WO2013068702A1 - Substrat conducteur pour cellule photovoltaïque - Google Patents

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selenization
molybdenum
metal
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Mathieu Urien
Gérard RUITENBERG
Charles Leyder
Andreas Heiss
Erwan Mahe
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Saint Gobain Glass France SAS
Compagnie de Saint Gobain SA
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Definitions

  • the invention relates to the field of photovoltaic cells, more particularly to the field of molybdenum-based conductive substrates used to produce thin-film photovoltaic cells.
  • certain thin-film photovoltaic cells use a conductive substrate based on molybdenum coated with a layer of absorber (ie photoactive material), generally copper chalcopyrite Cu, d indium In, and Se selenium and / or S sulfur. It may be, for example, a material of the type CulnSe 2 . This type of material is known under the abbreviation CIS. It may also be CIGS, that is to say a material that additionally incorporates gallium, or materials of the Cu 2 (Zn, Sn) (S, Se) 4 (ie CZTS) type, using zinc and / or tin rather than indium and / or gallium .
  • the electrodes are most often based on molybdenum (Mo) because this material has a number of advantages. It is a good electrical conductor (relatively low resistivity of the order of ⁇ ⁇ . ⁇ ). It can be subjected to the necessary high heat treatments because it has a high melting point (2610 ° C). It resists, to a certain extent, selenium and sulfur. Deposition of the absorber layer most often requires contact with an atmosphere containing selenium or sulfur which tends to deteriorate most metals.
  • Mo molybdenum
  • Molybdenum reacts with selenium or sulfur in particular, forming MoSe2, MoS2 or Mo (S, Se) 2, but retains most of its properties, especially electrical properties, and maintains adequate electrical contact with, for example, the CIS layer. , CIGS, or CZTS. Finally, it is a material on which the layers of CIS, CIGS or CZTS type adhere well, molybdenum even tends to promote crystal growth.
  • molybdenum has a significant disadvantage when considering industrial production: it is an expensive material. Indeed, the molybdenum layers are usually deposited by sputtering (magnetic field assisted). But molybdenum targets are expensive. This is all the less negligible as to obtain the level of desired electrical conductivity (a resistance per square smaller than or equal to 2 ⁇ / ⁇ , and preferably less than or equal to 1 or even 0.5 ⁇ / ⁇ after treatment in an atmosphere containing S or Se), a layer of Mo is required relatively thick, generally of the order of 400 nm to 1 micrometer.
  • the patent application WO-A-02/065554 of SAINT-GOBAIN GLASS FRANCE teaches to provide a relatively thin layer of molybdenum (less than 500 nm) and to provide one or more alkaline-impermeable layers between the substrate and the layer based on molybdenum, so as to preserve the qualities of the thin layer based on molybdenum during subsequent heat treatments.
  • This type of conductive substrate is nevertheless relatively expensive.
  • An object of the present invention is to provide a new conductive substrate based on molybdenum whose manufacturing cost is relatively low.
  • the subject of the present invention is in particular a conductive substrate for a photovoltaic cell, comprising a carrier substrate and an electrode coating formed on the carrier substrate, in which the electrode coating comprises:
  • an upper layer based on a metal M capable of forming, after sulfurization and / or selenization, an ohmic contact layer with a photoactive semiconductor material is provided.
  • Such a conductive substrate has the advantage of making it possible to obtain, with smaller thicknesses of molybdenum, a square resistance equivalent to that of a conductive substrate whose electrode coating consists of a single layer of molybdenum.
  • the manufacturing process of the photovoltaic cell is also particularly reliable.
  • the barrier layer to selenization makes it possible at the same time to guarantee the presence and the amount of Mo (S, Se) 2 by the transformation of the entire upper layer (for example if its thickness is between 10 and 50nm) while guaranteeing the presence and uniform thickness of a main layer to molybdenum base whose conductance properties have been preserved. Preserving the qualities of the molybdenum-based main layer and the uniformity of its thickness make it possible to reduce the quantities of materials to a minimum.
  • the uniformity of the ohmic contact layer formed by the upper layer after selenization and / or sulphurization further benefits the efficiency of the solar cell.
  • WO-A-2005/088731 describes an improvement in the reflection coefficient of the conductive substrate with a layer of TiN or ZrN.
  • the absorber layers tested for the present invention were too thick for this effect to affect performance.
  • the TiON layers tested here were also too thin to increase the reflection coefficient significantly.
  • the conductive substrate comprises one or more of the following characteristics, taken individually or in any technically possible combination:
  • the barrier layer for selenization has a resistivity of between 200 MOhm.cm and 500 MOhm.cm;
  • the selenization barrier layer is a molybdenum compound with a high content of oxygen and / or nitrogen;
  • the barrier layer for selenization has a resistivity of between 20 Ohm.cm and 50 Ohm.cm;
  • said metal M is capable of forming a sulphide-type compound and / or p-type semiconductor selenide with a charge carrier concentration greater than or equal to 10 16 / cm 3 and an output work greater than or equal to 4.5eV;
  • said upper layer based on a metal M is based on molybdenum and / or tungsten;
  • said upper layer based on a metal M has a thickness greater than or equal to 10 nm, preferably greater than or equal to 20 nm and less than or equal to 100 nm, preferably less than or equal to 50 nm;
  • the barrier layer for selenization has a thickness greater than or equal to 3 nm, preferably greater than or equal to 5 nm;
  • the molybdenum-based main layer has a thickness less than or equal to 400 nm, for example less than or equal to 300 nm, for example less than or equal to 250 nm;
  • the main layer based on molybdenum has a thickness greater than or equal to 40 nm, preferably greater than or equal to 150 nm;
  • the molybdenum-based main layer has a uniform thickness, the thickness preferably remaining in a range of +/- 10% with respect to a mean value;
  • the electrode coating has a resistance per square less than or equal to
  • said upper layer based on a metal M is formed directly on the barrier layer for selenization
  • the selenization barrier layer is formed directly on the molybdenum-based main layer
  • the carrier substrate is in a material containing alkalis, the conductive substrate comprising one or more alkali barrier layers formed on the carrier substrate and under the molybdenum-based main layer, the alkaline barrier layer or layers being for example based on one of the materials selected from: silicon nitride, oxide, oxynitride or oxycarbide, aluminum oxide or oxynitride;
  • the carrier substrate is a glass sheet.
