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WO2016042115A1 - Dispositif semi-photovoltaïque semi-transparent a cellules en serie par interconnexion monolithique - Google Patents

Dispositif semi-photovoltaïque semi-transparent a cellules en serie par interconnexion monolithique Download PDF

Info

Publication number
WO2016042115A1
WO2016042115A1 PCT/EP2015/071399 EP2015071399W WO2016042115A1 WO 2016042115 A1 WO2016042115 A1 WO 2016042115A1 EP 2015071399 W EP2015071399 W EP 2015071399W WO 2016042115 A1 WO2016042115 A1 WO 2016042115A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
elements
substrate
resin
solvent
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/071399
Other languages
English (en)
Inventor
Frédéric Roux
Pascal Faucherand
Paul Lefillastre
Simon Perraud
Olivier Poncelet
Pierre-Yves Thoulon
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
Crosslux
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 Et Aux Energies Alternatives, Crosslux filed Critical Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
Publication of WO2016042115A1 publication Critical patent/WO2016042115A1/fr

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
    • H01L31/0445—PV modules or arrays of single PV cells including thin film solar cells, e.g. single thin film a-Si, CIS or CdTe solar cells
    • H01L31/046—PV modules composed of a plurality of thin film solar cells deposited on the same substrate
    • H01L31/0463—PV modules composed of a plurality of thin film solar cells deposited on the same substrate characterised by special patterning methods to connect the PV cells in a module, e.g. laser cutting of the conductive or active layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/036—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes
    • H01L31/0392—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their crystalline structure or particular orientation of the crystalline planes including thin films deposited on metallic or insulating substrates ; characterised by specific substrate materials or substrate features or by the presence of intermediate layers, e.g. barrier layers, on the substrate
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    • H01L31/0468—PV modules composed of a plurality of thin film solar cells deposited on the same substrate comprising specific means for obtaining partial light transmission through the module, e.g. partially transparent thin film solar modules for windows
    • 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

Definitions

  • the invention relates to the field of photovoltaic devices comprising a transparent substrate in all or part of the solar spectrum and a stack of thin layers constituting a plurality of cells electrically associated in series by monolithic interconnection and also having transparency properties through its thickness.
  • the monolithic interconnection is a known technique allowing the electrical series of several photovoltaic cells to be put together to form large-area photovoltaic modules, typically of the order of m 2 .
  • the principle of this technique is based on the formation of an alternation of deposits and etchings which results in the electrical series of several cells while eliminating the use of heavy wire connections and unsightly, as is the case usually for crystalline silicon modules.
  • These modules can for example be installed "in the field” to serve as a power plant in highly sunny areas. They can also be used for feeding a domestic or industrial installation by being arranged on the roof.
  • a photovoltaic module can be taken directly as a construction material for a roof or facade: it is called “Building Integrated Photovoltaics" or "BIPV” and this market presents a strong development potential.
  • the aesthetic aspect is an important criterion, and one can look for different effects, such as color or partial transparency to the solar spectrum.
  • CGS generally abbreviation for a compound of Cu, In, Ga, Se and S
  • CGS generally abbreviation for a compound of Cu, In, Ga, Se and S
  • it has a uniform black appearance that integrates well into the building and it can be deposited in thin layers (with a thickness in a range of values for example between 0.5 and 5 ⁇ ) on many flexible or rigid substrates such as glass, steels or polymers.
  • Other materials may also be deposited in thin layers such as "CZTS” (general abbreviation for a compound of Cu, Zn, Sn, Se, S), hydrogenated amorphous silicon, hydrogenated microcrystalline silicon or cadmium tellurium " CdTe ".
  • a thin-film solar cell is generally composed of a substrate 1, a rear electrode 2, a photo-absorbing layer 3 in the solar spectrum, a buffer layer 4 and a front electrode 5 transparent and conductive.
  • step P1 makes it possible to isolate two adjacent cells in the rear face
  • step P2 connects the front face of a cell to the back of its neighbor
  • step P3 allows to isolate two adjacent cells on the front.
  • etching techniques have the advantage of being able to be used for a large variety of thin-film deposited materials, for example CdTe, hydrogenated amorphous Si a-Si: H, hydrogenated microcrystalline Si ⁇ -Si: H, CZTS or CIGS.
  • etching techniques each have disadvantages.
  • the mechanical etching leads to the damage of the materials due to the presence of mechanical stresses on the layers, to the formation of debris on the surface of the layers near the etching line which can lead to short-term problems. circuit, as well as the wear of the etching tips.
  • the quality of the mechanical etching is very sensitive to many parameters such as the morphology or the properties of the thin layers, as well as to the operating parameters of the etching tips.
  • laser ablation is not easy to implement. Indeed, it can be seen that the removed material can melt and partially reseal the groove made by laser ablation. Thus, this technique does not provide a clean surface necessary to achieve a good quality electrical contact.
  • Another less common technique is to use chemical etching methods. However, these methods are more complicated and more expensive to implement than conventional methods of mechanical etching or laser ablation.
  • the light-absorbing layer provides for the use of CIGS for example, materials such as tin-doped indium oxide (known as "ITO") or fluorine-doped tin oxide (known as "Sn0 2 : F”) deposited on a substrate of glass can be used to form the back electrode.
  • ITO tin-doped indium oxide
  • Sn0 2 : F fluorine-doped tin oxide
  • the document US2010 / 0126559 describes a photovoltaic module of superstrate type, in which the substrate and the rear electrode are transparent. Furthermore, the opening obtained during the etching step that separates the cells in the front face has a width adapted to the desired transparency for the final photovoltaic module. This opening is made through the light absorbing layer and the front face electrode. This width can for example vary between 5 and 10% of the width of a photovoltaic cell. In general, the photovoltaic module obtained can transmit between about 5 and 50% of the incident light.
  • the openings made in the photovoltaic module are in the form of line. They are then relatively visible to the eye and do not allow a uniform transmission of light.
  • Document GB-A1 -2472608 proposes to produce a semi-transparent photovoltaic cell from a stack comprising a transparent substrate, a transparent back electrode, an opaque light-absorbing layer and an opaque front electrode. Small holes are formed through the front electrode and the photoactive layer so as to allow transmission of light through these two layers via these holes obtained by wet etching. Thus, an etching liquid is deposited on the surface of the photovoltaic cells by means of an ink jet head so as to allow localized etching.
  • US-A1-7795067 discloses semitransparent photovoltaic cells which are also obtained from a stack of thin layers in which a plurality of holes is made. Unlike the solution of GB-A1-2472608, these holes completely go through the stack, ie the layer forming the front electrode, the light-absorbing layer and the layer forming the rear electrode. They are made by mechanical means, for example by drilling or cutting. These mechanical processes have the disadvantage of not making it possible to make holes smaller than 100 ⁇ and / or spaced by less than 100 ⁇ . This results in a non-uniform visual appearance, which prevents the transmission of uniform incident light and continuous vision.
  • document FR2997227A1 also proposes transparent glazing solutions able to generate electricity.
  • the object of the present invention is to provide a thin film photovoltaic solution that overcomes the disadvantages listed above.
  • an object of the invention is to provide a method of manufacturing a photovoltaic device comprising a transparent substrate in all or part of the solar spectrum and a stack of thin layers formed on the substrate, which is simple, effective and inexpensive , and which allows in particular simultaneous obtaining transparency properties through this stack and monolithic interconnection properties ensuring the electrical series of isolated cells together at the front and rear electrodes of this stack.
  • this stack constituting a plurality of photovoltaic cells adjacent to one another on the substrate,
  • the elements of the first set each take the form of a pad and are distributed on the substrate at a distance from each other.
  • the elements of the second set each take the form of a straight line and are distributed on the substrate parallel to each other.
  • the elements of the second set can be used to create zones of isolation between them of the rear electrodes of adjacent cells, in particular in the form of first straight trenches parallel to each other whose bottom opens towards the substrate.
  • the first lift-off step may comprise successively a deposition step on the substrate of the first set of elements of first resin, a step of forming at least the first, second, third and fourth layers and a first step of application of a first solvent on the stack, the pair formed by the first resin and the first solvent being selected so that said first step of applying the first solvent removes the elements of the first set and the areas of the first, second, third and fourth layers only located above the elements of the first set of the opposite side to the substrate.
  • the elements of the first set are deposited on the substrate according to a periodic tiling at the vertices of a basic pattern having the shape of a polygon such as a square or a hexagon.
  • the monolithic interconnection serialization comprises a step of depositing the second set of second resin elements on the substrate and a localized material removal step of any thin layer of the stack formed above the elements of the second together prior to the implementation of said step of withdrawal, wherein the localized removal of material is carried out only in the areas located in alignment with the elements of the second set of the side opposite the substrate.
  • the step of depositing the second set of second resin elements and the localized material removal step constitutes a second lift-off step, in particular through the first layer.
  • the second lift-off step may comprise a second step of applying a second solvent on the first layer, prior to the formation of the second, third and fourth layers, the pair formed by the second resin of the second set of elements. and by the second solvent being chosen so that said second step of applying the second solvent removes the elements of the second set and the areas of the first layer only located above the elements of the second set of the opposite side to the substrate.
  • the manufacturing method preferably comprises a step of forming said second layer, then a step of creating, via a third lift-off step through the second layer formed, zones intended for the electrical interconnection. between a front electrode of a given cell with a rear electrode of an adjacent cell, in particular in the form of second straight trenches parallel to each other, the bottom of which opens out towards the first layer.
  • the third lift-off step may comprise a deposition step, prior to the step of forming the second layer, of a third set of elements of a third resin on the first layer, and then a third step of applying a third solvent to the stack of thin layers, prior to the formation of the third layer, the pair formed by the third resin and the third solvent being selected so that said third step application of the third solvent removes the elements of the third set and the areas at least of the second and fourth layers located only above the elements of the third set of the side opposite the substrate.
  • the manufacturing method preferably comprises a step of forming said third layer, at least at the regions intended for the electrical interconnection between the front and back electrodes respectively of two adjacent cells, then a step of creation via a fourth step of lift-off through the third layer formed, insulating areas between them front electrodes of adjacent cells, in particular in the form of third straight trenches parallel to each other, the bottom of which opens out towards the first layer.
  • the fourth lift-off step may comprise a deposition step, prior to the step of forming the second layer, of a fourth set of elements of a fourth resin on the first layer, and then a fourth step of applying a fourth solvent to the third layer formed, the pair formed by the fourth resin and the fourth solvent being selected so that said fourth step of applying the fourth solvent removes the elements of the fourth set and the at least areas of second, third and fourth layers only located above the elements of the fourth set of the opposite side to the substrate.
  • the step of localized removal of material comprises a step of mechanical etching in the first layer, implemented prior to the formation of the second layer, mechanical etching being performed at the face of the first layer opposite to the substrate and only in areas of the first layer located vertically above the second resin elements of the second set.
  • the step of mechanical etching of the first layer carried out before the first lift-off step can be followed by the formation of said second layer, and then by a step of creation by laser, mechanical or chemical etching in the second layer formed, areas for electrical interconnection between a front electrode of a given cell with a rear electrode of an adjacent cell, in particular in the form of second straight trenches parallel to each other, the bottom of which opens out towards the first layer.
  • the manufacturing method may comprise a step of forming said third layer, at least at the regions intended for the electrical interconnection between the front and back electrodes respectively of two adjacent cells, then a step of creation by laser etching, mechanical or in the third layer formed, insulating areas between them the front electrodes of adjacent cells, especially in the form of third straight trenches parallel to each other, the bottom of which opens out towards the first layer.
  • the second resin in which the elements of the second set are formed may be identical to the first resin in which the elements of the first set are formed.
  • FIG. 1 already described illustrates a photovoltaic device having a plurality of cells connected in series by a known monolithic interconnection technique
  • FIGS. 2 to 9 illustrate the different successive phases of an exemplary manufacturing method according to the invention
  • the invention which will be described below with reference to FIGS. 2 to 9, relates generally to a method of manufacturing a photovoltaic device with a plurality of photovoltaic cells arranged adjacent to each other on the substrate, each having transparency properties in all or part of the solar spectrum and in series electrically interconnected by monolithic interconnection.
  • the invention which will be detailed can preferably use all or part of a lift-off technique as the only technique for carrying out both the monolithic interconnection between the cells and the effect of transparency through the thickness of the cells. .
  • Suitable resin elements will be successively deposited in patterns corresponding to the areas of transparency and interconnection. Once the various thin layers have been deposited on top of them, these resin elements are selectively removed at different stages of the process, only in the zones precisely defined positively by these resin elements.
  • the lift-off technique solves the problems of mechanical etching or laser ablation presented previously. However, variants of the lift-off technique can be envisaged for the monolithic interconnection function, in particular for the step of creating isolation zones between adjacent cells at their back electrodes.
  • the manufacturing method comprises the following steps:
  • a stack of thin layers including a first layer 20 forming a rear electrode, a second photo-absorbing layer 30 in the solar spectrum, a third layer 60 forming a front electrode and a fourth buffer layer 40 between the second and third layers, this stack constituting a plurality of photovoltaic cells adjacent to each other on the substrate 10,
  • the steps of the preceding paragraph are not necessarily successive between them and moreover can also be at least partially simultaneous or combined.
  • the step of electrically connecting the cells adjacent to each other by monolithic interconnection can be performed at least partially at the same time as the step of forming a plurality of cells. adjacent to each other on the substrate 10.
  • the electrical series interconnection monolithic can also at least partially result from the formation of at least one layer 20, 30, 60.
  • the elements named E0 and E1 respectively of the first set and the second set can take the form of pads or lines.
  • the EO elements of the first set will take the form of pads and the elements E1 of the second set will take the form of lines.
  • first layer has a purely nominative purpose that does not imply any chronological order of formation between them.
  • lift-off correspond to a technique that is well known to those skilled in the art and that can indifferently be replaced by "detachment of material induced by elimination of the underlying material” or simply by “lifting of matter”.
  • This lifting or loosening of material is locally implemented at the level of only suitable resin elements previously deposited and located below the material undergoing the action of lifting or detachment.
