FR3043252B1 - Procede de fabrication d’un substrat composite - Google Patents

Abstract

Le procédé comprend les étapes suivantes : a) Fournir des briques (1) destinées à être assemblées pour former au moins un assemblage, les briques (1) comportant des surfaces d'assemblage, b) Former des couches d'isolation électrique (3) de sorte à recouvrir les surfaces d'assemblage des briques (1), c) Former une couche de conduction électrique (4) entre les couches d'isolation électrique (3) de sorte à assembler des briques (1) voisines selon un plan d'assemblage et à former au moins un assemblage (5), d) Soumettre l'au moins un assemblage (5) à un traitement thermique, et e) Découper l'au moins un assemblage (5) selon un plan perpendiculaire au plan d'assemblage, l'au moins un assemblage (5) découpé formant un pavage de briques (1) découpées. L'invention concerne également un substrat composite obtenu par ledit procédé.

Description

La présente invention concerne le domaine des substrats composites notamment destinés à la fabrication de cellules et de modules photovoltaïques pour panneaux solaires, ainsi qu'à la fabrication de matrices de LED. L'invention concerne en particulier un procédé de fabrication d'un substrat composite et ledit substrat composite obtenu par ce procédé.

Les architectures actuelles des cellules et modules photovoltaïques réalisées à partir du silicium présentent deux inconvénients majeurs :

La délivrance d'une tension continue (DC) de trop faible valeur (<60 V) pour être distribuée directement sur le réseau. Il est donc indispensable d'ajouter un onduleur complexe pour amplifier cette tension et convertir le courant en courant alternatif.

Les cellules sont interconnectées en série par soudure ou collage de rubans métalliques disposés alternativement au-dessus puis au-dessous de cellules successives. Des contraintes mécaniques sont ainsi générées sur les bords de ces dernières et favorisent l'endommagement, voire la casse des cellules. De plus, cette interconnexion implique de respecter une distance minimale entre deux cellules successives pour que le ruban puisse être correctement placé de l'avant d'une cellule à l'arrière de la suivante. Il s'ensuit des pertes en surface active et donc des pertes de puissance.

Une alternative proposée aujourd'hui à ces modules photovoltaïques standards est la réalisation de modules photovoltaïques à haute tension (HT). Dans ce cas, une partie du premier inconvénient précité est adressé tout en réduisant les pertes résistives. L'intensité du courant généré est diminuée du fait que les cellules d'un module à haute tension présentent une surface plus petite que pour les modules classiques, elles sont donc plus nombreuses.

Toutefois le second inconvénient précité prend encore plus de poids car il est nécessaire de connecter un plus grand nombre de cellules pour une même surface de sorte que le risque de casse augmente. Par ailleurs, l'espacement entre les cellules plus nombreuses couvre au total une plus grande surface dans le module final par rapport à un module classique.

La présente invention vise ainsi à pallier au moins ces deux inconvénients. A cet effet, l'invention propose un procédé de fabrication d'un substrat composite destiné à des applications dans le domaine photovoltaïque ou optoélectronique, le procédé comprenant les étapes suivantes : a) Fournir des briques destinées à être assemblées pour former au moins un assemblage, les briques comportant des surfaces d'assemblage, b) Former des couches d'isolation électrique de sorte à recouvrir les surfaces d'assemblage des briques, c) Former une couche de conduction électrique entre les couches d'isolation électrique recouvrant des surfaces d'assemblage de sorte à assembler des briques voisines, selon un plan d'assemblage, et à former au moins un assemblage, d) Soumettre l'au moins un assemblage à un traitement thermique, et e) Découper l'au moins un assemblage selon un plan perpendiculaire au plan d'assemblage, l'au moins un assemblage découpé formant un pavage de briques découpées.

Ainsi, ce procédé conduit en peu d'étapes à l'obtention d'un substrat composite adapté à la fabrication de composants électroniques reliés en série, le substrat composite étant constitué par le résultat de la découpe d'une pluralité de briques (communément appelées « slab » dans la terminologie anglo-saxonne), assemblées par une couche de conduction électrique de sorte à former au moins un assemblage, les briques étant électriquement isolées les unes des autres par deux couches d'isolation électrique entre lesquelles la couche de conduction est disposée.

Après la découpe selon l'étape e), les briques forment des pavés assemblés par l'intermédiaire de la couche de conduction électrique et l'assemblage des briques découpé devient un pavage, formé de pavés assemblés.

Il est entendu dans le présent document que le plan d'assemblage des briques est un plan parallèle aux plans définis par les surfaces d'assemblage desdites briques.

Le substrat composite, tel que défini, peut ainsi être utilisé comme précurseur dans la fabrication de cellules et d'assemblages de cellules photovoltaïques, capables de délivrer de la haute tension à partir de la mise en série des pavés par l'intermédiaire de la couche de conduction électrique. Une partie de l'interconnexion est avantageusement obtenue par le procédé de fabrication du substrat composite lui-même, en utilisant la couche de conduction qui joue également le rôle d'une couche d'assemblage entres les pavés destinés à former les cellules PV. Dans ce procédé, l'étape de soudure classique entre les cellules est évitée de sorte que les risques de casse et d'endommagement des cellules est réduit. De plus, l'espace perdu pour la connexion entre les cellules n'est limité que par l'épaisseur de la couche de conduction électrique et des couches d'isolation et non par l'espace nécessaire pour déposer un ruban conducteur entre des cellules voisines.