  • the invention also relates to a semiconductor device comprising a carrier substrate and an electrode coating formed on the carrier substrate, the electrode coating comprising:
  • a photoactive layer made of a photoactive semiconducting material based on copper chalcopyrite and selenium and / or sulfur, for example a material of the Cu (In, Ga) (S, Se) 2 type, in particular CIS or CIGS, or else a material of Cu2 (Zn, Sn) (S, Se) 4 type , the photoactive layer being formed on the barrier layer for selenization; and
  • an ohmic contact layer based on a metal sulfide and / or selenide compound M.
  • the semiconductor device comprises one or more of the following characteristics, taken in isolation or in any technically possible combination:
  • the ohmic contact layer material is a p-type semiconductor material with a charge carrier concentration greater than or equal to 10 16 / cm 3 and an output work greater than or equal to 4.5 eV;
  • the ohmic contact layer is based on a compound of the sulphide and / or selenide type of molybdenum and / or tungsten.
  • the invention further relates to a photovoltaic cell comprising a semiconductor device as described above, and a transparent electrode coating formed on the photoactive layer.
  • Another object of the invention is a photovoltaic module comprising a plurality of photovoltaic cells interconnected in series and all formed on the same substrate, in which the photovoltaic cells are as described above.
  • the invention also relates to a method of manufacturing a conductive substrate for a photovoltaic cell, comprising the steps of:
  • a selenization barrier layer on the molybdenum-based main layer; and depositing, on the selenization barrier layer, an upper layer based on a metal M capable of forming, after sulfurization and / or selenization, an ohmic contact layer with a photoactive semiconductor material;
  • the method has one or more of the following characteristics, taken separately or in any technically possible combination:
  • the process comprises a step of forming a photoactive layer by selenization and / or sulphidation, on said upper layer based on a metal M, the step of transforming said upper layer based on a metal M being carried out before or during the formation of said photoactive layer, preferably during;
  • said upper layer is based on a p-type semiconductor with a concentration of charge carriers greater than or equal to 10 16 / cm 3 and an output work greater than or equal to
  • said upper layer is a compound based on sulphide and / or selenide of molybdenum and / or tungsten;
  • the step of forming the photoactive layer comprising a selenization and / or sulphurization step at a temperature greater than or equal to 300 ° C.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of a conductive substrate
  • FIG. 2 is a schematic sectional view of a photovoltaic cell comprising a conductive substrate according to Figure 1;
  • FIGS. 3a and 3b are cross-sectional views obtained by electron microscopy, FIG. 3b showing a semiconductor device after treatment at high temperature and high partial pressure with selenium, the conductive substrate of which only originally possessed only one layer of molybdenum while it also possessed in FIG. selenization, based on TiON, and an upper layer of ohmic contact, based on Mo;
  • FIG. 4 is a sectional view by electron microscopy of the section of an improved conductive substrate
  • FIG. 5 is an image similar to that of FIG. 4 of a semiconductor device in which a thin layer CIGSSe has been formed by selenization on the conductive substrate of FIG. 4;
  • FIGS. 6 and 7 illustrate the efficiency of cells using Si3N (140 nm) / Mo conductive substrates with different thicknesses of Mo with and without a selenization barrier layer
  • FIG. 8 shows experimental results of selenization tests as described below.
  • FIGS. 1 to 2 are not to scale, for a clear representation, since the differences in thickness between, in particular, the carrier substrate and the deposited layers are important, for example of the order of a factor of 500.
  • FIG. 1 a conductive substrate 1 for a photovoltaic cell comprising:
  • a layer A formed (or deposited) on a layer B a layer A formed either directly on the layer B and therefore in contact with the layer B, or formed on the layer B with interposition of one or more layers between layer A and layer B.
  • electrode coating means a current supply coating comprising at least one electronically conductive layer, that is to say the conductivity of which is ensured by the mobility of the electrons.
  • the illustrated electrode coating 6 consists of:
  • a selenization barrier layer 10 formed directly on the main layer 8 based on molybdenum and of small thickness
  • Such a conductive substrate 1 is intended for the manufacture of a photoactive material with added sodium (it is known that sodium improves the performance of photoactive materials of CIS or CIGS type).
  • the alkali barrier layer 4 prevents the migration of sodium ions from the glass substrate 2, for better control of the addition of sodium in the photoactive material.
  • the alkali barrier layer 4 may be omitted.
  • Another technique for making the photoactive material is to use the migration of sodium ions from the glass substrate to form the photoactive material.
  • the conductive substrate 1 does not have an alkaline barrier layer 4 and the main molybdenum layer 8 is, for example, formed directly on the carrier substrate 2.
  • the electrode coating 6 comprises one or more interlayers.
  • the conductive substrate 1 comprises a carrier substrate 2 and an electrode coating 6 comprising:
  • the metal M is capable of forming, after sulfurization and / or selenization, an ohmic contact layer with a photoactive semiconductor material, in particular with a photoactive semiconductor material based on copper chalcopyrite and selenium and / or sulfur for example a photoactive material of Cu (In, Ga) (S, Se) 2 type, in particular CIS or CIGS, or a material of Cu2 (Zn, Sn) (S, Se) 4 type .
  • An ohmic contact layer is understood to mean a layer of a material such that the current / voltage characteristic of the contact is non-rectifying and linear.
  • the upper layer 12 is the last upper layer of the electrode coating 6, that is to say that the electrode coating 6 does not have another layer above the layer 12.
  • the electrode coating 6 comprises a single main layer 8 based on molybdenum, a single selenization barrier layer 10, and a single layer 12.
  • a single layer means a layer of the same material. This single layer can nevertheless be obtained by the superposition of several layers of the same material, between which there is an interface that can be characterized, as described in WO-A-2009/080931.
  • molybdenum-based refers to a material composed of a substantial quantity of molybdenum, that is to say either a material consisting solely of molybdenum, or an alloy comprising mainly molybdenum, or a compound comprising predominantly molybdenum but with a content of oxygen and / or nitrogen, for example a content leading to a resistivity greater than or equal to 20 Ohm.cm.
