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WO2004059746A1 - Module photovoltaIque intEgrE pour systEme A concentration et un procEdE DE FABRICATION - Google Patents

Module photovoltaIque intEgrE pour systEme A concentration et un procEdE DE FABRICATION Download PDF

Info

Publication number
WO2004059746A1
WO2004059746A1 PCT/FR2003/003865 FR0303865W WO2004059746A1 WO 2004059746 A1 WO2004059746 A1 WO 2004059746A1 FR 0303865 W FR0303865 W FR 0303865W WO 2004059746 A1 WO2004059746 A1 WO 2004059746A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
module according
layer
elongated strips
micro
semiconductor material
Prior art date
Application number
PCT/FR2003/003865
Other languages
English (en)
Inventor
Pierre Gidon
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique
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 Commissariat A L'energie Atomique filed Critical Commissariat A L'energie Atomique
Publication of WO2004059746A1 publication Critical patent/WO2004059746A1/fr

Links

Classifications

    • H01L31/042—
    • H01L31/0475—
    • H01L31/0504—
    • H01L31/054—
    • H01L31/0547—
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators

Definitions

  • the invention relates to the field of concentrated photovoltaic systems, generally in the case of sunlight. It targets in particular components for a concentrated solar cell panel for low-cost electricity generation.
  • a concentrating cell is a photovoltaic cell placed at the center of a light concentrating system. Concentration is ensured by lenses or mirrors. These cells may be preferred to cells without a concentrator since it is known that the efficiency of a cell increases with the incident light power.
  • a single large-area photovoltaic cell can cost more than a small photovoltaic cell combined with a large-area concentrator.
  • concentration cells are assembled to form panels which must in practice be provided with a system for monitoring the sun due to the directivity of the concentration system.
  • the invention relates more particularly to a photovoltaic cell to be placed under a concentration system of any suitable type, the influence of which for the distribution of illumination on the photovoltaic element will simply be taken into account.
  • a line that should not lose more than 0.5% of the power generated at 5A at 0.7V must have a resistance of less than 700 micro-Ohms.
  • Such resistances require large and thick conductors and contacts, between conductors, very well made.
  • Another solution is to multiply the number of cells and concentrators side by side on the same surface and thus reduce their size.
  • the current in each conductor linked to each cell is reduced by the same amount, and the conductor can then have a higher resistance, and therefore be smaller. It can thus be placed on an illuminated surface recovering the charges where they are created without making too much shade.
  • the invention proposes for this purpose a photovoltaic module, intended to cooperate with a light concentration system, comprising
  • each strip comprising doped zones
  • the invention thus proposes a new photovoltaic structure for concentration which rather resembles, by its design, that of a miniature photovoltaic module (or of a miniature solar panel element).
  • this miniature module is monolithic, like a photovoltaic cell. This is why we can say that it is an Integrated Photovoltaic Module (abbreviation MPI used below) in the image of what are integrated electronic circuits for electronics.
  • MPI Integrated Photovoltaic Module
  • this module can also include secondary metal tracks arranged at a distance from the electrically insulating walls, connected to one of the intermediate or extreme metal tracks and to doped zones of the same type within the underlying strip, - each of the secondary metal tracks is arranged between two secondary metal tracks or between an intermediate or extreme track, and another secondary metal track connected to doped zones of the same other type within said underlying strip,
  • each of the secondary tracks is arranged between two metal tracks connected to one another and from which this secondary track is isolated,
  • micro-concentrator has a triangular prism section
  • each micro-concentrator is an integral part of the metal track it covers
  • micro-concentrators can be associated or replaced functionally by micro-lenses of the cylindrical type arranged on the free face of the elongated strips
  • each elongated strip is covered with a transparent and electrically insulating layer having orifices allowing contact between the semiconductor material and the metal tracks, - this transparent layer behaves like a passivation layer in contact with the semiconductor material, - the transparent layer is formed by a stack of sublayers,
  • the transparent layer comprises silica
  • this layer is at least partly formed of a material chosen from the group comprising Si3N4, SiOxNy, MgF2,
  • the entry face covered by the transparent layer is shaped into a plurality of adjacent pyramids, - the elongated strips comprise doped zones along each of the walls which border them laterally,
  • the elongated strips have doped zones along the electrically insulating layer and / or the light entry face,
  • the elongated strips have a width which is minimum in a central zone and maximum near the extreme metal tracks
  • the elongated bands have a width which is maximum at the midpoint of their ends, and minimum at these ends, - the elongated bands have a width which is minimum at midway of its ends, and which increases progressively (is continuously variable ) between this minimum and these ends,
  • the elongated bands have the form of loops
  • - secondary tracks are connected to a conductive track running along an elongated annular strip, - the secondary tracks are substantially radial from this track, 004/059746
  • this module has a rectangular or square shape, or even a circular or oval shape or in a regular polygon,
  • At least one light conversion cell is further provided in the substrate, under the electrically insulating layer, for a range of wavelengths different from that for which the elongated strips are adapted to convert light; in particular in this case, the module can be turned over, being adapted to receive light from any of its faces.
  • - components are produced in the layer of semiconductor material; these are advantageously isolated from microcells; it may in particular be a protective diode (s), and / or a switch (s) and / or an inverter (s), etc.,
  • the semiconductor material of the elongated strips is silicon, germanium or Si x Ge ⁇ - x ., even if other materials can be chosen as required.
  • a plate comprising a substrate and a layer of semiconductor material separated from the substrate by a buried electrically insulating layer,
  • Slots are etched in the layer of semiconductor material extending up to the buried layer so as to delimit elongated strips, and the sides of these strips are coated with an electrically insulating layer, for example of oxide,
  • Figure 1 is a sectional view of a photovoltaic module according to a first, simple embodiment of the invention
  • Figure 2 is a top view
  • Figure 3 is a sectional view of another module according to another embodiment
  • Figure 4 is a sectional view of an alternative embodiment
  • Figure 5 is an alternative embodiment
  • Figure 6 is yet another alternative embodiment
  • Figure 7 is a sectional view of yet another module according to another embodiment
  • FIG. 8 is a top view
  • FIG. 9A is a top view of another embodiment
  • FIGS. 13 to 23 are sectional views showing steps in the manufacture of a module conforming to that of FIGS. 1 and 2
  • FIGS. 24 to 31 are sectional views representing steps in the manufacture of a module conforming to that of FIG. 3,
  • Figures 32 to 44 are sectional views showing steps in the manufacture of a module according to that of Figure 11.
  • Figures 1 and 2 show a particularly simple version of a photovoltaic module according to the invention.
  • This module designated as a whole under the reference 10 comprises a substrate 11, a layer 12 of semiconductor material separated from the substrate by an electrically insulating layer 13, electrically insulating walls 14 extending through the layer 12 from its upper surface up to the buried layer 13 so as to delimit in this layer 12 strips or blocks of semiconductor material 15., and metal tracks.
  • This module is intended to cooperate with a light concentration system (not shown) of any suitable known type, such that light arrives on the module 10 from above.
  • a light concentration system (not shown) of any suitable known type, such that light arrives on the module 10 from above.
  • the strips or blocks 15 constitute elementary solar cells also called micro-cells in the following, and comprise for this purpose, in a conventional manner, doped zones, here represented in the upper corners.
  • One type of doping p or n type
  • D1 One type of doping
  • D2 the other (n or p type) by the reference D2.
  • the strips or blocks are here electrically insulated from below (by the buried layer 13), on the sides (by the walls 14) but also at their ends by walls 16 which define with the walls 14 extremes a rectangle containing all the bands 15.
  • the crosses which appear in FIG. 2 are positioning marks.
  • the metal tracks are, in the example shown, advantageously materialized on the upper surface of the layer 12 and can be divided into two groups: * intermediate metal tracks 17 which electrically connect in series the elongated strips 15 and arranged parallel to the electrically insulating walls 14,
  • extreme metal tracks 18 which constitute electrical output terminals connected to the extreme bands of the plurality of bands of the module.
  • the intermediate metal tracks 17 are advantageously arranged along the strips 14 by covering, here substantially over their entire length, each one of the electrically insulating walls 14 bordering the elongated strips by connecting them respective doped zones of different types within the bands separated by the wall considered.
  • FIG. 1 has two arrows which designate, on either side of the leftmost track 17, areas through which this track 17 is in electrical contact with, respectively, a D2 doped area of the strip 15 to the left of this wall 14, and a doped area D1 of the strip 15 located to the right of this same wall 14.
  • the intermediate metal tracks 17 are covered by a micro-light concentrator, here in the form of a triangular prism; the tracks and their micro-concentrators advantageously form an integral part of one another.
  • the upper surface of the micro-cells 15 is covered by a transparent layer 19, in practice electrically insulating which has at least orifices allowing contact between the semiconductor material and the metal tracks (see the aforementioned zones designated by the arrows on either side of the metal track 17 furthest to the left in FIG. 1).
  • This layer 19 also plays a passivation role in practice.
  • each of the micro-cells is thus bordered on each of its faces by electrically insulating walls or layers forming a sort of box enclosing this micro-cell.
  • the MPI module (for Integrated Photovoltaic Module, see above) represented in FIGS. 1 and 2 has a structure recognizable in that it comprises layers and insulating walls present in a semiconductor material, on a monolithic support and that the assembly is adapted to be placed under a high concentration system (typically: more than 10 times). These layers and walls define semiconductor blocks insulated from each other. Each semiconductor block or strip is regionally doped to form a photodiode and at least one of its faces transmits light. The metal tracks interconnect the micro-cells. Only well-defined openings can be made in the insulating layers to bring the semiconductor and the metal into contact. In the simple MPI of FIGS.
  • the openings are chosen such that the "plus” contacts of a micro-cell are electrically connected to the "minus" contacts of its neighbor.
  • This monolithic structure is characterized in that it behaves like the placing in series of micro-cells.
  • the following direct advantages can be noted: because of the microtechnologies available and chosen for the production, the walls insulating each block from its neighbors are of high quality. They only lead to a weak recombination of the photo-charges created in the semiconductor during a conversion of incident light.
  • the voltage delivered by the MPI is a function of the number of microcells placed in series. Relative to a conventional concentration cell, the same size as the MPI, the current is divided by a factor equal to the number of micro-cells in series. The resistance opposed by the lines is therefore less important. Since the micro-cells already have a well-defined edge, the MPI associating them does not need any particular attention during its cutting.
  • the conductors can be placed both on the rear face and on the front face, since they are compact.
  • the module of FIGS. 1 and 2 is formed by a succession of micro-cells produced in semiconductors on insulator (Silicon On Isolator - for example Si / SiO2).
  • the micro-cells are separated between them by insulating walls made of SiO2 and poly-silicon.
  • the insulating and transparent layer located on the upper part of the semiconductor is made of SiO2 (transparency is necessary for the entry of light into the semiconductor; it is only useful in the wavelength range for which one seeks to convert light into photo-charges).
  • the horizontal insulating layers or the vertical insulating walls of the micro-cells can have a complex structure with several layers.
  • the SOI support substrate can be of any kind (typically silicon, but it can also be a glass, or a metal).
  • the fact of giving the tracks connecting the micro-cells in series (see at the extreme tracks, a form of micro-concentrator makes it possible to minimize the light losses since the light intercepted by these tracks is thus returned towards the entry face of the 'one of the adjacent micro-cells.
  • This module is integrated in the sense that it is the placing in series of concentration cells in a single photovoltaic component.
  • the module in Figures 1 and 2 represents a particularly simple module.
  • Various types of variants are presented in the following, each variant providing particular additional qualities, without removing the basic qualities.
  • these various variants can be combined together to benefit from several advantages at the same time.
  • Certain variants complicate the MPI but have the consequence of simplifying the overall panel using them. This is the main advantage of MPI, the more functions it integrates, usually carried over individually to the less the panel, which has several panels, will be complicated and expensive.
  • each semiconductor block is taken in a monolithic system, it can be doped on all its faces.
  • FIG. 3 shows a module 10 ′, the elements of which similar to those of FIGS. 1 and 2 are designated by the same reference number, but affected by the “prime” index. It is observed that this module is doped, not only at the location of the corner areas D1 'and D2', but also in the vicinity of the side walls 14 'and the lower 13' and upper 19 'surfaces of the semiconductor; these additional doped zones are denoted 20 ′. Of course, there may be only doping along some of the walls, for example only along the vertical walls, or even only along a single horizontal surface. Several types of doping are possible. If the semiconductor is of a type (P or N), the doping will be of the opposite type (N or P respectively).