Par ailleurs, ce procédé permet la fabrication de modules photovoltaïques (PV) de la taille désirée en variant le nombre de pavé ou cellules mises en série ainsi que leur dimension (standard 156x156mm2 ou autre). En effet, les briques, dont sont issue les cellules, sont obtenues par découpe, aux dimensions souhaitées, de blocs ou lingots disponibles dans le commerce. Ainsi, une fois que les briques aux dimensions souhaitées sont assemblées puis découpées, un pavage, de la dimension du module PV souhaitée, est obtenu.

Ainsi, l'ensemble de ces pavés, ou autrement dit ce pavage, permet de fournir de la haute tension avec un taux de couverture de surface plus élevé qu'un module classique du fait que peu de surface active est perdue et que l'interconnexion est aisément réalisée par l'intermédiaire de la couche de conduction électrique entre les pavés.

De préférence, l'étape a) comprend la fourniture de briques en matériau semi-conducteur, en général cristallin, dopé de type p et/ou dopé de type n, le matériau semi-conducteur étant choisi parmi des alliages à base de GaN et des éléments ou d'alliages d'éléments de la colonne IV, et de préférence le matériau semi-conducteur est du silicium et en général du silicium cristallin. Le substrat composite est ainsi formé de matériaux particulièrement adaptés pour des applications dans le domaine photovoltaïque, de la microélectronique comme de l'optoélectronique.

Les briques sont par exemple obtenues par découpe de lingots ou à partir blocs de matériau, communément appelés 'bulk'. La découpe est réalisée de sorte à obtenir une épaisseur de briques suffisante pour obtenir les rendements optimums selon les applications visées. Elle est généralement comprise entre 100 et 800 micromètres.

Avantageusement, les couches d'isolation électrique sont formées l'étape b) à partir d'oxyde de silicium, tels que le SiOx ou le SiO2, ou à partir d'une poudre d'oxyde de TiO2, d'AI2O3, de ZnO, de SiO2, d'un mélange de ces poudres d'oxyde, ou d'un mélange de ces poudres d'oxyde avec au moins un liant organique et /ou inorganique.

Les couches d'isolation électrique entre deux briques peuvent être de natures différentes, notamment s'il est nécessaire de passiver des états de surface de l'une des briques.

La formation de la couche d'isolation électrique d'oxyde de silicium SiO2 est classiquement déposée par PECVD (acronyme anglais de Plasma Enhanced Chemical Vapor Déposition) sur une épaisseur permettant d'assurer l'isolation électrique de la couche de conduction, une fois le substrat composite formé. L'épaisseur est ainsi de quelques dizaines de nanomètres à quelques micromètres et de préférence l'épaisseur est comprise dans une plage allant de 10 nm à 5 micromètres.

La couche d'isolation électrique en SiOx est obtenue par oxydation thermique de la brique en silicium par recuit dans un four jusqu'à atteindre une épaisseur de quelques micromètres et de préférence une épaisseur comprise dans une plage allant de 10 nm à 500 nm.

Lors de l'utilisation d'une poudre d'oxyde de TiO2, d'AI2O3, de ZnO, de SiO2 ou d'un mélange de ces poudres, une étape de frittage est nécessaire afin de fondre l'enveloppe externe des billes (formant la poudre) et assurer le collage et la cohésion des billes entre elles. Cette étape de frittage comprend typiquement un recuit de 30 à 300 minutes effectué sur une plage de températures allant de 700 à 1200 °C, associé à l'application d'une pression exercée suivant une direction perpendiculaire au plan d'assemblage. L'utilisation d'un liant organique et /ou inorganique mélangé à ces poudres permet avantageusement de réduire la température du recuit de l'étape de frittage et une très bonne adhésion mécanique entre les briques de silicium. L'épaisseur finale d'une couche d'isolation électrique formée par cette méthode varie entre 20 nm et 200 micromètres environ.

Il est entendu dans le présent document que l'épaisseur des couches d'isolation électrique varie selon les matériaux utilisés de sorte à toujours présenter les propriétés d'isolation nécessaire pour isoler les deux briques entre elles et les isoler de la couche de conduction. L'étape d) du procédé permet avantageusement de réaliser le recuit des poudres d'oxydes mélangées ou non avec des liants. Lorsqu'il est associé avec l'application d'une pression, l'étape de frittage est obtenue.

Selon un mode de réalisation, l'étape c) du procédé selon l'invention comprend : - la formation d'une couche de silicium directement sur les couches d'isolation électrique en oxyde de silicium formées à l'étape b) et recouvrant les surfaces d'assemblage des briques, et - la formation d'une couche métallique directement sur chacune des couches de silicium, le métal étant notamment choisi pour former un eutectique avec le silicium, tel que l'aluminium, l'argent, l'or, du platine, du baryum, du cuivre ou un alliage de ces métaux, et - la mise en contact des couches métalliques deux à deux, de sorte à obtenir la couche de conduction électrique entre les couches d'isolation électrique et à assembler les briques. L'avantage de l'utilisation d'un métal et notamment d'un métal à bas point de fusion, tel que l'aluminium, pour former la couche de conduction électrique réside en ce que le traitement thermique appliqué à l'étape d) permet de liquéfier au moins en partie les couches métalliques en contact de sorte à homogénéiser la couche de conduction électrique et à assurer un très bon collage entre les briques. Par ailleurs, le traitement thermique garantit la diffusion du silicium adjacent dans la phase d'aluminium liquide ce qui permet, après refroidissement, la formation d'un alliage Al-Si dont la composition est proche de celle de l'eutectique lorsque le traitement thermique appliqué atteint 650°C. De plus, les couches d'isolation électrique déposées en amont sur les briques de silicium forment une barrière efficace à la diffusion du métal vers les briques de sorte que l'isolation électrique entre les briques est bien maintenue.

