invention.
- Figure 4 (4a to 4f) are schematic sectional views, illustrating steps of a fourth mode of implementation of a method according to the invention.
- Figure 5 are schematic sectional views, illustrating steps of a fifth embodiment of a method according to the invention.
- the first and second oxide films will bear the references “2" and “3” respectively before step b).
- the first and second oxide films will bear the references “2'” and “3'” respectively if the corresponding oxide film has been modified or created by UV-ozone treatment at the end of step b).
- an object of the invention is a passivation process, comprising the successive steps: a) providing a structure comprising:
- step a) applying ultraviolet radiation to the structure, under an ozone atmosphere, so that the first oxide film 2' has:
- step b) a composition closer to the stoichiometric compound;
- step b) the situation at the end of step b) is illustrated in FIGS. 1d, 2d, 3c, 4c;
- c) forming first and second layers of polysilicon 4, 5, respectively on the first and second oxide films 2', 3; 2', 3', and respectively comprising phosphorus atoms and boron atoms respectively having first and second electrical activation temperatures, the second electrical activation temperature being strictly greater than the first electrical activation temperature;
- the situation at the end of step c) is illustrated in Figures 1c, 2e, 3d, 4d, 5d;
- the substrate 1 of the structure provided during step a) is advantageously n-type doped.
- the first and second surfaces 10, 11 of the substrate 1 may be intended to be exposed to light radiation so as to form a bifacial architecture.
- Step a) is advantageously carried out so that the first and second surfaces 10, 11 of the substrate 1 are textured in order to reduce the reflection coefficient and the optical losses in the photovoltaic cell.
- the first and second surfaces 10, 11 of the substrate 1 preferably comprise inverted pyramid patterns, arranged to create a surface roughness. Texturing is preferably carried out by a chemical attack based on potassium hydroxide KOH.
- the substrate 1 can have a thickness of the order of 150
- Step a) is advantageously carried out so that the first and second oxide films 2, 3 are of tunnel oxide type.
- Step a) is advantageously carried out so that the first and second tunnel oxide films 2, 3 have a thickness less than or equal to 3 nm, preferably less than or equal to 2 nm.
- the first and second oxide films 2, 3 are advantageously silicon oxides.
- silicon oxide is meant a compound of formula SiCLx.
- step a) comprises the steps: ai) providing a substrate 1 based on crystalline silicon, having first and second surfaces 10, 11 opposite each other; step ai) is illustrated in Figures 2a and 3a; a 2 ) chemically treating the first and second surfaces 10, 11 of the substrate 1 using an oxidizing agent so as to form the first and second oxide films 2, 3; step a 2 ) is illustrated in FIGS. 2b and 3b.
- Step a 2 can include the steps: a2o) applying a solution of hydrofluoric acid HF to the first and second surfaces 10, 11 of the substrate 1 in order to deoxidize them; a 2 i) rinsing the first and second surfaces 10, 11 of the substrate 1 with deionized water to reoxidize them.
- step a) comprises the steps: a r ) providing a substrate 1 based on crystalline silicon, having first and second surfaces 10, 11 opposite each other; step ar) is illustrated in FIG. 4a; a?) heat treating the first and second surfaces 10, 11 of the substrate 1 so as to form the first and second oxide films 2, 3 of the thermal oxide type; step a?) is illustrated in Figure 4b.
- step a?) can be carried out at a temperature of 580°C.
- step a) comprises the steps: a1») providing a substrate 1 based on crystalline silicon, having first and second surfaces 10, 11 opposite each other; step ai”) is illustrated in FIG. a 2 ”) chemically treating the first and second surfaces 10, 11 of the substrate 1 with an oxidizing agent so as to form a first part 2a, 3a of the first and second oxide films 2, 3; step a 2 ”) is shown in Figure 1b; a 3 ”) heat treating the first and second oxidized surfaces 10, 11 of the substrate 1 so as to form a second part 2b, 3b of the first and second oxide films 2, 3; step a 3 ”) is shown in figure le.
- Step a 2 can comprise the steps: a 2 o”) applying a solution of hydrofluoric acid HF to the first and second surfaces 10, 11 of the substrate 1 in order to deoxidize them; a 2 i”) rinse the first and second surfaces 10, 11 of the substrate 1 with deionized water to reoxidize them.
- step a 3 can be performed at a temperature of 580°C.
- step b) consists in applying ultraviolet radiation, under the ozone atmosphere, to a single side of the structure, in this case the side defined by the first surface 10 of the substrate 1 where the phosphorus atoms will be present during step c).
- the first oxide film 2 obtained at the end of step b) is referenced "2'".
- the ultraviolet radiation is applied under the ozone atmosphere, so that the first oxide film 2' has, at the end of step b):
- step b) comprises the steps: bi) applying a first ultraviolet radiation, under the ozone atmosphere, on the side of the structure defined by the second surface 11 of the substrate 1, so as to increase the thickness and/or modify the composition of the second oxide film 3; step bi) is illustrated in Figure 2c; the second oxide film 3 obtained at the end of step bi) is referenced "3'"; b2) applying a second ultraviolet radiation, under the ozone atmosphere, on the side of the structure defined by the first surface 10 of the substrate 1, so as to increase the thickness and/or modify the composition of the first oxide film 2; step b2) is illustrated in Figure 2d; the first oxide film 2 obtained at the end of step bi) is referenced "2'".
- step b2) Ultraviolet radiation is applied during step b2) under the ozone atmosphere, so that the first oxide film 2' has, at the end of step b2):
- those skilled in the art may in particular increase the duration of exposure to ultraviolet radiation during step b2) compared to step bi), for a given surface power density of ultraviolet radiation.
- Steps bi) and b2) are not concomitant but successive. It should be noted that steps bi) and b2) can be reversed.
- an object of the invention is a passivation process, comprising the successive steps: a′) providing a substrate 1 based on crystalline silicon, having first and second surfaces 10, 11 opposite each other; step a′) is illustrated in FIG. 5a; b) applying ultraviolet radiation to the substrate 1, under an ozone atmosphere, so as to form first and second oxide films 2', 3', respectively on the first and second surfaces 10, 11 of the substrate 1; the first oxide film 2' having:
- step b) is illustrated in Figures 5b and 5c; c) forming first and second layers of polysilicon 4, 5, respectively on the first and second oxide films 2', 3', and comprising respectively phosphorus atoms and boron atoms having respectively first and second temperatures d electrical activation, the second electrical activation temperature being strictly greater than the first electrical activation temperature; the situation at the end of step c) is illustrated in Figure 5d; d) applying a heat treatment to the assembly comprising the substrate 1, the first and second oxide films 2', 3', and the first and second polysilicon layers 4, 5, the heat treatment being applied at a higher temperature or equal to the second electrical activation temperature so as to electrically activate the phosphorus atoms and the boron atoms concomitantly.
- the substrate 1 provided during step a′) is advantageously n-type doped.
- the first and second surfaces 10, 11 of the substrate 1 may be intended to be exposed to light radiation so as to form a bifacial architecture.
- Step a′) is advantageously carried out so that the first and second surfaces 10, 11 of the substrate 1 are textured in order to reduce the reflection coefficient and the optical losses in the photovoltaic cell.