  • the edge can be more strongly doped P or N depending on the desired result.
  • the aim of these dopings of the faces is mainly to reduce the influence of the surface effects and consequently to obtain high quality block edges recombining the photo-charges very weakly.
  • the metal tracks may not form an exact micro-concentrator, in which case micro-lenses (preferably of the cylindrical type and extending over the length of the metal tracks) are advantageously arranged above the micro-cells to group the light on each micro-cell next to the non-transparent metal.
  • micro-lenses preferably of the cylindrical type and extending over the length of the metal tracks
  • the transparent layer 19 has been replaced by a stack of several transparent layers.
  • the layer 119A in contact with the semiconductor is responsible for passivating its surface.
  • the other layers 119B and 119 C (there are a total of three sublayers here) have well chosen thicknesses and indices to minimize the reflection of light. We can cite to make materials such as Si3N4, SiOxNy, MgF2, ...
  • the diagram in FIG. 5 represents a module 210 whose elements similar to those of module 10 are assigned the same reference number, increased by the number 200. It comprises micro-cells 215 with a surface texturing designated by the arrow T. The surface has a random structure in all directions, very fine (less than a micron), which does not reflect light. The transparent, insulating passivation layer 219 covers this surface.
  • the diagram in FIG. 6 represents a module 310 whose elements similar to those of module 10 are assigned the same reference number, but increased by the number 300. It comprises micro-cells whose entry surface has a regular pyramidal structure designated by arrow P. It is known that these pyramids, in combination with a passivating and simple anti-reflective layer 319, transmit light very well in the semiconductor. These variants are only improvements for the entry of light into the semiconductor. They are classic on other cells solar, but they apply to a module of the invention without disturbing the basic structure.
  • a particularly interesting variant is to make micro-cells larger than in the above examples, but to keep the density of the contacts and metal tracks on the whole cell in order to collect the charges well. This amounts to making a slightly more complex MPI because each micro-cell has an interdigitated cell structure.
  • the intermediate metal tracks 417 which are above a wall 414 always connect a doping D1 of a micro-cell 415 to the complementary doping D2 of the next micro-cell.
  • the other metal tracks 421, called secondary tracks, are in contact with only one of the dopings, inside a micro-cell.
  • the top view shows that at the change of micro-cell, they change doping.
  • the metal tracks are on different dopings and are distributed alternately in the manner of interdigital combs, as in a conventional cell.
  • each of the secondary metal tracks is arranged between two secondary tracks or between an intermediate or extreme track, and another secondary metal track connected to doped zones of the same other type within said underlying strip.
  • another way of describing this advantageous configuration is to say that each of the secondary tracks is arranged between two metal tracks connected to one another and from which this secondary track is isolated.
  • the advantage of this variant is that it allows the number of microcells to be adjusted during construction to choose the output voltage of the MPI, regardless of the problems of collecting photo-charges and size. of the illuminated surface (there are no more masking problems than in the case of module 10 in FIGS. 1 and 2 (there are as many metal tracks) while allowing a different voltage to be obtained at the output, between terminals 418.
  • the micro-cells have, when viewed from above, identical rectangular sizes, in other words they are rectilinear and have a constant section over their entire length. If the illumination is uniform, all these micro-cells will output the same photogenerated current and there will be no difficulty.
  • An MPI is intended to be placed under a concentration system. The concentration system will make a clear or blurred and / or distorted image of the sun as the case may be. This form is necessarily different from uniform lighting on a rectangle, the only case considered so far in this description of this structure. ue each photovoltaic micro-cell behaves like a current generator in parallel with a diode.
  • the current generators limit the maximum current to the value they generate. Consequently: if the illumination is inhomogeneous, the current delivered by the MPI will be the current generated by the least illuminated of the micro-cells, from where a consequent loss of efficiency, even a complete cancellation if a micro-cell, at edge for example, is not lit.
  • the shape of the micro-cells is modified to take account of the non-uniformity of illumination of the module.
  • This modified form is chosen according to the characteristics of the concentration system.
  • a sharp image of the sun is a uniformly lit disc. It is a difficult case to obtain by the quality of the optics necessary but perfectly possible and consider if you want a bill of high concentration and exactly known.
  • the contour of the MPI can approach very closely that of a circle by a polygonal cut.
  • the module 510 of FIG. 9A we have chosen the hexagon.
  • the separation, until now linear of the 515 micro-cells, is here deformed to adjust to the circular shape of the image of the sun and define elements whose illuminated surface is almost identical.
  • the rings symbolizing the image of the sun of uniform intensity.
  • the tracks with a central line represent the top view of the micro-concentrators interconnecting the doped areas of the micro-cells and reflecting the light towards the photovoltaic material.
  • the elongated strips 515 are wider in their central portion than at their ends.
  • the extreme tracks 518 are wider for connection to the external charging circuit.
  • FIGS. 9B and 9C show two diagrams which show that the surfaces of each micro-cell can be adapted to the intensity distribution to equalize the currents without changing the structure of the MPI.
  • the width of the micro-cells is minimal where the light intensity is maximum.
  • the width is chosen as a function of the light intensity delivered by the optical system in order to obtain quasi-equality of the currents of the micro-cells. It is a constant principle that we will find for all the cells described now.
  • the rings tightening against each other in the center of Figure 9C want to represent an increase in intensity in the center of the MPI.
  • the micro-cells are 6 in number in these diagrams but can go to large numbers (several hundreds) in the production.
  • FIGS. 9B and 9C elements similar to those of FIG. 9A are assigned the same reference number, but with an index "prime” or "second".
  • the MPI can be longer than the spot illuminated in this direction so that the light spot oscillating on its surface does not come out if the micro -cells and their connections by micro-concentrators are elongated according to the direction of oscillation, the currents will remain constant despite the variation in position.
  • This is illustrated by the module 510A of FIG. 9D where the tracks 517A, rectilinear, delimit bands 515A which are all the wider as one moves away from the center towards the extreme tracks 518A.
  • the two series of ellipses aim to symbolize two possible positions of the light spot.
  • the micro-cells are narrower at the center of the MPI because the light spot is more intense.
  • the sun tracking system can generate an image whose shape is stable but irregular.
  • the apparent rotation of the sun in the sky can cause this irregular spot of light to rotate around a stable axis.
  • An MPI with concentric microcells 615 or 615 'around the axis in this case keeps the currents constant and identical.
  • the micro-concentrator 619 or 619' which goes to the center connects a central contact point at the edge so that the connection system does not mask part of the MPI.
  • the tracks are noted 617 or 617 '.
  • the other contact is a contact taken at the edge, as in the previous examples, but the two right and left edges 618 and 618 'constitute the same contact.
  • the current generated goes from the edge to the center or from the center to the edge depending on the polarization of the semiconductor dopants.
  • Regular ellipses have been shown to represent a centered spot of light. Dissymmetrical forms are entirely compatible with these MPIs.
  • the distribution of the surface of the micro-cells can be very complex if the maximum intensity is not aligned with the axis of rotation, but a very well adapted MPI is achievable with an equality of the micro-cell currents.
  • FIGS. 10B and 10C show what we have already described in the representations where the micro-cells did not have complex contours.
  • Additional electrodes 620 ′ are provided on the peripheral micro-cell since it has very large areas. These additional electrodes are not vertical to a wall delimiting the micro-cells but join point or route contacts necessary for less resistive current collection. They are here substantially radial.
  • the micro-concentrator in the middle of the module 610 connects a contact in the center of the central cell of the MPI to the edge passing over the other cells without contacting them, as shown by the continuous insulating layer which separates it from the semiconductor. Current flows between this central contact and the edge contact (s).
  • the modules such as rectangular, trapezoidal, circular or hexagonal, regular polygonal ..., nor to fluctuations in the shape of the micro-cells (rectilinear, curve, loop ... ) within a module.
  • the adjacent strips can thus be parallel (in the case of parallel strips) or approximately parallel (in the case of variable sections) but also concentric, with widths equal or not from one strip to the other.
  • a more complex variant of MPI is the possible association with an SOI support material (or substrate) which is active.
  • the most useful case is a material that can support another type of solar cell. This case is interesting because the absorption of light is a function of materials and wavelengths. Silicon, for example, is transparent in the infrared (lambda wavelength> 1.2 ⁇ m). Light at these wavelengths reaches the support and can be collected there, as long as the material (s) constituting this substrate lends itself to it (for example a support made of germanium or SiGe for an upper silicon cell). In fact, one can choose any other semiconductor with electronic band gap having a width less than the electronic band band of the semiconductor which forms the upper micro-cells.
  • This complementary cell does not a priori benefit from the advantages produced by the micro-cells of the upper cell, but its combination with cells on the surface can make it possible to optimize the amount of light converted into photo-charges.
  • FIG. 11 represents an example of a diagram representing a module 710 having such a structure. Elements similar to those of module 10 bear the same reference numbers, after adding the number 700. In fact, the upper part of this module is similar to that of this module 10, but the cell produced on the lower face marked 730 is here of a classic diagram with tracks 731 forming interdigitated combs and multiple doping zones including those denoted D1 "A and D 2" A. There may be passivation of the lower surface, as designated by the reference 740.
  • the structure can also be swapped, with the large cell above the small ones, the concentrators remaining on the upper face.
  • the large cell must in this case be made with a semiconductor with a band gap wider than that of the micro-cells.
  • FIG. 12 is a diagram of a module 810 in accordance with the principle which has just been proposed. The elements which are similar to those of the module 10 of FIGS. 1 and 2 are designated by the same reference numbers, after addition of the number 800.
  • This module 810 thus comprises elongated strips 815 bordered by end walls 816 and walls side 814 of which only the ends are visible, these walls being over most of their length capped by intermediate metal tracks 817 or extremities 818.
  • the reference 850 designates additional connections to the outside and the reference 870 designates an additional internal connection between the left terminal 818 to part of this side part (right) produced on the module outside the electrically insulating walls 814 or 816.
  • the integration is such that the connection between the protective diodes and the micro-cells is made directly by extending the metal tracks 817 on the walls.
  • the contact openings between the metal of the tracks and the semiconductor at the diode can be made in a similar way to what has been proposed for the micro-cells.
  • the polarization of the diode is reversed as indicated by the inversion of the digits 1 and 2 after the letter D signifying the doped zones.
  • the diagram of FIG. 12 comprises an additional variant by the addition of an electronic circuit 860 in a semiconductor zone insulated by walls, next to the elongated strips forming the micro-cells.
  • This circuit can have various functions and may or may not be associated with components external to the MPI. It can also be carried out in several zones isolated by walls. Its function is for example a simple diode, holding the reverse high voltage, in series to protect the MPI from an imbalance between the different MPIs of a panel. It can also be a simple transistor switch but also conventional choppers per se allowing to control the power emitted by this MPI with respect to the external circuit or even an inverter to obtain an oscillating voltage and an alternating current. The number of possible variants depends on the function to be performed. The realization depends on the function and can lead to additional steps, copied from the already known manufacturing steps for these components outside of their association with these solar micro-cells. The principle and the advantages of the basic MPI are not modified but supplemented.
  • the voltage recovered at its ends will be N times the voltage of a micro-cell and the current equal to that of a micro-cell.
  • the voltage-current couple at given power is adjustable during construction by the number N of micro-cells in view of the load for which the MPI is intended.
  • each micro-cell or other internal component has a well-controlled edge and that, consequently, the MPI does not need special attention for its cutting. There is no need to leave a guard zone. It is of course advisable to take care that the sawing at the end of the production loses the least possible surfaces to reduce the costs.
  • the MPI is compatible with various shapes, in particular hexagonal, to maximize agreement with the shape of the spot of light concentration.
  • the MPI is compatible with the various anti-reflective techniques, such as layers of well chosen thickness, but also texturizations or pyramidal surfaces.
  • This structure is also compatible with various variants.
  • the surface covered by each micro-cell is not necessarily a constant and can be chosen to optimize performance.
  • the surface is chosen as a function of the uniformity of illumination.