Un autre avantage à la présence des couches d'isolation électrique réside en ce qu'elles ont le rôle de couches barrières à la diffusion des impuretés du métal vers les briques, qui pourrait avoir des effets néfastes sur les performances des cellules.

Dans ce mode de réalisation, le matériau des couches d'isolation électrique peut être de toutes les natures susmentionnées, à savoir un oxyde de silicium déposé, thermique, sous forme de poudre et poudres d'oxyde.

La couche métallique est avantageusement formée par pulvérisation ou par évaporation ou par sérigraphie pleine plaque d'une pâte conductrice dont l'élément conducteur forme un eutectique avec le silicium.

Bien entendu, la nature du métal desdites couches métalliques est choisie de sorte que le collage résultant de la mise en contact et du recuit résiste aux températures appliquées dans la suite du procédé, notamment dans le cas de la fabrication de cellules photovoltaïques à homojonction ou hétérojonction.

La nature du métal présent dans la couche métallique est également choisie pour que la couche métallique présente une résistivité électrique inférieure ou égale à 10’4 ohm.cm.

De préférence, le traitement thermique de l'étape d) est réalisé à une température comprise entre la température de formation d'un eutectique entre le silicium et ledit métal et 900°C.

Ces conditions sont en effet favorables à l'obtention de la diffusion du silicium dans le métal de sorte à obtenir après refroidissement, un assemblage de briques collées entre elles par l'intermédiaire d'un empilement formé d'une couche d'isolation électrique, par exemple d'oxyde thermique SiOx, d'une couche résiduelle de silicium, d'une couche d'un alliage Si-métal, d'une couche résiduelle de métal, d'une couche de l'alliage Si-métal, d'une couche résiduelle de silicium et d'une couche d'isolation électrique de SiOx.

Selon une variante de réalisation, l'étape c) comprend la disposition d'au moins un élément métallique, tel qu'un insert de Al, Ar, Au, Zn, Cu, Pt ou de Ba, de sorte à former la couche de conduction électrique entre les couches d'isolation électrique. L'élément métallique peut prendre une multitude de formes, telle qu'une plaque métallique perforée, dans laquelle au moins un orifice traversant a été ménagé, une pluralité de fils ou de lames de métal, motifs formés par sérigraphie par l'intermédiaire d'un masque mécanique, dans la mesure où des régions de la couche d'isolation électrique sur laquelle l'élément métallique est disposé ne sont pas recouvertes. La mise en contact de ces régions avec la deuxième couche d'isolation électrique permettent d'assembler les briques à l'étape c) du procédé.

Il est entendu dans le présent document que la couche de conduction électrique discontinue doit tout de même offrir une continuité dans au moins une direction de sorte à ce que le courant puisse être collecté.

Ainsi la couche de conduction électrique est continue ou discontinue selon les modes de réalisation considérés et pour les besoins des applications futures.

La disposition d'au moins un élément métallique est notamment choisie dans le cas où les couches d'isolation électrique sont formées par au moins une poudre d'oxyde qui sera frittée, de sorte à obtenir une bonne conduction électrique. Bien entendu, l'utilisation des éléments métalliques peut être combinée avec des couches d'isolation électrique formées par du SiO2 thermique ou du SiO2 déposés. Cette configuration permet de combiner les avantages d'une bonne conduction électrique et d'une bonne adhésion mécanique du matériau isolant électrique.

Selon encore une autre variante, l'étape c) de formation de la couche de conduction électrique comprend un dépôt par sérigraphie d'une couche de pâte conductrice sur au moins une des couches d'isolation électriques formées à l'étape b).

La couche de pâte conductrice sérigraphiée présente une épaisseur comprise entre 20 et 500 micromètres et de préférence environ 100 micromètres.

Cette couche est déposée sous forme de motifs, notamment si l'élément conducteur de la pâte conductrice ne forme pas d'eutectique avec le silicium.

La pâte conductrice est constituée, par exemple, d'un mélange assez visqueux d'une matrice, telle que de la fritte de verre, et de billettes de métal, tel que des billettes d'aluminium.

Dans ce cas, l'étape d) est réalisée à une température allant de 300 à 900°C et de préférence environ 500°C de sorte à recuire ou activer la pâte conductrice sérigraphiée, ce qui augmente le caractère conducteur de la pâte conductrice et augmente l'efficacité du collage entre les couches d'isolation électrique formant l'assemblage entre les briques.

Ainsi, quel que soit le mode de réalisation utilisé, l'étape d) d'application d'un traitement thermique participe d'une façon générale, au renforcement de l'énergie de collage entre les briques. Ce collage est notamment adapté pour résister aux températures appliquées pour la fabrication de composants électroniques, tel que des cellules homojonction ou hétérojonction.

De préférence, le procédé comprend après l'étape e), une étape f) de formation d'éléments de protection des surfaces exposées de la couche de conduction électrique et des couches d'isolation électrique du substrat composite. Ces éléments de protection en matériau isolant sont en effet destinés à limiter les risques de court-circuit entre deux briques voisines assemblées. Les surfaces exposées sur lesquelles les éléments de protection sont formées peuvent être considérées comme des tranches exposées desdites couches du substrat composite, provenant de la découpe de l'assemblage.

Ces éléments de protection servent également à protéger les couches d'isolation et de conduction électrique lors des traitements chimiques réalisés dans la suite du procédé pour la fabrication de composants microélectroniques.