  • the layer 12 is intended to be completely transformed by selenization and / or sulphurization in Mo (S, Se) 2, which material is not on the other hand considered as a "molybdenum-based" material but a disulfide-based material. molybdenum, molybdenum diselenide or a mixture of disulphide and molybdenum diselenide.
  • S, Se indicates that it is a combination of S x Sei -x with 0 ⁇ x ⁇ 1.
  • the substrate shown in FIG. 1 and described above is an intermediate product in the manufacture of a photovoltaic module. This intermediate product is then transformed due to process for producing the photoactive material.
  • the conductive substrate 1 described above is understood as the intermediate product before processing, which can be stored and conveyed to other production sites for the manufacture of the module.
  • Said metal M is advantageously based on molybdenum and / or tungsten.
  • Mo (S, Se) 2 molybdenum disulfide and / or diselenide compounds are materials whose effectiveness as an ohmic contact layer is proven.
  • Tungsten (W) is a material with similar chemical properties. It also forms chalcogenide semiconductors WS2 and WSe2.
  • Mo (S, Se) 2 and W (S, Se) 2 can both be formed as p-type semiconductors with a p-type doping greater than or equal to 10 16 / cm 3 and an output work of about 5 e .
  • it may be a material based on a metal M capable of forming a p-type compound of the sulphide type and / or semiconductor selenide with a concentration of charge carriers greater than or equal to at 10 16 / cm 3 and an output work greater than or equal to 4.5eV. More generally still, it is a metal M of any type capable of forming, after sulfurization and / or selenization, an ohmic contact layer with a photoactive semiconductor material, more particularly with a photoactive material based on chalcopyrite. copper and selenium and / or sulfur.
  • the selenization barrier layer 10 protects the molybdenum-based main layer 8 from possible selenization and / or sulfidation. Note that a layer protecting selenization also protects from sulfurization.
  • selenization barrier layer is meant a layer of a material of any type adapted to prevent or reduce the selenization of the layers covered by the barrier layer to selenization during the deposition, on the selenization barrier layer, of layers of semiconductor materials formed by selenization and / or sulfurization.
  • the barrier layer to selenisation in the sense of the invention shows a proven effectiveness even at a thickness of 3nm.
  • a possible test as to whether a material is suitable or not for a role of barrier to selenization is to compare a sample with and without a layer of 5 nm of this material between the upper layer 12 based on a metal M and the layer main 8 and selenize the samples, for example by heating at 520 ° C in a 100% selenium atmosphere. If the selenization of the main layer 8 is reduced or prevented and the upper layer 12 fully selenized, the material is effective.
  • the material of the selenization barrier layer 10 is for example based on a metal nitride such as titanium nitride, molybdenum nitride, zirconium nitride or tantalum nitride, or a combination of these materials. It can also be an oxynitride.
  • a metal nitride such as titanium nitride, molybdenum nitride, zirconium nitride or tantalum nitride, or a combination of these materials. It can also be an oxynitride.
  • it is a material of any type adapted to protect the main layer 8 based on molybdenum selenization or possible sulfidation.
  • It may also be based on a metal oxide such as molybdenum oxide, titanium oxide or a mixed oxide of molybdenum and titanium.
  • Nitrides are however preferred to oxides.
  • nitrides, oxides and oxynitrides may be substoichiometric, stoichiometric or super-stoichiometric respectively in nitrogen and in oxygen.
  • it is a molybdenum-based layer, more specifically a molybdenum compound with a high content of oxygen and / or nitrogen.
  • the oxygen content and / or nitrogen is for example sufficient if it induces a resistivity greater than or equal to 20 Ohm.cm.
  • it is therefore a layer based on molybdenum with a high content of oxygen and / or nitrogen or a material based on a nitride, an oxide or a metal oxynitride suitable for protect the main layer 8 based on molybdenum selenization or possible sulfidation.
  • the selenization barrier layer 10 is thin. It has a thickness less than or equal to 50 nm, preferably less than or equal to 30 nm, more preferably less than or equal to 15 nm.
  • the selenization barrier layer 10 is very thin, it may no longer have a significant influence. It thus has for example a thickness greater than or equal to 3 nm, preferably greater than or equal to 5 nm. Surprisingly, it has indeed been found that a selenization barrier layer of such a small thickness has a significant effect.
  • the selenization barrier layer 10 has a lower conductivity than the molybdenum-based main layer 8. It has for example a resistivity of between 200 Ohm.cm and 500 Ohm.cm in the case of a layer based on a metal oxide, nitride or oxynitride and a resistivity of between 20 Ohm.cm and 50 Ohm.cm in the case of a molybdenum-based material with a high content of nitrogen and / or oxygen.
  • the selenization barrier layer 10 is further preferably capable of limiting the back diffusion of the sodium ions to the carrier substrate 2, i.e. the diffusion of sodium ions from the top of the top layer 12, through the upper layer 12 and towards the carrier substrate 2.
  • the molybdenum-based main layer 8 has a thickness sufficient so that the electrode coating 6 has, after a selenization test as described above, a resistance per square smaller than or equal to 2 ⁇ / ⁇ , preferably less than or equal to 1 ⁇ / ⁇ .
  • the presence of the upper layer 12 based on the metal M and the barrier layer selenization 10 achieves such performance.
  • the selenization barrier layer 10 and the upper layer 12 based on the metal M, the main layer to Molybdenum base 8, to have a significant effect preferably has a thickness greater than or equal to 40 nm, preferably greater than or equal to 150 nm.
  • the molybdenum-based main layer 8 has for example a thickness less than or equal to 400 nm, for example less than or equal to 300 nm, for example less than or equal to 250 nm.
  • the molybdenum-based main layer 8 consists for example of molybdenum, that is to say that it comprises only molybdenum.
  • the carrier substrate 2 and the alkali barrier layer 4 will now be described.