  • thin layer it is understood that the thickness of each of the layers mentioned in this document is preferably between a few atomic layers and ten micrometers.
  • the substrate 10 which is transparent to light in all or part of the spectrum, is for example formed of glass, for example a soda-lime glass with a thickness of between 0.05 and 4 mm, and typically of 3 mm which is a thickness standard in the photovoltaic field. More generally, the substrate 10 may be formed in any material such as an organic material, a plastic or a polymer-based material, of treated glass, for example colored frosted glass.
  • the notion of transparency of the substrate 10 refers to what a human eye can perceive wavelengths present in the solar spectrum: it is therefore wavelengths between 250 nm and 850 nm.
  • the transparency of the substrate 10 is particularly advantageous in the particularly targeted application where the photovoltaic device is intended to be taken directly as a construction material for a roof or facade, that is to say in the context of a photovoltaic device of type "Building Integrated Photovoltaics" or "BIPV".
  • a first example of a photovoltaic device enables an observer located on the side of the substrate 10 (in particular located inside a building) to receive the light which reaches him on the side of the front electrode (third layer 60) of the photovoltaic device. (especially from outside the building).
  • the photovoltaic device can serve as a demonstration showcase for example: in this case the observer located on the side of the front electrode (third layer 60) of the photovoltaic device observes an object located at the rear of the substrate 10.
  • the substrate 10 may itself have functions other than the light transmission function. It could be functionalized by covering it with a printed image or carried on a second substrate not shown; it could still, by a suitable device, have a backlight.
  • the first layer 20 preferably has both ohmic properties to ensure optimum recovery of the charges emitted by the second layer 30 but also optical properties to ensure reflection towards the second layer 30 of the part of the light spectrum not absorbed in direct transmission.
  • the first layer 20 is in particular of metal type, for example Molybdenum Mo.
  • the thickness of the first layer 20 is preferably between 100 nm and 2 ⁇ , typically 1 ⁇ . It is deposited by any method, for example by a vacuum technique by sputtering or evaporation.
  • the first layer 20 may however comprise other materials such as chromium Cr and / or tungsten W and / or Manganese Mn and / or Tantalum Ta and / or Niobium Nb and / or Titanium Ti, and or Gold (Au).
  • a transparent oxide conductor such as indium tin oxide (ITO) or tin oxide doped with fluorine (Sn0 2 : F) or conductive transparent electrodes based on metal nanowires (copper or silver in particular) or graphene.
  • the second layer 30 is disposed, directly or indirectly, between the first layer 20 and the third layer 60 in the direction of stacking thin layers. It is preferably made from inorganic semiconductor materials of type 1-III-VI.
  • the material in which the second layer 30 is formed comprises a compound of Cu, In, Ga, Se and S, known under the name "CIGS".
  • the formed CIGS layer has for example a thickness of between 0.5 ⁇ and 3 ⁇ and preferably approximately 1.5 ⁇ .
  • Other materials may be envisaged for the second layer 30, such as CdTe, hydrogenated amorphous silicon, hydrogenated microcrystalline silicon or any compound based on copper, zinc, tin, sulfur and selenium, the conventional abbreviation of which is " CZTS ".
  • the third layer 60 which preferably has a thickness between 100 nm and 1 ⁇ , and typically of the order of 500 nm, may be formed by a layer of ZnO doped with Group III elements such as aluminum. This layer may be deposited for example by sputtering.
  • the ZnO layer doped with aluminum is known under the name "TCO” for "Transparent Conductive Oxide".
  • TCO Transparent Conductive Oxide
  • transparent and conductive electrodes based on metal nanowires (Ag or Cu in particular), graphene, or other transparent conductive oxides such as indium tin oxide ( ITO) or fluorine-doped tin oxide (SnO 2 : F) can be used.
  • the fourth buffer layer 40 or “buffer” is disposed between the third layer 60 and the second layer 30 according to the thickness of the stack. It may be formed of a material preferably transparent in the solar spectrum and of the n-type semiconductor type, preferably comprising CdS cadmium sulphide or ZnS zinc sulphide or InS indium sulphide. In contact with the second photo-absorbing layer, the material of the buffer layer 40 forms a pn heterojunction whose function is to separate the electric charges generated in the second layer 30. The fourth buffer layer 40 is formed on the second layer 30 .
  • a layer 50 of highly resistive material is formed on the buffer layer 40 and on which the third layer 60 forming the back electrode is formed. It may be composed of a ZnO layer having for example a thickness of 50 nm. This layer 50 may be deposited for example by sputtering and may be omitted, for example in the case where the buffer layer 40 is in CdS, or replaced by a layer of Zn (- X) Mg x O when the buffer layer 40 is in Zn (0, H) S.
  • the third layer 60 may be formed directly on the buffer layer 40 in the absence of the layer 50.
  • the elements E1 of the second set formed in FIG. the second resin R1
  • the elements E1 of the second set are used during the monolithic interconnection serialization to create zones P1 of isolation between them of the rear electrodes of the adjacent cells, in particular in the form of first straight trenches. parallel to each other whose bottom opens towards the substrate 10 ( Figure 5).
  • the EO elements of the first set each take the form of a pad and are distributed on the substrate 10 at a regular distance or not from each other.
  • the first step of lift-off includes successively:
  • the pair formed by the first resin R0 and the first solvent S0 is chosen so that this first application step of the first solvent S0 removes the elements E0 from the first set and the areas of the first, second, third and fourth layers 20, 30, 60, 40, or even of the layer 50, only located above the elements E0 of the first set, on the opposite side to the substrate 10.
  • the removal of material from the thin layers of the stack present above the elements E0 of the first set has the effect of constituting the holes 70 (FIG. 9) conferring transparency properties through the stack of thin layers and therefore through the photovoltaic device.
  • the EO elements of the first set are deposited on the substrate 10, then the layers 20, 30, 40, 50, 60 are formed, before the first solvent is applied to the stack to create the holes 70 (FIG. 9).
  • the elements E0 of the first set of first resin R0 can be formed, for example, by an ink-jet, screen-printing type deposit or any ink printing process that makes it possible to make patterns, that is to say, deposits. located with the first resin R0.
  • the elements E0 of the first set are preferably deposited on the substrate 10 according to a periodic tiling at the vertices of a basic pattern having the shape of a polygon such as a square or a hexagon.
  • a periodic tiling at the vertices of a basic pattern having the shape of a polygon such as a square or a hexagon.
  • the sizes of the holes 70 are adjusted in a continuous variation to create an opening gradient which may be of interest in the case of the BIPV: this would allow, for example to produce a totally opaque portion in the upper part of the device, then a continuous gradient of transparency down the device.
  • each element E0 of the first set formed in the first resin R0 is any, or for example substantially hemispherical to form a hemispherical pad on the surface of the substrate 10. It is in any case substantially equivalent, seen in cut parallel to the plane of the substrate 10 at the section of the holes 70 formed through the stack of thin layers during the first lift-off step.
  • the monolithic interconnection serialization preferably comprises a step of depositing the second set of elements E1 of second resin R1 on the substrate 10 and a step of localized removal of material from any thin layer of the stack formed above the elements E1 of the second assembly prior to the implementation of said step of withdrawal, in which the localized removal of material is carried out only in the areas located above the elements E1 of the second set of the opposite side to the substrate 10.
  • the step of depositing the second set of elements E1 of second resin R1 and the step of localized removal of material constitutes a second lift-off step independent of the first lift-off step, in particular through the first layer 20.
  • the second lift-off stage comprises a second step of applying a second solvent S1 to the first layer 20, prior to the formation of the second, third and fourth layers 30, 60, 40 or even of the layer 50.
  • the pair formed by the second resin R1 and the second solvent S1 is selected so that the second step of applying the second solvent S1 removes the elements E1 of the second set and the areas of the first layer 20 only above the elements E1 of the second set of the opposite side to the substrate 10.
  • the localized removal step using the elements E1 of the second set is carried out after the formation of the first layer 20 by covering the elements E1 but before the subsequent formation of the second, third and fourth layers 30, 60, 40, or even of the layer 50.
  • the localized removal of material is then practiced only in areas of the first layer 20 to form in practice the insulation zones P1 mentioned above.
  • the elements E1 of the second set are deposited as a second resin R1 on the substrate 1 0, then the first layer 20 is formed, before the second solvent S1 is applied to the first layer 20 to create the areas P1.
  • the elements E1 of second resin R1 of the second set may be formed for example by a deposit of ink-jet type, screen printing or any ink printing process for making patterns, that is to say deposits located with the second resin R1.
  • the manufacturing method comprises a step of forming the second layer 30, then a step of creating, via a third lift-off step through the second layer 30 formed, of zones P2 (FIG. ) intended for the electrical interconnection between a front electrode of a given cell and a rear electrode of an adjacent cell, in particular in the form of second parallel straight trenches the bottom of which opens out towards the first layer 20.
  • zones P2 FOG.
  • the step of creating the zones P2 is in particular carried out after the step of forming the buffer layer 40 on the second layer 30 and after the optional but preferential step of forming the layer 50 on the buffer layer 40 (FIG. 6) but before the step of forming the third layer 60.
  • the third lift-off stage comprises a step of deposition, prior to the step of forming the second layer 30, of a third set of elements E2 of a third resin R2 on the first layer 20, then a third step of applying a third solvent S2 on the stack of thin layers 20, 30, 40, or even layer 50, prior to the formation of the third layer 60.
  • the pair formed by the third resin R2 and by the third solvent S2 is chosen so that the third step of applying the third solvent S2 removes the elements E2 of the third set and the zones at least of the layers 30, 40, or even of the layer 50, only located above the elements E2 the third set of the opposite side to the substrate 10.
  • the removal of material generated by the third lift-off step has the effect of creating the P2 areas ( Figure 7).
  • each of the elements E2 of the third set, formed by the deposition of the third resin R2 will advantageously take the form of a line.
  • the elements E2 of the third set are deposited on the first layer 20 (FIG. 4), then the second layer 30, the buffer layer 40, or even the layer 50 are formed (FIG. 6), before the third solvent S2 is applied on the stack to create P2 areas ( Figure 7).
  • the elements E2 in the third resin R2 can be formed, for example, by an ink jet, screen printing or any other ink printing process that makes it possible to make patterns, ie localized deposits of the third R2 resin.
  • the manufacturing method then comprises a step of forming the third layer 60, at least at the level of the zones P2 but also possibly outside the zones P2, then a creation step, via a fourth lift-off stage through the third layer 60 formed of insulating areas P3 (FIG. 9) between them front electrodes of adjacent cells, in particular in the form of third straight trenches parallel to one another, the bottom of which opens out towards the first layer 20.
  • the fourth lift-off step comprises a deposition step, prior to the step of forming the second layer 30, of a fourth set of elements E3 of a fourth resin R3 on the first layer 20, and then a fourth application step ( Figure 9) of a fourth solvent S3 on the third layer 60 formed.
  • the pair formed by the fourth resin E3 and the fourth solvent S3 is chosen so that the fourth step of applying the fourth solvent S3 removes the elements E3 of the fourth set and the at least areas of the second, third and fourth layers 30, 60, 40 or even of the layer 50, only located above the elements E3 of the fourth assembly, on the opposite side to the substrate 10.
  • each of the elements E3 of the fourth set, formed by the deposition of the fourth resin R3, will advantageously take the form of a line.
  • the elements E3 of the fourth set are deposited on the first layer 20 (FIG. 4), then the second layer 30, the fourth buffer layer 40 or even the layer 50 are formed (FIG. 6), then the zones P2 are created (FIG. 7), and then the third layer 60 is formed (Figure 8), before the fourth solvent S3 is applied to the third layer 60 to create the areas P3 ( Figure 9).
  • the elements E3 in the fourth resin R3 may be formed for example by an ink jet, screen printing or any ink printing process for making patterns, that is to say localized deposits of the fourth resin R3.
  • the fourth resin R3 used for the formation of the elements E3 of the fourth set is identical to the first resin RO used for the formation of the elements EO of the first set, which implies that the fourth solvent S3 used in the fourth lift-off step may be identical to the first solvent S0 used in the first lift-off step.
  • the elements EO of the first set formed in the first resin RO and the elements E1 of the second set formed in the second resin R1 are deposited on the surface of the transparent substrate 10.
  • the properties of the resin of the elements EO and the resin of the elements E1 are chosen so that the resins RO and R1 are selectively soluble in the first solvent S0 for the first resin RO of the elements EO of the first set and in the second solvent S1 for the second resin R1 of the elements E1 of the second set.
  • the selection criteria for the resin / solvent pairs and families of examples are explained below.
  • the elements E0 of the first set formed in the first resin R0 and the elements E1 of the second set formed in the second resin R1 may be deposited by inkjet, or by any other technique for performing a localized deposition of resin with a sufficiently fine resolution (of the order of 100 ⁇ ).
  • the patterns formed by the deposition of the resins R0 and R1 are different from each other with reference to FIG. 2: the first resin R0 is deposited in such a way that the elements E0 take the form of regularly spaced pads, which correspond to the transparent locations obtained by the holes 70 in the finished product, and the second Resin R1 is deposited so that the elements E1 have the shape of continuous straight lines, which will correspond to the locations of the trenches P1 on the finished product.
  • Elements E0 will for example be circular pads of diameter between 10 and 500 ⁇ and preferably 200 ⁇ , and regularly spaced from 20 ⁇ 1000 ⁇ and preferably 400 ⁇ .
  • the elements E1 will for example be lines having a width between 10 and 300 ⁇ and typically 100 ⁇ (width compatible with the ink jet deposit).
  • the first layer 20 acting as an electrode on the rear face is then deposited, covering the elements E0 of the first resin R0 and the elements E1 of the second resin R1. After the deposition of the first layer 20, the intermediate structure obtained is shown in FIG.
  • the elements E2 of the third set and the elements E3 of the fourth set are formed on the surface of the rear electrode formed by the first layer 20.
  • the elements E2 are formed via the deposition of patterns of the third resin R2 which is a different nature of the resins R0 and R1.