Ces éléments de protection sont formés à partir de matériaux isolants tels que l'oxyde de silicium, l'alumine AI2O3, ΓΑΙΝ, le SiN, la résine... Ces éléments de protection sont principalement obtenus par un dépôt par PECVD, ALD (acronyme anglais pour Atomic Layer Depostion), par impression d'une résine par sérigraphie, telle qu'un polymère à base d'époxy, ou par pulvérisation à travers les ouvertures d'un masque mécanique.

La résine est principalement utilisée dans le cas où il est prévu de retirer les éléments de protection ultérieurement, ou si les traitements thermiques ultérieurs sont réalisés à des températures peu élevées.

Ces éléments de protection présentent une largeur d'environ plusieurs dizaines de micromètre et une épaisseur comprise entre 1 nm et 10 micromètres et en moyenne une épaisseur de quelques centaines de nanomètres selon la technique de dépôt utilisée. Ces éléments de protection permettent d'isoler les couches d'isolation et les couches de conduction électrique de l'interface d'assemblage entre les pavés ainsi que de protéger ces couches contre les attaques de réactifs acides et basiques utilisés lors de la fabrication des composants tels que des cellules photovoltaïques.

Avantageusement, le procédé comprend après l'étape f) une étape h) de sérigraphie de contacts métalliques configurés pour assurer la conduction d'un courant électrique, par l'intermédiaire de la couche de conduction électrique, entre deux briques assemblées puis découpées à l'étape e), lesdites briques découpées formant deux pavés collés.

Selon une possibilité, une étape g) est réalisée entre l'étape f) et l'étape h) comprenant le retrait d'une portion des éléments de protection de sorte à découvrir la surface de la couche de conduction électrique sous-jacente. Les contacts métalliques sont ensuite facilement formés sur la surface découverte de la couche de conduction électrique.

Le retrait d'une portion des éléments de protection selon l'étape g) est avantageusement effectué par ablation laser.

En variante, la nature de la pâte déposée par sérigraphie et la température de dépôt utilisée sont configurées pour une consommation ciblée d'une portion des éléments de protection, de sorte que les contacts sont formés sans nécessiter d'étape distincte de retrait des portions des éléments de protection.

Il est entendu dans le présent document qu'en vue de la fabrication de cellule photovoltaïque, le procédé peut comprendre avant l'étape h), la formation d'une couche de matériau semiconducteur dopé n et d'une couche de matériau semiconducteur dopé p respectivement de part et d'autre des faces du substrat composite et d'une couche antireflet sur la face destinée à recevoir le rayonnement lumineux.

De façon avantageuse, le procédé comprend avant l'étape d) une étape i) de collage d'au moins deux assemblages. Ainsi le substrat composite est formé d'au moins deux assemblages collés, adaptés à la formation de modules pour des applications photovoltaïques.

Le traitement thermique de l'étape d) est alors utile pour renforcer l'énergie de collage de l'assemblage des briques et également du collage des assemblages entre eux.

Plus précisément, l'étape i) comprend : - une étape j) de fourniture d'au moins deux assemblages comprenant des faces d'assemblage, - une étape k) de formation de couches d'isolation électrique, de sorte à recouvrir les faces d'assemblage, et - une étape I) de formation d'une couche de conduction électrique entre deux couches d'isolation électrique recouvrant les faces d'assemblage de sorte à coller les au moins deux assemblages.

Selon une possibilité, les couches d'isolation électrique recouvrant les faces d'assemblage présentent une intersection avec les couches de conduction électrique assemblant deux briques voisines.

Ainsi, les couches de conduction électrique entre deux assemblages sont isolées des couches de conduction électrique entre les briques par la présence des couches d'isolation électrique reliant deux assemblages.

Selon un second aspect, la présente invention propose un substrat composite, destiné à des applications dans le domaine photovoltaïque, comportant : -des pavés comprenant chacun des surfaces d'assemblage, les pavés étant assemblés par l'intermédiaire des surfaces d'assemblage de sorte à former au moins un pavage, -une couche d'isolation électrique recouvrant une surface d'assemblage des pavés, et -une couche de conduction électrique entre les couches d'isolation électrique des pavés assemblés, la couche de conduction électrique étant électriquement isolée par les couches d'isolation.

Il est entendu dans le présent document que l'au moins un pavage est le résultat de la découpe d'un assemblage de briques assemblées, selon un plan perpendiculaire au plan d'assemblage des briques, chaque brique devenant une unité de pavage après avoir été découpée, autrement dit un pavé.

De préférence, les pavés sont en un silicium dopé de type p et/ou dopé de type n. Ainsi, le pavage peut être constitué, de pavés successifs de silicium de type p ou de type n, ou d'une alternance de pavés de type n et de type p.

Selon une disposition, les couches d'isolation électrique sont en oxyde de silicium et les couches de conduction électriques comprennent de l'aluminium. Une très bonne conduction électrique verticale est ainsi obtenue entre les pavés.

Avantageusement, le substrat composite comprend au moins deux pavages collés latéralement entre eux par l'intermédiaire d'une couche de conduction électrique, électriquement isolée entre deux couches d'isolation électrique recouvrant les côtés latéraux collés des au moins deux pavages. Ainsi, la couche de conduction électrique remplit deux fonctions, celle d'assurer l'assemblage/collage entre respectivement les pavés et les pavages, résistant à la température, et celle d'assurer une interconnexion électrique entre les pavés et entre les pavages. D'une façon générale, la nature des matériaux et les épaisseurs des couches d'isolation électrique sont choisies en fonction du matériau des pavés, de la nature de la couche de conduction et des températures qui seront appliquées par la suite, de sorte à former une barrière à la diffusion des éléments constituant la couche de conduction vers les pavés. Ainsi, les propriétés de ces derniers ne sont pas altérées.