- the first and second surfaces 10, 11 of the substrate 1 preferably comprise inverted pyramid patterns, arranged to create a surface roughness. Texturing is preferably carried out by a chemical attack based on potassium hydroxide KOH.
- the substrate 1 can have a thickness of the order of 150
- Step b) is advantageously carried out so that the first and second oxide films 2', 3' are of tunnel oxide type.
- Step b) is advantageously carried out so that the first and second oxide films 2', 3' tunnel have a thickness less than or equal to 3 nm, preferably less than or equal to 2 nm.
- the first and second oxide films 2', 3' are advantageously silicon oxides.
- silicon oxide is meant a compound of formula SiO 2-x .
- Step b) may include the steps: bi) applying a first ultraviolet radiation, under the ozone atmosphere, on the side of the second surface 11 of the substrate 1, so as to form the second oxide film 3'; step bi) is illustrated in Figure 5b; b 2 ) applying a second ultraviolet radiation, under the ozone atmosphere, on the side of the first surface 10 of the substrate 1, so as to form the first oxide film 2'; step b 2 ) is illustrated in FIG. 5c.
- step b 2 Ultraviolet radiation is applied during step b 2 ) under the ozone atmosphere, so that the first oxide film 2' has, at the end of step b 2 ):
- Steps bi) and b 2 ) are not concomitant but successive. It should be noted that steps bi) and b 2 ) can be reversed.
- the ultraviolet radiation applied during step b), under the ozone atmosphere is advantageously adapted so that the thickness and/or the composition of the first oxide film 2' obtained at the end of step b) limit the diffusion of phosphorus atoms in the substrate during step d).
- the ultraviolet radiation is advantageously applied during step b), under the ozone atmosphere, according to a surface power density of between 28 W/cm 2 and 32 W/cm 2 .
- Ultraviolet radiation is advantageously applied during step b), under the ozone atmosphere, at a wavelength comprised in the ozone absorption band, preferably comprised between 250 nm and 255 nm.
- Step c) advantageously comprises the steps: ci) forming the first and second polysilicon layers 4, 5, respectively on the first and second oxide films 2', 3; 2', 3'; c 2 ) implanting the phosphorus atoms and the boron atoms, respectively in the first and second layers of polysilicon 4, 5, preferably by an ion implantation technique by plasma immersion.
- step c 2 When step c 2 ) is performed by an ion implantation technique by plasma immersion, the implantation of the phosphorus atoms is preferably carried out under an atmosphere comprising phosphine PH 3 , while the implantation of the boron atoms is preferably carried out under an atmosphere comprising diborane B 2 H 6 .
- Step c) is advantageously carried out so that the phosphorus atoms and the boron atoms, respectively implanted in the first and second polysilicon layers 4, 5, have a volume density greater than 10 20 at./cm 3 at the at the end of step d), that is to say after electrical activation.
- Step c) is advantageously carried out so that the first and second layers of polysilicon 4, 5 have a thickness comprised between 10 nm and 200 nm, preferably comprised between 10 nm and 15 nm.
- Step c) can be performed by depositing first and second layers of amorphous silicon, respectively on the first and second oxide films 2′, 3; 3′, for example by low-pressure chemical vapor deposition (LPCVD for “Eow Pressure Chemical Vapor Deposition” in English), or by plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD for Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition” in English).
- LPCVD low-pressure chemical vapor deposition
- PECVD plasma-enhanced chemical vapor deposition
- step d) the phosphorus atoms and the boron atoms can be implanted respectively in the first and second layers of amorphous silicon, for example by an ion implantation technique by plasma immersion.
- the heat treatment of step d) is suitable for crystallizing the first and second layers of amorphous silicon so as to obtain first and second layers of polysilicon 4.5.
- thermal annealing we mean a heat treatment comprising: - a phase of gradual rise in temperature (rise ramp) until reaching a temperature called the annealing temperature,
- the temperature (annealing temperature) at which the heat treatment is applied during step d) is advantageously between 950°C and 1050°C.
- the annealing time may be of the order of 30 minutes.
- the thermal annealing applied during step d) is global thermal annealing in the sense that it is applied to the assembly comprising the substrate 1, the first and second oxide films 2, 3; 3', the first and second layers of polysilicon 4, 5. It is therefore not a matter of localized thermal annealing applied to part of said assembly, for example using a laser.
- Step d) is preferably carried out in an oven.
- Step d) can be carried out under an oxidizing atmosphere or under a neutral atmosphere.
- the oxidizing atmosphere may comprise a mixture of oxygen and an inert gas chosen from argon and nitrogen.
- the method advantageously comprises a step e) consisting in forming first and second layers of transparent conductive oxide 6, 7, respectively on the first and second layers of polysilicon 4, 5, step e) being performed after step d).
- the first and second layers of transparent conductive oxide 6, 7 are advantageously made of a material chosen from CuO, NiO, TiO, a fluorine oxide doped with tin, indium-tin oxide, oxide of tin SnO 2 , zinc oxide ZnO; SnO 2 and ZnO preferably being doped with fluorine and aluminum respectively.
- the method advantageously comprises a step f) consisting in forming electrodes E on the first and second layers of transparent conductive oxide 6, 7. More precisely, step f ) can consist of forming at least one electrode E on the first transparent conductive oxide layer 6, and at least one electrode E on the second transparent conductive oxide layer 7.
- Step f) advantageously comprises a metallization step, preferably executed by serigraphy.
- Each electrode E is preferably made of silver and/or aluminum. The invention is not limited to the disclosed embodiments. A person skilled in the art is able to consider their technically effective combinations, and to substitute equivalents for them.
Landscapes
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Abstract
Procédé de passivation, comportant les étapes successives : a) prévoir une structure comportant : - un substrat (1) à base de silicium cristallin, présentant des première et seconde surfaces (10, 11) opposées; - des premier et second films d'oxyde (2, 3); b) appliquer un rayonnement ultraviolet à la structure, sous une atmosphère d'ozone, de sorte que le premier film d'oxyde (2') présente : - une épaisseur strictement supérieure à celle du second film d'oxyde (3), et/ou - une composition plus proche du composé stœchiométrique; c) former des première et seconde couches de polysilicium (4, 5), respectivement sur les premier et second films d'oxyde (2', 3), et comprenant respectivement des atomes de phosphore et des atomes de bore; d) appliquer un traitement thermique à une température supérieure ou égale à la température d'activation électrique des atomes de bore de manière à activer électriquement les atomes de phosphore et les atomes de bore de façon concomitante.
Description
PROCEDE DE PASSIVATION
Domaine technique
L’invention se rapporte au domaine technique de la passivation de surfaces d’un substrat à base de silicium cristallin.
L’invention trouve notamment son application dans la fabrication de cellules photovoltaïques, et en particulier de cellules photovoltaïques à base de silicium. La passivation des surfaces est un enjeu majeur du secteur photovoltaïque. Elle permet de limiter les recombinaisons entre les porteurs minoritaires et majoritaires, et donc d’augmenter le nombre de porteurs collectés, ce qui se traduit par une amélioration significative de l’efficacité.