  • the properties of the resins R2 and R3 will be chosen so that these resins are selectively soluble in the third solvent S2 for the third resin R2 and the fourth solvent S3 for the fourth resin R3.
  • the selection criteria for the resin / solvent pairs and families of examples are given below.
  • Elements E2 and E3 can be deposited by inkjet, or by any other technique for performing a localized deposition of resins R2 and R3.
  • the elements E2 and E3 are deposited in the form of continuous lines, which will correspond to the locations of the trenches P2 for the elements E2 and trenches P3 for the elements E3 on the finished product.
  • the width of the lines deposited with the elements E2 can be between 10 and 300 ⁇ and typically will be 50 ⁇ (width compatible with the ink jet deposit) and distant from P1 typically 100 ⁇ .
  • the width of the line deposited with the elements E3 may be between 10 and 300 ⁇ and will typically be 100 ⁇ (width compatible with the ink jet deposition) and distant from P2 typically 100 ⁇ .
  • the intermediate structure obtained is shown in Figure 4. It may be envisaged that this intermediate structure is a commercial product delivered ready to manufacturers of thin-film photovoltaic modules.
  • the manufacturer would then only have to equip himself with appropriate solvents to carry out the following steps described below, rather than using the traditional but expensive means of mechanical etching or laser ablation as in the art. prior.
  • the nature of the fourth resin R3 in which the elements E3 are formed may advantageously be identical to the first resin RO in which the EO elements are formed, in order to limit the number of solvents and resins required.
  • material withdrawals are made through the entire thickness of the first layer 20 in the zones where the elements E1 have been deposited to define an isolation zone P1 of the cells at their level. electrodes on the back. This can be achieved by the second solvent S1 which will selectively remove the second resin R1 E1 elements of the second set.
  • the typical immersion time in the second solvent S1 can vary between 30 seconds and 5 minutes and will typically be 1 min.
  • the intermediate structure obtained is shown in FIG. 5.
  • the place where the first layer 20 has been removed corresponds to the trenches P1.
  • this step can also be carried out either immediately after the deposition of the first layer 20 and before the filing of the elements E2 and E3: in this case, the stress on the selectivity of the second solvent S1 can be further relaxed since only two resins are present, that is to say the resin R0 of the first set of elements EO and the resin R1 of the second set of elements E1.
  • the second photo-absorbing layer in the solar spectrum is deposited.
  • the material used is CIGS
  • An exhaustive list of the techniques is presented in the document "Udai P. Singh and Surya P. Patra, Progress in Polycrystalline Thin -Film Cu (ln, Ga) Se2 Solar Cells, International Journal of Photoenergy; Volume 2010 ". It may be for example a co-evaporation technique of Cu, In, Ga, Se, and S on a hot substrate, this technique currently giving the best yields for cells and modules.
  • precursors of Cu, In Ga (and optionally Se and S) are deposited on a substrate, then subjected to annealing in the presence of an atmosphere containing Se and / or S Selenium and / or sulfur may also be provided in the form of a thin layer deposited on the precursors, the assembly then being subjected to annealing to form layer 30.
  • the precursors may be provided by deposition techniques. vacuum such as sputtering, but other techniques, called wet, can also be implemented.
  • the precursors are then present in the form of nanoparticles dispersed in a solvent to form an ink, deposited by screen printing, inkjet, spray and all other related techniques.
  • the solvent of the ink is not a solvent capable of dissolving the resins R0, R2 or R3. Electrodeposition is still a possible alternative to the deposition of precursors. However, again, the properties of the electrolytic solution must not be harmful for the R0, R2 and R3 resins. Then, the fourth buffer layer 40 and the optional layer 50 of transparent material in the solar spectrum and highly resistive are deposited on the second light-absorbing layer 30. The intermediate structure obtained is shown in FIG. formation of the fourth buffer layer 40 is given in the document "N.
  • the buffer layer 40 is generally based on zinc oxide ZnO whose optical gap is 3.4 eV and whose thickness is about 50 nm. It is specified here that the higher the optical gap, the higher the transparency.
  • zones P2 where the interconnection between two adjacent cells will take place are created. These zones P2 are the result of the removal of the material layers 30, 40, and 50 present at the elements E2. This can be achieved by the third solvent S2 which will selectively remove the third resin R2 from the elements E2.
  • the typical immersion time in the third solvent S2 can vary between 30 seconds and 5 minutes and will typically be 1 min.
  • the intermediate structure obtained is shown in FIG.
  • the third layer 60 forming the front electrode is then deposited on all of the previous layers.
  • the front and rear faces of two adjacent cells are now connected at P2 left free by the removal of the third resin R2 E2 elements.
  • the intermediate structure obtained is shown in FIG. 8.
  • the front faces of the cells are isolated from each other via the creation of the trenches corresponding to the zones P3.
  • These areas P3 are the result of the removal of the material layers 30, 40, 50 and 60 present at the elements E3.
  • This can be achieved thanks to the fourth solvent S3, which can be identical to the first solvent S0 which allows the first lift-off step from the elements E0.
  • the typical immersion time in the fourth solvent S3 can vary between 30 seconds and 5 minutes and will typically be 1 min.
  • the semitransparency effect is also obtained via the formation of the holes 70, in the case where the first resin R0 of the elements E0 is identical to the fourth resin R3 of the elements E3.
  • the elements E0 deposited on the substrate 10 at once remove the layers 20, 30, 40, 50, 60 thus creating the holes 70 in which the light can pass, then pass through the transparent substrate 10.
  • the intermediate structure obtained is represented on Figure 9.
  • the pairs R0 / S0, R1 / S1 and R2 / S2, R3 / S3 will be chosen according to their respective solubilities.
  • the resins R 0 and R 2 and R 3 must be compatible with temperatures at least greater than 400 ° C., which can be used in the step of forming the second layer 30.
  • Hansen parameters can be used to evaluate the protic and polar nature of solvents and polymers.
  • An aprotic polar resin is well dissolved by an aprotic polar solvent.
  • a protic polar resin is well dissolved by a protic polar solvent.
  • the reader can refer to both documents following references on this topic: "Hansen, Charles (1967). The Three Dimensional Solubility Parameter and Solvent Diffusion Coefficient and Their Importance in Surface Coating Formulation. Copenhagen: Danish Technical Press “and” Hansen Solubility Parameters: A User's Handbook, Second Edition, CRC Press 2007 ".
  • Parameter 5D translates the cohesive energy of dispersion. It finds its origin in atomic cohesion forces (Van der Walls forces). It does not interfere with the polar and protic character of the compounds.
  • the parameter ⁇ reflects the energy of polar cohesion. It finds its origin in the permanent molecular dipolar interactions. The higher the parameter ⁇ , the more polar the compound is.
  • the ⁇ parameter reflects the energy of the hydrogen bond between molecules. The higher the parameter ⁇ , the more protic is the compound.
  • Hansen The parameters of Hansen are expressed in (MPa) 1/2 . Values typically range from 0 to 20.
  • the choice of the constitution of the resins R0 to R3 may in particular pass, for each, by calculating the average Hansen parameters, in order to adjust the protic or polar character according to the needs.
  • first resin R0 it will be possible to select preferably a resin of the family of polyimides which have the general property of possessing excellent thermal stability at temperatures above 400 ° C. Many resins of this type are marketed. Polyimides are weakly polar and weakly protic polymers. Solvents of this class, and in particular alkyl acetate type solvents, are therefore very suitable for the choice of the first solvent S0, for example amylacetate.
  • the second phenol-formaldehyde resin R1 which can be chosen for the formation of the elements E1 of the second set and the third resin R2 of the epoxy type which can be chosen for the formation of the elements E2 of the third set are not soluble in this type of first solvent S0.
  • the fourth resin R3 serving for the formation of the elements E3 of the fourth set may be identical to the first resin RO serving for the formation of the elements EO of the first set, this which implies that the fourth solvent S3 used in the fourth lift-off stage is identical to the first solvent S0 used in the first lift-off stage.
  • the second resin R1 of the elements E1 of the second set it will be possible to select a compound of the phenol-formaldehyde family. These compounds, and mixtures thereof, have a strongly polar and weakly protic character. These compounds also offer good thermal stability up to 350 ° C even if the temperature resistance is not a limitation for this resin, which does not see a step at high temperature.
  • the resin known under the trade name "Novolac 438" may be used.
  • aprotic polar compounds may be suitable.
  • the polyimide resin RO which can be chosen for the formation of the elements EO of the first set and the resin R2 of the epoxy type which can be chosen for the formation of the elements E2 of the third set are not soluble in this type of second solvent S1 .
  • the third resin R2 E2 elements of the third set we can select a compound of the family of epoxy resins having a thermal stability greater than 400 ° C. These resins are generally medium polar and moderately protic. For example, the resin known under the trade name "Epon 1001" may be chosen. These compounds dissolve very well in medium polar and medium protic solvents which can be taken as the third solvent S2.
  • the third solvent S2 may be an equal mixture of butanol and nitromethane.
  • the polyimide resin R 0 which can be chosen for the formation of the EO elements of the first set and the phenol-formaldehyde-type resin R 1 which can be chosen for the formation of the elements E 1 of the second set are not soluble in this type of third. solvent S2.
  • the localized material removal step comprises a step of mechanical etching in the first layer 20, implemented beforehand. the formation of the second layer 30, the mechanical etching being performed at the face of the first layer 20 opposite the substrate 1 0 and only in the zones of the first layer 20 located vertically above the elements E1 of the second resin R1 of the second set.
  • the presence of the second set of resin elements E1 R1 exactly in the zones corresponding to the zones P1 of insulation of the adjacent cells at their backside electrodes makes it possible both to locally reduce the thickness of the layer 20 of material intended to constitute the assembly of the rear electrodes of the cells and to locally remove the contact between this layer and the substrate 1 0, having the effect of facilitating the creation of these isolation areas P1 by a mechanical etching operation.
  • the step of mechanical etching of the first layer 20 performed before the first lift-off step is followed by the formation of the second layer 30, then a step of creation by laser etching, mechanical or chemical in the second layer 30 formed P2 areas for the electrical interconnection between a front electrode of a given cell with a rear electrode of an adjacent cell, in particular in the form of second straight trenches parallel to each other whose bottom opens to the first layer 20.
  • the manufacturing method then preferably comprises a step of forming the third layer 60, at least at the zones P2 intended for the electrical interconnection between the front and back electrode respectively of two adjacent cells, then a step of creation by etching laser, mechanical or chemical in the third layer 60 formed, insulating areas P3 between them the front electrodes of adjacent cells, in particular in the form of third straight trenches parallel to each other, the bottom of which opens out towards the first layer 20.
  • the second resin R1 in which the elements E1 of the second set are formed may be identical to the first resin R0 in which the elements E0 of the first set are formed. This allows to have to handle only one type of resin during the entire manufacturing process.
  • the areas P1, P2, P3 mentioned above, in particular that are in the form of trenches, can be indifferently called "engravings" by abuse of language.
  • An example of implementation of the second variant of the manufacturing method is now briefly described. An advantage of this variant is to reduce the number of pairs of resins and solvents used, for reasons of simplification, cost and reduction of the risk of involuntary dissolution of the resins.
  • a printing pattern according to FIG. 2 is produced on a substrate 1 0 in which the elements E0 and E1 are formed in one and the same resin: the resins R0 and R1 are identical. All the dimensional characteristics of elements EO and E1 and their depositing method are identical to those described above.
  • the first layer 20 forming the electrode on the rear face is obtained to obtain a structure identical to that of FIG. 3, the resin R1 of the elements E1 being identical to the resin R0 of the elements E0.
  • the isolation areas P1 on the back of the cells together are created.
  • Mechanical etching is performed in the first layer 20 only at the elements E1.
  • the areas of the first layer 20 located above the elements P1 are mechanically embrittled areas, and it was found unexpectedly and unpredictably that it was possible to remove it by a mechanical etching operation.
  • Tests were carried out using an automated engraving tool known under the trade name "S-200" from Microtest®, which makes it possible to use well-controlled mechanical etching with a point. in an automated way.
  • a tip of tungsten was used with an angle of inclination with respect to the sample of between 5 and 90 °, and preferably of 55 °, an etching rate of between 1 and 10 mm / s and preferably of 5 mm.
  • the zones P2 and P3 are advantageously obtained, even if this is not limiting, by conventional techniques of mechanical, laser or chemical etching.
  • the holes 70 through the stack of thin layers 20 to 60 is obtained as previously via the first lift-off step, by immersing the device in the first solvent S0.

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Abstract

La fabrication d'un dispositif photovoltaïque comprend la fourniture d'un substrat transparent dans tout ou partie du spectre solaire, la formation, sur le substrat, d'un empilement de couches minces incluant une première couche formant une électrode arrière, une deuxième couche photo-absorbante dans le spectre solaire, une troisième couche (60) formant une électrode avant et une quatrième couche tampon entre les deuxième et troisième couches, cet empilement constituant une pluralité de cellules photovoltaïques adjacentes entre elles sur le substrat, la formation d'une pluralité de trous (70) au sein de chaque cellule et traversant chacun l'épaisseur des première, deuxième, troisième et quatrième couches (60) pour déboucher vers le substrat, comprenant la mise en œuvre d'au moins une première étape de lift-off utilisant un premier ensemble d'éléments d'une première résine déposés sur le substrat préalablement à la formation de ladite première couche, et la mise en série électrique entre elles de tout ou partie desdites cellules adjacentes par interconnexion monolithique utilisant un deuxième ensemble d'éléments d'une deuxième résine déposés sur le substrat préalablement à la formation de ladite première couche. Il est aussi décrit un procédé de fabrication du dispositif photovoltaïque.

Description

Dispositif semi-photovoltaïque semi-transparent à cellules en série par interconnexion monolithique
Domaine technique de l'invention
L'invention concerne le domaine des dispositifs photovoltaïques comprenant un substrat transparent dans tout ou partie du spectre solaire et un empilement de couches minces constituant une pluralité de cellules associées en série électriquement par interconnexion monolithique et présentant également des propriétés de transparence à travers son épaisseur. État de la technique
Dans le domaine du photovoltaïque en couches minces, l'interconnexion monolithique est une technique connue permettant la mise en série électrique de plusieurs cellules photovoltaïques entre elles pour constituer des modules photovoltaïques de grande surface, typiquement de l'ordre du m2.