De préférence, le substrat composite comprend des contacts métalliques configurés pour assurer la conduction du courant électrique entre les pavés et entre les aux moins deux pavages collés par l'intermédiaire des couches de conduction électrique. Chacun des pavés peut ainsi être utilisé comme élément actif dans un composant électronique, tel qu'une cellule photovoltaïque.

Lorsque les pavés sont formés d'un alliage à base de GaN, ces pavages sont judicieusement utilisés pour former des matrices pour LED.

Selon un troisième aspect, l'invention concerne un module photovoltaïque comprenant au moins un substrat composite tel que précédemment décrit. D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description suivante de trois modes de réalisation de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés. Les figures ne respectent pas nécessairement l'échelle de tous les éléments représentés de sorte à améliorer leur lisibilité. Dans la suite de la description, par souci de simplification, des éléments identiques, similaires ou équivalents des différentes formes de réalisation portent les mêmes références numériques. - Les figures 1 à 9 illustrent schématiquement un premier mode de réalisation du procédé selon l'invention. - Les figures 10 à 11 illustrent schématiquement un deuxième mode de réalisation du procédé selon l'invention. - Les figures 12 à 15 illustrent schématiquement un troisième mode de réalisation du procédé selon l'invention. - Les figures 16 et 17 illustrent schématiquement une vue du dessus de deux exemples d'une cellule photovoltaïque.

La figure 1 illustre une vue de face de deux briques 1 (ou slab) de silicium présentant une épaisseur de 78 mm et des dimensions latérales de 156 mm x 156 mm, fournies selon l'étape a) du procédé. Ces briques 1 de silicium sont initialement obtenues par des étapes préalables de découpe de lingots de silicium (générés de manière conventionnelle), dopées de type p avec un taux de dopage au bore de 1015 atomes.cm’3. Une fois le lingot taillé aux dimensions souhaitées pour former des briques 1 brutes, ces dernières sont gravées par une solution basique pour retirer les zones de silicium écrouies à l'étape de découpe. Les surfaces d'assemblage 2 des briques 1 présentent alors la planéité et la rugosité nécessaires à leur assemblage ultérieur, par exemple une rugosité inférieure à 10 pm et de préférence de 2 pm. Conformément à l'étape b) du procédé, les briques 1 sont ensuite disposées dans un four d'oxydation thermique pour l'application d'un traitement thermique à 850°C pendant une durée de 30 min. Ces conditions permettent la formation d'une couche d'oxyde de silicium SiOx, de quelques nanomètres d'épaisseur sur les briques 1, formant les couches d'isolation électrique 3 recouvrant les surfaces d'assemblage 2.

Selon une variante, les couches d'isolation électrique 3 peuvent être formées d'autres matériaux isolants, tels que l'oxyde de silicium SiO2 déposé, une poudre d'oxyde à base de TiO2, d'AI2O3, de ZnO, de SiO2 en poudre, d'un mélange de ces poudres d'oxyde, ou d'un mélange de ces poudres d'oxyde avec au moins un liant organique et /ou inorganique. La présence des liants permet d'abaisser la température nécessaire au frittage des poudres.

Puis une couche de silicium 6 de quelques micromètres d'épaisseur est formée sur chaque couche d'isolation électrique 3 par évaporation suivi d'une couche métallique 7 en aluminium formée avec la même technique sur une épaisseur similaire.

En variante, selon les applications futures souhaitées et les températures de traitement thermique associées, le métal de la couche métallique 7 est choisi parmi l'aluminium, l'argent, l'or, le platine, le baryum, le cuivre ou un alliage de ces métaux permettant d'atteindre un eutectique avec le silicium.

Ensuite, les surfaces d'assemblage 2 des deux briques 1 sont placées en regard pour une mise en contact selon l'étape c) du procédé et l'obtention d'un assemblage 5 des deux briques 1 (figure 2). L'assemblage 5 est alors soumis à un traitement thermique communément appelé « recuit de collage » selon l'étape d). Ce traitement est réalisé à 650°C pendant 30 minutes dans une étuve sous pression atmosphérique de sorte à liquéfier la couche d'aluminium 7, favoriser la diffusion du silicium dans l'aluminium de sorte à obtenir une couche d'alliage Al-Si proche de la composition de l'eutectique après refroidissement (eutectique :12.6% poids de silicium à 577°C).

Selon le métal utilisé dans la couche métallique 7, les conditions du traitement thermique varie entre la température de l'eutectique du silicium avec le métal correspondant et 700°C.

Comme illustré à la figure 3, à l'interface d'assemblage des deux briques 1 comprend une couche de conduction électrique 4 comportant une couche d'aluminium résultant de l'assemblage des deux couches d'aluminium 7 formées initialement par évaporation. Cette couche d'aluminium est encadrée de part et d'autre d'une couche d'un alliage Al-Si. L'ensemble des couches d'aluminium 7 et des couches d'un alliage Al-Si forme la couche de conduction électrique 4, par ailleurs encadrée d'une couche d'isolation électrique 3 de SiOx. Cette couche d'isolation électrique 3 est par ailleurs configurée pour former une barrière à la diffusion de l'aluminium vers les briques 1 et pour garantir une bonne isolation électrique entre les deux briques 1 assemblées. Cette couche d'isolation électrique 3 est également configurée pour isoler électriquement la couche de conduction 4 et les deux briques 1 l'une de l'autre. Lorsqu'elle est formée par du SiO2, l'épaisseur nécessaire de la couche d'isolation électrique 3 est d'environ 15 nm. En cas de poudre d'oxyde, l'épaisseur la couche d'isolation électrique 3 après frittage est comprise entre environ 20 nm et 200 micromètres.