  • insulating walls of the micro-cells allows the production of other complementary components isolated from the micro-cells in the semiconductor material but electrically connected by metallization. These components can be used to protect the MPI or optimize its operating point. The protection makes it possible to keep a non-zero efficiency for MPI, even when the panel which carries them is not exactly oriented.
  • the components and associated circuits in the integration allow optimization of compatibility with external electrical loads.
  • the concentration system (for example a lens) is a square with a side of 50 cm, then the power to be collected is 250W. If we place a square photovoltaic cell with a side of 2 cm, the concentration factor is 625.
  • the range of absorbed wavelengths goes from 0.3 to 1.12 ⁇ m. To properly absorb this flux, it is necessary to maximize the thickness; on the other hand, the difficulty of manufacturing the walls increases with the thickness; this results in an arbitrary thickness choice in the range 10 to 100 ⁇ m for the silicon on insulator part.
  • the thickness of the electrically insulating layer is advantageously chosen to make a reflective layer and return the unabsorbed light into the cell.
  • a minimum thickness chosen from the range 0.10 to 0.30 ⁇ m depending on the wavelength to be preferred is sufficient. Thicknesses which are integer multiples of this minimum thickness retain the reflective power of the layer and may be necessary for problems of technological compatibility and influence of the electric fields from the rear face.
  • a cell with a conventional concentration, of the same size should output, if it existed, 89A at 0.68V.
  • the 1 m connecting copper wire should have a diameter greater than 53 mm (much larger than the cell!), which is unrealistic and too expensive.
  • FIGS. 13 et seq Schematically describe the steps of an example of a method of manufacturing the structure of a module according to the invention.
  • the example shown here uses silicon and usual equipment in a microelectronic production chain. Each step mentioned below is a process known per se.
  • Figure 13 a silicon wafer 900 in which an electrically insulating layer 901 has been formed. It is a commercial product known under the name of SOI (Silicon On Insulator).
  • the upper layer of the original plate 900 is thus cut into elongated strips 903. An engraving not visible on this cut made simultaneously defines the length of the strips.
  • Polysilicon is deposited (FIG. 17) until the slots remaining between the lateral layers 904 are filled (reference 905).
  • the polysilicon deposited on the surface is then removed (for example by polishing, so that only the deposits filling said slots.
  • FIG. 18 represents a step during which a photolithography of a resin mask is carried out, an etching of the upper oxide 902, and elimination of the resin. Thin slits 906 are thus obtained on either side of the walls 905.
  • a photolithography step of a resin mask 907 so as to cover the slots 906 situated on a given side of the walls, and a doping material (for example boron) is implanted to form a first type of D1 doped zones (for example of the "P" type) in the elongated strips under the other slots (not covered by the resin).
  • a doping material for example boron
  • the resin deposited during the previous step is eliminated, and another resin mask 908 is deposited by photolithography (FIG. 20). sort of covering the previously doped slots, leaving the other slots bare, and implanting another doping material (for example phosphorus) to form a second type of D2-doped areas (for example of the "N" type) in the bands elongated under said other slots.
  • the resin 908 is eliminated (FIG. 21), and an activation and diffusion annealing of the dopants is advantageously carried out; preferably a slight partial chemical deoxidation of the surfaces is carried out for the future production of electrical contacts.
  • a thick layer of material 910 is deposited, for example in AISi, then a photolithography of a resin 911 is carried out with sloping edges.
  • an anisotropic etching of the thick layer 910 is finally carried out, preferably a dry etching, and one ends by a chemical etching, and the residues of the resin are eliminated, which results in prisms 912.
  • a thick layer of AISi is deposited, photolithography of a thick resin with sloping edges, anisotropic etching of the thick layer, by dry etching, then chemical finishing treatment, and elimination of resin residues, which gives the configuration of FIG. 31, with prisms 930 covering the walls 928, that is to say the configuration of FIG. 3.
  • the realization of variant 5 is more complex due to the interventions to be carried out on both sides. Here are the main steps as an example.
  • the first step concerns the SOI material which in this case is particular. It is for example a structure Si / SiO2 / SiGe or Si / SiO2 / Ge.
  • FIG. 32 takes up the configuration of FIG. 17, with elements similar to those of this figure which are designated by reference signs which are deduced therefrom by adding the "prime" index.
  • a photolithography of a resin mask 950 is carried out on the rear face, then implantation on the rear face, through slots 951, so as to form doped zones of a first type DD1.
  • the resin 950 is eliminated and a photolithography of another mask of resin 952 is carried out, so as to cover the areas DD1, then implantation, through wide slots 953, so as to form doped areas of another type DD2.
  • FIG. 36 there is photolithography of a resin mask and etching of the upper oxide and elimination of the resin (cf. FIG. 18).
  • FIGS. 37 and 38 the operations of FIGS. 19 and 20 are carried out.
  • FIG. 39 an activation and diffusion annealing of the dopants is carried out, both in the upper part and in the lower part.
  • a photolithography step of a resin mask is carried out on the rear face, an etching of the oxide on the rear face then an elimination of the resin, which reveals, in the layer 954, slots 955 opposite each DD1 or DD2 doped zone.
  • a slight partial deoxidation is carried out, chemically, of the surfaces for the future electrical contacts, and deposition of a thick layer 956 and 957 on the upper and lower faces, respectively.
  • FIG. 42 there is photolithography of a mask 958 on the rear face and etching of the layer 957 through this mask.

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Abstract

Un module photovoltaïque, destiné à coopérer avec un système à concentration de lumière, comporte : - un substrat 11, - une couche en matériau semi-conducteur 12 séparée du substrat par une couche électriquement isolante 13, une pluralité de bandes allongées 15 ayant chacune une face d'entrée adaptée à recevoir de la lumière étant ménagée dans cette couche en matériau semi-conducteur et étant longées chacune par des parois électriquement isolantes 14 s'étendant jusqu'à la couche électriquement isolante, chaque bande comportant des zones dopées Dl et D2, - des pistes métalliques intermédiaires 17 connectant électriquement en série les bandes allongées de matériau semi-conducteur et disposées parallèlement aux parois électriquement isolantes, et - des pistes métalliques extrêmes 18 constituant des bornes électriques de sortie connectées aux bandes extrêmes de la pluralité de bandes en matériau semi-conducteur.

Description

Module photovoltaïque intégré pour système à concentration et un procédé de fabrication
Domaine technique.
L'invention se situe dans le domaine des systèmes photovoltaïques à concentration, généralement dans le cas de la lumière solaire. Elle vise notamment des composants pour panneau de cellules solaire à concentration pour génération d'électricité à bas coût. Une cellule à concentration est une cellule photovoltaïque mise au foyer d'un système de concentration de la lumière. La concentration est assurée par des lentilles ou des miroirs. Ces cellules peuvent être préférées aux cellules sans concentrateur car il est connu que le rendement d'une cellule monte avec la puissance lumineuse incidente. Par ailleurs, une cellule photovoltaïque simple de grande surface peut coûter plus cher qu'une petite cellule photovoltaïque associée à un concentrateur de grande surface.
Ces cellules à concentration sont assemblées pour former des panneaux qui doivent en pratique être munis d'un système de suivi du soleil du fait de la directivité du système de concentration. L'invention vise plus particulièrement une cellule photovoltaïque à mettre sous un système de concentration d'un quelconque type approprié, dont il sera simplement tenu compte de l'influence pour la répartition d'éclairement sur l'élément photovoltaïque.
Etat de la technique.
Il existe déjà de nombreuses cellules à concentration, avec des performances et des structures différentes. Pour faire une cellule la plus économique possible et au rendement maximum, il a été démontré qu'il faut des concentrations comprises entre 100 et 1000. Avec des rendements de conversion allant habituellement de 20 % à plus de 30 %, les courants électriques générés vont de quelques A/cm2 à quelques dizaines d'A/cm2. Les tensions générées par les cellules photovoltaïques sont typiquement de 0,7V et au plus de quelques volts. Dans ces conditions, pour ne pas perdre de puissance dans les lignes électriques d'interconnexion, il est nécessaire qu'elles aient une très faible résistance.
Par exemple, une ligne ne devant pas perdre plus de 0,5 % de la puissance générée à 5A sous 0,7V doit avoir une résistance de moins de 700 micro-Ohms. De telles résistances supposent des conducteurs larges et épais et des contacts, entre conducteurs, très bien faits.
Mais de tels conducteurs larges ne peuvent pas être mis sur la surface active de la cellule solaire sans faire une ombre préjudiciable à son rendement. Il est donc classique de mettre les connexions sur la face opposée à la face éclairée, mais malheureusement cela oblige à faire traverser l'épaisseur de la cellule aux photo-charges, en favorisant ainsi leurs recombinaisons. En même temps, c'est très contraignant pour leur réalisation, puisque cela conduit naturellement à choisir de réaliser des cellules minces et par conséquent fragiles.
Une autre solution est de multiplier le nombre de cellules et de concentrateurs côte à côte sur la même surface et, ainsi, de réduire leur taille. Le courant dans chaque conducteur lié à chaque cellule est diminué d'autant, et le conducteur peut alors avoir une résistance plus élevée, donc être plus petit. Il peut ainsi être mis en surface éclairée récupérant les charges là où elles se créent sans faire une ombre trop importante.
Malheureusement, ces petites cellules sont très sensibles au problème suivant : les cellules solaires à concentration sont dégradées par les effets de bord. Le rapport longueur / surface des bords est défavorable aux cellules de petite taille, car le bord prend beaucoup d'importance ; or celui-ci est en général mal maîtrisé. En effet, les cellules de petites tailles ont l'avantage de pouvoir être faites collectivement sur une même plaque, ce qui abaisse leur coût, mais nécessite une découpe de la plaque pour les séparer à la fin de leur réalisation. Or il peut être montré que cette découpe crée localement une surface fortement recombinante pour les photo-charges. Il existe différentes techniques pour s'affranchir de cet inconvénient, comme par exemple celle consistant à laisser une zone de garde entre la surface photosensible et le bord. L'effet recombinant du bord est alors minimisé ; mais la surface de la cellule, donc son coût, en est très fortement augmenté (par exemple, une garde de seulement 1 mm autour d'une cellule de 2x2 mm multiplie sa surface et son coût par 4). Les autres méthodes sont elles aussi plus coûteuses. Le problème de coût des techniques solaires, vis-à-vis des autres systèmes de production d'énergie, est un paramètre qui conduit tous les experts à privilégier les structures les plus simples et le plus rapidement construites possible. Les structures complexes ne sont même envisagées que s'il peut être prévu que leurs performances seront très supérieures à celles des structures simples. De l'avis commun, il faut réunir la cellule la moins chère avec le concentrateur le moins cher dans une structure de panneau la moins chère, pour espérer produire l'énergie la moins chère. C'est pourquoi, actuellement, on ne connaît que des cellules simples ou des cellules à jonctions multiples et empilées pour être mises sous des systèmes à concentration. Un autre inconvénient des cellules de petite taille est qu'il en faut un grand nombre pour couvrir une même surface. A un rendement donné, la surface du panneau est fixée par la puissance à fournir. Les panneaux à petites cellules deviennent coûteux par la multiplication des opérations de montage pour les réaliser. Il est donc préférable de faire des panneaux à concentration dont le nombre de cellules est minimum. La taille des cellules doit alors être maximale, ce qui est contradictoire avec les contraintes précédentes imposées par la résistance électrique.
C'est pourtant un bon compromis entre ces critères apparemment contradictoires (avec notamment un bon rendement de conversion, de faibles pertes électriques, pour un encombrement et un coût raisonnable) que l'invention a pour objet de fournir. Exposé de l'invention.
L'invention propose à cet effet un module photovoltaïque, destiné à coopérer avec un système à concentration de lumière, comportant
- un substrat, - une couche en matériau semi-conducteur séparée du substrat par une couche électriquement isolante, une pluralité de bandes allongées ayant chacune une face d'entrée adaptée à recevoir de la lumière étant ménagée dans cette couche en matériau semi-conducteur et étant longées chacune par des parois électriquement isolantes s'étendant jusqu'à la couche électriquement isolante, chaque bande comportant des zones dopées,
- des pistes métalliques intermédiaires connectant électriquement en série les bandes allongées de matériau semi-conducteur et disposées parallèlement aux parois électriquement isolantes, et
- des pistes métalliques extrêmes constituant des bornes électriques de sortie connectées aux bandes extrêmes de la pluralité de bandes en matériau semiconducteur.