Classiquement, le principe de cette technique repose sur la formation d'une alternance de dépôts et de gravures qui aboutit à la mise en série électrique de plusieurs cellules tout en supprimant le recours à des connexions filaires lourdes et peu esthétiques, comme c'est le cas habituellement pour les modules en silicium cristallin. Ces modules peuvent par exemple être installés en « plein champ » pour servir de centrale de production d'électricité dans des zones fortement ensoleillées. Ils peuvent également servir à l'alimentation d'une installation domestique ou industrielle en étant agencés en toiture. Dans le cas de l'habitat par exemple ou des bâtiments de bureau, un module photovoltaïque peut être pris directement comme matériau de construction pour une toiture ou une façade : on parle alors de « Building Integrated Photovoltaics » ou « BIPV » et ce marché présente un fort potentiel de développement. Dans ce cas, l'aspect esthétique est un critère important, et l'on peut chercher à obtenir différents effets, comme la couleur ou la transparence partielle au spectre solaire.
Ce type de produits est déjà commercialisé. Un matériau souvent retenu comme matériau photo-absorbant dans de telles applications liées à l'intégration au bâtiment est le « CIGS » (abréviation générale pour un composé de Cu, In, Ga, Se et S) : il présente un aspect noir uniforme qui s'intègre bien dans le bâtiment et il peut être déposé en couches minces (selon une épaisseur comprise dans une plage de valeurs variant par exemple entre 0,5 et 5 μιτι) sur de nombreux substrats souples ou rigides tels que le verre, des aciers ou des polymères. D'autres matériaux peuvent également être déposés en couches minces tels que le « CZTS » (abréviation générale pour un composé de Cu, Zn, Sn, Se, S), le silicium amorphe hydrogéné, le silicium microcristallin hydrogéné ou le tellure de cadmium « CdTe ».
L'interconnexion monolithique des cellules solaires en couches minces est une technique bien connue qui comporte classiquement trois étapes P1 , P2, P3 appelées « gravures » par abus de langage, visibles sur la structure représentée sur la figure 1 . Ainsi, une cellule solaire en couches minces est généralement composée d'un substrat 1 , d'une électrode arrière 2, d'une couche photo-absorbante 3 dans le spectre solaire, d'une couche tampon 4 et d'une électrode avant 5 transparente et conductrice. Dans la réalisation d'un module, l'étape P1 permet d'isoler deux cellules adjacentes en face arrière, l'étape P2 relie la face avant d'une cellule à la face arrière de sa voisine, et l'étape P3 permet d'isoler deux cellules adjacentes en face avant.
Il existe une multitude de techniques pour réaliser les étapes P1 , P2, et P3. Les plus classiques sont la gravure mécanique ou l'ablation laser. On peut ainsi se référer au document US4502225A1 qui décrit un dispositif comportant une pointe de gravure destinée à des dispositifs semiconducteurs. L'utilisation de laser dans des cellules solaires en couches minces est notamment décrite dans les articles « Sélective ablation of thin films with short and ultrashort laser puises », Hermann et al., Appl. Surf. Sci. 252 (2006) 4814 ou encore « Laser applications in thin-film photovoltaics », Bartolme et al., Appl Phys B 100 (2010) 427-436. Ces techniques de gravure présentent l'avantage de pouvoir être employées pour une grande variété de matériaux déposés en couches minces, comme par exemple CdTe, le Si amorphe hydrogéné a-Si :H, le Si microcristallin hydrogéné μ-Si :H, CZTS ou CIGS.
Cependant, ces techniques de gravure présentent chacune des inconvénients. Ainsi, la gravure mécanique conduit à l'endommagement des matériaux du fait de la présence de contraintes mécaniques sur les couches, à la formation de débris sur la surface des couches à proximité de la ligne de gravure qui peuvent conduire à des problèmes de court- circuit, ainsi qu'à l'usure des pointes de gravure. De plus, de façon générale, la qualité de la gravure mécanique est très sensible à de nombreux paramètres comme la morphologie ou les propriétés des couches minces, ainsi qu'aux paramètres de fonctionnement des pointes de gravure. Par ailleurs, l'ablation laser n'est pas simple à mettre en œuvre. En effet, on peut constater que le matériau retiré peut fondre et reboucher en partie la rainure réalisée par l'ablation laser. Ainsi, cette technique ne permet pas d'obtenir une surface propre nécessaire pour réaliser un contact électrique de bonne qualité. Une autre technique moins répandue consiste à utiliser des méthodes de gravure chimique. Cependant, ces méthodes sont plus compliquées et plus coûteuses à mettre en œuvre que les méthodes classiques de gravure mécanique ou d'ablation laser.
Il existe encore d'autres moyens consistant à modifier localement les propriétés des différents matériaux, comme par exemple la solution développée dans le document WO2013/105031 A2 qui utilise un procédé qui augmente la résistivité de la couche de Molybdène utilisée comme électrode arrière, ce qui crée l'isolation des électrodes en face arrière. La solution présentée dans le document WO2013/105024A1 utilise également des moyens similaires pour créer la séparation des cellules en électrode arrière et en électrode avant.
Il est souvent intéressant de conférer par ailleurs des propriétés de transparence au moins partielle aux dispositifs photovoltaïques vis-à-vis du rayonnement solaire incident, notamment dans le cadre des applications liées au bâtiment, de type « BIPV ». Cela permet qu'une partie de la lumière puisse traverser l'épaisseur des cellules photovoltaïques et plus généralement du dispositif photovoltaïque pour apporter de la lumière à l'intérieur de l'enceinte du bâtiment au moins partiellement délimitée par ce dispositif photovoltaïque. Les méthodes suivantes de fabrication de cellules photovoltaïques en couches minces semi-transparentes sont connues.
Pour un tel effet de semi-transparence, plusieurs idées ont déjà été proposées. L'une d'elles consiste à utiliser un matériau transparent et conducteur pour former l'électrode arrière. Dans le cas où la couche photo-absorbante prévoit l'utilisation de CIGS par exemple, des matériaux tels que l'oxyde d'indium dopé à l'étain (connu sous la dénomination « ITO ») ou l'oxyde d'étain dopé au fluor (connu sous la dénomination « Sn02:F ») déposés sur un substrat de verre peuvent être employés pour constituer l'électrode arrière. Si la couche de CIGS est suffisamment fine, typiquement inférieure à 1 μηπ, une fraction de la lumière incidente sur l'empilement du côté de l'électrode avant peut être transmise à travers tout l'empilement. En raison du gap du CIGS qui avoisine 1 eV, cette transmission de la lumière est favorisée pour les composantes rouge et proche de l'infrarouge du spectre solaire et il en résulte qu'après avoir traversé le dispositif photovoltaïque, les rayons lumineux présentent une couleur rougeâtre désagréable et peu esthétique.
Pour obtenir un réel effet de semi-transparence, il est finalement nécessaire de ménager des zones où toute la lumière peut être transmise de façon uniforme.
Ainsi, le document US2010/0126559 décrit un module photovoltaïque de type superstrat, dans lequel le substrat et l'électrode arrière sont transparents. Par ailleurs, l'ouverture obtenue lors de l'étape de gravure qui permet de séparer les cellules en face avant présente une largeur adaptée à la transparence souhaitée pour le module photovoltaïque final. Cette ouverture est réalisée à travers la couche photo-absorbante et l'électrode de face avant. Cette largeur peut par exemple varier entre 5 et 10% de la largeur d'une cellule photovoltaïque. De façon générale, le module photovoltaïque obtenu peut transmettre entre environ 5 et 50% de la lumière incidente.
Cependant, cette solution présente des inconvénients. En particulier, les ouvertures réalisées dans le module photovoltaïque sont en forme de ligne. Elles sont alors relativement visibles à l'œil et ne permettent pas une transmission uniforme de la lumière.
Pour que la lumière soit transmise de manière uniforme et que l'ensemble du dispositif photovoltaïque apparaisse partiellement transparent, il est au contraire nécessaire de rendre indiscernables les zones qui laissent traverser la lumière. Le document GB-A1 -2472608 propose de réaliser une cellule photovoltaïque semi-transparente à partir d'un empilement comprenant un substrat transparent, une électrode arrière transparente, une couche photo-absorbante opaque et une électrode avant opaque. Des petits trous sont formés à travers l'électrode avant et la couche photo-active de façon à permettre la transmission de la lumière à travers ces deux couches via ces trous obtenus par gravure humide. Ainsi, un liquide de gravure est déposé sur la surface des cellules photovoltaïques par l'intermédiaire d'une tête à jet d'encre de façon à permettre une gravure localisée. L'empilement étant constitué de couches de matériaux présentant des natures chimiques différentes, il est nécessaire d'utiliser successivement différents liquides de gravure pour permettre la formation de trous sur la profondeur souhaitée. Le procédé décrit dans ce document permet de répondre aux problématiques posées par la solution du document US2010/0126559 mais l'utilisation de différents liquides de gravure rend toutefois le procédé relativement complexe. Des problèmes de compatibilité entre les matériaux de l'empilement et les liquides de gravure utilisés peuvent également survenir.
Le document US-A1 -7795067 décrit des cellules photovoltaïques semi- transparentes qui sont également obtenues à partir d'un empilement de couches minces dans lequel une pluralité de trous est réalisée. Contrairement à la solution du document GB-A1 -2472608, ces trous traversent complètement l'empilement, c'est-à-dire la couche formant l'électrode avant, la couche photo-absorbante et la couche formant l'électrode arrière. Ils sont réalisés par un moyen mécanique, par exemple par perçage ou par découpage. Ces procédés mécaniques présentent l'inconvénient de ne pas permettre de réaliser des trous de taille inférieure à 100 μηι et/ou espacés de moins de 100 μηι. Il en résulte un aspect visuel non uniforme, ce qui empêche d'obtenir une transmission de la lumière incidente uniforme et une vision continue.
En outre, le document FR2997227A1 propose aussi des solutions de vitrage transparent aptes à générer de l'électricité.
Il existe donc un besoin de fournir une solution simple pour réaliser un module photovoltaïque en couches minces et transparent. Objet de l'invention
Le but de la présente invention est de proposer une solution photovoltaïque en couches minces qui remédie aux inconvénients listés ci-dessus.
Notamment, un objet de l'invention est de fournir un procédé de fabrication d'un dispositif photovoltaïque comprenant un substrat transparent dans tout ou partie du spectre solaire et un empilement de couches minces formé sur le substrat, qui soit simple, efficace et peu cher, et qui permette en particulier l'obtention simultanée de propriétés de transparence à travers cet empilement et de propriétés d'interconnexion monolithique assurant la mise en série électrique de cellules isolées entre elles au niveau des électrodes avant et arrière de cet empilement. Ces objets peuvent être atteints par l'intermédiaire d'un procédé de fabrication d'un dispositif photovoltaïque, comprenant les étapes suivantes :
fourniture d'un substrat transparent dans tout ou partie du spectre solaire,
formation, sur le substrat, d'un empilement de couches minces incluant une première couche formant une électrode arrière, une deuxième couche photo-absorbante dans le spectre solaire, une troisième couche formant une électrode avant et une quatrième couche tampon entre les deuxième et troisième couches, cet empilement constituant une pluralité de cellules photovoltaïques adjacentes entre elles sur le substrat,
formation d'une pluralité de trous au sein de chaque cellule et traversant chacun l'épaisseur des première, deuxième, troisième et quatrième couches pour déboucher vers le substrat, comprenant la mise en œuvre d'au moins une première étape de lift-off utilisant un premier ensemble d'éléments d'une première résine déposés sur le substrat préalablement à la formation de ladite première couche,
mise en série électrique entre elles de tout ou partie desdites cellules adjacentes par interconnexion monolithique utilisant un deuxième ensemble d'éléments d'une deuxième résine déposés sur le substrat préalablement à la formation de ladite première couche.
Selon un mode de réalisation particulier, les éléments du premier ensemble prennent chacun la forme d'un plot et sont répartis sur le substrat à distance les uns des autres.
Selon un autre mode de réalisation particulier, les éléments du deuxième ensemble prennent chacun la forme d'une ligne droite et sont répartis sur le substrat parallèlement les uns aux autres. Durant la mise en série par interconnexion monolithique, les éléments du deuxième ensemble peuvent être utilisés pour créer des zones d'isolation entre elles des électrodes arrière des cellules adjacentes, notamment sous la forme de premières tranchées rectilignes parallèles entre elles dont le fond débouche vers le substrat.
La première étape de lift-off peut comprendre successivement une étape de dépôt sur le substrat du premier ensemble d'éléments de première résine, une étape de formation au moins des première, deuxième, troisième et quatrième couches et une première étape d'application d'un premier solvant sur l'empilement, le couple formé par la première résine et par le premier solvant étant choisi de sorte que ladite première étape d'application du premier solvant retire les éléments du premier ensemble et les zones des première, deuxième, troisième et quatrième couches uniquement situées au-dessus des éléments du premier ensemble du côté opposé au substrat.
Selon un mode de réalisation particulier, les éléments du premier ensemble sont déposés sur le substrat selon un pavage périodique aux sommets d'un motif de base ayant la forme d'un polygone tel qu'un carré ou un hexagone.
Préférentiellement, la mise en série par interconnexion monolithique comprend une étape de dépôt du deuxième ensemble d'éléments de deuxième résine sur le substrat et une étape de retrait localisé de matière de toute couche mince de l'empilement formée au-dessus des éléments du deuxième ensemble préalablement à la mise en œuvre de ladite étape de retrait, dans laquelle le retrait localisé de matière est réalisé uniquement dans les zones situées à l'aplomb des éléments du deuxième ensemble du côté opposé au substrat. Selon un mode particulier de réalisation, l'étape de dépôt du deuxième ensemble d'éléments de deuxième résine et l'étape de retrait localisé de matière constitue une deuxième étape de lift-off, notamment à travers la première couche.