Comme illustré aux figures 3 et 4, l'assemblage 5 des deux briques 1 est ensuite découpé selon un plan perpendiculaire au plan d'assemblage des briques 1, c'est-à-dire selon un plan vertical au regard des figures 3 et 4, conformément à l'étape e) du procédé. La découpe, illustrée figure 3 par des traits pointillés, est réalisée par toute méthode classique connue de l'homme du métier tel qu'une découpe par scie à bande, fil avec inserts de diamant ou utilisant des grains de SiC comme abrasif, de sorte former un pavage 8, avec une épaisseur choisie selon la cellule souhaitée et qui peut être comprise entre 100 à 800 micromètres, typiquement d'environ 200 micromètres, formé par l'assemblage de deux pavés 9 provenant des deux briques 1 découpées.

Le substrat composite 100 ainsi formé de briques 1 assemblées puis découpées est assimilé à un pavage 8 constitué de deux pavés 9 reliés entre eux par l'intermédiaire d'une couche de conduction électrique 4, isolée entre deux couches d'isolation électrique 3. La figure 5 illustre une vue en perspective du substrat composite 100, tournée selon un angle de 90° par rapport à la vue de la figure 4. Selon cette vue, le plan d'assemblage des briques 1 est un plan horizontal.

Selon une variante, plus de deux briques 1 peuvent être assemblées en utilisant la méthode citée ci-dessus pour l'obtention d'un pavage 8 constitué de 3, 4 ou plus de pavés 9 assemblés (figure 16 et 17).

Bien entendu, la présente invention propose également le collage entre plusieurs assemblages comprenant chacun plusieurs briques, suivi de la découpe en vue de former un module PV (figure 17). Selon une possibilité, le procédé comprend la fourniture de trois assemblages 5 de briques 1 formés à l'étape c du procédé, chacun des trois assemblages présentant des faces d'assemblage 11 (étape j)-. Une couche d'isolation électrique 3 du même type que celle formée sur les surfaces d'assemblage 2 des briques 1 est formée sur les faces d'assemblage 11 selon l'étape k. Puis une couche de conduction électrique 4 (étape I) du même type que précédemment décrit pour l'assemblage 5 des briques 1, est formée entre deux couches d'isolation électrique 3 de sorte à coller les trois assemblages 5 deux à deux. Grâce à ce procédé, les couches de conduction électrique 3 entre les trois assemblages 5 sont électriquement isolées des couches de conduction électrique 4 reliant les briques 1 d'un même assemblage 5.

Après recuit selon l'étape d) du procédé, les assemblages 5 collés sont découpés selon l'étape e) du procédé de sorte à obtenir le substrat composite 100 comprenant le résultat de la découpe de trois assemblages 5 collés entre eux deux à deux comportant chacun trois briques 1 de silicium, soit un substrat composite 100 comportant trois pavages 8 collés deux à deux, chacun des pavages 8 comportant trois pavés 9 de silicium assemblés, tel qu'illustré à la figure 17.

Les figures 6 à 9 illustrent des étapes de fonctionnalisation du substrat composite 100, notamment en vue de la fabrication de modules photovoltaïques à haute tension à partir d'un pavage 8 comprenant deux pavés 9 de silicium assemblés mesurant 78 mm de large et 156 mm de long, tel qu'illustré à la figure 5.

Des éléments de protection 12 des surfaces exposées de l'interface d'assemblage entre les deux pavés 9 sont formés de part et d'autre de la couche de conduction électrique 4. Ces éléments 12 sont formés par dépôt CVD d'un matériau isolant électrique au travers des ouvertures d'un masque mécanique (étape f, figure 6). Selon une alternative, les éléments de protection 12 sont déposés par sérigraphie d'une résine ou d'une pâte isolante. Une couche de silicium 10 dopée n est formée par dopage des pavés sur environ 500 nm de profondeur à partir de l'une des surfaces du pavage 8, destinée à recevoir la lumière, suivi d'une couche de silicium 10' dopée p formée sur la face opposée puis d'une couche antireflet 16 (ARC pour Anti Réflective Coat) sur la couche dopée n 10 et/ou sur la couche dopée p 10'. Puis, comme illustré à la figure 7, une portion de chacun des éléments de protection 12 est retirée, par exemple par ablation laser, de sorte à découvrir la couche de conduction électrique 4 sous-jacente (étape g). Des contacts métalliques 13 (Al et Ag) sont ensuite sérigraphiés à l'emplacement des portions retirées, de sorte à assurer la conduction électrique, illustrée schématiquement par la flèche sur la figure 9, entre deux pavés 9 par l'intermédiaire de la couche de conduction électrique 4 (étape h). Bien entendu, d'autres méthodes de formation des contacts classiques et connues de l'homme du métier peuvent être utilisées.