État de l’art
Une cellule photovoltaïque connue de l’état de la technique comporte :
- un substrat à base de silicium cristallin, présentant des première et seconde surfaces opposées ;
- des premier et second films d’oxyde, formés respectivement sur les première et seconde surfaces du substrat ;
- des première et seconde couches de polysilicium, formées respectivement sur les premier et second films d’oxyde, et comprenant respectivement des atomes de phosphore et des atomes de bore.
L’empilement « couche de polysilicium sur film d’oxyde » permet d’obtenir une bonne passivation des surfaces du substrat. En effet, les films d’oxyde permettent de combler les liaisons pendantes aux surfaces du substrat, ce qui permet d’obtenir une passivation chimique des surfaces. Les films d’oxyde assurent également un rôle de barrière contre la diffusion des atomes de phosphore et des atomes de bore de la couche de polysilicium correspondante vers le substrat. Les films d’oxyde permettent donc de conserver un dopage suffisant des couches de polysilicium en atomes de phosphore et de bore afin d’obtenir un contact électrique de bonne qualité.
Cependant, la passivation des surfaces du substrat requiert une activation électrique des atomes de phosphore et des atomes de bore. Or, la température d’activation électrique optimale des atomes de bore est strictement supérieure à la température d’activation électrique des atomes de phosphore. A titre d'exemple illustratif, la température d’activation électrique optimale des atomes de bore peut être de l’ordre de 950°C, et la température
d’activation électrique des atomes de phosphore peut être de l’ordre de 875°C lorsque les couches de polysilicium présentent une épaisseur de 15 nm, les films d’oxyde présentent une épaisseur de 1,5 nm et les atomes de bore/phosphore sont implantés par une technique d’implantation ionique par immersion plasma. L’application d’un traitement thermique à une température supérieure ou égale à la température d’activation électrique des atomes de bore peut conduire alors à une diffusion excessive des atomes de phosphore hors de la couche de polysilicium, pouvant entraîner une dégradation importante des performances de la cellule photovoltaïque.
Une solution pourrait consister à appliquer deux traitements thermiques successifs pour activer électriquement séparément les atomes de phosphore et les atomes de bore de manière optimale. Cette solution n’est pas satisfaisante d’un point de vue industriel en raison d’une augmentation significative du temps d’opération.
L’homme du métier recherche donc l’application d’un unique traitement thermique pour activer électriquement les atomes de bore et les atomes de phosphore simultanément, tout en évitant une diffusion excessive des atomes de phosphore dégradant les performances de la cellule photovoltaïque.
Exposé de l’invention
L’invention vise à remédier en tout ou partie aux inconvénients précités. A cet effet, l’invention a pour objet un procédé de passivation, comportant les étapes successives : a) prévoir une structure comportant :
- un substrat à base de silicium cristallin, présentant des première et seconde surfaces opposées ;
- des premier et second films d’oxyde, formés respectivement sur les première et seconde surfaces du substrat ; b) appliquer un rayonnement ultraviolet à la structure, sous une atmosphère d’ozone, de sorte que le premier film d’oxyde présente :
- une épaisseur strictement supérieure à celle du second film d’oxyde, et/ou
- une composition plus proche du composé stoechiométrique ; c) former des première et seconde couches de polysilicium, respectivement sur les premier et second films d’oxyde, et comprenant respectivement des atomes de phosphore et des atomes de bore possédant respectivement des première et seconde températures d’activation électrique, la seconde température d’activation électrique étant strictement supérieure à la première température d’activation électrique ;
d) appliquer un traitement thermique à l’ensemble comportant la structure et les première et seconde couches de polysilicium, le traitement thermique étant appliqué à une température supérieure ou égale à la seconde température d’activation électrique de manière à activer électriquement les atomes de phosphore et les atomes de bore de façon concomitante.
Ainsi, un tel procédé selon l’invention permet, grâce à l’étape b), d’activer électriquement les atomes de phosphore et les atomes de bore simultanément lors de l’étape d), tout en empêchant une diffusion excessive des atomes de phosphore hors de la première couche de polysilicium lors de l’étape d). En effet, le traitement UV-ozone appliqué lors de l’état b) permet, en augmentant l’épaisseur et/ou en modifiant la composition (plus proche d’une composition stoechiométrique par rapport à la composition de l’étape a)) du premier film d’oxyde, d’améliorer le blocage de la diffusion des atomes de phosphore de la première couche de polysilicium vers le substrat lors de l’étape d). En effet, l’augmentation de l’épaisseur et/ou la modification de la composition du premier film d’oxyde (grâce à une composition plus proche du composé stoechiométrique, voire tendant vers le composé stoechiométrique) améliorent sa qualité de barrière de diffusion pour les atomes de phosphore, cette barrière de diffusion pouvant alors résister à une température supérieure ou égale à la température d’activation électrique des atomes de bore.
Le procédé selon l’invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes.
Selon une caractéristique de l’invention, l’étape a) comporte les étapes : ai) prévoir un substrat à base de silicium cristallin, présentant des première et seconde surfaces opposées ; a2) traiter chimiquement les première et seconde surfaces du substrat à l’aide d’un agent oxydant de manière à former les premier et second films d’oxyde.
Ainsi, un avantage procuré est de profiter d’un traitement chimique (par exemple pour un nettoyage des première et seconde surfaces) pour former les premier et second films d’oxyde.
Selon une caractéristique de l’invention, l’étape a) comporte les étapes : ar) prévoir un substrat à base de silicium cristallin, présentant des première et seconde surfaces opposées ; a2>) traiter thermiquement les première et seconde surfaces du substrat de manière à former les premier et second films d’oxyde de type oxyde thermique.
Ainsi, un avantage procuré est de pouvoir former les premier et second films d’oxyde thermique dans le même bâti industriel que celui pour former les première et seconde couches de polysilicium, le bâti industriel étant par exemple adapté pour un dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD pour « Low Pressure Chemical Vapor Déposition » en langue anglaise).
Selon une caractéristique de l’invention, l’étape a) comporte les étapes : ai») prévoir un substrat à base de silicium cristallin, présentant des première et seconde surfaces opposées ; a?’) traiter chimiquement les première et seconde surfaces du substrat à l’aide d’un agent oxydant de manière à former une première partie des premier et second films d’oxyde ; as”) traiter thermiquement les première et seconde surfaces oxydées du substrat de manière à former une deuxième partie des premier et second films d’oxyde.
Ainsi, un avantage procuré par le fait de combiner un traitement chimique et un traitement thermique pour former les premier et second films d’oxyde est :
(i) de profiter d’un nettoyage des surfaces pour former la première partie des films d’oxyde,
(ii) d’utiliser le même bâti industriel pour former la deuxième partie des films d’oxyde et les couches de polysilicium, le bâti industriel étant par exemple adapté pour un dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD pour « Low Pressure Chemical Vapor Deposition » en langue anglaise).
Selon une caractéristique de l’invention, l’étape a) est exécutée de sorte que les premier et second films d’oxyde sont de type oxyde tunnel.