La deuxième étape de lift-off peut comprendre une deuxième étape d'application d'un deuxième solvant sur la première couche, préalablement à la formation des deuxième, troisième et quatrième couches, le couple formé par la deuxième résine du deuxième ensemble d'éléments et par le deuxième solvant étant choisi de sorte que ladite deuxième étape d'application du deuxième solvant retire les éléments du deuxième ensemble et les zones de la première couche uniquement situées au-dessus des éléments du deuxième ensemble du côté opposé au substrat.
Le procédé de fabrication comprend de préférence une étape de formation de ladite deuxième couche, puis une étape de création, par l'intermédiaire d'une troisième étape de lift-off à travers la deuxième couche formée, de zones destinées à l'interconnexion électrique entre une électrode avant d'une cellule donnée avec une électrode arrière d'une cellule adjacente, notamment sous la forme de deuxièmes tranchées rectilignes parallèles entre elles dont le fond débouche vers la première couche. La troisième étape de lift-off peut comprend une étape de dépôt, préalablement à l'étape de formation de la deuxième couche, d'un troisième ensemble d'éléments d'une troisième résine sur la première couche, puis une troisième étape d'application d'un troisième solvant sur l'empilement de couches minces, préalablement à la formation de la troisième couche, le couple formé par la troisième résine et par le troisième solvant étant choisi de sorte que ladite troisième étape d'application du troisième solvant retire les éléments du troisième ensemble et les zones au moins des deuxième et quatrième couches uniquement situées au-dessus des éléments du troisième ensemble du côté opposé au substrat.
Le procédé de fabrication comprend de préférence une étape de formation de ladite troisième couche, au moins au niveau des zones destinées à l'interconnexion électrique entre les électrode avant et arrière respectivement de deux cellules adjacentes, puis une étape de création par l'intermédiaire d'une quatrième étape de lift-off à travers la troisième couche formée, de zones d'isolation entre elles des électrodes avant des cellules adjacentes, notamment sous la forme de troisièmes tranchées rectilignes parallèles entre elles dont le fond débouche vers la première couche.
La quatrième étape de lift-off peut comprendre une étape de dépôt, préalablement à l'étape de formation de la deuxième couche, d'un quatrième ensemble d'éléments d'une quatrième résine sur la première couche, puis une quatrième étape d'application d'un quatrième solvant sur la troisième couche formée, le couple formé par la quatrième résine et par le quatrième solvant étant choisi de sorte que ladite quatrième étape d'application du quatrième solvant retire les éléments du quatrième ensemble et les zones au moins des deuxième, troisième et quatrième couches uniquement situées au-dessus des éléments du quatrième ensemble du côté opposé au substrat.
Selon un mode de réalisation particulier, l'étape de retrait localisé de matière comprend une étape de gravure mécanique dans la première couche, mise en œuvre préalablement à la formation de la deuxième couche, la gravure mécanique étant réalisée au niveau de la face de la première couche opposée au substrat et uniquement dans les zones de la première couche situées à l'aplomb des éléments de deuxième résine du deuxième ensemble.
L'étape de gravure mécanique de la première couche réalisée avant la première étape de lift-off peut être suivie de la formation de ladite deuxième couche, puis d'une étape de création par gravure laser, mécanique ou chimique dans la deuxième couche formée, de zones destinées à l'interconnexion électrique entre une électrode avant d'une cellule donnée avec une électrode arrière d'une cellule adjacente, notamment sous la forme de deuxièmes tranchées rectilignes parallèles entre elles dont le fond débouche vers la première couche.
Le procédé de fabrication peut comprendre une étape de formation de ladite troisième couche, au moins au niveau des zones destinées à l'interconnexion électrique entre les électrode avant et arrière respectivement de deux cellules adjacentes, puis une étape de création par gravure laser, mécanique ou chimique dans la troisième couche formée, de zones d'isolation entre elles des électrodes avant des cellules adjacentes, notamment sous la forme de troisièmes tranchées rectilignes parallèles entre elles dont le fond débouche vers la première couche.
La deuxième résine dans laquelle sont formés les éléments du deuxième ensemble peut être identique à la première résine dans laquelle sont formés les éléments du premier ensemble.
Description sommaire des dessins
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés sur les dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 déjà décrite illustre un dispositif photovoltaïque ayant une pluralité de cellules mises en série par une technique connue d'interconnexion monolithique,
- les figures 2 à 9 illustrent les différentes phases successives d'un exemple de procédé de fabrication selon l'invention, les figures 3 à
9 comprenant chacune une vue en coupe longitudinale et une vue de dessus du dispositif photovoltaïque en cours de fabrication.
Description de modes préférentiels de l'invention
L'invention qui va être décrite ci-après en référence aux figures 2 à 9 annexées concerne globalement un procédé de fabrication d'un dispositif photovoltaïque à plusieurs cellules photovoltaïques disposées de manière adjacente entre elles sur le substrat, chacune ayant des propriétés de transparence dans tout ou partie du spectre solaire et mises en série entre elles électriquement par interconnexion monolithique.
L'invention qui va être détaillée peut utiliser de préférence tout ou partie d'une technique de lift-off comme seule technique pour réaliser à la fois l'interconnexion monolithique entre les cellules et l'effet de transparence à travers l'épaisseur des cellules. Des éléments de résines appropriés seront successivement déposés suivant des motifs correspondant aux zones de transparence et d'interconnexion. Une fois les différentes couches minces déposées par-dessus, ces éléments de résines sont retirés de façon sélective à différentes étapes du procédé, uniquement dans les zones justement définies de manière positive par ces éléments de résines. La technique de lift-off permet de résoudre les problèmes de gravure mécanique ou d'ablation laser présentés précédemment. Toutefois, des variantes à la technique de lift-off sont envisageables pour la fonction d'interconnexion monolithique, notamment pour l'étape de création des zones d'isolation entre les cellules adjacentes au niveau de leurs électrodes arrière.
Ainsi, le procédé de fabrication comprend les étapes suivantes :
- fourniture d'un substrat 10 transparent dans tout ou partie du spectre solaire,
formation, sur le substrat 10, d'un empilement de couches minces incluant une première couche 20 formant une électrode arrière, une deuxième couche 30 photo-absorbante dans le spectre solaire, une troisième couche 60 formant une électrode avant et une quatrième couche tampon 40 entre les deuxième et troisième couches, cet empilement constituant une pluralité de cellules photovoltaïques adjacentes entre elles sur le substrat 10,
formation d'une pluralité de trous 70 (figure 9) au sein de chaque cellule et traversant chacun l'épaisseur des première, deuxième, troisième et quatrième couches pour déboucher vers le substrat 10, comprenant la mise en œuvre d'au moins une première étape de lift-off utilisant un premier ensemble d'éléments E0 d'une première résine R0 déposés sur le substrat 10 préalablement à la formation de ladite première couche 20,
mise en série électrique entre elles de tout ou partie desdites cellules adjacentes par interconnexion monolithique utilisant un deuxième ensemble d'éléments E1 d'une deuxième résine R1 déposés sur le substrat 10 préalablement à la formation de ladite première couche 20.
Il est précisé ici que les étapes du paragraphe précédent ne sont pas forcément successives entre elles et d'ailleurs peuvent aussi être au moins partiellement simultanées ou combinées. Notamment, l'étape de mise en série électrique des cellules adjacentes entre elles par interconnexion monolithique peut être réalisée au moins partiellement en même temps que l'étape de formation d'une pluralité de cellules photovoltaïques adjacentes entre elles sur le substrat 10. La mise en série électrique par interconnexion monolithique peut aussi au moins partiellement résulter de la formation de l'une au moins des couches 20, 30, 60.
Comme il le sera détaillé plus loin, les éléments nommés E0 et E1 respectivement du premier ensemble et du deuxième ensemble peuvent prendre la forme de plots ou de lignes. Préférentiellement, les éléments EO du premier ensemble prendront la forme de plots et les éléments E1 du deuxième ensemble prendront la forme de lignes.
Les termes « première couche », « deuxième couche », « troisième couche », « quatrième couche » ont un objectif uniquement nominatif qui n'implique aucun ordre chronologique de formation entre elles.
Dans tout le document, les termes « lift-off » correspondent à une technique bien connue en soi de l'homme du métier et qui peuvent indifféremment être remplacés par « décollement de matière induit par élimination de la matière sous-jacente » ou plus simplement par « soulèvement de matière ». Ce soulèvement ou décollement de matière est localement mis en œuvre au niveau uniquement de éléments de résine idoines préalablement déposés et situés en-dessous de la matière subissant l'action de soulèvement ou décollement. Il résulte notamment de l'application d'un solvant adapté au-dessus de la matière subissant l'action de soulèvement ou décollement, cette application de solvant induisant l'élimination des éléments de résine sous-jacents et cette élimination des éléments de résine engendre l'action de soulèvement ou décollement de la matière. En dehors de la zone située au-dessus des éléments de résine, l'action de soulèvement ou décollement ne se produit pas, laissant la matière des couches minces intacte. Par « couche mince », il est entendu que l'épaisseur de chacune des couches mentionnées dans ce document est comprise de préférence entre quelques couches atomiques et une dizaine de micromètres.
Par « arrière », il convient d'interpréter qu'il s'agit de préférence d'une électrode disposée au sein de l'empilement du côté du substrat 10. A l'inverse, par « avant », il convient de comprendre qu'il s'agit de préférence d'une électrode disposée dans l'empilement du côté opposé au substrat 10 par rapport à la deuxième couche 30 photo-absorbante. Ainsi, ces notions « avant » et « arrière » sont considérées suivant la direction d'empilement suivant laquelle les couches minces de l'empilement sont superposées sur le substrat 10.
Le substrat 10, qui est transparent à la lumière dans tout ou partie du spectre, est par exemple formé en verre, par exemple un verre sodocalcique d'épaisseur comprise entre 0,05 et 4 mm, et typiquement de 3 mm qui est une épaisseur standard dans le domaine photovoltaïque. De manière plus générale, le substrat 10 peut être formé dans toute matière telle qu'une matière organique, une matière plastique ou à base de polymères, en verre traité, par exemple en verre dépoli, teinté.
La notion de transparence du substrat 10 fait référence à ce qu'un œil humain peut percevoir des longueurs d'onde présentes dans le spectre solaire : il s'agit donc de longueurs d'onde comprises entre 250 nm et 850 nm. La transparence du substrat 10 est particulièrement avantageuse dans l'application particulièrement visée où le dispositif photovoltaïque est destiné à être pris directement comme matériau de construction pour une toiture ou une façade, c'est-à-dire dans le cadre d'un dispositif photovoltaïque de type « Building Integrated Photovoltaics » ou « BIPV ». Un premier exemple de dispositif photovoltaïque permet à un observateur situé du côté du substrat 10 (notamment situé à l'intérieur d'un bâtiment) de recevoir la lumière qui lui parvient du côté de l'électrode avant (troisième couche 60) du dispositif photovoltaïque (notamment depuis l'extérieur du bâtiment). Alternativement, le dispositif photovoltaïque peut servir de vitrine de démonstration par exemple : dans ce cas l'observateur situé du côté de l'électrode avant (troisième couche 60) du dispositif photovoltaïque observe un objet situé à l'arrière du substrat 10. Enfin, dans l'un ou l'autre des deux exemples précédents, le substrat 10 peut éventuellement lui-même posséder d'autres fonctions que la fonction de transmission de la lumière. Il pourrait être fonctionnalisé en le recouvrant d'une image imprimée ou reportée sur un deuxième substrat non représenté; il pourrait encore, par un dispositif approprié, posséder un rétro éclairage.
De manière générale, la première couche 20 possède de préférence à la fois des propriétés ohmiques pour assurer une récupération optimale des charges émises par la deuxième couche 30 mais également des propriétés optiques pour assurer une réflexion vers la deuxième couche 30 de la partie du spectre lumineux non absorbée en transmission directe.
La première couche 20 est notamment de type métallique, par exemple en Molybdène Mo. L'épaisseur de la première couche 20 est de préférence comprise entre 100 nm et 2 μηι, typiquement de 1 μηι. Elle est déposée par toute méthode, par exemple par une technique sous vide par pulvérisation cathodique ou évaporation. En complément ou en substitution, la première couche 20 peut toutefois comprendre d'autres matériaux tels que du chrome Cr et/ou du tungstène W et/ou du Manganèse Mn et/ou du Tantale Ta et/ou du Niobium Nb et/ou du Titane Ti, et ou de l'Or (Au). Elle peut également employer un oxyde transparent conducteur tel que l'oxyde d'indium et d'étain (ITO) ou l'oxyde d'étain dopé avec du fluor (Sn02:F) ou encore des électrodes transparentes conductrices à base de nanofils métalliques (Cuivre ou Argent notamment) ou de graphène.
La deuxième couche 30 est disposée, directement ou indirectement, entre la première couche 20 et la troisième couche 60 suivant la direction d'empilement des couches minces. Elle est de préférence réalisée à base de matériaux inorganiques semi-conducteur de type l-lll-VI. En particulier mais de manière non exclusive, le matériau dans lequel la deuxième couche 30 est formée comprend un composé de Cu, In, Ga, Se et S, connu sous la dénomination « CIGS ». La couche de CIGS formée possède par exemple une épaisseur comprise entre 0,5 μηι et 3 μηι et préférentiellement d'environ 1 ,5 μηι. D'autres matériaux peuvent être envisagés pour la deuxième couche 30, tel que du CdTe, du silicium amorphe hydrogéné, du silicium microcristallin hydrogéné ou tout composé à base de cuivre, zinc, étain, soufre et sélénium, dont l'abréviation classique est « CZTS ». La troisième couche 60, qui présente de préférence une épaisseur comprise entre 100 nm et 1 μηπ, et typiquement de l'ordre de 500 nm, peut être formée par une couche de ZnO dopée avec des éléments du groupe III comme l'aluminium. Cette couche peut être déposée par exemple par pulvérisation cathodique. La couche de ZnO dopé à l'aluminium est connue sous la dénomination « TCO » pour « Transparent Conductive Oxyde ». En remplacement de la couche de ZnO dopé Al, des électrodes transparentes et conductrices à base de nanofils métalliques (Ag ou Cu notamment), de graphène, ou d'autres oxydes transparents conducteurs tels que l'oxyde d'indium et d'étain (ITO) ou l'oxyde d'étain dopé fluor (SnO2:F), peuvent être utilisées. De la manière représentée, la quatrième couche tampon 40 ou « buffer » est disposée entre la troisième couche 60 et la deuxième couche 30 suivant l'épaisseur de l'empilement. Elle peut être formée dans un matériau de préférence transparent dans le spectre solaire et de type semi-conducteur de type n, de préférence comprenant du sulfure de cadmium CdS ou du sulfure de zinc ZnS ou encore de sulfure d'indium InS. Au contact de la deuxième couche 30 photo-absorbante, le matériau de la couche tampon 40 forme une hétérojonction pn dont le rôle est de séparer les charges électriques générées dans la deuxième couche 30. La quatrième couche tampon 40 est formée sur la deuxième couche 30.