Il est ainsi obtenu une cellule photovoltaïque (PV) d'une taille d'environ 156x156mm2 comprenant deux pavés 9 assemblés, ou deux cellules en silicium homojonction de type p, électriquement reliées en série. Grâce au procédé de la présente invention, la mise en série des pavés 9 ou cellules PV est effectuée par des plots 13 d'argent et d'aluminium, connectés entre eux par l'intermédiaire de la couche de conduction 4 en aluminium, également utilisée pour l'assemblage et le collage respectivement entre les pavés 9 et les pavages 8. Ainsi, l'interconnexion classique par soudure générant de la casse et limitant la surface active est évitée. L'assemblage entre les briques 1 et le collage entre les assemblages 5 sont configurés pour résister aux traitements thermiques utilisés dans la fabrication des cellules PV homo-jonction (850°C) comme hétérojonction (230°C) grâce à la nature des matériaux utilisés pour former les couches d'isolation électrique 3 et la formation de la couche de conduction électrique 4 de collage et/ou assemblage, de leur mode de dépôt, et du traitement thermique appliqué à l'étape d).

Bien entendu, le même procédé s'applique pour la mise en série de plus de deux cellules PV dans un même pavage 8 et de la mise en série de plusieurs cellules PV (par collage de plusieurs pavages 8) pour fabriquer des panneaux PV. La configuration du pavage 8 est adaptable en fonction du nombre de cellules souhaitées par exemple 1x4 (illustré figure 16), 2x2, 3x3 (illustré figure 17), etc.

Ainsi, le nombre de cellules formées dans un seul substrat composite 100 n'est pas limité et peut varier en fonction des applications désirées.

Lorsqu'un panneau PV classique comportant entre 60 et 72 cellules classiques de 156x156mm2 mises en série, la tension de circuit-ouvert est comprise entre 30 et 50V. Si chacune des cellules classiques est remplacée par un substrat composite 100 comprenant 4 cellules en série selon la présente invention, pour une surface de panneau PV similaire, la tension de circuit-ouvert obtenue est comprise entre 120 et 200V. Il est alors possible de retirer un étage de conversion en haute tension de l'onduleur et réduire les coûts du système.

Pour des applications nomades qui nécessitent souvent une tension inférieure à 12V, des pavages 8 plus compacts peuvent être fournis par comparaison à des pavages de cellules classiques.

Les figures 10 et 11 illustrent un deuxième mode de réalisation de l'invention qui diffère du précédent en ce que l'étape c) est réalisée par dépôt d'une couche de pâte conductrice 14 à base d'aluminium et d'une matrice de fritte de verre sur une couche d'isolation électrique 3 en oxyde de silicium pour former la couche de conduction électrique 4 présentant au final une épaisseur d'environ 100 micromètres.

Selon une variante, le métal contenu dans la pâte conductrice 14 peut être de l'argent ou du cuivre. Selon encore d'autres variantes, l'épaisseur de la couche de conduction électrique 4 peut varier entre 5 et 500 pm et de préférence comprise entre 10 et 100 micromètres.

Enfin, le traitement thermique selon l'étape d), servant à rigidifier la pâte conductrice 14 assurant l'adhésion mécanique de l'assemblage 5, est appliqué pendant 200 minutes à une température d'environ 700°C.

Selon la nature des matériaux utilisés en variante, la durée du traitement thermique peut varier entre 1 et 300 minutes et la température peut être comprise entre 200 à 900 °C.

Les figures 12 à 15 illustrent un troisième mode de réalisation qui diffère du premier mode de réalisation par la formation de la couche de conduction électrique 4. L'étape c) de formation de la couche de conduction est réalisée par l'insertion de plusieurs lames 15 d'aluminium (figure 12) entre les couches d'isolation électrique 3. Comme représenté aux figures 13 et 14 l'ensemble de ces lames 15 forment ainsi une couche de conduction 4 discontinue dans le pavage 8, et traversante en verticale à la jointure entre deux pavés 9, (visibles également sur la figure 15 qui est une vue en section transversale du pavage 8 selon le plan A de la figure 14, au niveau des contacts électriques 13). Des contacts électriques 13, illustrés par un schéma de principe (figures 14 et 15), sont formés à partir de ces lames 15 pour la conduction du courant dans les applications ultérieures. L'élément métallique 15 inséré peut prendre toute forme (fil, plaque perforée...) dans la mesure où il permet à terme la conduction électrique et la mise en série des cellules PV. La nature du métal de l'élément 15 inséré utilisé peut être choisi parmi l'Ar, Au, Zn, Cu, Pt ou le Ba ou autre dans la mesure où ce métal permet d'obtenir une bonne conduction électrique, entre les pavés 9 et les pavages 8, résistant aux traitements thermiques utilisés ultérieurement dans la fabrication des composants électroniques souhaités.

Selon les applications visées, d'autres matériaux semi-conducteurs peuvent être utilisés à la place des briques de silicium dans les modes de réalisation décrit ci-dessus, notamment des alliages à base de GaN et des éléments ou des alliages d'éléments de la colonne IV du tableau périodique.

Ainsi, le procédé de la présente invention permet de fabriquer des substrats composites 100 adaptés à la formation de cellules PV de taille désirée, délivrant de la haute tension, une partie de l'interconnexion étant réalisé au niveau du procédé de fabrication du substrat composite 100. Ce procédé permet de réaliser des cellules mono ou bifaciales. L'étape de mise des cellules en module représentant environ 40% du coût total d'une installation PV (hors câblage), cette innovation garantit une amélioration significative du ratio coût/performance des cellules tout en permettant de travailler en haute-tension directement en sortie.

Il va de soi que l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus à titre d'exemples mais qu'elle comprend tous les équivalents techniques et les variantes des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons.