  • Substrates provided with one or more alkaline barrier layers 4 are used in the second case in particular to allow the use as a substrate of a glass-silica-soda-lime type sheet obtained by floating, glass of a relatively low cost and which has all the qualities that are known to this type of material, such as its transparency, impermeability to water and hardness.
  • the alkali ion content of the substrate 2 is in this case a disadvantage that the alkali barrier layer minimizes.
  • the alkali barrier layer 4 is for example based on one of the materials chosen from: silicon nitride, oxide, oxynitride or oxycarbide, aluminum oxide or oxynitride.
  • the carrier substrate 2 is a sheet of a material of any suitable type, for example a silica-based glass containing no alkali, such as borosilicate glasses, or plastic , or even metal.
  • the carrier substrate 2 is of any suitable type and contains alkalis, for example sodium and potassium ions.
  • the substrate is for example a silico-soda-lime glass.
  • the alkali barrier layer is absent.
  • the carrier substrate 2 is intended to serve as a rear contact in the photovoltaic module and does not need to be transparent.
  • the sheet constituting the carrier substrate 2 may be flat or curved, and have any type of size, especially at least one dimension greater than 1 meter.
  • the invention also relates to a method of manufacturing the conductive substrate 1 described above.
  • the method comprises steps of:
  • This transformation step can be a separate step before the formation of the CIS, CGS or CZTS semiconductor layer or a step carried out during the selenization and and / or sulphurization of the semiconductor layer CIS, CGS or CZTS, that this selenization and / or sulphurization is carried out during the deposition of said semiconductor layer or after the deposition of metal components called precursors of the semiconductor layer.
  • the deposition of the various layers is for example carried out by magnetron assisted sputtering, but it is alternatively another method of any suitable type.
  • the invention also relates to a semiconductor device 20 (FIG. 2) using the conductive substrate 1 described above to form one or several photoactive layers 22, 24.
  • the first photoactive layer 22 is typically a p-type doped layer, for example based on Cu copper chalcopyrite, indium In, and selenium Se and / or S sulfur. It may be, for example, as explained previously, from CIS, CIGS or CZTS.
  • the second photoactive layer 24 is n-type doped and called buffer. It is for example composed of CdS (cadmium sulphide) and formed directly on the first photoactive layer 22.
  • the buffer layer 24 is for example based on ln x S y , Zn (O, S), or ZnMgO or in another material of any suitable type.
  • the cell does not comprise a buffer layer, the first photoactive layer 22 itself being able to form a pn homojunction.
  • the first photoactive layer 22 is a p-type or homojunction p-n layer obtained by addition of alkaline elements.
  • the deposition of the photoactive layer comprises selenization and / or sulfurization steps, as explained in more detail below.
  • the deposition can be carried out by evaporation of the elements Cu, In, Ga and Se (or Cu, Sn, Zn, S).
  • the top layer 12 based on the metal M is converted into a layer 12 'based on M (S, Se) 2. This transformation concerns for example the entirety of the upper layer 12.
  • the semiconductor device 20 therefore comprises:
  • the electrode coating 6 comprises:
  • the main layer 8 based on molybdenum
  • the upper layer 12 'of ohmic contact based on M (S, Se) 2, formed on the selenization barrier layer 10.
  • the semi device -conducteur comprises the photoactive semiconductor layer (s) 14, 16.
  • the invention also relates to a photovoltaic cell 30 comprising a semiconductor device 20 as described above.
  • the cell comprises for example, as illustrated in FIG.
  • the semiconductor device 20 formed by the layers 8, 10, 12 ', 22 and
  • a transparent electrode coating 32 for example made of ZnO: Al, formed on the first photoactive layer 22, and on the buffer layer 24 in the presence of the latter, with optional interposition between the transparent electrode coating 32 and the semiconductor device; conductor 20 of a passivating layer 34, for example intrinsic ZnO or intrinsic ZnMgO.
  • the transparent electrode coating 32 alternatively comprises a layer of zinc oxide doped with gallium, or boron, or a layer of ITO.
  • TCO transparent conductive material
  • a metal grid (not shown in Figure 2) is then optionally deposited on the transparent electrode coating 32, for example through a mask, for example by electron beam. It is for example a grid of Al (aluminum) for example of about 2 ⁇ thick on which is deposited a grid of Ni (nickel) for example of about 50nm thick to protect the Al layer. .
  • the cell 30 is then protected from external aggression. It comprises for example for this purpose a counter-substrate (not shown) covering the front electrode coating 32 and laminated to the carrier substrate 2 via a lamination interlayer (not shown) made of thermoplastic material. This is for example a sheet of EVA, PU or PVB.
  • the invention also relates to a photovoltaic module comprising a plurality of photovoltaic cells formed on the same substrate 2, connected in series with each other and obtained by the margins of the layers of the semiconductor device 20.
  • the invention further relates to a method of manufacturing the semiconductor device 20 and the photovoltaic cell 30 above, which method comprises a step of forming a photoactive layer by selenization and / or sulfurization.
  • a photoactive layer by selenization and / or sulfurization.
  • the photoactive layer 22 is for example a layer of CIGS formed as follows.
  • the precursors of the layer are deposited on the electrode coating 6.
  • a metal stack consisting of an alternation of CuGa and In type layers is for example deposited by magnetron cathode sputtering at ambient temperature, on the electrode coating 6.
  • a selenium layer is then deposited at ambient temperature directly on the metal stack, for example by thermal evaporation.
  • the metal stack has, for example, a multilayer structure of Cu / In / Ga / Cu / In / Ga type.
  • the substrate undergoes a high temperature heating treatment called RTP ("Rapid Thermal Process, RTP" in English), for example at about 520 ° C in an atmosphere composed for example of sulfur gas, for example based on of S or H 2 S, thus forming a layer of Culn x Gai -x (S, Se) 2 .
  • RTP Rapid Thermal Process, RTP
  • An advantage of this process is that it does not require an external source of selenium vapor.
  • the loss of some of the selenium during heating is compensated by a deposit of excess selenium on the metal stack.
  • the selenium required for selenization is provided by the deposited selenium layer.
  • the selenization is obtained without the deposition of a selenium layer but by an atmosphere containing selenium gas, for example based on Se or H 2 Se, prior to exposure to a sulfur-rich atmosphere.