Facultativement et de la manière représentée, une couche 50 en matériau fortement résistif est formée sur la couche tampon 40 et sur laquelle la troisième couche 60 formant l'électrode arrière est formée. Elle peut être composée d'une couche de ZnO ayant par exemple une épaisseur de 50 nm. Cette couche 50 peut être déposée par exemple par pulvérisation cathodique et peut être omise, par exemple dans le cas où la couche tampon 40 est en CdS, ou remplacée par une couche de Zn( - X)MgxO lorsque la couche tampon 40 est en Zn(0,H)S.
Alternativement, la troisième couche 60 peut être formée directement sur la couche tampon 40 en cas d'absence de la couche 50.
En référence à la figure 2 qui est une vue de dessus du dispositif photovoltaïque avant la mise en œuvre de l'étape de formation de la première couche 20 formant l'électrode en face arrière des cellules, les éléments E1 du deuxième ensemble, formées dans la deuxième résine R1 , prennent chacun la forme d'une ligne droite et sont répartis sur le substrat 10 parallèlement les uns aux autres. Selon un mode de mise en œuvre particulier, les éléments E1 du deuxième ensemble sont utilisés durant la mise en série par interconnexion monolithique pour créer des zones P1 d'isolation entre elles des électrodes arrière des cellules adjacentes, notamment sous la forme de premières tranchées rectilignes parallèles entre elles dont le fond débouche vers le substrat 10 (figure 5).
Les éléments EO du premier ensemble prennent quant à eux chacun la forme d'un plot et sont répartis sur le substrat 10 en étant à distance régulière ou non les uns des autres.
La première étape de lift-off comprend successivement :
- une étape de dépôt sur le substrat 10 du premier ensemble d'éléments E0 de première résine R0,
- une étape de formation au moins des première, deuxième, troisième et quatrième couches 20, 30, 60, 40, voire de la couche 50,
- et une première étape d'application d'un premier solvant S0 sur l'empilement.
Le couple formé par la première résine R0 et par le premier solvant S0 est choisi de sorte que cette première étape d'application du premier solvant S0 retire les éléments E0 du premier ensemble et les zones des première, deuxième, troisième et quatrième couches 20, 30, 60, 40, voire de la couche 50, uniquement situées au-dessus des éléments E0 du premier ensemble, du côté opposé au substrat 10.
Le retrait de matière des couches minces de l'empilement présentes au- dessus des éléments E0 du premier ensemble a pour effet de constituer les trous 70 (figure 9) conférant des propriétés de transparence à travers l'empilement de couches minces et donc à travers le dispositif photovoltaïque.
Ainsi, les éléments EO du premier ensemble sont déposés sur le substrat 10, puis les couches 20, 30, 40, 50, 60 sont formées, avant que le premier solvant ne soit appliqué à l'empilement afin de créer les trous 70 (figure 9). Les éléments E0 du premier ensemble en première résine R0 peuvent être formés par exemple par un dépôt de type jet d'encre, sérigraphie ou tout procédé d'impression d'encre permettant de faire des motifs, c'est-à-dire des dépôts localisés avec la première résine R0.
Les éléments E0 du premier ensemble sont de préférence déposés sur le substrat 10 selon un pavage périodique aux sommets d'un motif de base ayant la forme d'un polygone tel qu'un carré ou un hexagone. Cela permet, après la mise en œuvre de la première étape de lift-off, que les trous 70 soient répartis dans le plan du substrat 10 selon un pavage périodique identique. Il reste toutefois envisageable de prévoir que les trous 70 soient répartis de manière non uniforme dans le plan du substrat 10, par exemple selon un pavage non périodique, mais le confort visuel est susceptible d'être moins bon. Il peut également être envisagé que, bien que positionnés aux nœuds d'un réseau régulier, les tailles des trous 70 soient ajustées suivant une variation continue pour créer un gradient d'ouverture qui peut être intéressant dans le cas du BIPV : cela permettrait par exemple de produire une partie totalement opaque dans la partie supérieure du dispositif, puis un dégradé continu de transparence vers le bas du dispositif.
La forme de chaque élément E0 du premier ensemble formée dans la première résine R0 est quelconque, ou par exemple sensiblement de type hémisphérique pour former un plot hémisphérique à la surface du substrat 10. Elle est en tous les cas sensiblement équivalente, vue en coupe parallèlement au plan du substrat 10, à la section des trous 70 formés à travers l'empilement de couches minces durant la première étape de lift-off. La mise en série par interconnexion monolithique comprend de préférence une étape de dépôt du deuxième ensemble d'éléments E1 de deuxième résine R1 sur le substrat 10 et une étape de retrait localisé de matière de toute couche mince de l'empilement formée au-dessus des éléments E1 du deuxième ensemble préalablement à la mise en œuvre de ladite étape de retrait, dans laquelle le retrait localisé de matière est réalisé uniquement dans les zones situées à l'aplomb des éléments E1 du deuxième ensemble du côté opposé au substrat 10.
Selon une première variante (telle qu'illustrée) envisageable de mise en œuvre du procédé de fabrication dont les principes généraux sont exposés précédemment, l'étape de dépôt du deuxième ensemble d'éléments E1 de deuxième résine R1 et l'étape de retrait localisé de matière constitue une deuxième étape de lift-off indépendante de la première étape de lift-off, notamment à travers la première couche 20.
La deuxième étape de lift-off comprend une deuxième étape d'application d'un deuxième solvant S1 sur la première couche 20, préalablement à la formation des deuxième, troisième et quatrième couches 30, 60, 40, voire de la couche 50. Le couple formé par la deuxième résine R1 et par le deuxième solvant S1 est choisi de sorte que la deuxième étape d'application du deuxième solvant S1 retire les éléments E1 du deuxième ensemble et les zones de la première couche 20 uniquement situées au- dessus des éléments E1 du deuxième ensemble du côté opposé au substrat 10. L'étape de retrait localisé utilisant les éléments E1 du deuxième ensemble est réalisée après la formation de la première couche 20 en recouvrant les éléments E1 mais avant la formation ultérieure des deuxième, troisième et quatrième couches 30, 60, 40, voire de la couche 50. Le retrait localisé de matière se pratique alors uniquement dans des zones de la première couche 20 afin de constituer en pratique les zones d'isolation P1 précédemment mentionnées. Ainsi, les éléments E1 du deuxième ensemble sont déposés en deuxième résine R1 sur le substrat 1 0, puis la première couche 20 est formée, avant que le deuxième solvant S1 ne soit appliqué sur la première couche 20 afin de créer les zones P1 . Les éléments E1 de deuxième résine R1 du deuxième ensemble peuvent être formés par exemple par un dépôt de type jet d'encre, sérigraphie ou tout procédé d'impression d'encre permettant de faire des motifs, c'est-à-dire des dépôts localisés avec la deuxième résine R1 .
Puis, le procédé de fabrication comprend une étape de formation de la deuxième couche 30, puis une étape de création, par l'intermédiaire d'une troisième étape de lift-off à travers la deuxième couche 30 formée, de zones P2 (figure 7) destinées à l'interconnexion électrique entre une électrode avant d'une cellule donnée avec une électrode arrière d'une cellule adjacente, notamment sous la forme de deuxièmes tranchées rectilignes parallèles entre elles dont le fond débouche vers la première couche 20.
L'étape de création des zones P2 est notamment réalisée après l'étape de formation de la couche tampon 40 sur la deuxième couche 30 et après l'étape facultative mais préférentielle de formation de la couche 50 sur la couche tampon 40 (figure 6), mais avant l'étape de formation de la troisième couche 60. La troisième étape de lift-off comprend une étape de dépôt, préalablement à l'étape de formation de la deuxième couche 30, d'un troisième ensemble d'éléments E2 d'une troisième résine R2 sur la première couche 20, puis une troisième étape d'application d'un troisième solvant S2 sur l'empilement de couches minces 20, 30, 40, voire de la couche 50, préalablement à la formation de la troisième couche 60. Le couple formé par la troisième résine R2 et par le troisième solvant S2 est choisi de sorte que la troisième étape d'application du troisième solvant S2 retire les éléments E2 du troisième ensemble et les zones au moins des couches 30, 40, voire de la couche 50, uniquement situées au-dessus des éléments E2 du troisième ensemble du côté opposé au substrat 10. Le retrait de matière engendré par la troisième étape de lift-off a pour effet de créer les zones P2 (figure 7). Préférentiellement et de la manière représentée, chacun des éléments E2 du troisième ensemble, formés par le dépôt de la troisième résine R2, prendra avantageusement la forme d'une ligne.
Ainsi, les éléments E2 du troisième ensemble sont déposés sur la première couche 20 (figure 4), puis la deuxième couche 30, la couche tampon 40, voire la couche 50 sont formées (figure 6), avant que le troisième solvant S2 ne soit appliqué sur l'empilement afin de créer les zones P2 (figure 7). Les éléments E2 en troisième résine R2 peuvent être formés par exemple par un dépôt de type jet d'encre, sérigraphie ou tout procédé d'impression d'encre permettant de faire des motifs, c'est-à-dire des dépôts localisés de troisième résine R2.
En référence à la figure 8 maintenant, le procédé de fabrication comprend ensuite une étape de formation de la troisième couche 60, au moins au niveau des zones P2 mais aussi éventuellement en dehors des zones P2, puis une étape de création, par l'intermédiaire d'une quatrième étape de lift-off à travers la troisième couche 60 formée, de zones d'isolation P3 (figure 9) entre elles des électrodes avant des cellules adjacentes, notamment sous la forme de troisièmes tranchées rectilignes parallèles entre elles dont le fond débouche vers la première couche 20.
La quatrième étape de lift-off comprend une étape de dépôt, préalablement à l'étape de formation de la deuxième couche 30, d'un quatrième ensemble d'éléments E3 d'une quatrième résine R3 sur la première couche 20, puis une quatrième étape d'application (figure 9) d'un quatrième solvant S3 sur la troisième couche 60 formée. Le couple formé par la quatrième résine E3 et par le quatrième solvant S3 est choisi de sorte que la quatrième étape d'application du quatrième solvant S3 retire les éléments E3 du quatrième ensemble et les zones au moins des deuxième, troisième et quatrième couches 30, 60, 40, voire de la couche 50, uniquement situées au-dessus des éléments E3 du quatrième ensemble, du côté opposé au substrat 10.
Préférentiellement et de la manière représentée, chacun des éléments E3 du quatrième ensemble, formés par le dépôt de la quatrième résine R3, prendra avantageusement la forme d'une ligne.
Ainsi, les éléments E3 du quatrième ensemble sont déposés sur la première couche 20 (figure 4), puis la deuxième couche 30, la quatrième couche 40 tampon voire la couche 50 sont formées (figure 6), puis les zones P2 sont créées (figure 7), puis le troisième couche 60 est formée (figure 8), avant que le quatrième solvant S3 ne soit appliqué sur la troisième couche 60 afin de créer les zones P3 (figure 9). Les éléments E3 en quatrième résine R3 peuvent être formés par exemple par un dépôt de type jet d'encre, sérigraphie ou tout procédé d'impression d'encre permettant de faire des motifs, c'est-à-dire des dépôts localisés de la quatrième résine R3. Il convient de préciser que, de manière très avantageuse, il peut être prévu que la quatrième résine R3 servant à la formation des éléments E3 du quatrième ensemble soit identique à la première résine RO servant à la formation des éléments EO du premier ensemble, ce qui implique que le quatrième solvant S3 utilisé dans la quatrième étape de lift-off peut être identique au premier solvant S0 utilisé dans la première étape de lift- off. Un exemple de mise en œuvre de la première variante de procédé de fabrication est maintenant sommairement décrit.
Dans un premier temps, les éléments EO du premier ensemble formés dans la première résine RO et les éléments E1 du deuxième ensemble formés dans la deuxième résine R1 sont déposés à la surface du substrat transparent 10. Les propriétés de la résine des éléments EO et de la résine des éléments E1 sont choisies de façon à ce que les résines RO et R1 soit solubles sélectivement dans le premier solvant S0 pour la première résine RO des éléments EO du premier ensemble et dans le deuxième solvant S1 pour la deuxième résine R1 des éléments E1 du deuxième ensemble. Les critères de choix des couples résines/solvants et des familles d'exemples sont expliqués plus loin. Les éléments E0 du premier ensemble formés dans la première résine R0 et les éléments E1 du deuxième ensemble formés dans la deuxième résine R1 peuvent être déposés par jet d'encre, ou par toute autre technique permettant d'effectuer un dépôt localisé de résine avec une résolution suffisamment fine (de l'ordre de 1 00 μιτι). Les motifs réalisés par le dépôt des résines R0 et R1 sont différents entre eux en référence à la figure 2 : la première résine R0 est déposée de manière que les éléments E0 ont la forme de plots régulièrement espacés, qui correspondront aux emplacements transparents obtenus par les trous 70 dans le produit fini, et la deuxième résine R1 est déposée de manière que les éléments E1 ont la forme de lignes droites continues, qui correspondront aux emplacements des tranchées P1 sur le produit fini. Les éléments E0 seront par exemple des plots circulaires de diamètre compris entre 10 et 500 μηι et préférentiellement de 200 μηπ, et régulièrement espacés de 20 μηι à 1000 μηι et préférentiellement 400 μηι. Les éléments E1 seront par exemple des lignes ayant une largeur comprise entre 10 et 300 μηι et typiquement de 100 μηι (largeur compatible avec le dépôt par jet d'encre).