Claims (15)

1. REVENDICATIONS

   1. Procédé de fabrication d'un substrat composite (100) destiné à des applications dans le domaine photovoltaïque ou optoélectronique, le procédé comprenant les étapes suivantes : a) Fournir des briques (1) destinées à être assemblées pour former au moins un assemblage, les briques (1) comportant des surfaces d'assemblage (2), b) Former des couches d'isolation électrique (3) de sorte à recouvrir les surfaces d'assemblage (2) des briques (1), c) Former une couche de conduction électrique (4) entre les couches d'isolation électrique (3) de sorte à assembler des briques (1) voisines, selon un plan d'assemblage, et à former au moins un assemblage (5), ladite couche de conduction électrique (4) présentant une résistivité électrique inférieure ou égale à 10' 4 ohm.cm, d) Soumettre l'au moins un assemblage (5) à un traitement thermique, et e) Découper l'au moins un assemblage (5) selon un plan perpendiculaire au plan d'assemblage, l'au moins un assemblage (5) découpé formant un pavage (8) de briques (1) découpées.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape a) comprend la fourniture de briques (1) en matériau semi-conducteur dopé de type p et/ou dopé de type n, le matériau semi-conducteur étant choisi parmi des alliages à base de GaN et des éléments ou d'alliages d'éléments de la colonne IV, et de préférence le matériau semiconducteur est un matériau cristallin et de préférence encore, le matériau semiconducteur est du silicium cristallin.
3. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel, à l'étape b), les couches d'isolation électrique (3) sont formées à partir d'oxyde de silicium, tels que le SiOx ou le SiO?., ou à partir d'une poudre d'oxyde de TiÛ2, d'AkOs, de ZnO, d'un mélange de ces poudres d'oxyde, ou d'un mélange de ces poudres d'oxyde avec au moins un liant organique et /ou inorganique.
4. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel l'étape c) comprend : - la formation d'une couche de silicium (6) sur les couches d'isolation électrique (3) en oxyde de silicium recouvrant les surfaces d'assemblage (2) des briques (1) formées à l'étape b), et - la formation d'une couche métallique (7) sur au moins une des couches de silicium, le métal étant notamment choisi pour former un eutectique avec le silicium, tel que l'aluminium, l'argent, l'or, du platine, du baryum, du cuivre ou un alliage de ces métaux, et - la mise en contact des couches métalliques (7) deux à deux, de sorte à obtenir la couche de conduction électrique (4) entre les couches d'isolation électrique (3) et à assembler les briques (1).
5. 5. Procédé selon la revendication 4, dans lequel le traitement thermique de l'étape d) est réalisé à une température comprise entre la température de formation d'un eutectique entre le silicium et ledit métal et 300°C.
6. 6. Procédé selon la revendication 3, dans lequel l’étape c) comprend la disposition d'au moins un élément métallique, tel qu'un insert de Al, Ar, Au, Zn, Cu, Pt ou de Ba, de sorte à former la couche de conduction électrique (4) entre les couches d'isolation électrique (3).
7. 7. Procédé selon la revendication 3, dans lequel l'étape c) de formation d'une couche de conduction électrique (4) comprend un dépôt par sérigraphie d'une couche de pâte conductrice (14) sur au moins une couche d'isolation électrique (3) formée à l'étape b).
8. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, comprenant après l'étape e), une étape f) de formation d'éléments de protection (12) des surfaces exposées de la couche de conduction électrique (4) et des couches d'isolation électrique (3) du substrat composite (100).
9. 9. Procédé selon la revendication 8, comprenant après l'étape f) une étape h) de sérigraphie de contacts métalliques (13) configurés pour assurer la conduction d'un courant électrique, par l'intermédiaire de la couche de conduction électrique (4), entre deux briques (1) assemblée puis découpées à l'étape e).
10. 10. Procédé selon Tune des revendications 1 à 9, comprenant avant l'étape d) une étape I) de collage d'au moins deux assemblages (5).
11. 11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel l'étape I) comprend : - une étape j) de fourniture d'au moins deux assemblages (5) comprenant des faces d'assemblage (11), - une étape k) de formation de couches d'isolation électrique (3), de sorte à recouvrir les faces d'assemblage (11), et - une étape I) de formation d'une couche de conduction électrique (4) entre deux couches d'isolation électrique (3) recouvrant les faces d'assemblage (11) de sorte à coller les au moins deux assemblages (5).
12. 12. Substrat composite (100) destiné à des applications dans le domaine photovoltaïque ou optoélectronique, le substrat composite (100) comportant : -des pavés (9) comportant chacun des surfaces d'assemblage (2), les pavés (9) étant assemblés par l'intermédiaire des surfaces d'assemblage (2) de sorte à former un pavage (8), -des couches d'isolation électrique (3) recouvrant chacune une surface d'assemblage (2), et -une couche de conduction électrique (4) entre les couches d'isolation électrique (3) de pavés (9) assemblés, la couche de conduction électrique (4) étant isolée entre deux couches d'isolation électrique (3) et ladite couche de conduction électrique (4) présentant une résistivité électrique inférieure ou égale à 10"4 ohm.cm.
13. 13. Substrat composite (100) selon la revendication 12, comprenant au moins deux pavages (8) collés latéralement entre eux par l'intermédiaire d'une couche de conduction électrique (4), électriquement isolée entre deux couches d'isolation électrique (3) recouvrant les côtés latéraux collés des au moins deux pavages (8).
14. 14. Substrat composite (100) selon l'une des revendications 12 ou 13, comprenant des contacts métalliques (15) configurés pour assurer la conduction du courant électrique par l'intermédiaire de couches de conduction électrique (4) entre les pavés (9) et entre les aux moins deux pavages (8) collés.
15. 15. Module photovoltaïque comprenant au moins un substrat composite selon l'une des revendications 12 à 14.