L'invention propose ainsi une nouvelle structure photovoltaïque pour concentration qui ressemble plutôt, de par sa conception, à celle d'un module photovoltaïque en miniature (ou d'une élément de panneau solaire en miniature). Par contre, ce module miniature est monolithique, comme l'est une cellule photovoltaïque. C'est pourquoi on peut dire que c'est un Module Photovoltaïque Intégré (abréviation MPI utilisée ci-dessous) à l'image de ce que sont les circuits électroniques intégrés pour l'électronique.
Il mérite d'être souligné que le fait de concevoir et réaliser une structure photovoltaïque monolithique aussi complexe en miniature pour la mettre au foyer d'un système de concentration a notamment pour conséquence que le coût (et la difficulté) de réalisation unitaire de ce MPI est plus élevé que le coût de réalisation unitaire d'une cellule à concentration classique, par contre le coût du panneau solaire final en est très fortement réduit. Selon les dispositions préférées de l'invention, éventuellement combinées : - lesdites pistes métalliques intermédiaires sont disposées le long de la face d'entrée des bandes allongées, en coiffant chacune l'une des parois électriquement isolantes bordant les bandes allongées en matériau semiconducteur et en connectant électriquement des zones dopées de types différents au sein des bandes allongées séparées par cette paroi,
- ce module peut comporter en outre des pistes métalliques secondaires disposées à distance des parois électriquement isolantes, connectées à l'une des pistes métalliques intermédiaires ou extrêmes et à des zones dopées d'un même type au sein de la bande sous-jacente, - chacune des pistes métalliques secondaires est disposée entre deux pistes métalliques secondaires ou entre une piste intermédiaire ou extrême, et une autre piste métallique secondaire connectée à des zones dopées d'un même autre type au sein de ladite bande sous-jacente,
- chacune des pistes secondaires est disposée entre deux pistes métalliques connectées l'une à l'autre et dont cette piste secondaire est isolée,
- certaines au moins des pistes métalliques sont couvertes par un micro-concentrateur de lumière,
- ledit micro-concentrateur a une section en prisme triangulaire,
- chaque micro-concentrateur fait partie intégrante de la piste métallique qu'il couvre,
- les micro-concentrateurs peuvent être associés ou remplacés fonctionnellement par des micro-lentilles de type cylindrique disposées sur la face libre des bandes allongées
- la face d'entrée de chaque bande allongée est recouverte d'une couche transparente et électriquement isolante présentant des orifices permettant un contact entre le matériau semi-conducteur et les pistes métalliques, - cette couche transparente se comporte comme une couche de passivation en contact avec le matériau semi-conducteur, - la couche transparente est formée d'un empilement de sous- couches,
- la couche transparente comporte de la silice,
- cette couche est au moins en partie formé d'un matériau choisi dans le groupe comportant Si3N4, SiOxNy, MgF2,
- la face d'entrée recouverte par la couche transparente est texturée,
- la face d'entrée recouverte par la couche transparente est conformée en une pluralité de pyramides adjacentes, - les bandes allongées comportent des zones dopées le long de chacune des parois qui les bordent latéralement,
- les bandes allongées comportent des zones dopées le long de la couche électriquement isolante et/ou de la face d'entrée de lumière,
- les bandes allongées ont une section constante sur toute leur longueur,
- les bandes allongées ont une largeur qui est minimale en une zone centrale et maximale auprès des pistes métalliques extrêmes,
- les bandes allongées ont une largeur qui est maximale à mi-chemin de leurs extrémités, et minimale en ces extrémités, - les bandes allongées ont une largeur qui est minimale à mi- chemin de ses extrémités, et qui augmente progressivement (est continûment variable) entre ce minimum et ces extrémités,
- les parois délimitant ces bandes allongées sont en ligne brisée, - les parois délimitant ces bandes allongées sont courbes,
- les bandes allongées ont la forme de boucles,
- les bandes allongées forment des anneaux concentriques,
- des pistes secondaires sont raccordées à une piste conductrice longeant une bande allongée annulaire, - les pistes secondaires sont sensiblement radiales à partir de cette piste, 004/059746
- ce module a une forme rectangulaire, ou carrée, voire une forme circulaire ou ovale ou en polygone régulier,
- au moins une cellule de conversion de lumière est en outre ménagée dans le substrat, sous la couche électriquement isolante, pour une gamme de longueurs d'ondes différente de celle pour laquelle les bandes allongées sont adaptées à convertir de la lumière ; notamment dans ce cas, le module peut être retourné, étant adapté à recevoir de la lumière par l'une quelconque de ses faces.
- des composants sont réalisés dans la couche en matériau semi-conducteur ; ceux-ci sont avantageusement isolés vis à vis des microcellules ; il peut notamment s'agir de diode(s) de protection, et/ou d'interrupteur(s) et/ou d'onduleur(s), etc ...,
- le matériau semi-conducteur des bandes allongées est du silicium, du germanium ou du SixGeι-x., même si d'autres matériaux peuvent être choisis selon les besoins.
Selon un autre aspect de l'invention, celle-ci propose un procédé de fabrication d'un module photovoltaïque destiné à coopérer avec un système à concentration, selon lequel,
• on réalise une plaque comportant un substrat et une couche en matériau semi-conducteur séparée du substrat par une couche électriquement isolante enterrée,
• on grave dans la couche en matériau semi conducteur des fentes s'étendant jusqu'à la couche enterrée en sorte de délimiter des bandes allongées, et on revêt les flancs de ces bandes d'une couche électriquement isolante, par exemple en oxyde,
• on remplit ces fentes en sorte de réaliser des parois séparant les bandes allongées,
• on réalise des zones dopées dans chacune de ces bandes allongées, au moins auprès de chaque paroi, • on réalise, sur chaque paroi, des pistes métalliques coiffant cette paroi en connectant des zones dopées situées de part et d'autre de cette paroi, • on réalise des sur les parois extrêmes des pistes extrêmes formant des bornes de sortie.
Des objets, caractéristiques et avantages de l'invention ressortent de la description qui suit, donnée à titre d'exemple illustratif non limitatif, en regard des dessins annexés sur lesquels :
• la figure 1 est une vue en coupe d'un module photovoltaïque selon un premier mode, simple, de réalisation de l'invention, la figure 2 en est une vue de dessus, la figure 3 est une vue en coupe d'un autre module selon un autre mode de réalisation, la figure 4 est une vue en coupe d'une variante de réalisation, la figure 5 en est une variante de réalisation, la figure 6 en est encore une autre variante de réalisation, la figure 7 est une vue en coupe d'encore un autre module selon un autre mode de réalisation, la figure 8 en est une vue de dessus, la figure 9A est une vue de dessus d'un autre mode de réalisation, la figure 9B est une vue de dessus d'une variante de réalisation, la figure 9C est une vue de dessus d'une variante de la figure 9B, la figure 9D est une vue de dessus d'encore une autre variante de réalisation, la figure 10A est une vue de dessus d'encore un autre mode de réalisation, la figure 10B est une vue de dessus d'une variante de réalisation, la figure 10C est une vue en coupe selon la ligne X-X de la figure 10B, la figure 11 est une vue en coupe d'encore un autre module selon un autre mode de réalisation, la figure 12 est une vue de dessus d'encore un autre module selon encore un autre mode de réalisation, les figures 13 à 23 sont des vues en coupe représentant des étapes de la fabrication d'un module conforme à celui des figures 1 et 2, • les figures 24 à 31 sont des vues en coupe représentant des étapes de la fabrication d'un module conforme à celui de la figure 3,
• les figures 32 à 44 sont des vues en coupe représentant des étapes de la fabrication d'un module conforme à celui de la figure 11. Les figures 1 et 2 représentent une version particulièrement simple d'un module photovoltaïque selon l'invention.
Ce module désigné dans son ensemble sous la référence 10, comporte un substrat 11 , une couche 12 en matériau semi-conducteur séparée du substrat par une couche 13 électriquement isolante, des parois 14 électriquement isolantes s'étendant au travers de la couche 12 depuis sa surface supérieure jusqu'à la couche enterrée 13 en sorte de délimiter dans cette couche 12 des bandes ou blocs de matériau semi-conducteur 15., et des pistes métalliques.
Ce module est destiné à coopérer avec un système à concentration de lumière (non représenté) de tout type connu approprié, tel que de la lumière arrive sur le module 10 en provenant du dessus. La face supérieure de le couche 12 et donc des bandes 15, constitue donc une face d'entrée de lumière.
Les bandes ou blocs 15 constituent des cellules solaires élémentaires aussi appelées micro-cellules dans la suite, et comportent à cet effet, de manière classique, des zones dopées, ici représentées dans les coins supérieurs. Un type de dopage (de type p ou n) est désigné par la référence D1 et l'autre (type n ou p) par la référence D2.
Il mérite d'être noté que les bandes ou blocs sont ici électriquement isolés par en-dessous (par la couche enterrée 13), sur les côtés (par les parois 14) mais aussi en leurs extrémités par des parois 16 qui définissent avec les parois 14 extrêmes un rectangle contenant toutes les bandes 15.
Les croix qui apparaissent sur la figure 2 sont des repères de positionnement.
Les pistes métalliques, donc électriquement conductrices, sont, dans l'exemple représenté, avantageusement matérialisées sur la surface supérieure de la couche 12 et peuvent être réparties en deux groupes : * des pistes métalliques intermédiaires 17 qui connectent électriquement en série les bandes allongées 15 et disposées parallèlement aux parois 14 électriquement isolantes,
* des pistes métalliques extrêmes 18 qui constituent des bornes électriques de sortie connectées aux bandes extrêmes de la pluralité de bandes du module.
Ainsi qu'il ressort des figures 1 et 2, les pistes métalliques intermédiaires 17 sont avantageusement disposées le long des bandes 14 en coiffant, ici sensiblement sur toute leur longueur, chacune l'une des parois 14 électriquement isolantes bordant les bandes allongées en en connectant des zones dopées respectives de types différents au sein des bandes séparées par la paroi considérée. A titre d'exemple, la figure 1 comporte deux flèches qui désignent, de part et d'autre de la piste 17 la plus à gauche, des zones par lesquelles cette piste 17 est en contact électrique avec, respectivement, une zone dopée D2 de la bande 15 à gauche de cette paroi 14, et une zone dopée D1 de la bande 15 située à droite de cette même paroi 14.
De manière également avantageuse, les pistes métalliques intermédiaires 17 sont couvertes par un micro-concentrateur de lumière, ici de forme an prisme triangulaire ; les pistes et leurs micro-concentrateurs font avantageusement partie intégrante les une des autres.
De manière également avantageuse, la surface supérieure des micro-cellules 15 est recouverte par une couche transparente 19, en pratique électriquement isolante qui présente au moins des orifices permettant un contact entre le matériau semi-conducteur et les pistes métalliques (voir les zones précitées désignées par les flèches de part et d'autre de la piste métallique 17 la plus à gauche à la figure 1 ). Cette couche 19 joue en pratique en outre un rôle de passivation.
On peut noter que chacune des micro-cellules est ainsi longée sur chacune de ses faces par des parois ou couches électriquement isolantes formant une sorte de caisson enfermant cette micro-cellule.
De manière générale, on peut noter que le module MPI (pour Module Photovoltaïque Intégré, voir ci-dessus) représenté sur les figures 1 et 2 a une structure reconnaissable en ce qu'il comporte des couches et des parois isolantes présentes dans un matériau semi-conducteur, sur un support monolithique et que l'ensemble est adapté à être mis sous un système à forte concentration (typiquement : plus 10 fois). Ces couches et ces parois définissent des blocs de semi-conducteur isolés les uns des autres. Chaque bloc ou bande de semi-conducteur est dopé par zone pour former une photodiode et au moins une de ses faces transmet la lumière. Les pistes métalliques interconnectent les micro-cellules. Seules des ouvertures bien délimitées peuvent être ménagées dans les couches isolantes pour mettre en contact le semi-conducteur et le métal. Dans le MPI simple des figures 1 et 2, les ouvertures sont choisies telles que les contacts « plus » d'une micro-cellule soient reliés électriquement aux contacts « moins » de sa voisine. Cette structure monolithique se caractérise en ce qu'elle se comporte comme la mise en série de micro-cellules. On peut signaler les avantages directs suivants : du fait des microtechniques disponibles et choisies pour la réalisation, les parois isolant chaque bloc de ses voisins sont de grande qualité. Elle ne conduisent qu'à une faible recombinaison des photo-charges créées dans le semi-conducteur lors d'une conversion de lumière incidente. La tension délivrée par le MPI est fonction du nombre de microcellules mises en série. Relativement à une cellule à concentration classique, de même taille que le MPI, le courant est divisé par un facteur égal au nombre de micro-cellules en série. La résistance opposée par les lignes a de ce fait moins d'importance. Les micro-cellules ayant déjà un bord bien défini, le MPI les associant n'a pas besoin d'une attention particulière lors de sa découpe.