La première couche 20 jouant le rôle d'électrode en face arrière est ensuite déposée, en recouvrant les éléments E0 de première résine R0 et les éléments E1 de deuxième résine R1 . Après le dépôt de la première couche 20, la structure intermédiaire obtenue est représentée sur la figure 3.
Ensuite, les éléments E2 du troisième ensemble et les éléments E3 du quatrième ensemble sont formés à la surface de l'électrode arrière formée par la première couche 20. Les éléments E2 sont formés via le dépôt de motifs de la troisième résine R2 qui est d'une nature différente des résines R0 et R1 . Les propriétés des résines R2 et R3 seront choisies de façon à ce que ces résines soit solubles sélectivement dans le troisième solvant S2 pour la troisième résine R2 et par le quatrième solvant S3 pour la quatrième résine R3. Les critères de choix des couples résines/solvants et des familles d'exemples sont donnés plus loin. Les éléments E2 et E3 peuvent être déposés par jet d'encre, ou par toute autre technique permettant d'effectuer un dépôt localisé des résines R2 et R3. Les éléments E2 et E3 sont déposés sous forme de lignes continues, qui correspondront aux emplacements des tranchées P2 pour les éléments E2 et des tranchées P3 pour les éléments E3 sur le produit fini. La largeur des lignes déposées avec les éléments E2 peut être comprise entre 10 et 300 μηι et sera typiquement de 50 μηι (largeur compatible le dépôt par jet d'encre) et distante de P1 typiquement de 100 μηι. La largeur de la ligne déposée avec les éléments E3 peut être comprise entre 10 et 300 μηι et sera typiquement de 100 μηι (largeur compatible avec le dépôt par jet d'encre) et distante de P2 typiquement de 100 μηι. La structure intermédiaire obtenue est représentée sur la figure 4. Il peut être envisagé que cette structure intermédiaire soit un produit commercial livré tout prêt à des fabricants de modules photovoltaïques en couches minces. L'industriel n'aurait alors qu'à s'équiper des solvants appropriés pour réaliser la suite des étapes décrites ci-dessous, plutôt que d'utiliser les moyens traditionnels mais coûteux de gravure mécanique ou d'ablation laser comme dans l'art antérieur. II est rappelé que la nature de la quatrième résine R3 dans laquelle les éléments E3 sont formés peut avantageusement être identique à la première résine RO dans laquelle les éléments EO sont formés, afin de limiter le nombre de solvants et de résines nécessaires. Ensuite, en référence à la figure 5, des retraits de matière sont réalisés à travers toute l'épaisseur de la première couche 20 dans les zones où les éléments E1 ont été déposés pour définir une zone d'isolation P1 des cellules au niveau de leurs électrodes en face arrière. Cela peut être réalisé grâce au deuxième solvant S1 qui retirera de façon sélective la deuxième résine R1 des éléments E1 du deuxième ensemble. Le temps typique d'immersion dans le deuxième solvant S1 peut varier entre 30 secondes et 5 minutes et sera typiquement de 1 min. La structure intermédiaire obtenue est représentée sur la figure 5. L'endroit où la première couche 20 a été retirée correspond aux tranchées P1 . De manière non illustrée, cette étape peut également se faire indifféremment juste après le dépôt de la première couche 20 et avant le dépôt des éléments E2 et E3 : dans ce cas, la contrainte sur la sélectivité du deuxième solvant S1 peut être encore relâchée puisque seules deux résines sont en présence, c'est-à-dire la résine R0 du premier ensemble d'éléments EO et la résine R1 du deuxième ensemble d'éléments E1 .
Puis, la deuxième couche 30 photo-absorbante dans le spectre solaire est déposée. Dans le cas où le matériau utilisé est le CIGS, il existe une multitude de moyen de formation de la deuxième couche 30. Une liste exhaustive des techniques est présentée dans le document « Udai P. Singh and Surya P. Patra, Progress in Polycrystalline Thin-Film Cu(ln,Ga)Se2 Solar Cells, International Journal of Photoenergy ; Volume 2010 ». Il peut s'agir par exemple d'une technique de co-évaporation de Cu, In, Ga, Se, et S sur un substrat chaud, cette technique donnant actuellement les meilleurs rendements pour les cellules et les modules. Il peut également s'agir de procédés séquentiels dans lesquels des précurseurs de Cu, In Ga (et éventuellement Se et S) sont déposés sur un substrat, puis soumis à un recuit en présence d'une atmosphère contenant du Se et/ou du S. Le Sélénium et/ou le Soufre peuvent aussi être apportés au préalable sous forme d'une couche mince déposée sur les précurseurs, l'ensemble étant ensuite soumis au recuit pour former la couche 30. Les précurseurs peuvent être apportés par des techniques de dépôt sous vide tels que la pulvérisation cathodique, mais d'autres techniques, dites par voie humide, peuvent également être mises en œuvre. Les précurseurs sont alors présents sous forme de nanoparticules dispersées dans un solvant pour former une encre, déposée par sérigraphie, jet d'encre, spray et toute autre technique apparentée. Dans ce cas, il faut veiller à ce que le solvant de l'encre ne soit pas un solvant capable de dissoudre les résines R0, R2 ou R3. L'électrodéposition est encore une alternative possible au dépôt des précurseurs. Cependant, là encore, les propriétés de la solution électrolytique ne doivent pas être néfastes pour les résines R0, R2 et R3. Puis, la quatrième couche tampon 40 et la couche 50 facultative de matériau transparent dans le spectre solaire et fortement résistif sont déposés sur la deuxième couche photo-absorbante 30. La structure intermédiaire obtenue est représentée sur la figure 6. Une liste exhaustive des techniques de formation de la quatrième couche tampon 40 est donnée dans le document « N. Naghavi et al., Buffer layers and transparent conducting oxides for chalcopyrite Cu(ln,Ga)(S,Se) 2 based thin film photovoltaics: présent status and current developments, Prog. Photovolt: Res. Appl. 2010; 18:41 1-433 ». De préférence, il pourra s'agir d'un matériau à base de sulfure de cadmium CdS dont le gap optique est 2.4 eV ou de sulfure de zinc ZnS dont le gap optique est 3.6 eV d'environ 50 nm d'épaisseur et déposé par bain chimique. La couche 50 déposée sur la couche tampon 40 est généralement à base d'oxyde de zinc ZnO dont le gap optique est 3.4 eV et dont l'épaisseur est d'environ 50 nm. Il est précisé ici que plus le gap optique est élevé, plus la transparence est élevée.
Puis, les zones P2 où l'interconnexion entre deux cellules adjacentes aura lieu sont créées. Ces zones P2 sont le résultat du retrait de la matière des couches 30, 40, et 50 présente au niveau des éléments E2. Cela peut être réalisé grâce au troisième solvant S2 qui retirera de façon sélective la troisième résine R2 des éléments E2. Le temps typique d'immersion dans le troisième solvant S2 peut varier entre 30 secondes et 5 minutes et sera typiquement de 1 min. La structure intermédiaire obtenue est représentée sur la figure 7.
La troisième couche 60 formant l'électrode avant, préférentiellement transparente conductrice, est alors déposée sur l'ensemble des couches précédentes. Les faces avant et les faces arrière de deux cellules adjacentes sont alors maintenant connectées au niveau de la zone P2 laissée libre par le retrait de la troisième résine R2 des éléments E2. La structure intermédiaire obtenue est représentée sur la figure 8.
Pour finaliser la mise en série électrique des cellules en référence à la figure 9, les faces avant des cellules sont isolées entre elles via la création des tranchées correspondant aux zones P3. Ces zones P3 sont le résultat du retrait de la matière des couches 30, 40, 50 et 60 présente au niveau des éléments E3. Cela peut être réalisé grâce au quatrième solvant S3, qui peut être identique au premier solvant S0 qui permet la première étape de lift-off à partir des éléments E0. Le temps typique d'immersion dans le quatrième solvant S3 peut varier entre 30 secondes et 5 minutes et sera typiquement de 1 min. Lors de cette même étape, l'effet de semi-transparence est également obtenu via la formation des trous 70, dans le cas où la première résine R0 des éléments E0 est identique à la quatrième résine R3 des éléments E3. Les éléments E0 déposés sur le substrat 10 retirent d'un coup les couches 20, 30, 40, 50, 60 créant ainsi les trous 70 dans lesquels la lumière peut passer, puis traverser le substrat transparent 10. La structure intermédiaire obtenue est représentée sur la figure 9.
Les couples R0/S0, R1 /S1 et R2/S2, R3/S3 seront choisis en fonction de leurs solubilités respectives. De plus, les résines R0 et R2 et R3 devront être compatibles avec des températures au moins supérieures à 400°C, susceptibles d'être employées dans l'étape de formation de la deuxième couche 30.
Pour le critère de solubilité, les paramètres de Hansen peuvent être utilisés pour évaluer le caractère protique et polaire des solvants et des polymères. Une résine polaire aprotique est bien dissoute par un solvant polaire aprotique. Une résine polaire protique est bien dissoute par un solvant polaire protique. Le lecteur peut se référer aux deux documents de référence suivants sur ce sujet : « Hansen, Charles (1967). The Three Dimensional Solubility Parameter and Solvent Diffusion Coefficient and Their Importance in Surface Coating Formulation. Copenhagen: Danish Technical Press » et « Hansen Solubility Parameters : A User's Handbook, Second Edition, CRC Press 2007 ».
Les trois paramètres de Hansen sont universellement notés 5D, δΡ, δΗ. Le paramètre 5D traduit l'énergie cohésive de dispersion. Il trouve son origine dans les forces de cohésion atomiques (forces de Van der Walls). II n'intervient pas sur le caractère polaire et protique des composés. Le paramètre δΡ traduit l'énergie de cohésion polaire. Il trouve son origine dans les interactions permanentes dipolaires moléculaires. Plus le paramètre δΡ est élevé, plus le composé est polaire. Le paramètre δΗ traduit l'énergie de la liaison hydrogène entre molécules. Plus le paramètre δΗ est élevé, plus le composé est protique.
Les paramètres de Hansen sont exprimés en (MPa)1/2. Les valeurs varient typiquement entre 0 et 20. Le tableau ci-dessous rassemble quelques valeurs de paramètres de Hansen :
ÔD δΡ δΗ
(Mpa)1/2 (Mpa)1/2 (Mpa)1/2
Non polaire, non protique
Hexane 14.9 0 0
Benzène 18.4 0 2
Polaire faible, protique
faible
Butylacetate 15.8 3.7 6.3
Amylacetate 15.8 3.3 6.1
Ethyl acétate 15.8 5.3 7.2 Polaire fort, protique fort
Dimethysulfoxyde 1 8.4 1 6.4 1 0.2
Dimethylformamide 1 7.4 1 3.7 1 1 .3
Polaire faible, protique
fort
Butanol 1 6 5.7 1 5.8
Isopropanol 1 5.8 6.1 1 6.4
Polaire fort, protique
faible
Nitrométhane 1 5.8 1 8.8 5.1
Acetonitrile 1 5.3 1 8 6.1
Mélange
50% butanol+50% 1 6 1 2.3 1 0.5
nitrométhane
Le choix de la constitution des résines R0 à R3 pourra notamment passer, pour chacune, par le calcul de la moyenne des paramètres de Hansen, afin d'ajuster le caractère protique ou polaire en fonction des besoins.
Pour la première résine R0, on pourra sélectionner de préférence une résine de la famille des polyimides qui ont comme propriété générale de posséder une excellente stabilité thermique à des températures supérieures à 400°C. De nombreuses résines de ce type sont commercialisées. Les polyimides sont des polymères faiblement polaires et faiblement protiques. Les solvants de cette catégorie, et en particulier les solvants de type alkyl acétates, sont donc bien appropriés pour le choix du premier solvant S0, par exemple l'amylacetate. La deuxième résine R1 de type phénol-formaldéhyde qui peut être choisie pour la formation des éléments E1 du deuxième ensemble et la troisième résine R2 de type époxy qui peut être choisie pour la formation des éléments E2 du troisième ensemble ne sont pas solubles dans ce type de premier solvant S0.
Il est encore rappelé que, de manière très avantageuse, il peut être prévu que la quatrième résine R3 servant à la formation des éléments E3 du quatrième ensemble peut être identique à la première résine RO servant à la formation des éléments EO du premier ensemble, ce qui implique que le quatrième solvant S3 utilisé dans la quatrième étape de lift-off est identique au premier solvant S0 utilisé dans la première étape de lift-off.
Pour la deuxième résine R1 des éléments E1 du deuxième ensemble, on pourra sélectionner un composé de la famille des phénol-formaldéhydes. Ces composés, et leurs mélanges, possède un caractère fortement polaire et faiblement protique. Ces composés offrent également une bonne stabilité thermique jusqu'à 350°C même si la tenue en température n'est pas une limitation pour cette résine, qui ne voit pas d'étape à haute température. Par exemple, la résine connue sous la dénomination commerciale « Novolac 438 » peut être utilisée. Pour le deuxième solvant S1 , les composés polaires aprotiques peuvent convenir. La résine RO de type polyimide qui peut être choisie pour la formation des éléments EO du premier ensemble et la résine R2 de type époxy qui peut être choisie pour la formation des éléments E2 du troisième ensemble ne sont pas solubles dans ce type de deuxième solvant S1 .