Ainsi, un avantage procuré est d’assurer un rôle de barrière de diffusion aux atomes de phosphore et aux atomes de bore, tout en autorisant la circulation d’un courant électrique en son sein avantageusement par effet tunnel.
L’invention a également pour objet un procédé de passivation, comportant les étapes successives : a’) prévoir un substrat à base de silicium cristallin, présentant des première et seconde surfaces opposées ; b) appliquer un rayonnement ultraviolet au substrat, sous une atmosphère d’ozone, de manière à former des premier et second films d’oxyde, respectivement sur les première et seconde surfaces du substrat ; le premier film d’oxyde présentant :
- une épaisseur strictement supérieure à celle du second film d’oxyde, et/ou
- une composition tendant vers le composé stoechiométrique ; c) former des première et seconde couches de polysilicium, respectivement sur les premier et second films d’oxyde, et comprenant respectivement des atomes de phosphore et des atomes de bore possédant respectivement des première et seconde températures d’activation électrique, la seconde température d’activation électrique étant strictement supérieure à la première température d’activation électrique ; d) appliquer un traitement thermique à l’ensemble comportant le substrat, les premier et second films d’oxyde, et les première et seconde couches de polysilicium, le traitement thermique étant appliqué à une température supérieure ou égale à la seconde température d’activation électrique de manière à activer électriquement les atomes de phosphore et les atomes de bore de façon concomitante.
Ainsi, un tel procédé selon l’invention permet, grâce à l’étape b), d’activer électriquement les atomes de phosphore et les atomes de bore simultanément lors de l’étape d), tout en empêchant une diffusion excessive des atomes de phosphore hors de la première couche de polysilicium lors de l’étape d). En effet, le traitement UV-ozone appliqué lors de l’état b) permet de former un premier film d’oxyde :
- plus épais que le second film d’oxyde, et/ ou
- de composition tendant vers le composé stoechiométrique.
Un tel traitement UV-ozone permet par là-même d’améliorer le blocage de la diffusion des atomes de phosphore de la première couche de polysilicium vers le substrat lors de l’étape d). En effet, l’épaisseur obtenue du premier film d’oxyde (plus importante que celle du second film d’oxyde) et/ou la composition obtenue du premier film d’oxyde (tendant vers le composé stoechiométrique) améliorent sa qualité de barrière de diffusion pour les atomes de phosphore, cette barrière de diffusion pouvant alors résister à une température supérieure ou égale à la température d’activation électrique des atomes de bore.
Selon une caractéristique de l’invention, l’étape b) est exécutée de sorte que les premier et second films d’oxyde sont de type oxyde tunnel.
Ainsi, un avantage procuré est d’assurer un rôle de barrière de diffusion aux atomes de phosphore et aux atomes de bore, tout en autorisant la circulation d’un courant électrique en son sein avantageusement par effet tunnel.
Selon une caractéristique de l’invention, le rayonnement ultraviolet appliqué lors de l’étape b), sous l’atmosphère d’ozone, est adapté pour que l’épaisseur et/ou la composition du
premier film d’oxyde obtenues à l’issue de l’étape b) limitent la diffusion des atomes de phosphore dans le substrat lors de l’étape d).
Ainsi, un avantage procuré est d’améliorer les performances de la cellule photovoltaïque.
Selon une caractéristique de l’invention, le rayonnement ultraviolet est appliqué lors de l’étape b), sous l’atmosphère d’ozone, selon une densité de puissance surfacique comprise entre 28 W/ cm2 et 32 W/ cm2.
Selon une caractéristique de l’invention, le rayonnement ultraviolet est appliqué lors de l’étape b), sous l’atmosphère d’ozone, à une longueur d’onde comprise dans la bande d’absorption de l’ozone, de préférence comprise entre 250 nm et 255 nm.
Ainsi, un avantage procuré est d’améliorer l’efficacité du traitement UV-ozone.
Selon une caractéristique de l’invention, la température à laquelle est appliqué le traitement thermique lors de l’étape d) est comprise entre 950°C et 1050°C.
Ainsi, un avantage procuré est de pouvoir activer électriquement les atomes de phosphore et les atomes de bore simultanément.
Selon une caractéristique de l’invention, l’étape c) comporte les étapes : ci) former les première et seconde couches de polysilicium, respectivement sur les premier et second films d’oxyde ;
C2) implanter les atomes de phosphore et les atomes de bore, respectivement dans les première et seconde couches de polysilicium, de préférence par une technique d’implantation ionique par immersion plasma.
Selon une caractéristique de l’invention, l’étape c) est exécutée de sorte que les atomes de phosphore et les atomes de bore présentent une densité volumique supérieure à IO20 at./ cm3 à l’issue de l’étape d).
Ainsi, un avantage procuré est de créer un fort effet de champ propice à une bonne passivation des surfaces du substrat, ainsi que de former une zone de contact électrique de bonne qualité.
Selon une caractéristique de l’invention, le procédé comporte une étape e) consistant à former des première et seconde couches d’oxyde transparent conducteur, respectivement sur les première et seconde couches de polysilicium, l’étape e) étant exécutée après l’étape d).
Ainsi, un avantage procuré par les couches d’oxyde transparent conducteur est notamment d’assurer le contact électrique entre une électrode (par exemple métallique) et le substrat. Les couches d’oxyde transparent conducteur, avec une épaisseur adaptée, peuvent également assurer un rôle de couche antireflet. La couche 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 caractéristique de l’invention, le procédé comporte une étape f) consistant à former des électrodes sur les première et seconde couches d’oxyde transparent conducteur.
Définitions
- Par « passivation », on entend la neutralisation de défauts électriquement actifs aux surfaces du substrat. En effet, une surface d’un substrat en silicium cristallin présente une densité de défauts (e.g. liaisons pendantes, impuretés, discontinuité du cristal etc.) pouvant entraîner des pertes non négligeables liées à la recombinaison en surface des porteurs dans le cas d’une application photovoltaïque.
- Par « substrat », on entend le support mécanique, autoporté, destiné à la fabrication d’une cellule photovoltaïque. Le substrat peut être une tranche (« wafer» en langue anglaise) découpée dans un lingot de silicium cristallin.
- Par « cristallin », on entend la forme multicristalline ou la forme monocristalline du silicium, excluant donc le silicium amorphe.
- Par « à base de », on entend que le silicium cristallin est le matériau principal et majoritaire composant le substrat.
- Par « appliqué à la structure », on entend que le rayonnement ultraviolet peut être appliqué sur tout ou partie de la structure, c'est-à-dire : soit d’un seul côté de la structure (le côté défini par la première surface du substrat), le côté défini par la seconde surface du substrat n’étant pas exposé au rayonnement ultraviolet ; soit successivement des deux côtés de la structure.
- Par « épaisseur », on entend la dimension s’étendant suivant la normale à la première surface (ou à la seconde surface) du substrat.
- Par « composition », on entend la composition atomique d’un film d’oxyde.
- Par « composé stoechiométrique », on entend un composé possédant une composition atomique présentant des proportions stoechiométriques. Par exemple, lorsqu’un film d’oxyde est réalisé dans un oxyde de silicium SiO2-x, le dioxyde de silicium SiO2 est un composé stoechiométrique, possédant une composition atomique présentant des proportions
stoechiométriques, tandis que l’oxyde de silicium SiCh x est un composé non-stœchiométrique, possédant une composition atomique présentant des proportions non-stœchiométriques, « x » étant l’écart à la stœchiométrie avec x>0 ou x<0.