  • the sulphurization step may optionally abstain from a buffer layer, for example CdS.
  • an alkali-based layer for example sodium
  • a precise determination of sodium in the photoactive layer it may be advantageous to deposit an alkali-based layer, for example sodium, for a precise determination of sodium in the photoactive layer.
  • the alkalis Prior to the deposition of the CuGa and In metal stack, the alkalis are introduced, for example, by depositing, on the sacrificial layer 12 based on molybdenum, a layer of sodium selenide or a compound containing sodium so as to introduce for example of the order of 2.10 15 sodium atoms per cm 2 .
  • the metal stack is deposited directly on this layer of sodium selenide.
  • CI (G) S or CZTS there are numerous possible variants for forming the layers of CI (G) S or CZTS, which include, for example, coevaporation of the elements mentioned above, chemical vapor deposition, electrochemical deposition of metals, selenides or chalcopyrites. , the reactive sputtering of metals or selenides in the presence of H 2 Se or H 2 S.
  • the method of manufacturing the photoactive layer 22 is of any suitable type.
  • All methods of manufacturing CIS or CZTS type layers use a high temperature heating step in the presence of selenium and / or sulfur in the vapor state or in the liquid state.
  • a carrier substrate 2 made of silico-soda-lime glass with a thickness of 3 mm was used, with an alkali barrier layer consisting of Si3N and having a thickness of 140 nm deposited directly on the carrier substrate 2. glass.
  • Photovoltaic cells were produced by Cu (In, Ga) (S, Se) 2 formation in two steps.
  • a precursor stack containing Cu, Ga, In and Na was deposited by magnetron sputtering as described above.
  • a layer of selenium was then deposited by thermal evaporation.
  • the precursor stack was then converted to Cu (In, Ga) (S, Se) 2 by a rapid RTP heating process in a sulfur-containing atmosphere.
  • a layer 24 of CdS was then deposited, followed by a layer 32 of ZnO: Al.
  • Photovoltaic cells with an opening area of 1.4 cm 2 were produced by depositing a grid on the ZnO: Al layer.
  • Modules of 30x30cm were manufactured by monolithic interconnection.
  • Figures 3a and 3nb illustrate the effect of the barrier layer on selenization.
  • Figure 3b Due to a high temperature and a high selenium partial pressure, the thickness of the compound Mo (S, Se) 2 formed is several hundred nanometers, leaving only a very thin thickness of metallic Mo.
  • Figure 3a the selenization barrier layer prevents the selenization of the molybdenum layer that it protects.
  • FIG. 4 is an electron microscopy image showing a 3mm glass substrate, a 130nm silicon nitride alkali barrier layer, a 30nm titanium nitride layer, and a 25nm layer. of molybdenum, before treatment.
  • FIG. 5 shows the same substrate as in FIG. 4 after deposition of the photoactive layer and selenization.
  • the total thickness of the back electrode, including the Mo (S, Se) 2 layer and the selenization barrier layer varies between 460nm and 480 nm, the thickness of the layer of Mo (S, Se) 2 varying between 70nm and 80nm.
  • Figures 6 and 7 illustrate the energy conversion coefficient obtained according to the different conductive substrates used.
  • FIG. 6 presents experimental results obtained for photovoltaic cells differing from one another by the thickness of the selenization barrier layer, in TiON or MoON (examples 1 to 6), and comparing these results with a photovoltaic cell with substrate conductor without selenization barrier layer and thick molybdenum layer (Example 7).
  • the efficiency of the cell is in ordinates in%.
  • the examples differ only in the molybdenum-based back electrode coating 6.
  • Example 1 (MoON 05): glass (3mm) / Si 3 N 4 (140 nm) / Mo (200 nm) / MoON (5 nm) / Mo (30 nm),
  • Example 3 (MoON 30): glass (3mm) / Si 3 N 4 (140 nm) / Mo (200 nm) / MoON (30 nm) / Mo (30 nm),
  • Example 4 (TiON 05): glass (3 mm) / Si 3 N 4 (140 nm) / Mo (200 nm) / TiON (5 nm) / Mo (30 nm),
  • Example 5 (TiON 15): glass (3 mm) / Si 3 N 4 (140 nm) / Mo (200 nm) / TiON (15 nm) / Mo (30 nm),
  • Example 6 (TiON 30): glass (3 mm) / Si 3 N 4 (140 nm) / Mo (200 nm) / TiON (30 nm) / Mo (30 nm),
  • Examples 1 to 6 show an advantage in using a TiON barrier layer rather than a MoON barrier layer.
  • the optimum thickness is about 15 nm.
  • Example 7 Comparing the results of Examples 1 to 6 with Example 7 further shows that it is possible to obtain equivalent performances with electrode coatings combining only 230 nm of Mo, ie 195 nm less than in Example 7, a substantial saving of material.
  • FIG. 7 illustrates the same type of results as FIG. 4 (ie energetic efficiency in%) but for complete modules composed of forty cells each and using standard glass / Si 3 N (140 nm) / Mo conductor substrates with different thicknesses of Mo:
  • Example 8 glass (3mm) / Si 3 N 4 (140nm) / Mo (350nm) / TiON (10nm) / Mo (30nm),
  • Example 9 ( ⁇ 30): glass (3 mm) / Si 3 N 4 (140 nm) / MB (350 nm) / TiON (30 nm) / Mo (30 nm),
  • Example 10 glass (3mm) / Si 3 N 4 (140nm) / Mo (425nm).
  • Figure 8 illustrates the results of selenization tests of different electrode coatings.
  • the thickness of the electrode coating on which the electrode coating has been selenized is shown on the ordinate.