En fait, même s'il est préféré que ce soit en face avant (voir ci- dessus) les conducteurs peuvent être mis aussi bien en face arrière qu'en face avant, car ils sont de faible encombrement. A titre d'exemple, le module des figures 1 et 2 est formé d'une succession de micro-cellules réalisées dans des semi-conducteurs sur isolant (Silicon On Isolator - par exemple Si/SiO2). Les micro-cellules sont séparées entre elles par des parois isolantes en SiO2 et poly-silicium. La couche isolante et transparente située sur la partie supérieure du semi-conducteur est en SiO2 (la transparence est nécessaire pour l'entrée de lumière dans le semiconducteur ; elle n'est utile que dans la gamme de longueurs d'onde pour laquelle on cherche à convertir de la lumière en photo-charges).
Les couches isolantes horizontales ou les parois isolantes verticales des micro-cellules peuvent avoir une structure complexe à plusieurs couches.
Le substrat support du SOI peut être de nature quelconque (typiquement du silicium, mais ce peut être aussi un verre, ou un métal). Le fait de donner aux pistes reliant les micro-cellules en série (voir aux pistes extrêmes, une forme de micro-concentrateur permet de minimiser les pertes de lumière puisque la lumière interceptée par ces pistes est ainsi renvoyée vers la face d'entrée de l'une des micro-cellules adjacentes.
Plusieurs MPI de ce type peuvent être fabriqués simultanément côte à côte ; mais le bord de découpe finale qui correspond au bord du schéma de la figure 2 n'a rien de critique pour les performances de chaque module découpé.
Sur cette figure 2, les parois qui existent sous les métallisations ne sont pas visibles (car masquées) sauf en leurs extrémités. Les zones dopées qui, selon le schéma précédent, seraient impossibles à voir figurent quand même pour la compréhension ou comme variante par une étendue plus grande.
Ce module est intégré en ce sens qu'il est la mise en série de cellules à concentration en un seul composant photovoltaïque.
Les variantes Le module des figures 1 et 2 représentent un module particulièrement simple. Divers types de variantes sont présentés dans ce qui suit, chaque variante apportant des qualités supplémentaires particulières, sans supprimer les qualités de base. Bien entendu ces diverses variantes peuvent être combinées entre elles pour bénéficier de plusieurs avantages à la fois. Certaines variantes complexifient le MPI mais ont pour conséquence la simplification du panneau global les utilisant. C'est l'avantage principal du MPI, plus il intègre de fonctions, habituellement reportées individuellement sur le panneau, moins le panneau qui en comporte plusieurs sera compliqué et coûteux.
Des variantes simples de cette structure peuvent être envisagées, concernant par exemple la nature et l'étendue des dopages ou leurs positions, la structure des parois, voire la forme globale de la cellule.
1/ Variantes concernant le dopage.
C'est ainsi qu'il peut y avoir une extension des zones dopées qui n'est pas habituelle pour l'homme de l'art. En effet, bien que chaque bloc de semi-conducteur soit pris dans un système monolithique, il peut être dopé sur toutes ses faces.
C'est ainsi que le schéma de la figure 3 montre un module 10', dont les éléments similaires à ceux des figures 1 et 2 sont désignés par le même chiffre de référence, mais affecté par l'indice « prime ». On observe que ce module est dopé, non seulement à l'emplacement des zones de coin D1 ' et D2', mais aussi au voisinage des parois latérales 14' et des surfaces inférieures 13' et supérieures 19' du semi-conducteur ; ces zones dopées additionnelles sont notées 20'. Bien entendu, il peut n'y avoir qu'un dopage le long de certaines des parois, par exemple uniquement le long des parois verticales, voire uniquement le long d'une seule surface horizontale. Plusieurs types de dopage sont envisageables. Si le semiconducteur est d'un type (P ou N), le dopage sera du type contraire (N ou P respectivement). Si le semi-conducteur peut être considéré comme intrinsèque (dopage P ou N très faible), alors le bord peut être dopé plus fortement P ou N suivant le résultat désiré. Le but de ces dopages des faces est principalement de réduire l'influence des effets de surfaces et par conséquent d'obtenir des bords de bloc de grande qualité recombinant très faiblement les photo-charges.
2/ Variantes concernant les faces d'entrée de lumière des microcellules.
Les pistes métalliques peuvent ne pas former un micro-concentrateur exact, auquel cas des micro-lentilles (de préférence de type cylindrique et s'étendant sur la longueur des pistes métalliques) sont avantageusement disposées au-dessus des micro-cellules pour regrouper la lumière sur chaque micro-cellule à côté du métal non transparent.
Par ailleurs il y a avantageusement un traitement anti-reflet des faces supérieures des micro-cellules, pour minimiser les réflexions. Différentes méthodes classiques existent et sont applicables à ces cellules. Trois méthodes sont ici envisagées, faisant appel à des couches antireflets, à de la texturisation, ou à des pyramides.
Dans le schéma de la figure 4, où des éléments similaires à ceux des figures 1 et 2 sont affectés des mêmes chiffres de référence, augmentés du nombre 100, la couche transparente 19 a été remplacée par un empilement de plusieurs couches transparentes. La couche 119A en contact avec le semiconducteur est chargée de passiver sa surface. Les autres couches 119B et 119 C (il y ici un total de trois sous-couches) ont des épaisseurs et des indices bien choisis pour minimiser la réflexion de la lumière. Nous pouvons citer pour les réaliser les matériaux tels que le Si3N4, SiOxNy, MgF2, ...
Le schéma de la figure 5 représente un module 210 dont les éléments similaires à ceux du module 10 sont affectés du même chiffre de référence, augmenté du nombre 200. Il comporte des micro-cellules 215 avec une texturisation de surface désignée par la flèche T. La surface a une structure aléatoire dans toutes les directions, très fines (inférieure au micron), qui ne réfléchissent pas la lumière. La couche transparente, isolante, de passivation 219 recouvre cette surface.
Le schéma de la figure 6 représente un module 310 dont les éléments similaires à ceux du module 10 sont affectés du même chiffre de référence, mais augmenté du nombre 300. Il comporte des micro-cellules dont la surface d'entrée a une structure pyramidale régulière désignée par la flèche P. Il est connu que ces pyramides, en association avec une couche passivante et antireflet simple 319, transmettent très bien la lumière dans le semiconducteur. Ces variantes ne sont que des améliorations pour l'entrée de la lumière dans le semi-conducteur. Elles sont classiques sur d'autres cellules solaires, mais elles s'appliquent sur un module de l'invention sans en perturber la structure de base.
3/ variante concernant les liaisons entre pistes - structure interdigitée
Une variante particulièrement intéressante est de faire des micro- cellules plus larges que dans les exemples précités, mais de conserver la densité des contacts et de pistes métalliques sur la cellule entière pour bien collecter les charges. Cela revient à faire un MPI un peu plus complexe car chaque micro-cellule a une structure de cellule interdigitée.
Pour lui conserver sa lisibilité, les schémas des figures 7 et 8 représentent un cas très simple, où il n'y a que deux micro-cellules dans le MPI repéré 410. Les éléments similaires à ceux des figures 1 et 2 sont désignés par des chiffres de référence qui s'en déduisent par addition du nombre 400.
Les pistes métalliques 417 intermédiaires qui sont au-dessus d'une paroi 414 relient toujours un dopage D1 d'une micro-cellule 415 au dopage complémentaire D2 de la micro-cellule suivante. Les autres pistes métalliques 421 , dites pistes secondaires, ne sont en contact qu'avec un seul des dopages, à l'intérieur d'une micro-cellule. La vue de dessus montre qu'au changement de micro-cellule, elles changent de dopage.
Comme nous pouvons le voir sur le schéma ci-dessous, sur une micro-cellule, les pistes métalliques sont sur des dopages différents et sont réparties en alternance à la manière des peignes interdigités, comme dans une cellule classique.
On peut noter que chacune des pistes métalliques secondaires est disposée entre deux pistes secondaires ou entre une piste intermédiaire ou extrême, et une autre piste métallique secondaire connectée à des zones dopées d'un même autre type au sein de ladite bande sous-jacente. De même, une autre manière de décrire cette configuration avantageuse, est de dire que chacune des pistes secondaires est disposée entre deux pistes métalliques connectées l'une à l'autre et dont cette piste secondaire est isolée. L'avantage de cette variante est de permettre d'ajuster à la construction le nombre de micro-cellules pour choisir la tension de sortie du MPI, indépendamment des problèmes de collecte des photo-charges et de taille de la surface éclairée (il n'y a pas plus de problèmes de masquage que dans le cas du module 10 des figures 1 et 2 (il y a autant de pistes métalliques) tout en permettant d'obtenir une tension différente en sortie, entre les bornes 418. 4/ Variantes concernant la forme des micro-cellules et du module. Dans les exemples qui précèdent, les micro-cellules ont, en vue de dessus, des tailles rectangulaires identiques ; en d'autres termes elles sont rectilignes et ont une section constante sur toute leur longueur. Si l'éclairement est uniforme, toutes ces micro-cellules débiteront le même courant photo- généré et il n'y aura pas de difficulté. Un MPI est destiné à être mis sous un système de concentration. Le système de concentration fera une image du soleil nette ou floue et/ou déformée selon les cas. Cette forme est nécessairement différente d'un éclairage uniforme sur un rectangle, seul cas envisagé jusqu'ici dans cette description de cette structure. Rappelons que chaque micro-cellule photovoltaïque se comporte comme un générateur de courant en parallèle avec une diode. Lors de la mise en série des micro-cellules et les générateurs de courant limitent le courant maximum à la valeur qu'ils génèrent. En conséquent : si l'éclairement est inhomogène, le courant débité par le MPI sera le courant généré par la moins éclairée des micro-cellules, d'où une perte conséquente d'efficacité, voire une annulation complète si une micro-cellule, au bord par exemple, n'est pas éclairée.
Il est donc recommandé d'adapter la forme du MPI et de ses microcellules pour égaliser les courants dans celle-ci. II est tout aussi recommandé que cette adaptation ne nuise pas à ce que toute la lumière incidente entre dans le matériau photovoltaïque.
Si les panneaux solaires classiques comportent la mise en série de cellules solaires, aucun des panneaux connus ne voit la forme de ses cellules varier pour répondre aux exigences d'une lumière concentrée. De plus, couramment, pour l'ensemble du panneau 10 % et plus de la lumière incidente est perdu.
C'est pourquoi, dans des modes de réalisation avantageux de 2004/059746
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l'invention, la forme des micro-cellules est modifiée pour tenir compte de la non- uniformité d'éclairement du module. Cette forme modifiée est choisie en fonction des caractéristiques du système de concentration.
Nous allons envisager ici quelques cas particuliers pour illustrer comment l'image ou la forme de la tache de concentration peut justifier une adaptation de la forme des micro-cellules et montrer que cette structure se prête à ce choix tout en gardant ses caractéristiques de collecte quasi complète de la lumière incidente avec des contacts en face éclairée et toujours compatible avec les différents antireflets.
a) Image du soleil parfaitement nette et stable
Une image nette du soleil est un disque uniformément éclairé. C'est un cas difficile à obtenir par la qualité de l'optique nécessaire mais parfaitement possible et envisager si l'on désire une facture de concentration élevée et exactement connu.
Le contour du MPI peut approcher de très près celui d'un cercle par une découpe polygonale. Dans le module 510 de la figure 9A, nous avons choisi l'hexagone. La séparation, jusqu'à maintenant linéaire des micro-cellules 515, est ici déformée pour s'ajuster à la forme circulaire de l'image du soleil et définir des éléments dont la surface éclairée est quasi identique. Ici, nous avons choisi des parois (et des pistes) 517 en lignes brisées, mais des formes plus lisses sont possibles.