- Par « plus proche », on entend que les proportions atomiques du film d’oxyde obtenu à l’issue de l’étape b) sont plus proches des proportions stoechiométriques du composé stoechiométrique au regard des proportions atomiques initiales du film d’oxyde prévu lors de l’étape a). Les proportions atomiques du film d’oxyde obtenu à l’issue de l’étape b) peuvent tendre vers les proportions stoechiométriques du composé stoechiométrique.
- Par « tendant vers » ou « tendre vers », on entend que les proportions atomiques du film d’oxyde obtenu à l’issue de l’étape b) sont suffisamment proches des proportions stoechiométriques du composé stoechiométrique (i.e. diminution de la valeur absolue de l’écart « x » à la stœchiométrie) pour considérer que le film d’oxyde se comporte comme un film d’oxyde stoechiométrique.
- Le terme « polysilicium » désigne également le silicium polycristallin.
- Par « film d’oxyde tunnel », on entend un film d’oxyde suffisamment fin pour autoriser la circulation d’un courant électrique en son sein avantageusement par effet tunnel.
- Par « oxyde transparent conducteur » (TCO pour « Transparent Conductive Oxyde » en langue anglaise), on entend un oxyde transparent dans tout ou partie du spectre solaire, et électriquement conducteur. Par exemple, l’oxyde transparent conducteur peut présenter une transmittance supérieure ou égale à 60 % (de préférence supérieure ou égale à 80 %) sur le spectre [300 nm, 900 nm],
- Par « activation électrique », on entend un apport d’énergie de nature thermique pour provoquer la migration des dopants (atomes de phosphore/bore) en sites substitutionnels dans lesquels ils seront susceptibles d’engendrer des porteurs.
- Les valeurs X et Y exprimées à l’aide des expressions « entre X et Y » ou « compris entre X et Y » sont incluses dans la plage de valeurs définie.
Brève description des dessins
D’autres caractéristiques et avantages apparaîtront dans l’exposé détaillé de différents modes de réalisation de l’invention, l’exposé étant assorti d’exemples et de références aux dessins joints.
Figure 1 (la à 1g) sont des vues schématiques en coupe, illustrant des étapes d’un premier mode de mise en œuvre d’un procédé selon l’invention.
Figure 2 (2a à 2g) sont des vues schématiques en coupe, illustrant des étapes d’un deuxième mode de mise en œuvre d’un procédé selon l’invention.
Figure 3 (3a à 3f) sont des vues schématiques en coupe, illustrant des étapes d’un troisième mode de mise en œuvre d’un procédé selon l’invention.
Figure 4 (4a à 4f) sont des vues schématiques en coupe, illustrant des étapes d’un quatrième mode de mise en œuvre d’un procédé selon l’invention.
Figure 5 (5a à 5f) sont des vues schématiques en coupe, illustrant des étapes d’un cinquième mode de mise en œuvre d’un procédé selon l’invention.
Il est à noter que les dessins décrits ci-avant sont schématiques, et ne sont pas nécessairement à l’échelle par souci de lisibilité et pour en simplifier leur compréhension. Les coupes ont été effectuées selon la normale à la première surface (ou à la seconde surface) du substrat.
Exposé détaillé des modes de réalisation
Les éléments identiques ou assurant la même fonction porteront les mêmes références pour les différents modes de réalisation, par souci de simplification. Les premier et second films d’oxyde porteront respectivement les références « 2 » et « 3 » avant l’étape b). Les premier et second films d’oxyde porteront respectivement les références « 2’ » et « 3’ » si le film d’oxyde correspondant a été modifié ou créé par un traitement UV-ozone à l’issue de l’étape b).
Traitement UV-Ozone modifiant des films d’oxyde existants
Comme illustré aux figures 1 à 4, un objet de l’invention est un procédé de passivation, comportant les étapes successives : a) prévoir une structure comportant :
- un substrat 1 à base de silicium cristallin, présentant des première et seconde surfaces 10, 11 opposées ;
- des premier et second films d’oxyde 2, 3, formés respectivement sur les première et seconde surfaces 10, 11 du substrat 1 ; la situation à l’issue de l’étape a) est illustrée aux figures le, 2b, 3b, 4b ; b) appliquer un rayonnement ultraviolet à la structure, sous une atmosphère d’ozone, de sorte que le premier film d’oxyde 2’ présente :
- une épaisseur strictement supérieure à celle du second film d’oxyde 3, 3’ ; et/ ou
- une composition plus proche du composé stoechiométrique ;
la situation à l’issue de l’étape b) est illustrée aux figures Id, 2d, 3c, 4c ; c) former des première et seconde couches de polysilicium 4, 5, respectivement sur les premier et second films d’oxyde 2’, 3 ; 2’, 3’, et comprenant respectivement des atomes de phosphore et des atomes de bore possédant respectivement des première et seconde températures d’activation électrique, la seconde température d’activation électrique étant strictement supérieure à la première température d’activation électrique ; la situation à l’issue de l’étape c) est illustrée aux figures le, 2e, 3d, 4d, 5d ; d) appliquer un traitement thermique à l’ensemble comportant la structure et les première et seconde couches de polysilicium 4, 5, le traitement thermique étant appliqué à une température supérieure ou égale à la seconde température d’activation électrique de manière à activer électriquement les atomes de phosphore et les atomes de bore de façon concomitante.
Etape a)
Le substrat 1 de la structure prévue lors de l’étape a) est avantageusement dopé de type n. Les première et seconde surfaces 10, 11 du substrat 1 peuvent être destinées à être exposées à un rayonnement lumineux de manière à former une architecture bifaciale.
L’étape a) est avantageusement exécutée de sorte que les première et seconde surfaces 10, 11 du substrat 1 sont texturées afin de réduire le coefficient de réflexion et les pertes optiques dans la cellule photovoltaïque. Les première et seconde surfaces 10, 11 du substrat 1 comportent préférentiellement des motifs en pyramide inversée, agencés pour créer une rugosité de surface. La texturation est préférentiellement exécutée par une attaque chimique à base d’hydroxyde de potassium KOH.
A titre d’exemple non limitatif, le substrat 1 peut présenter une épaisseur de l’ordre de 150 |itn.
L’étape a) est avantageusement exécutée de sorte que les premier et second films d’oxyde 2, 3 sont de type oxyde tunnel. L’étape a) est avantageusement exécutée de sorte que les premier et second films d’oxyde 2, 3 tunnel présentent une épaisseur inférieure ou égale à 3 nm, de préférence inférieure ou égale à 2 nm.
Les premier et second films d’oxyde 2, 3 sont avantageusement des oxydes de silicium. Par « oxyde de silicium », on entend un composé de formule SiCLx.