  • the electrode coatings were annealed at 520 ° C in an atmosphere containing selenium. The following samples were analyzed:
  • example 1 (MoON 05): glass (3mm) / Si 3 N 4 (140 nm) / Mo (200 nm) / MoON (5 nm) / Mo (30 nm),
  • Example 12 (MoON 15): glass (3mm) / Si 3 N 4 (140 nm) / Mo (200 nm) / MoON (15 nm) / Mo (30 nm),
  • Example 13 (MoON 30): glass (3mm) / Si 3 N 4 (140 nm) / Mo (200 nm) / MoON (30 nm) / Mo (30 nm),
  • Example 14 Glass (3 mm) / Si 3 N 4 (140 nm) / Mo (200 nm) / TiON (5 nm) / Mo (30 nm),
  • Example 15 Glass (3 mm) / Si 3 N 4 (140 nm) / Mo (200 nm) /
  • Example 16 (TiON 30): glass (3 mm) / Si 3 N 4 (140 nm) / Mo (200 nm) / TiON (30 nm) / Mo (30 nm),
  • Example 17 (V1209): glass (3mm) / Si 3 N 4 (140nm) / Mo (425nm) As illustrated in FIG. 8, a selenization barrier layer, even of 5 nm, whether the material is TiON or MoON, has a protective effect against the selenization of the molybdenum-based main layer 8. In all the examples, the upper molybdenum-based layer 12 has been completely transformed into MoSe2.

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Abstract

L'invention a pour objet un substrat conducteur (1 ) pour cellule photovoltaïque, comprenant un substrat porteur (2) et un revêtement électrode (6) formé sur le substrat porteur (2). Le revêtement électrode (6) comprend une couche principale (8) à base de molybdène formée sur le substrat porteur (2), une couche barrière à la sélénisation (10) formée sur la couche principale (8) à base de molybdène, et sur la couche barrière à la sélénisation (10), une couche supérieure (12) à base d'un métal M propre à former, après sulfuration et/ou sélénisation, une couche de contact ohmique avec un matériau semi-conducteur photoactif. La couche barrière à la sélénisation (10) a une épaisseur inférieure ou égale à 50nm, de préférence inférieure ou égale à 30nm, de préférence encore inférieure ou égale à 20nm.

Description

SUBSTRAT CONDUCTEUR POUR CELLULE PHOTOVOLTAÏQUE
L'invention se rapporte au domaine des cellules photovoltaïques, plus particulièrement au domaine des substrats conducteurs à base de molybdène utilisés pour fabriquer des cellules photovoltaïques à couches minces.
En effet, de façon connue, certaines cellules photovoltaïques à couches minces, dites de seconde génération, utilisent un substrat conducteur à base de molybdène revêtu d'une couche d'agent absorbeur (i.e. matériau photoactif), généralement en chalcopyrite de cuivre Cu, d'indium In, et de sélénium Se et/ou de soufre S. Il peut s'agir, par exemple, d'un matériau du type CulnSe2. Ce type de matériau est connu sous l'abréviation CIS. Il peut également s'agir de CIGS c'est-à-dire d'un matériau incorporant en outre du gallium, ou encore de matériaux du type Cu2(Zn,Sn)(S,Se)4 (i.e. CZTS), utilisant du zinc et/ou de l'étain plutôt que de l'indium et/ou du gallium.
Pour ce type d'application, les électrodes sont le plus souvent à base de molybdène (Mo) car ce matériau présente un certain nombre d'avantages. C'est un bon conducteur électrique (résistivité relativement faible de l'ordre de Ι ΟμΩ.αη). Il peut être soumis aux traitements thermiques élevés nécessaires, car il a un point de fusion élevé (2610°C). Il résiste, dans une certaine mesure, au sélénium et au soufre. Le dépôt de la couche d'agent absorbeur impose le plus souvent un contact avec une atmosphère contenant du sélénium ou du soufre qui tend à détériorer la plupart des métaux. Le molybdène réagit avec le sélénium ou le soufre notamment, formant du MoSe2, M0S2 ou Mo(S,Se)2, mais garde l'essentiel de ses propriétés, notamment électriques, et conserve un contact électrique adéquat avec par exemple la couche de CIS, de CIGS, ou de CZTS. Enfin, c'est un matériau sur lequel les couches de type CIS, CIGS ou CZTS adhèrent bien, le molybdène tend même à en favoriser la croissance cristalline.
Cependant, le molybdène présente un inconvénient important quand on envisage une production industrielle : c'est un matériau coûteux. En effet, les couches en molybdène sont habituellement déposées par pulvérisation cathodique (assistée par champ magnétique). Or les cibles de molybdène sont onéreuses. Cela est d'autant moins négligeable que pour obtenir le niveau de conductivité électrique voulu (une résistance par carré inférieure ou égale à 2Ω/α, et de préférence inférieure ou égale à 1 ou même 0,5Ω/α après traitement dans une atmosphère contenant du S ou du Se), il faut une couche de Mo relativement épaisse, généralement de l'ordre de 400 nm à 1 micromètre.
La demande de brevet WO-A-02/065554 de SAINT-GOBAIN GLASS FRANCE enseigne de prévoir une couche relativement mince de molybdène (inférieure à 500nm) et de prévoir une ou plusieurs couches imperméables aux alcalins entre le substrat et la couche à base de molybdène, de façon à préserver les qualités de la fine couche à base de molybdène lors des traitements thermiques subséquents.
Ce type de substrat conducteur reste néanmoins relativement coûteux.
Un but de la présente invention est de fournir un nouveau substrat conducteur à base de molybdène dont le coût de fabrication soit relativement faible.
A cet effet, la présente invention a notamment pour objet un substrat conducteur pour cellule photovoltaïque, comprenant un substrat porteur et un revêtement électrode formé sur le substrat porteur, dans lequel le revêtement électrode comprend :
- une couche principale à base de molybdène formée sur le substrat porteur ; - une couche barrière à la sélénisation formée sur la couche principale à base de molybdène, la couche barrière à la sélénisation ayant une épaisseur inférieure ou égale à 50nm, de préférence inférieure ou égale à 30nm, de préférence encore inférieure ou égale à 20nm ; et
- sur la couche barrière à la sélénisation, une couche supérieure à base d'un métal M propre à former, après sulfuration et/ou sélénisation, une couche de contact ohmique avec un matériau semi-conducteur photoactif.
Un tel substrat conducteur présente l'avantage de permettre d'obtenir, avec des épaisseurs moindres de molybdène, une résistance par carré équivalente à celle d'un substrat conducteur dont le revêtement électrode est constitué d'une seule couche de molybdène.