Les anneaux symbolisant l'image du soleil d'intensité uniforme. Les pistes avec une ligne centrale représentent la vue de dessus des micro- concentrateurs interconnectant les zones dopées des micro-cellules et réfléchissant la lumière vers le matériau photovoltaïque. Les bandes allongées 515 sont plus larges dans leur portion centrale qu'en leurs extrémités. Les pistes extrêmes 518 sont plus larges pour la connexion au circuit de charge extérieur.
b) Image floue et stable du soleil
Plus généralement, on cherche à avoir un système optique peu cher et simple. L'image peut être floue pourvu qu'elle ait la taille désirée. L'image est alors souvent concentrique avec un maximum d'intensité en son centre et une décroissance vers les bords. Le facteur de concentration est variable. Si l'on garde un MPI de forme carrée les figures 9B et 9C montrent deux schémas qui montrent que les surfaces de chaque micro-cellule peuvent être adaptées à la répartition d'intensité pour égaliser les courants sans changer la structure du MPI.
La largeur des micro-cellules est minimale là où l'intensité lumineuse est maximale. La largeur est choisie en fonction de l'intensité lumineuse délivrée par le système optique pour obtenir la quasi égalité des courants des micro-cellules. C'est un principe constant que l'on retrouvera pour toutes les cellules décrites maintenant.
Les anneaux se serrant les uns contre les autres au centre le la figure 9C veulent représenter un surcroît d'intensité au centre du MPI. Les micro-cellules sont au nombre de 6 dans ces schémas mais peuvent aller à de grands nombres (plusieurs centaines) dans la réalisation.
Sur les figures 9B et 9C, des éléments analogues à ceux de la figure 9A sont affectés de la même référence numérique, mais avec un indice « prime » ou « seconde ».
c) Image floue du soleil, déformée et instable dans une direction
Il se peut que, pour minimiser le coût de l'ensemble, on préfère réaliser une plus forte concentration dans une direction que dans l'autre. La tache est alors non circulaire. Elle est à bords flous. Si le système de poursuite, toujours pour minimiser les coûts, est imprécis dans une direction alors le MPI peut être plus long que la tache éclairée dans cette direction de telle sorte que la tache lumineuse oscillant sur sa surface n'en sorte pas si les micro-cellules et leurs connections par micro-concentrateurs sont allongées selon la direction d'oscillation, les courants resteront constants malgré la variation de position. Ceci est illustré par le module 510A de la figure 9D où les pistes 517A, rectilignes, délimitent des bandes 515A d'autant plus larges que l'on s'éloigne du centre vers les pistes extrêmes 518A. Les deux séries d'ellipses visent à symboliser deux positions éventuelles de la tache lumineuse. Les micro-cellules sont plus étroites au centre du MPI car la tache lumineuse est plus intense.
d) Image floue du soleil, déformée et tournant autour d'un centre
Le système de suivi du soleil peut générer une image dont la forme est stable mais irrégulière. La rotation apparente du soleil dans le ciel peut entraîner une rotation de cette tache lumineuse irrégulière autour d'un axe stable. Un MPI à micro-cellules concentriques 615 ou 615' autour de l'axe garde dans ce cas les courants constants et identiques. Dans les modules 610 et 610' des figures 10A à 10D, le micro-concentrateur 619 ou 619' qui va jusqu'au centre relie un point de contact central au bord pour que le système de connexion ne masque pas une partie du MPI. Les pistes sont notées 617 ou 617'. L'autre contact est un contact pris au bord, comme dans les exemples précédents, mais les deux bords droit et gauche 618 et 618' constituent le même contact.
Le courant généré va du bord vers le centre ou du centre vers le bord selon la polarisation des dopants du semi-conducteur. II a été représenté des ellipses régulières pour figurer une tache lumineuse centrée. Des formes dissymétriques sont tout à fait compatibles avec ces MPI. La répartition de surface des mircro-cellules peut être très complexe si le maximum d'intensité n'est pas aligné sur l'axe de rotation, mais pour autant un MPI très bien adapté est réalisable avec une égalité des courants des micro- cellules.
La déformation de la tache lumineuse peut induire que certaines des micro-cellules ont alors une surface très importante, ou des zones de largeur importante. Pour récupérer convenablement le courant il peut être utile d'augmenter la surface des contacts ou leurs positions. C'est ce que représentent les figures 10B et 10C qui montrent ce que nous avons déjà décrit dans les représentations où les micro-cellules n'avaient pas des contours complexes. Des électrodes supplémentaires 620' (vis-à-vis de la figure 10A) sont pourvus sur la micro-cellule périphérique car elle a des zones de très grande surface. Ces électrodes supplémentaires ne sont pas à la verticale d'une paroi délimitant les micro-cellules mais joignent des contacts ponctuels ou linéraires nécessaires pour une collecte moins résistive des courants. Elles sont ici sensiblement radiales.
Le micro-concentrateur du milieu du module 610' relie un contact au centre de la cellule centrale du MPI au bord en passant au-dessus des autres cellules sans les contacter, comme le montre la couche isolante continue qui le sépare du semi-conducteur. Le courant circule entre ce contact central et le ou les contacts au bord.
Des schémas plus complexes encore peuvent être décrits si la tache se déforme de façon connue pendant le mouvement. Ceci est valable aussi bien pour une image rotative qu'en oscillation linéaire. Les divers modules qui précèdent sont faits avec quelques microcellules, mais les systèmes réels peuvent aller à plusieurs centaines.
L'adaptation versatile de cette structure aux contraintes de la concentration de la lumière solaire est le point fort du MPI.
Ainsi, rien ne s'oppose à des formes très variées pour les modules telles que rectangulaire, trapézoïdale, circulaire ou hexagonale, polygonale régulière..., ni à des fluctuations de forme des micro-cellules (rectiligne, courbe, boucle...) au sein d'un module. Les bandes adjacentes peuvent ainsi être parallèles (cas de bandes parallèles) ou approximativement parallèles (cas de sections variables) mais aussi concentriques, avec des largeurs égales ou non d'une bande à l'autre.
Quelque soit la forme choisie pour un MPI, il est toujours possible de le concevoir avec des micro-cellules. Cela permet de maximiser la compatibilité avec le système de concentration et les techniques de fabrication.
5/ Variantes concernant le substrat portant les micro-cellules. Une variante plus complexe de MPI est l'association possible avec un matériau support du SOI (ou substrat) qui est actif. Le cas le plus utile est un matériau qui peut supporter un autre type de cellule solaire. Ce cas est intéressant car l'absorption de la lumière est fonction des matériaux et des longueurs d'ondes. Le silicium par exemple est transparent dans l'infrarouge (longueur d'onde lambda >1.2 μm). La lumière à ces longueurs d'ondes arrive jusqu'au support et peut y être collectée, du moment que le(s) matériau(x) constitutif(s) de ce substrat s'y prête (par exemple un support en germanium ou en SiGe pour une cellule supérieure en silicium). En fait, on peut choisir tout autre semi-conducteur à bande interdite électronique ayant une largeur inférieure à la bande interdite électronique du semi conducteur qui forme les micro-cellules supérieures. Cette cellule complémentaire ne bénéficie pas a priori des avantages produits par les micro-cellules de la cellule supérieure mais sa combinaison avec des cellules en surface peut permettre d'optimiser la quantité de lumière convertie en photo-charges.
La figure 11 représente un exemple de schéma représentant un module 710 ayant une telle structure. Les éléments similaires à ceux du module 10 portent les mêmes chiffres de référence, après addition du nombre 700. En fait, la partie supérieur de ce module est similaire à celle de ce module 10, mais la cellule réalisée sur la face inférieure notée 730 est ici d'un schéma classique avec des pistes 731 formant des peignes interdigités et de multiples zones de dopage dont celles notées D1 "A et D 2"A.. Il peut y avoir passivation de la surface inférieure, tel que cela est désigné par la référence 740.
Selon une variante de réalisation non représentée, la structure peut aussi être permutée, avec la grande cellule au dessus des petites, les concentrateurs restant sur la face supérieure. La grande cellule devra être faite dans ce cas avec un semi-conducteur à bande interdite de largeur supérieure à celle des micro-cellules.
Des structures bien plus complexes peuvent encore être envisagées comme l'empilement de structures avec des parois délimitant des microcellules. Les techniques actuelles de réalisation l'autorisent déjà, même si leur complexité (et par conséquent leur coût) conduit aujourd'hui à un coût important.
6/ Réalisation de composants connexes à côté des micro-cellules Cette réalisation est possible du fait de l'existence de parois isolantes. Des composants tels que résistances, diodes, capacités et transistors sont alors intégrés séparément ou à plusieurs dans une ou plusieurs zones de semi-conducteur isolé par les parois à côté des micro-cellules. Par exemple, il peut être intéressant de prévoir une protection contre les surtensions internes. En effet, il peut arriver des événements où l'éclairement devient très inhomogène, typiquement pendant les phases de mise en place ou de pointage du panneau, ou encore pour un problème de suivi du soleil. Une partie des micro-cellules reçoit alors de la lumière, tandis que l'autre partie n'en reçoit pas (ou en tout cas beaucoup moins). Le courant généré par une micro-cellule alimente la micro-cellule suivante qui se comporte comme une diode en inverse. Si la micro-cellule n'est pas éclairée, elle refuse le passage du courant. La tension monte à ses bornes. Comme il y a en pratique beaucoup de micro-cellules en série, une micro-cellule peut être soumise à la tension générée par plusieurs micro-cellules et atteindre sa tension de claquage. De plus, il suffit d'une micro-cellule mal éclairée pour que le MPI ne délivre plus de courant, donc plus de puissance. Mais il est facile d'y remédier en plaçant une diode non photovoltaïque tête bêche sur chaque micro-cellule, selon une solution connue dans les cellules classiques. La figure 12 est un schéma d'un module 810 conforme au principe qui vient d'être proposé. Les éléments qui sont similaires à ceux du module 10 des figures 1 et 2 sont désignés par les mêmes chiffres de référence, après addition du nombre 800. Ce module 810 comporte ainsi des bandes allongées 815 bordées par des parois d'extrémité 816 et des parois latérales 814 dont seules des extrémités sont visibles, ces parois étant sur l'essentiel de leur longueur coiffées par des pistes métalliques intermédiaires 817 ou extrêmes 818. En fait il y a trois parois 816, dont deux parois en partie supérieure de la figure 12, délimitant avec l'extrémité des parois 814 des petits caissons 840 dans lesquelles des diodes sont réalisées grâce à la réalisation de zones dopées D'1 et D'2 en sens inverse des zones D1 et D2. La référence 850 désigne des connexions additionnelles vers l'extérieur et la référence 870 désigne une connexion interne supplémentaire entre la borne gauche 818 à une partie de cette partie latérale (droite) réalisée sur le module en dehors des parois électriquement isolantes 814 ou 816.
L'intégration est telle que la connexion entre les diodes de protection et les micro-cellules se fait directement en prolongeant les pistes métalliques 817 sur les parois. Les ouvertures de contact entre le métal des pistes et le semi-conducteur au niveau de la diode peuvent être faites de manière similaire à ce qui a été proposé pour les micro-cellules. La polarisation de la diode est inversée comme l'indique l'inversion des chiffres 1 et 2 après la lettre D signifiant les zones dopées. Pour mieux protéger les diodes non photovoltaïques de la lumière incidente que cela n'est présenté sur ce schéma on peut prévoir une plus large métallisation qui masque leur surface. 11 Variante concernant la périphérie du module. Le schéma de la figure 12 comporte une variante supplémentaire par l'ajout d'un circuit électronique 860 dans une zone de semi-conducteur isolé par des parois, à côté des bandes allongées formant les micro-cellules.