Selon un mode de mise en en œuvre illustré aux figures 2 et 3, l’étape a) comporte les étapes : ai) prévoir un substrat 1 à base de silicium cristallin, présentant des première et seconde surfaces 10, 11 opposées ; l’étape ai) est illustrée aux figures 2a et 3a ;
a2) traiter chimiquement les première et seconde surfaces 10, 11 du substrat 1 à l’aide d’un agent oxydant de manière à former les premier et second films d’oxyde 2, 3 ; l’étape a2) est illustrée aux figures 2b et 3b.
L’étape a2) peut comporter les étapes : a2o) appliquer une solution d’acide fluorhydrique HF sur les première et seconde surfaces 10, 11 du substrat 1 afin de les désoxyder ; a2i) rincer les première et seconde surfaces 10, 11 du substrat 1 avec de l’eau déionisée pour les réoxyder.
Selon un mode de mise en œuvre illustré à la figure 4, l’étape a) comporte les étapes : ar) prévoir un substrat 1 à base de silicium cristallin, présentant des première et seconde surfaces 10, 11 opposées ; l’étape ar) est illustrée à la figure 4a ; a?) traiter thermiquement les première et seconde surfaces 10, 11 du substrat 1 de manière à former les premier et second films d’oxyde 2, 3 de type oxyde thermique ; l’étape a?) est illustrée à la figure 4b .
A titre d’exemple non limitatif, l’étape a?) peut être exécutée à une température de 580°C.
Selon un mode de mise en œuvre illustré à la figure 1, l’étape a) comporte les étapes : ai») prévoir un substrat 1 à base de silicium cristallin, présentant des première et seconde surfaces 10, 11 opposées ; l’étape ai”) est illustrée à la figure la ; a2”) traiter chimiquement les première et seconde surfaces 10, 11 du substrat 1 à l’aide d’un agent oxydant de manière à former une première partie 2a, 3a des premier et second films d’oxyde 2, 3 ; l’étape a2”) est illustrée à la figure 1b ; a3”) traiter thermiquement les première et seconde surfaces 10, 11 oxydées du substrat 1 de manière à former une deuxième partie 2b, 3b des premier et second films d’oxyde 2, 3 ; l’étape a3”) est illustrée à la figure le.
L’étape a2”) peut comporter les étapes : a2o”) appliquer une solution d’acide fluorhydrique HF sur les première et seconde surfaces 10, 11 du substrat 1 afin de les désoxyder ; a2i”) rincer les première et seconde surfaces 10, 11 du substrat 1 avec de l’eau déionisée pour les réoxyder.
A titre d’exemple non limitatif, l’étape a3”) peut être exécutée à une température de 580°C.
Etape b)
Selon un mode de mise en œuvre illustré aux figures 1, 3, 4, l’étape b) consiste à appliquer le rayonnement ultraviolet, sous l’atmosphère d’ozone, d’un seul côté de la structure, en l’occurrence le côté défini par la première surface 10 du substrat 1 où seront présents les atomes de phosphore lors de l’étape c). Le premier film d’oxyde 2 obtenu à l’issue de l’étape b) est référencé « 2’ ». Le rayonnement ultraviolet est appliqué sous l’atmosphère d’ozone, de sorte que le premier film d’oxyde 2’ présente, à l’issue de l’étape b) :
- une épaisseur strictement supérieure à celle du second film d’oxyde 3 ; et/ ou
- une composition plus proche du composé stoechiométrique.
Selon un mode de mise en œuvre illustré à la figure 2, l’étape b) comporte les étapes : bi) appliquer un premier rayonnement ultraviolet, sous l’atmosphère d’ozone, du côté de la structure défini par la seconde surface 11 du substrat 1, de manière à augmenter l’épaisseur et/ ou modifier la composition du second film d’oxyde 3 ; l’étape bi) est illustrée à la figure 2c ; le second film d’oxyde 3 obtenu à l’issue de l’étape bi) est référencé « 3’ » ; b2) appliquer un second rayonnement ultraviolet, sous l’atmosphère d’ozone, du côté de la structure défini par la première surface 10 du substrat 1, de manière à augmenter l’épaisseur et/ ou modifier la composition du premier film d’oxyde 2 ; l’étape b2) est illustrée à la figure 2d ; le premier film d’oxyde 2 obtenu à l’issue de l’étape bi) est référencé « 2’ ».
Le rayonnement ultraviolet est appliqué lors de l’étape b2) sous l’atmosphère d’ozone, de sorte que le premier film d’oxyde 2’ présente, à l’issue de l’étape b2) :
- une épaisseur strictement supérieure à celle du second film d’oxyde 3’ [i.e. second film d’oxyde obtenu à l’issue de l’étape bi)] ; et/ ou
- une composition plus proche du composé stoechiométrique.
A cet effet, l’homme du métier pourra notamment augmenter la durée d’exposition au rayonnement ultraviolet lors de l’étape b2) par rapport à l’étape bi), pour une densité de puissance surfacique donnée du rayonnement ultraviolet.
Les étapes bi) et b2) ne sont pas concomitantes mais successives. Il est à noter que les étapes bi) et b2) peuvent être interverties.
Traitement UV-ozone créant des films d’oxyde
Comme illustré à la figure 5, un objet de l’invention est un procédé de passivation, comportant les étapes successives : a’) prévoir un substrat 1 à base de silicium cristallin, présentant des première et seconde surfaces 10, 11 opposées ; l’étape a’) est illustrée à la figure 5a ;
b) appliquer un rayonnement ultraviolet au substrat 1, sous une atmosphère d’ozone, de manière à former des premier et second films d’oxyde 2’, 3’, respectivement sur les première et seconde surfaces 10, 11 du substrat 1 ; le premier film d’oxyde 2’ présentant :
- une épaisseur strictement supérieure à celle du second film d’oxyde 3’, et/ou
- une composition tendant vers le composé stoechiométrique ; l’étape b) est illustrée aux figures 5b et 5c ; c) former des première et seconde couches de polysilicium 4, 5, respectivement sur les premier et second films d’oxyde 2’, 3’, et comprenant respectivement des atomes de phosphore et des atomes de bore possédant respectivement des première et seconde températures d’activation électrique, la seconde température d’activation électrique étant strictement supérieure à la première température d’activation électrique ; la situation à l’issue de l’étape c) est illustrée à la figure 5d ; d) appliquer un traitement thermique à l’ensemble comportant le substrat 1, les premier et second films d’oxyde 2’, 3’, et les première et seconde couches de polysilicium 4, 5, le traitement thermique étant appliqué à une température supérieure ou égale à la seconde température d’activation électrique de manière à activer électriquement les atomes de phosphore et les atomes de bore de façon concomitante.
Etape a’)
Le substrat 1 prévu lors de l’étape a’) est avantageusement dopé de type n. Les première et seconde surfaces 10, 11 du substrat 1 peuvent être destinées à être exposées à un rayonnement lumineux de manière à former une architecture bifaciale.
L’étape a’) est avantageusement exécutée de sorte que les première et seconde surfaces 10, 11 du substrat 1 sont texturées afin de réduire le coefficient de réflexion et les pertes optiques dans la cellule photovoltaïque. Les première et seconde surfaces 10, 11 du substrat 1 comportent préférentiellement des motifs en pyramide inversée, agencés pour créer une rugosité de surface. La texturation est préférentiellement exécutée par une attaque chimique à base d’hydroxyde de potassium KOH.