Grâce au substrat conducteur, le procédé de fabrication de la cellule photovoltaïque (ou module photovoltaïque) est en outre particulièrement fiable. La couche barrière à la sélénisation permet en effet à la fois de garantir la présence et la quantité de Mo(S,Se)2 par la transformation de l'intégralité de la couche supérieure (par exemple si son épaisseur est entre 10 et 50nm) tout en garantissant la présence et une épaisseur uniforme d'une couche principale à base de molybdène dont les propriétés de conductance ont été préservées. La préservation des qualités de la couche principale à base de molybdène et l'uniformité de son épaisseur permettent de réduire les quantités de matériaux au plus juste.
L'uniformité de la couche de contact ohmique formée par la couche supérieure après sélénisation et/ou sulfuration bénéficie en outre à l'efficacité de la cellule solaire.
WO-A-2005/088731 décrit une amélioration du coefficient de réflexion du substrat conducteur avec une couche de TiN ou de ZrN. Néanmoins, les couches d'absorbeur testées pour la présente invention étaient trop épaisses pour que cet effet puisse avoir une influence sur les performances. Qui plus est, les couches de TiON testées ici étaient également trop fines pour augmenter le coefficient de réflexion de manière significative.
Suivant des modes particuliers de réalisation, le substrat conducteur comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :
- la couche barrière à la sélénisation est à base d'un nitrure ou d'un oxynitrure métallique avec le métal M choisi parmi le titane, le molybdène, le zirconium ou le tantale et une teneur en oxygène x=O/(O+N) avec x= 0 ou 0<x<1 ;
- la couche barrière à la sélénisation est à base d'un oxynitrure métallique avec le métal M choisi parmi le titane, le molybdène, le zirconium ou le tantale et une teneur en oxygène x=O/(O+N) avec 0<x<1 , par exemple 0,05<x<0,95, par exemple 0,1 <x<0,9 ;
- la couche barrière à la sélénisation a une résistivité comprise entre 200MOhm.cm et 500MOhm.cm ;
- la couche barrière à la sélénisation est un composé à base de molybdène avec une teneur élevée en oxygène et/ou en azote ;
- la couche barrière à la sélénisation a une résistivité comprise entre 20 Ohm.cm et 50 Ohm.cm ;
- ledit métal M est propre à former un composé de type sulfure et/ou séléniure semi-conducteur de type p avec une concentration de porteurs de charge supérieure ou égale à 1016/cm3 et un travail de sortie supérieur ou égal à 4,5eV ;
- ladite couche supérieure à base d'un métal M est à base de molybdène et/ou de tungstène ;
- ladite couche supérieure à base d'un métal M a une épaisseur supérieure ou égale à 10nm, de préférence supérieure ou égale à 20nm et inférieure ou inférieure ou égale à 100nm, de préférence inférieure ou égale à 50nm ;
- la couche barrière à la sélénisation a une épaisseur supérieure ou égale à 3nm, de préférence supérieure ou égale à 5nm ;
- la couche principale à base de molybdène a une épaisseur inférieure ou égale à 400nm, par exemple inférieure ou égale à 300nm, par exemple inférieure ou égale à 250nm ;
- la couche principale à base de molybdène a une épaisseur supérieure ou égale à 40nm, de préférence supérieure ou égale à 150nm ;
- la couche principale à base de molybdène a une épaisseur uniforme, l'épaisseur restant de préférence dans un intervalle de +/-10% par rapport à une valeur moyenne ;
- le revêtement électrode a une résistance par carré inférieure ou égale à
2Ω/α, de préférence inférieure ou égale à 1 Ω/α ;
- ladite couche supérieure à base d'un métal M est formée directement sur la couche barrière à la sélénisation ;
- la couche barrière à la sélénisation est formée directement sur.la couche principale à base de molybdène ;
- le substrat porteur est dans un matériau contenant des alcalins, le substrat conducteur comprenant une ou plus couches barrières aux alcalins formées sur le substrat porteur et sous la couche principale à base de molybdène, la ou les couches barrières aux alcalins étant par exemple à base de l'un des matériaux choisis parmi : le nitrure, l'oxyde, l'oxynitrure ou l'oxycarbure de silicium, l'oxyde ou l'oxynitrure d'aluminium ;
- le substrat porteur est une feuille de verre.
L'invention a également pour objet un dispositif semi-conducteur comprenant un substrat porteur et un revêtement électrode formé sur le substrat porteur, le revêtement électrode comprenant :
- une couche principale à base de molybdène ;
- une couche barrière à la sélénisation formée sur la couche principale à base de molybdène ;
- une couche photoactive en un matériau semi-conducteur photoactif à base de chalcopyrite de cuivre et de sélénium et/ou de soufre, par exemple un matériau de type Cu(ln,Ga)(S,Se)2, notamment CIS ou CIGS, ou encore un matériau de type Cu2(Zn,Sn)(S,Se)4, la couche photoactive étant formée sur la couche barrière à la sélénisation ; et
- entre la couche barrière à la sélénisation et la couche photoactive, une couche de contact ohmique à base d'un composé de type sulfure et/ou séléniure d'un métal M.
Suivant des modes particuliers de réalisation, le dispositif semi-conducteur comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :
- le matériau de la couche de contact ohmique est un matériau semiconducteur de type p avec une concentration de porteurs de charge supérieure ou égale à 1016/cm3 et un travail de sortie supérieur ou égal à 4,5eV ;
- la couche de contact ohmique est à base d'un composé de type sulfure et/ou séléniure de molybdène et/ou de tungstène.
L'invention a encore pour objet une cellule photovoltaïque comprenant un dispositif semi-conducteur tel que décrit ci-dessus, et un revêtement électrode transparent formé sur la couche photoactive.
Un autre objet de l'invention est un module photovoltaïque comprenant une pluralité de cellules photovoltaïques reliées entre elles en série et toutes formées sur le même substrat, dans lequel les cellules photovoltaïques sont telles que décrites ci-dessus.