Ce circuit peut avoir diverses fonctions et être associé ou non à des composants extérieurs au MPI. Il peut aussi être réalisé en plusieurs zones isolées par des parois. Sa fonction est par exemple une simple diode, tenant la haute tension inverse, en série pour protéger le MPI d'un déséquilibre entre les différents MPI d'un panneau. Ce peut être aussi un simple interrupteur à transistor mais aussi des hacheurs classiques en soi permettant de piloter la puissance émise par ce MPI vis-à-vis du circuit extérieur ou encore un onduleur pour obtenir une tension oscillante et un courant alternatif. Le nombre de variantes possibles dépend de la fonction à réaliser. La réalisation dépend de la fonction et peut amener des étapes supplémentaires, recopiée des étapes de fabrication déjà connues de ces composants hors de leur association avec ces micro-cellules solaires. Le principe et les avantages du MPI de base n'en sont pas modifiés mais complétés.
Avantages Si l'on suppose un éclairement égal entre toutes les micro-cellules, elles vont avoir la même tension et débiter le même courant. S'il y a N microcellules dans le module photovoltaïque intégré, la tension récupérée à ses extrémités sera N fois la tension d'une micro-cellule et le courant égal à celui d'une micro-cellule. Le couple tension-courant à puissance donnée est ajustable à la construction par le nombre N de micro-cellules au vu de la charge pour laquelle le MPI est destiné.
Par exemple, on fera très attention à la puissance perdue dans les conducteurs de liaison. La puissance perdue par effet joule dans la résistance des lignes diminue en N2 car P=R I2. Cette diminution importante des pertes de connexion nous autorise à utiliser des lignes électriques plus fines donc moins coûteuses.
La limitation de taille de cellule à concentration pour limiter les courants délivrés est repoussée vers les plus fortes surfaces pour un MPI. Par conséquent, le nombre de MPI à monter sous des concentrateurs est donc réduit à surface (puissance) de panneau égale. Le coût de fabrication du panneau final est réduit.
Une autre particularité du MPI selon l'invention est que, par fabrication, chaque micro-cellule ou autre composant interne possède un bord bien contrôlé et que, par conséquent, le MPI n'a pas besoin d'une attention particulière pour sa découpe. Il n'est pas nécessaire de laisser une zone de garde. Il est naturellement opportun de faire attention à ce que le sciage en fin de fabrication perde le moins de surfaces possible pour réduire les coûts.
Il existe plusieurs méthodes pour obtenir ce bord qui peut être composé de plusieurs couches et ainsi être de grande qualité.
Le MPI est compatible avec des formes diverses, en particulier hexagonales, pour maximiser l'accord avec la forme de la tache de concentration de la lumière.
Le MPI est compatible avec les différentes techniques antireflet, comme les couches d'épaisseur bien choisie, mais aussi les texturisations ou les surfaces pyramidales. Cette structure est aussi compatible avec diverses variantes. En particulier, la surface couverte par chaque micro-cellule n'est pas obligatoirement une constante et peut être choisie pour optimiser les performances. Notamment, la surface est choisie en fonction de l'homogénéité d'éclairement.
L'intégration de parois isolant les micro-cellules permet la réalisation d'autres composants complémentaires isolés des micro-cellules dans le matériau semi-conducteur mais raccordé électriquement par la métallisation. Ces composants peuvent servie de protection du MPI ou optimiser son point de fonctionnement. La protection permet de garder une efficacité non nulle aux MPI, même quand le panneau qui les porte n'est pas exactement orienté.
Les composants et circuits associés dans l'intégration permettent d'optimiser la compatibilité avec les charges électriques extérieures.
Le fait de réaliser ces composants en même temps que les micro- cellules dans le MPI permet de réduire le coût de montage du panneau car il ne sera pas nécessaire de les rapporter à l'assemblage final.
Exemples numériques
Sous un éclairement solaire normalisé de type AM 1 ,5 il arrive au sol au plus 0,1 W/cm2. Si le système de concentration (par exemple une lentille) est un carré de 50 cm de côté, alors la puissance à recueillir est de 250W. Si nous plaçons une cellule photovoltaïque carrée de 2 cm de côté, le facteur de concentration est de 625.
Lorsqu'on choisit de réaliser le MPI en silicium, la gamme des longueurs d'onde absorbées va de 0,3 à 1 ,12 μm. Pour bien absorber ce flux, il faut maximiser l'épaisseur ; par contre la difficulté de fabrication des parois croît avec l'épaisseur ; il en résulte un choix d'épaisseur arbitraire dans la gamme 10 à 100 μm pour la partie silicium sur isolant.
Sauf dans le cas où l'on est intéressé à réaliser une cellule complémentaire dans le substrat, l'épaisseur de la couche électriquement isolante est avantageusement choisie pour faire couche réfléchissante et renvoyer la lumière non absorbée dans la cellule. Pour une couche de SiO2 ménagée entre un substrat et une couche supérieure toutes deux en silicium, une épaisseur minimale choisie dans la gamme 0,10 à 0,30 μm en fonction de la longueur d'onde à privilégier est suffisante. Des épaisseurs qui sont des multiples entiers de cette épaisseur minimale conservent à la couche son pouvoir réflecteur et peuvent être nécessaires pour des problèmes de compatibilité technologique et d'influence des champs électriques par la face arrière.
Si on choisit de réaliser ce MPI avec N = 352 micro-cellules de 56,8 microns de large, les rendements espérés des micro-cellules sont supérieurs à 24 % : il y a donc environ une puissance P=60,5W électrique récupérée à transmettre. La tension d'une micro-cellule, en charge, au maximum de puissance, est voisine de celle d'une cellule classique, soit U= 0,68V. Le MPI débite donc environ I = 253mA sous N*U= 239V (P=N*U*I). Si on se fixe de ne pas perdre plus de 0,1 % de la puissance dans les conducteurs, alors ceux-ci ne devront pas avoir une résistance supérieure à 0,945 Ohm. La résistivité du cuivre étant voisine de 1 ,7 micro-Ohm. cm, une longueur de fil de 1 mètre pour atteindre le MPI suivant devra avoir un diamètre supérieur à 0,15 mm, ce qui ne pose aucun problème technique.
Pour comparaison, une cellule à concentration classique, de même taille, devrait débiter, si elle existait, 89A sous 0,68V. Les conducteurs, ne devant pas perdre plus que précédemment, ne devraient pas avoir une résistance supérieure à 7,64 microOhm. Le fil de cuivre de liaison de 1 m devrait avoir un diamètre supérieur à 53 mm (bien plus gros que la cellule !), ce qui est irréaliste et trop coûteux.
Exemples de réalisation de modules selon l'invention Les figures 13 et suivantes décrivent de façon schématique les étapes d'un exemple de méthode de fabrication de la structure d'un module conforme à l'invention. L'exemple représenté ici met en œuvre du silicium et des équipements habituels dans une chaîne de production microélectronique. Chaque étape mentionnée ci-dessous est un procédé connu en soi. On part (figure 13) d'une plaque de silicium 900 dans laquelle une couche électriquement isolante 901 a été ménagée. C'est un produit commercial connu sous l'appellation de SOI (Silicon On Insulator).
On procède ensuite (figure 14) à une oxydation thermique en surface ou au dépôt d'une couche de SiO2, d'où une couche d'oxyde 902 qui permet de passiver cette surface libre de la couche supérieure.
On procède ensuite (figure 15) aux étapes suivantes :
- photolithographie d'un masque de résine,
- gravure anisotrope de l'oxyde, - gravure anisotrope du silicium jusqu'arrêt sur la couche isolante enterrée 901 ,
- élimination de la résine.
La couche supérieure de la plaque 900 d'origine est ainsi découpée en bandes allongées 903. Une gravure non visible sur cette coupe faite simultanément définit la longueur des bandes.
On procède ensuite (figure 16) à une oxydation thermique des flancs de ces bandes allongées, d'où l'apparition de couches latérales d'oxyde 904.
On procède à un dépôt de polysilicium (figure 17) jusqu'à remplir (référence 905) les fentes subsistant entre les couches latérales 904. On élimine ensuite le polysilicium déposé en surface (par exemple par polissage, en sorte de ne laisser subsister que les dépôts remplissant lesdites fentes.
La figure 18 représente une étape au cours de laquelle on procède à une photolithographie d'un masque de résine, à une gravure de l'oxyde supérieur 902, et élimination de la résine. On obtient ainsi de fines fentes 906 de part et d'autre des parois 905.
On procède (figure 19) à une étape de photolithographie d'un masque de résine 907 en sorte de couvrir les fentes 906 situées d'un côté donné des parois, et on implante une matière de dopage (par exemple du bore) pour former un premier type de zones dopées D1 (par exemple de type "P") dans les bandes allongées sous les autres fentes (non couvertes par la résine).
On élimine la résine déposée lors de l'étape précédente, et on dépose (figure 20) par photolithographie un autre masque de résine 908 en sorte de couvrir les fentes précédemment dopées en laissant à nu les autres fentes, et on implante une autre matière de dopage (par exemple du phosphore) pour former un second type de zones dopées D2 (par exemple de type "N") dans les bandes allongées sous lesdites autres fentes. On élimine (figure 21) la résine 908, et on procède avantageusement à un recuit d'activation et de diffusion des dopants ; on procède de préférence à une légère désoxydation partielle chimique des surfaces pour la réalisation future de contacts électriques.
Selon la figure 22, on dépose une couche épaisse de matériau 910, par exemple en AISi, puis on procède à une photolithographie d'une résine 911 avec des bords en pente.
Selon la figure 23, on procède enfin à une gravure anisotrope de la couche épaisse 910, de préférence une gravure à sec, et on finit par une gravure chimique, et on élimine les restes de la résine, ce qui aboutit à des prismes 912.
Cet enchaînement d'étapes technologiques n'est qu'un exemple possible pour créer cette structure conforme au module des figures 1 et 2.
Pour la réalisation des variantes, l'enchaînement des étapes est très voisin de ce qui précède. Néanmoins, les variantes décrites précédemment en 1/ (cf figure 3) et en 5/ (cf figure 11 ) peuvent avoir de nettes différences.
Les étapes de réalisation de la variante 1/ sont représentées par les figures 24 à 31.
On part (figure 24) d'une plaque commerciale 920 de SOI comportant une couche d'oxyde enterrée 921 longée par une couche dopée enterrée 922. On fait pénétrer (figure 25), par implantation ou par diffusion en four, d'un dopant à la surface (couche 923) et on procède à une oxydation thermique et /ou au dépôt d'une couche de SiO2, en sorte d'obtenir une couche 924 de passivation de la surface.
Comme indiqué précédemment, on procède (figure 26) à une photolithographie d'un masque de résine, à une gravure anisotrope de la couche d'oxyde 924, puis à une gravure anisotrope du silicium jusqu'à l'arrêt sur la couche isolante enterrée 921. On obtient des bandes allongées 925. Selon la figure 27, on fait diffuser un dopant en four, sous atmosphère contrôlée, en sorte de doper les flancs de ces bandes (référence 926) puis on oxyde thermiquement ces flancs, en sorte d'obtenir une couche latérale d'oxyde 927. A partir de maintenant, les étapes sont identiques au cas précédent.
Seul l'aspect des schémas change :
- à la figure 28, il y a dépôt de polysilicium jusqu'à remplir (référence 928) les fentes séparant les bandes 925, puis élimination du polysilicium ainsi déposé sur la couche 924 ; - à la figure 29, il y a photolithographie d'un masque de résine et gravure de la couche supérieure 924 en sorte de former des fentes 929 longeant les parois 928, puis élimination de la résine. Comme précédemment, il y a ensuite (sans que les étapes soient représentées) : - photolithographie d'un masque de résine,
- implantation (Bore pour former des zones P+),
- élimination de la résine,
- photolithographie d'un masque de résine,
- implantation (phosphore pour former des zones N+), - élimination de la résine
- recuit d'activation et de diffusion des dopants, et
- légère désoxydation partielle (par voie chimique) des surfaces pour de futurs contacts.
On aboutit ainsi à la configuration de la figure 30 avec des zones dopées D1 ' et D2\
Puis, on procède au dépôt d'une couche épaisse en AISi, photolithographie d'une résine épaisse avec des bords en pente, gravure anisotrope de la couche épaisse, par gravure sèche, puis traitement chimique de finition, et élimination des restes de résine, ce qui donne la configuration de la figure 31 , avec des prismes 930 coiffant les parois 928, c'est à dire la configuration de la figure 3. La réalisation de la variante 5 est plus complexe du fait des interventions à effectuer sur les deux faces. En voici, à titre d'exemple, les étapes principales.
La première étape concerne le matériau SOI qui dans ce cas est particulier. Il s'agit par exemple d'une structure Si/SiO2/SiGe ou Si/SiO2/Ge.