A titre d’exemple non limitatif, le substrat 1 peut présenter une épaisseur de l’ordre de 150 |itn.
Etape b)
L’étape b) est avantageusement exécutée de sorte que les premier et second films d’oxyde 2’, 3’ sont de type oxyde tunnel. L’étape b) est avantageusement exécutée de sorte que les premier et second films d’oxyde 2’, 3’ tunnel présentent une épaisseur inférieure ou égale à 3 nm, de préférence inférieure ou égale à 2 nm.
Les premier et second films d’oxyde 2’, 3’ sont avantageusement des oxydes de silicium. Par « oxyde de silicium », on entend un composé de formule SiO2-x.
L’étape b) peut comporter les étapes : bi) appliquer un premier rayonnement ultraviolet, sous l’atmosphère d’ozone, du côté de la seconde surface 11 du substrat 1, de manière à former le second film d’oxyde 3’ ; l’étape bi) est illustrée à la figure 5b ; b2) appliquer un second rayonnement ultraviolet, sous l’atmosphère d’ozone, du côté de la la première surface 10 du substrat 1, de manière à former le premier film d’oxyde 2’ ; l’étape b2) est illustrée à la figure 5c.
Le rayonnement ultraviolet est appliqué lors de l’étape b2) sous l’atmosphère d’ozone, de sorte que le premier film d’oxyde 2’ présente, à l’issue de l’étape b2) :
- une épaisseur strictement supérieure à celle du second film d’oxyde 3’ ; et/ ou
- une composition tendant vers le composé stoechiométrique.
A cet effet, l’homme du métier pourra notamment augmenter la durée d’exposition au rayonnement ultraviolet lors de l’étape b2) par rapport à l’étape bi), pour une densité de puissance surfacique donnée du rayonnement ultraviolet.
Les étapes bi) et b2) ne sont pas concomitantes mais successives. Il est à noter que les étapes bi) et b2) peuvent être interverties.
Caractéristiques communes aux objets de l’invention
Etape b)
Le rayonnement ultraviolet appliqué lors de l’étape b), sous l’atmosphère d’ozone, est avantageusement adapté pour que l’épaisseur et/ ou la composition du premier film d’oxyde 2’ obtenues à l’issue de l’étape b) limitent la diffusion des atomes de phosphore dans le substrat lors de l’étape d).
Le rayonnement ultraviolet est avantageusement appliqué lors de l’étape b), sous l’atmosphère d’ozone, selon une densité de puissance surfacique comprise entre 28 W/cm2 et 32 W/cm2.
Le rayonnement ultraviolet est avantageusement appliqué lors de l’étape b), sous l’atmosphère d’ozone, à une longueur d’onde comprise dans la bande d’absorption de l’ozone, de préférence comprise entre 250 nm et 255 nm.
Etape c)
L’étape c) comporte avantageusement les étapes :
ci) former les première et seconde couches de polysilicium 4, 5, respectivement sur les premier et second films d’oxyde 2’, 3 ; 2’, 3’ ; c2) implanter les atomes de phosphore et les atomes de bore, respectivement dans les première et seconde couches de polysilicium 4, 5, de préférence par une technique d’implantation ionique par immersion plasma.
Il s’agit alors d’un dopage de type ex-situ des première et seconde couches de polysilicium 4, 5, respectivement en atomes de phosphore et en atomes de bore.
Lorsque l’étape c2) est exécutée par une technique d’implantation ionique par immersion plasma, l’implantation des atomes de phosphore est préférentiellement réalisée sous une atmosphère comportant de la phosphine PH3, tandis que l’implantation des atomes de bore est préférentiellement réalisée sous une atmosphère comportant du diborane B2H6.
L’étape c) est avantageusement exécutée de sorte que les atomes de phosphore et les atomes de bore, respectivement implantés dans les première et seconde couches de polysilicum 4, 5, présentent une densité volumique supérieure à 1O20 at./cm3 à l’issue de l’étape d), c'est-à-dire après activation électrique.
L’étape c) est avantageusement exécutée de sorte que les première et seconde couches de polysilicium 4, 5 présentent une épaisseur comprise entre 10 nm et 200 nm, de préférence comprise entre 10 nm et 15 nm.
Il est à noter que le dopage des première et seconde couches de polysilicium 4, 5, respectivement en atomes de phosphore et en atomes de bore, peut être un dopage de type in-situ. L’étape c) peut être exécutée en déposant des première et seconde couches de silicium amorphe, respectivement sur les premier et second films d’oxyde 2’, 3 ; 3’, par exemple par un dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD pour « Eow Pressure Chemical Vapor Deposition » en langue anglaise), ou par un dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD pour Plasma Enhanced Chemical Vapor Déposition » en langue anglaise). Puis les atomes de phosphore et les atomes de bore peuvent être implantés respectivement dans les première et seconde couches de silicium amorphe, par exemple par une technique d’implantation ionique par immersion plasma. Le traitement thermique de l’étape d) est adapté pour cristalliser les première et seconde couches de silicium amorphe de manière à obtenir des première et seconde couches de polysilicium 4, 5.
Etape d)
Le traitement thermique appliqué lors de l’étape d) est avantageusement un recuit thermique. Par « recuit thermique », on entend un traitement thermique comportant :
- une phase de montée graduelle en température (rampe de montée) jusqu’à atteindre une température dite température de recuit,
- une phase de maintien (plateau) à la température de recuit, pendant une durée dite durée de recuit,
- une phase de refroidissement.
La température (température de recuit) à laquelle est appliqué le traitement thermique lors de l’étape d) est avantageusement comprise entre 950°C et 1050°C. A titre d’exemple non limitatif, la durée de recuit peut être de l’ordre de 30 minutes.
Le recuit thermique appliqué lors de l’étape d) est un recuit thermique global au sens où il est appliqué à l’ensemble comportant le substrat 1, les premier et second films d’oxyde 2, 3 ; 3’, les première et seconde couches de polysilicium 4, 5. Il ne s’agit donc pas d’un recuit thermique localisé appliqué sur une partie dudit ensemble, par exemple à l’aide d’un laser.
L’étape d) est préférentiellement exécutée dans un four. L’étape d) peut être exécutée sous une atmosphère oxydante ou sous une atmosphère neutre. L’atmosphère oxydante peut comporter un mélange de dioxygène et d’un gaz neutre choisi parmi l’argon et l’azote.
Etape e)
Comme illustré aux figures If, 2f, 3e, 4e, 5e, le procédé comporte avantageusement une étape e) consistant à former des première et seconde couches d’oxyde transparent conducteur 6, 7, respectivement sur les première et seconde couches de polysilicium 4, 5, l’étape e) étant exécutée après l’étape d).
Les première et seconde couches d’oxyde transparent conducteur 6, 7 sont avantageusement réalisées dans un matériau choisi parmi CuO, NiO, TiO, un oxyde de fluor dopé à l’étain, l’oxyde d’indium-étain, l’oxyde d’étain SnO2, l’oxyde de zinc ZnO ; SnO2 et ZnO étant de préférence respectivement dopé au fluor et à l’aluminium.