Pour la troisième résine R2 des éléments E2 du troisième ensemble, on pourra sélectionner un composé de la famille des résines époxydes ayant une stabilité thermique supérieure à 400°C. Ces résines sont généralement moyennement polaires et moyennement protiques. On pourra par exemple choisir la résine connue sous la dénomination commerciale « Epon 1001 ». Ces composés se dissolvent très bien dans des solvants moyennement polaires et moyennement protiques qui pourront être pris en tant que troisième solvant S2. En particulier, le troisième solvant S2 pourra être un mélange égal de butanol et de nitrométhane. La résine R0 de type polyimide qui peut être choisie pour la formation des éléments EO du premier ensemble et la résine R1 de type phénol-formaldéhyde qui peut être choisie pour la formation des éléments E1 du deuxième ensemble ne sont pas solubles dans ce type de troisième solvant S2. Selon une deuxième variante (non illustrée) envisageable de mise en œuvre du procédé de fabrication dont les principes généraux sont exposés précédemment, l'étape de retrait localisé de matière comprend une étape de gravure mécanique dans la première couche 20, mise en œuvre préalablement à la formation de la deuxième couche 30, la gravure mécanique étant réalisée au niveau de la face de la première couche 20 opposée au substrat 1 0 et uniquement dans les zones de la première couche 20 situées à l'aplomb des éléments E1 de deuxième résine R1 du deuxième ensemble. La présence du deuxième ensemble d'éléments E1 de résine R1 exactement dans les zones correspondant aux zones P1 d'isolation des cellules adjacentes au niveau de leurs électrodes en face arrière permet à la fois de diminuer localement l'épaisseur de la couche 20 de matériau destinée à constituer l'ensemble des électrodes arrière des cellules et de supprimer localement le contact entre cette couche et le substrat 1 0, ayant pour effet de faciliter la création de ces zones P1 d'isolation par une opération de gravure mécanique. Cela permet de fragiliser localement la couche 20, ayant pour effet de faciliter la création des zones P1 d'isolation par une opération de gravure mécanique. Selon un mode de réalisation particulier, l'étape de gravure mécanique de la première couche 20 réalisée avant la première étape de lift-off est suivie de la formation de la deuxième couche 30, puis d'une étape de création par gravure laser, mécanique ou chimique dans la deuxième couche 30 formée, de zones P2 destinées à l'interconnexion électrique entre une électrode avant d'une cellule donnée avec une électrode arrière d'une cellule adjacente, notamment sous la forme de deuxièmes tranchées rectilignes parallèles entre elles dont le fond débouche vers la première couche 20.
Le procédé de fabrication comprend ensuite de préférence une étape de formation de la troisième couche 60, au moins au niveau des zones P2 destinées à l'interconnexion électrique entre les électrode avant et arrière respectivement de deux cellules adjacentes, puis une étape de création par gravure laser, mécanique ou chimique dans la troisième couche 60 formée, de zones d'isolation P3 entre elles des électrodes avant des cellules adjacentes, notamment sous la forme de troisièmes tranchées rectilignes parallèles entre elles dont le fond débouche vers la première couche 20.
De manière très avantageuse pour des raisons de simplification et de coût, la deuxième résine R1 dans laquelle sont formés les éléments E1 du deuxième ensemble peut être identique à la première résine R0 dans laquelle sont formés les éléments E0 du premier ensemble. Cela permet à n'avoir à manipuler qu'un seul type de résine durant tout le procédé de fabrication.
Les zones P1 , P2, P3 évoquées précédemment, notamment qui se présentent sous la forme de tranchées, peuvent être indifféremment appelées « gravures » par abus de langage. Un exemple de mise en œuvre de la deuxième variante de procédé de fabrication est maintenant sommairement décrit. Un avantage de cette variante est de permettre de réduire le nombre de couples de résines et de solvants utilisés, pour des raisons de simplification, de coût et de diminution du risque de dissolution involontaire des résines.
Dans un premier temps, il est réalisé un motif d'impression selon la figure 2 sur un substrat 1 0 dans lequel les éléments EO et E1 sont formés dans une seule et même résine : les résines R0 et R1 sont identiques. Toutes les caractéristiques dimensionnelles des éléments EO et E1 et leur méthode de dépôt sont identiques à celles décrites précédemment.
Puis, la première couche 20 formant l'électrode en face arrière est obtenue pour obtenir une structure identique à celle de la figure 3, la résine R1 des éléments E1 étant identique à la résine R0 des éléments E0.
Ensuite, les zones d'isolation P1 en face arrière des cellules entre elles sont créées. Une gravure mécanique est réalisée dans la première couche 20 uniquement au niveau des éléments E1 . Les zones de la première couche 20 situées au-dessus des éléments P1 sont des zones fragilisées mécaniquement, et il a été constaté de manière inattendue et imprévisible qu'il était possible de la retirer par une opération de gravure mécanique. Des tests ont été réalisés à l'aide d'un outil de gravure automatisé connu sous la dénomination commerciale « S-200 » de la société Microtest® qui permet de faire, à l'aide d'une pointe, des gravures mécaniques bien contrôlées de manière automatisée. Une pointe de tungstène a été utilisée avec un angle d'inclinaison par rapport à l'échantillon compris entre 5 et 90°, et préférentiellement de 55°, une vitesse de gravure comprise entre 1 et 1 0 mm/s et préférentiellement de 5 mm/s, une force comprise entre 1 et 6 (unité de force arbitraire sur cet appareil), et préférentiellement de 5, un nombre de passage de la pointe compris entre 1 et 5, et préférentiellement de 1 . Le résultat d'une telle gravure mécanique d'une couche de Mo de 500 nm d'épaisseur sous laquelle les éléments E1 de résine R1 ont été préalablement déposés est très propre, ce qui est très difficile en l'absence de résine sous une telle couche.
Ensuite, les zones P2 et P3 sont avantageusement obtenues, même si cela n'est pas limitatif, par des techniques classiques de gravure mécanique, laser ou chimique. Puis, les trous 70 à travers l'empilement de couches minces 20 à 60 est obtenue comme précédemment via la première étape de lift-off, en immergeant le dispositif dans le premier solvant S0.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de fabrication d'un dispositif photovoltaïque, comprenant les étapes suivantes :
fourniture d'un substrat (10) transparent dans tout ou partie du spectre solaire,
formation, sur le substrat (10), d'un empilement de couches minces incluant une première couche (20) formant une électrode arrière, une deuxième couche (30) photo-absorbante dans le spectre solaire, une troisième couche (60) formant une électrode avant et une quatrième couche tampon (40) entre les deuxième et troisième couches, cet empilement constituant une pluralité de cellules photovoltaïques adjacentes entre elles sur le substrat (10),
- formation d'une pluralité de trous (70) au sein de chaque cellule et traversant chacun l'épaisseur des première, deuxième, troisième et quatrième couches (20, 30, 60, 40) pour déboucher vers le substrat (10), comprenant la mise en œuvre d'au moins une première étape de lift-off utilisant un premier ensemble d'éléments (E0) d'une première résine (R0) déposés sur le substrat (10) préalablement à la formation de ladite première couche (20),
mise en série électrique entre elles de tout ou partie desdites cellules adjacentes par interconnexion monolithique utilisant un deuxième ensemble d'éléments (E1 ) d'une deuxième résine (R1 ) déposés sur le substrat (10) préalablement à la formation de ladite première couche (20).
2. Procédé de fabrication selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les éléments (E0) du premier ensemble prennent chacun la forme d'un plot et sont répartis sur le substrat (10) à distance les uns des autres.
3. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les éléments (E1 ) du deuxième ensemble prennent chacun la forme d'une ligne droite et sont répartis sur le substrat (10) parallèlement les uns aux autres.
4. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que durant la mise en série par interconnexion monolithique, les éléments (E1 ) du deuxième ensemble sont utilisés pour créer des zones (P1 ) d'isolation entre elles des électrodes arrière des cellules adjacentes, notamment sous la forme de premières tranchées rectilignes parallèles entre elles dont le fond débouche vers le substrat (10).
5. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la première étape de lift-off comprend successivement une étape de dépôt sur le substrat (10) du premier ensemble d'éléments (E0) de première résine (R0), une étape de formation au moins des première, deuxième, troisième et quatrième couches (20, 30, 60, 40) et une première étape d'application d'un premier solvant sur l'empilement, le couple formé par la première résine et par le premier solvant étant choisi de sorte que ladite première étape d'application du premier solvant retire les éléments (E0) du premier ensemble et les zones des première, deuxième, troisième et quatrième couches (20, 30, 60, 40) uniquement situées au-dessus des éléments (E0) du premier ensemble du côté opposé au substrat (10).
6. Procédé de fabrication selon la revendication 5, caractérisé en ce que les éléments (E0) du premier ensemble sont déposés sur le substrat
(10) selon un pavage périodique aux sommets d'un motif de base ayant la forme d'un polygone tel qu'un carré ou un hexagone.
7. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la mise en série par interconnexion monolithique comprend une étape de dépôt du deuxième ensemble d'éléments (E1 ) de deuxième résine (R1 ) sur le substrat (10) et une étape de retrait localisé de matière de toute couche mince de l'empilement formée au- dessus des éléments (E1 ) du deuxième ensemble préalablement à la mise en œuvre de ladite étape de retrait, dans laquelle le retrait localisé de matière est réalisé uniquement dans les zones situées à l'aplomb des éléments (E1 ) du deuxième ensemble du côté opposé au substrat (10).
8. Procédé de fabrication selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'étape de dépôt du deuxième ensemble d'éléments (E1 ) de deuxième résine (R1 ) et l'étape de retrait localisé de matière constitue une deuxième étape de lift-off, notamment à travers la première couche (20).
9. Procédé de fabrication selon la revendication 8, caractérisé en ce que la deuxième étape de lift-off comprend une deuxième étape d'application d'un deuxième solvant sur la première couche (20), préalablement à la formation des deuxième, troisième et quatrième couches, le couple formé par la deuxième résine (R1 ) du deuxième ensemble d'éléments (E1 ) et par le deuxième solvant étant choisi de sorte que ladite deuxième étape d'application du deuxième solvant retire les éléments (E1 ) du deuxième ensemble et les zones de la première couche (20) uniquement situées au-dessus des éléments (E1 ) du deuxième ensemble du côté opposé au substrat (10).
10. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de formation de ladite deuxième couche (30), puis une étape de création, par l'intermédiaire d'une troisième étape de lift-off à travers la deuxième couche (30) formée, de zones (P2) destinées à l'interconnexion électrique entre une électrode avant d'une cellule donnée avec une électrode arrière d'une cellule adjacente, notamment sous la forme de deuxièmes tranchées rectilignes parallèles entre elles dont le fond débouche vers la première couche (20).
1 1 . Procédé de fabrication selon la revendication 10, caractérisé en ce que la troisième étape de lift-off comprend une étape de dépôt, préalablement à l'étape de formation de la deuxième couche (30), d'un troisième ensemble d'éléments (E2) d'une troisième résine (R2) sur la première couche (20), puis une troisième étape d'application d'un troisième solvant sur l'empilement de couches minces, préalablement à la formation de la troisième couche (60), le couple formé par la troisième résine (R2) et par le troisième solvant étant choisi de sorte que ladite troisième étape d'application du troisième solvant retire les éléments (E2) du troisième ensemble et les zones au moins des deuxième et quatrième couches (30, 40) uniquement situées au-dessus des éléments (E2) du troisième ensemble du côté opposé au substrat (10).
12. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 8 à 1 1 , caractérisé en ce qu'il comprend une étape de formation de ladite troisième couche (60), au moins au niveau des zones (P2) destinées à l'interconnexion électrique entre les électrode avant et arrière respectivement de deux cellules adjacentes, puis une étape de création par l'intermédiaire d'une quatrième étape de lift-off à travers la troisième couche (60) formée, de zones d'isolation (P3) entre elles des électrodes avant des cellules adjacentes, notamment sous la forme de troisièmes tranchées rectilignes parallèles entre elles dont le fond débouche vers la première couche (20).
1 3. Procédé de fabrication selon la revendication 1 2, caractérisé en ce que la quatrième étape de lift-off comprend une étape de dépôt, préalablement à l'étape de formation de la deuxième couche (30), d'un quatrième ensemble d'éléments (E3) d'une quatrième résine (R3) sur la première couche (20), puis une quatrième étape d'application d'un quatrième solvant sur la troisième couche (60) formée, le couple formé par la quatrième résine (R3) et par le quatrième solvant étant choisi de sorte que ladite quatrième étape d'application du quatrième solvant retire les éléments (E3) du quatrième ensemble et les zones au moins des deuxième, troisième et quatrième couches (30, 60, 40) uniquement situées au-dessus des éléments (E3) du quatrième ensemble du côté opposé au substrat (1 0).
14. Procédé de fabrication selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'étape de retrait localisé de matière comprend une étape de gravure mécanique dans la première couche (20), mise en œuvre préalablement à la formation de la deuxième couche (30), la gravure mécanique étant réalisée au niveau de la face de la première couche (20) opposée au substrat (1 0) et uniquement dans les zones de la première couche (20) situées à l'aplomb des éléments (E1 ) de deuxième résine (R1 ) du deuxième ensemble.
1 5. Procédé de fabrication selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'étape de gravure mécanique de la première couche (20) réalisée avant la première étape de lift-off est suivie de la formation de ladite deuxième couche (30), puis d'une étape de création par gravure laser, mécanique ou chimique dans la deuxième couche (30) formée, de zones (P2) destinées à l'interconnexion électrique entre une électrode avant d'une cellule donnée avec une électrode arrière d'une cellule adjacente, notamment sous la forme de deuxièmes tranchées rectilignes parallèles entre elles dont le fond débouche vers la première couche (20).
1 6. Procédé de fabrication selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de formation de ladite troisième couche (60), au moins au niveau des zones (P2) destinées à l'interconnexion électrique entre les électrode avant et arrière respectivement de deux cellules adjacentes, puis une étape de création par gravure laser, mécanique ou chimique dans la troisième couche (60) formée, de zones d'isolation (P3) entre elles des électrodes avant des cellules adjacentes, notamment sous la forme de troisièmes tranchées rectilignes parallèles entre elles dont le fond débouche vers la première couche (20).
17. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 14 à 1 6, caractérisé en ce que la deuxième résine (R1 ) dans laquelle sont formés les éléments (E1 ) du deuxième ensemble est identique à la première résine (R0) dans laquelle sont formés les éléments (E0) du premier ensemble.
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