Les premières étapes qui suivent sont identiques à ce qui précède, sans qu'il soit utile de les représenter à nouveau. Ces étapes comportent :
- oxydation thermique et/ou dépôt SiO2 pour passivation de surface, - photolithographie d'un masque de résine,
- gravure anisotrope de l'oxyde,
- gravure anisotrope du silicium jusqu'à arrêt sur la couche isolante enterrée,
- élimination de la résine, - oxydation thermique des flancs du silicium gravé.
La figure 32 reprend la configuration de la figure 17, avec des éléments similaires à ceux de cette figure qui sont désignés par des signes de référence qui s'en déduisent par addition de l'indice "prime".
Selon la figure 33, on procède à une photolithographie d'un masque de résine 950 en face arrière, puis implantation en face arrière, au travers de fentes 951 , en sorte de former des zones dopées d'un premier type DD1.
Selon la figure 34, on élimine la résine 950 et on procède à une photolithographie d'un autre masque de résine 952, en sorte de couvrir les zones DD1 , puis implantation, au travers de larges fentes 953, en sorte de former des zones dopées d'un autre type DD2.
Selon la figure 35, il y a élimination de la résine 952 et dépôt d'une couche 954 de SiO2 en face arrière, par exemple par PECVD.
Selon la figure 36, il y a photolithographie d'un masque de résine et gravure de l'oxyde supérieur et élimination de la résine (cf figure 18). Selon les figures 37 et 38 on procède aux opérations des figures 19 et 20. Selon la figure 39 (analogue à la figure 21 ) on procède à un recuit d'activation et de diffusion des dopants, aussi bien en partie haute qu'en partie basse.
Selon la figure 40, on procède à une étape de photolithographie d'un masque de résine en face arrière, à une gravure de l'oxyde en face arrière puis à une élimination de la résine, qui fait apparaître, dans la couche 954, des fentes 955 en regard de chaque zone dopée DD1 ou DD2.
Selon la figure 41 , on procède à une légère désoxydation partielle, par voie chimique, des surfaces pour les futurs contacts électriques, et dépôt d'une couche épaisse 956 et 957 sur les faces supérieure et inférieure, respectivement.
A la figure 42, il y a photolithographie d'un masque 958 en face arrière et gravure de la couche 957 au travers de ce masque.
Selon la figure 43 il y a photolithographie d'une résine épaisse sur la couche 956, avec des bords en pente, puis gravure anisotrope de cette couche épaisse.
Après élimination des résines et finition chimique des gravures sur les deux faces, on obtient la configuration de la figure 44, qui correspond à la figure 11. En ce qui concerne les variantes de type 21, elles ajoutent des étapes dans les premières étapes de la réalisation sans les modifier profondément. La contrainte sur le choix des étapes supplémentaires provient des étapes "chaudes" qui suivront. Il faut que les matériaux ajoutés résistent aux températures de recuit des étapes suivantes. Diverses solutions existent, en particulier avec le Si3N4, à choisir parmi toutes les options possibles en fonction de la conception du système de concentration. Certains systèmes de concentration peuvent imposer la présence d'une lentille collée sur la cellule ou sur le MPI. C'est avantageux car le milieu au dessus du MPI a un indice voisin de la silice. On peut donc ajouter autant d'épaisseurs de silice que nécessaire pour passiver et protéger ces couches ou structures de la suite du procédé.
La réalisation des variantes 3/, AI, 6/ et 7/ demande surtout des modifications des masques de photolithographie mais n'ajoute pas d'étape. Bien sûr, l'optimisation peut amener à complexifier le procédé, mais la structure obtenue reste celle décrite.

Claims

REVENDICATIONS 1. Module photovoltaïque, destiné à coopérer avec un système à concentration de lumière, comportant
- un substrat (11 , 11 ', 111 , 211 , 311 , 411 , 711 ), - une couche en matériau semi-conducteur (12, 12', 112, 212, 312,
412, 712) séparée du substrat par une couche électriquement isolante (13, 13', 113, 213, 313, 413, 713), une pluralité de bandes allongées (15, 15', 115, 215, 315, 415, 515, 615, 715, 815) ayant chacune une face d'entrée adaptée à recevoir de la lumière étant ménagée dans cette couche en matériau semi- conducteur et étant longées chacune par des parois électriquement isolantes (14, 14', 114, 214, 314, 414, 714) s'étendant jusqu'à la couche électriquement isolante, chaque bande comportant des zones dopées (D1 , D2, D1 ', D2'), des pistes métalliques intermédiaires (17, 17', 117, 217, 317, 417, 517, 617, 717, 817) connectant électriquement en série les bandes allongées de matériau semi-conducteur et disposées parallèlement aux parois électriquement isolantes, et
- des pistes métalliques extrêmes (18, 18', 118, 218, 318, 418, 518, 618, 718, 818) constituant des bornes électriques de sortie connectées aux bandes extrêmes de la pluralité de bandes en matériau semi-conducteur. 2. Module selon la revendication 1 , caractérisé en ce que lesdites pistes métalliques intermédiaires sont disposées le long de la face d'entrée des bandes allongées, en coiffant chacune l'une des parois électriquement isolantes bordant les bandes allongées en matériau semi-conducteur et en connectant électriquement des zones dopées de types différents au sein des bandes allongées séparées par cette paroi.
3. Module selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des pistes métalliques secondaires (421 ) disposées à distance des parois électriquement isolantes, connectées à l'une des pistes métalliques intermédiaires ou extrêmes et à des zones dopées d'un même type au sein de la bande sous-jacente.
4. Module selon la revendication 3, caractérisé en ce que chacune des pistes métalliques secondaires est disposée entre deux pistes métalliques secondaires ou entre une piste intermédiaire ou extrême, et une autre piste métallique secondaire connectée à des zones αopees αe rauire type au sein αe ladite bande sous-jacente.
5. Module selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que chacune des pistes secondaires est disposée entre deux pistes métalliques connectées l'une à l'autre et dont cette piste secondaire est isolée.
6. Module selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que certaines au moins des pistes métalliques (17, 17', 117, 217, 317, 417, 517, 617, 717, 817) sont couvertes par un micro-concentrateur de lumière. " • ' ,
7. Module selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit micro-concentrateur a une section en prisme triangulaire.
8. Module selon la revendication 6 ou la revendication 7, caractérisé en ce que chaque micro-concentrateur fait partie intégrante de la piste métallique qu'il couvre.
9. Module selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que les micro-concentrateurs coopèrent avec des microlentilles de type cylindrique disposées sur la face libre des bandes allongées.
10. Module selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la face d'entrée de chaque bande allongée est recouverte d'une couche transparente et électriquement isolante (19, 19', 119A à 119C, 219, 319, 419, 719) présentant des orifices permettant un contact entre le matériau semi-conducteur et les pistes métalliques.
11. Module selon la revendication 10, caractérisé en ce que cette couche transparente se comporte comme une couche de passivation (119A) en contact avec le matériau semi-conducteur.
12. Module selon la revendication" 10 ou la revendication 11 , caractérisé en ce que la couche transparente est formée d'un empilement de sous-couches (119A à 19C).
13. Module selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que la couche transparente comporte de la silice.
14. Module selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, caractérisé en ce que cette couche est au moins en partie formé d'un matériau choisi dans le groupe comportant S-3N4, SiOxNy, MgF2.
15. Module selon l'une quelconque des revendications 10 à 14, caractérisé en ce que la face d'entrée recouverte par la couche transparente
(219) est texturée.
16. Module selon l'une quelconque des revendications 10 à 15, caractérisé en ce que la face d'entrée recouverte par la couche transparente (319) est conformée en une pluralité de pyramides adjacentes.
17. Module selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que les bandes allongées comportent des zones dopées (20') le long de chacune des parois qui les bordent latéralement.
18. Module selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisé en ce que les bandes allongées comportent des zones dopées (20') le long de la couche électriquement isolante.
19. Module selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, caractérisé en ce que les bandes allongées comportent des zones dopées (20') le long de la face d'entrée de lumière.
20. Module selon l'une quelconque des revendications 1 à 19, caractérisé en ce que ce que les bandes allongées (15, 15', 115, 215, 315, 415,
715, 815) ont une section constante sur toute leur longueur.
21. Module selon la revendication 20, caractérisé en ce que les bandes allongées (515A) ont une largeur qui est minimale en une zone centrale et maximale auprès des pistes métalliques extrêmes.
22. Module selon l'une quelconque des revendications 1 à 19, caractérisé en ce que les bandes allongées (515) ont une largeur qui est maximale à mi-chemin de leurs extrémités, et minimale en ces extrémités.
23. Module selon l'une quelconque des revendications 1 à 19, caractérisé en ce que les bandes allongées (515', 515") ont une largeur qui est minimale à mi-chemin de leurs extrémités, et qui est continuement variable.
24. Module selon la revendication 22 ou la revendication 23, caractérisé en ce que les parois (517, 517') délimitant ces"bandes allongées sont en ligne brisée.
25. Module selon la revendication 22 ou la revendication 23, caractérisé en ce les parois (517") délimitant ces bandes allongées sont courbes.
26. Module selon l'une quelconque des revendications 1 à 20, caractérisé en ce que les bandes allongées (615, 615') ont la forme de boucles.
27. Module selon la revendication 26, caractérisé en ce que les bandes allongées forment des anneaux concentriques.
28. Module selon la revendication 27, caractérisé en ce que des pistes secondaires (620') sont raccordées à une piste conductrice longeant une bande allongée annulaire.
29. Module selon la revendication 28, caractérisé en ce que les pistes secondaires sont sensiblement radiales à partir de cette piste.
30. Module selon l'une quelconque des revendications 1 à 29, caractérisé en ce qu'il a une forme de polygone régulier (510).
31. Module selon la revendication 30, caractérisé en ce qu'il a une forme carrée.
32. Module selon l'une quelconque des revendications 1 à 29, caractérisé en ce qu'il a une forme circulaire ou en ovale.
33. Module selon l'une quelconque des revendications 1 à 32, caractérisé en ce qu'au moins une cellule de conversion de lumière (711 ) est en outre ménagée dans le substrat, sous la couche électriquement isolante, pour une gamme de longueurs d'ondes différente de celle pour laquelle les bandes allongées sont adaptées à convertir de la lumière.
34. Module selon la revendication 33, caractérisé en ce que ce module est adapté à recevoir de la lumière par l'une quelconque de ses faces.
35. Module selon l'une quelconque des revendications 1 à 34, caractérisé en ce que des composants électroniques sont réalisés dans la couche en matériau semi-conducteur (840, 860).
36. Module selon la revendication 35, caractérisé en ce que ces composants électroniques sont électriquement isolés vis à vis des bandes allongées.
37. Module selon la revendication 35 ou la revendication 36, caractérisé en ce que l'un au moins des composants est une diode de protection.
38. Module selon l'une quelconque des revendications 35 à 37, caractérisé en ce que l'un au moins des composants est un interrupteur.
39. Module selon l'une quelconque des revendications 35 à 38, caractérisé en ce que l'un au moins des composants est un onduleur.
40. Module selon l'une quelconque des revendications 1 à 39, caractérisé en ce que le matériau semi-conducteur des bandes allongées est choisi dans le groupe formé du silicium, du germanium ou du SixGe-ι-x.
41. Procédé de fabrication d'un module photovoltaïque destiné à coopérer avec un système à concentration, selon lequel,
• on réalise une plaque (900) comportant un substrat et une couche en matériau semi-conducteur séparée du substrat par une couche électriquement isolante enterrée (901),
• on grave dans cette couche en matériau semi-conducteurs des fentes s'étendant jusqu'à la couche enterrée en sorte de délimiter des bandes allongées, et on revêt les flancs de ces bandes d'une couche électriquement isolante (904),
• on remplit ces fentes en sorte de réaliser des parois (905) séparant les bandes allongées, • on réalise des zones dopées (D1 , D2) dans chacune de ces bandes allongées, au moins auprès de chaque paroi,
• on réalise, sur chaque paroi, des pistes métalliques (912) coiffant cette paroi en connectant des zones dopées situées de part et d'autre de cette paroi, • on réalise sur les parois extrêmes des pistes extrêmes formant des bornes de sortie.
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