Etape f)
Comme illustré aux figures 1g, 2g, 3f, 4f, 5f, le procédé comporte avantageusement une étape f) consistant à former des électrodes E sur les première et seconde couches d’oxyde transparent conducteur 6, 7. Plus précisément, l’étape f) peut consister à former au moins une électrode E sur la première couche d’oxyde transparent conducteur 6, et au moins une électrode E sur la seconde couche d’oxyde transparent conducteur 7. L’étape f) comporte avantageusement une étape de métallisation, de préférence exécutée par sérigraphie. Chaque électrode E est préférentiellement réalisée en argent et/ ou aluminium.
L’invention ne se limite pas aux modes de réalisation exposés. L’homme du métier est mis à même de considérer leurs combinaisons techniquement opérantes, et de leur substituer des équivalents.
Claims
1. Procédé de passivation, comportant les étapes successives : a) prévoir une structure comportant :
- un substrat (1) à base de silicium cristallin, présentant des première et seconde surfaces (10, 11) opposées ;
- des premier et second films d’oxyde (2, 3), formés respectivement sur les première et seconde surfaces (10, 11) du substrat (1) ; b) appliquer un rayonnement ultraviolet à la structure, sous une atmosphère d’ozone, de sorte que le premier film d’oxyde (2’) présente :
- une épaisseur strictement supérieure à celle du second film d’oxyde (3, 3’), et/ou
- une composition plus proche du composé stoechiométrique ; c) former des première et seconde couches de polysilicium (4, 5), respectivement sur les premier et second films d’oxyde (2’, 3 ; 2’, 3’), et comprenant respectivement des atomes de phosphore et des atomes de bore possédant respectivement des première et seconde températures d’activation électrique, la seconde température d’activation électrique étant strictement supérieure à la première température d’activation électrique ; d) appliquer un traitement thermique à l’ensemble comportant la structure et les première et seconde couches de polysilicium (4, 5), le traitement thermique étant appliqué à une température supérieure ou égale à la seconde température d’activation électrique de manière à activer électriquement les atomes de phosphore et les atomes de bore de façon concomitante.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’étape a) comporte les étapes : ai) prévoir un substrat (1) à base de silicium cristallin, présentant des première et seconde surfaces (10, 11) opposées ; a2) traiter chimiquement les première et seconde surfaces (10, 11) du substrat (1) à l’aide d’un agent oxydant de manière à former les premier et second films d’oxyde (2, 3).
3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’étape a) comporte les étapes : ar) prévoir un substrat (1) à base de silicium cristallin, présentant des première et seconde surfaces (10, 11) opposées ; a?) traiter thermiquement les première et seconde surfaces (10, 11) du substrat (1) de manière à former les premier et second films d’oxyde (2, 3) de type oxyde thermique.
4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l’étape a) comporte les étapes :
ai”) prévoir un substrat (1) à base de silicium cristallin, présentant des première et seconde surfaces (10, 11) opposées ; a2”) traiter chimiquement les première et seconde surfaces (10, 11) du substrat (1) à l’aide d’un agent oxydant de manière à former une première partie (2a, 3a) des premier et second films d’oxyde (2, 3) ; as”) traiter thermiquement les première et seconde surfaces (10, 11) oxydées du substrat (1) de manière à former une deuxième partie (2b, 3b) des premier et second films d’oxyde (2, 3).
5. Procédé selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel l’étape a) est exécutée de sorte que les premier et second films d’oxyde (2, 3) sont de type oxyde tunnel.
6. Procédé de passivation, comportant les étapes successives : a’) prévoir un substrat (1) à base de silicium cristallin, présentant des première et seconde surfaces (10, 11) opposées ; b) appliquer un rayonnement ultraviolet au substrat (1), sous une atmosphère d’ozone, de manière à former des premier et second films d’oxyde (2’, 3’), respectivement sur les première et seconde surfaces (10, 11) du substrat (1) ; le premier film d’oxyde (2’) présentant :
- une épaisseur strictement supérieure à celle du second film d’oxyde (3’), et/ ou
- une composition tendant vers le composé stoechiométrique ; c) former des première et seconde couches de polysilicium (4, 5), respectivement sur les premier et second films d’oxyde (2’, 3’), et comprenant respectivement des atomes de phosphore et des atomes de bore possédant respectivement des première et seconde températures d’activation électrique, la seconde température d’activation électrique étant strictement supérieure à la première température d’activation électrique ; d) appliquer un traitement thermique à l’ensemble comportant le substrat (1), les premier et second films d’oxyde (2’, 3’), et les première et seconde couches de polysilicium (4, 5), le traitement thermique étant appliqué à une température supérieure ou égale à la seconde température d’activation électrique de manière à activer électriquement les atomes de phosphore et les atomes de bore de façon concomitante.
7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel l’étape b) est exécutée de sorte que les premier et second films d’oxyde (2’, 3’) sont de type oxyde tunnel.
8. Procédé selon l’une des revendications 1 à 7, dans lequel le rayonnement ultraviolet appliqué lors de l’étape b), sous l’atmosphère d’ozone, est adapté pour que l’épaisseur et/ ou la composition du premier film d’oxyde (2’) obtenues à l’issue de l’étape b) limitent la diffusion des atomes de phosphore dans le substrat lors de l’étape d).
9. Procédé selon l’une des revendications 1 à 8, dans lequel le rayonnement ultraviolet est appliqué lors de l’étape b), sous l’atmosphère d’ozone, selon une densité de puissance surfacique comprise entre 28 W/ cm2 et 32 W/ cm2.
10. Procédé selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel le rayonnement ultraviolet est appliqué lors de l’étape b), sous l’atmosphère d’ozone, à une longueur d’onde comprise dans la bande d’absorption de l’ozone, de préférence comprise entre 250 nm et 255 nm.
11. Procédé selon l’une des revendications 1 à 10, dans lequel la température à laquelle est appliqué le traitement thermique lors de l’étape d) est comprise entre 950°C et 1050°C.
12. Procédé selon l’une des revendications 1 à 11, dans lequel l’étape c) comporte les étapes :
Ci) former les première et seconde couches de polysilicium (4, 5), respectivement sur les premier et second films d’oxyde (2’, 3 ; 2’, 3’) ;
C2) implanter les atomes de phosphore et les atomes de bore, respectivement dans les première et seconde couches de polysilicium, (4, 5) de préférence par une technique d’implantation ionique par immersion plasma.
13. Procédé selon l’une des revendications 1 à 12, dans lequel l’étape c) est exécutée de sorte que les atomes de phosphore et les atomes de bore présentent une densité volumique supérieure à 1020 at./cm3 à l’issue de l’étape d).
14. Procédé selon l’une des revendications 1 à 13, comportant une étape e) consistant à former des première et seconde couches d’oxyde transparent conducteur (6, 7), respectivement sur les première et seconde couches de polysilicium (4, 5), l’étape e) étant exécutée après l’étape d).
15. Procédé selon la revendication 14, comportant une étape f) consistant à former des électrodes (E) sur les première et seconde couches d’oxyde transparent conducteur (6, 7).
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