L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un substrat conducteur pour cellule photovoltaïque, comprenant des étapes consistant à :
- déposer une couche principale à base de molybdène sur un substrat porteur;
- déposer une couche barrière à la sélénisation sur la couche principale à base de molybdène ; et - déposer, sur la couche barrière à la sélénisation, une couche supérieure à base d'un métal M propre à former, après sulfuration et/ou sélénisation, une couche de contact ohmique avec un matériau semiconducteur photoactif ; et
- transformer la couche supérieure à base de métal M en un sulfure et/ou séléniure du métal M.
Suivant des modes particuliers de réalisation, le procédé présente l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles :
- le procédé comprend une étape de formation d'une couche photoactive par sélénisation et/ou sulfuration, sur ladite couche supérieure à base d'un métal M, l'étape de transformation de ladite couche supérieure à base d'un métal M étant réalisée avant ou pendant la formation de ladite couche photoactive, de préférence pendant ;
- après sulfuration et/ou sélénisation, ladite couche supérieure est à base d'un semi-conducteur de type p avec une concentration de porteurs de charge supérieure ou égale à 1016/cm3 et un travail de sortie supérieur ou égal à
4,5eV ;
- après sulfuration et/ou sélénisation, ladite couche supérieure est un composé à base de sulfure et/ou séléniure de molybdène et/ou de tungstène ;
- l'étape de formation de la couche photoactive comprenant une étape de sélénisation et/ou sulfuration à une température supérieure ou égale à 300°C.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un substrat conducteur ;
- la figure 2 est une vue schématique en coupe d'une cellule photovoltaïque comprenant un substrat conducteur selon la figure 1 ;
-les figures 3a et 3b sont des vues en coupe obtenues par microscopie électronique, la figure 3b représentant un dispositif semi-conducteur après traitement à haute température et haute pression partielle en sélénium et dont le substrat conducteur ne possédait à l'origine qu'une seule couche de molybdène tandis qu'il possédait en outre sur la figure 3a une couche barrière à la sélénisation, à base de TiON, et une couche supérieure de contact ohmique, à base de Mo ;
- la figure 4 est une image en coupe par microscopie électronique de la section d'un substrat conducteur amélioré;
- la figure 5 est une image analogue à celle de la figure 4 d'un dispositif semi-conducteur dans lequel une couche mince CIGSSe a été formée par sélénisation sur le substrat conducteur de la figure 4 ;
-les figures 6 et 7 illustrent l'efficacité de cellules utilisant des substrats conducteurs Si3N (140nm) / Mo avec différentes épaisseurs de Mo avec et sans couche barrière à la sélénisation ; et
-la figure 8 montre des résultats expérimentaux de tests de sélénisation tel que décrits ci-dessous.
Les dessins des figures 1 à 2 ne sont pas à l'échelle, pour une représentation claire, car les différences d'épaisseur entre notamment le substrat porteur et les couches déposées sont importantes, par exemple de l'ordre d'un facteur 500.
Sur la figure 1 est illustré un substrat conducteur 1 pour cellule photovoltaïque comprenant :
- un substrat porteur 2 en verre ;
- une couche barrière aux alcalins 4 formée sur le substrat 2 ; et
- un revêtement électrode 6 à base de molybdène formé sur la couche barrière aux alcalins 4.
On entend, dans tout le texte, par « une couche A formée (ou déposée) sur une couche B », une couche A formée soit directement sur la couche B et donc en contact avec la couche B, soit formée sur la couche B avec interposition d'une ou plusieurs couches entre la couche A et la couche B.
A noter qu'on entend dans tout le texte par « revêtement électrode », un revêtement d'amenée de courant comprenant au moins une couche électroniquement conductrice, c'est-à-dire dont la conductivité est assurée par la mobilité des électrons.
En outre, dans tout le texte, « comprend une couche » doit bien entendu s'entendre comme « comprend au moins une couche ».
Le revêtement électrode 6 illustré est constitué :
- d'une couche principale 8 à base de molybdène formée directement sur la couche barrière aux alcalins 4 ;
- d'une couche barrière à la sélénisation 10 formée directement sur la couche principale 8 à base de molybdène et de faible épaisseur ; et
- d'une couche supérieure 12 à base d'un métal M, formée directement sur la couche barrière à la sélénisation 10.
Un tel substrat conducteur 1 est destiné à la fabrication d'un matériau photoactif avec adjonction de sodium (il est connu que le sodium améliore les performances des matériaux photoactifs de type CIS ou CIGS). La couche barrière aux alcalins 4 empêche la migration des ions sodium depuis le substrat 2 en verre, pour un meilleur contrôle de l'adjonction de sodium dans le matériau photoactif.
Dans le cas où le substrat ne contient pas d'ions alcalins, la couche barrière aux alcalins 4 peut être omise.
Une autre technique de fabrication du matériau photoactif consiste à utiliser la migration des ions sodium depuis le substrat porteur en verre pour former le matériau photoactif. Dans ce cas, le substrat conducteur 1 ne possède pas de couche barrière aux alcalins 4 et la couche principale 8 de molybdène est par exemple formée directement sur le substrat porteur 2.
En variante également, le revêtement électrode 6 comprend une ou plusieurs couches intercalaires.
Ainsi, d'une manière générale, le substrat conducteur 1 comprend un substrat porteur 2 et un revêtement électrode 6 comprenant :
- une couche principale 8 à base de molybdène formée sur le substrat porteur 2 ;
- une couche barrière à la sélénisation 10 formée sur la couche principale 8 à base de molybdène ; et
- une couche supérieure 12 à base d'un métal M formée sur la couche barrière à la sélénisation 10.
Le métal M est propre à former, après sulfuration et/ou sélénisation, une couche de contact ohmique avec un matériau semi-conducteur photoactif, notamment avec un matériau semi-conducteur photoactif à base de chalcopyrite de cuivre et de sélénium et/ou de soufre par exemple un matériau photoactif de type Cu(ln,Ga)(S,Se)2, notamment CIS ou CIGS, ou encore un matériau de type Cu2(Zn,Sn)(S,Se)4. On entend par une couche de contact ohmique une couche d'un matériau tel que la caractéristique courant / tension du contact est non- rectifiante et linéaire.
De préférence, la couche supérieure 12 est la dernière couche supérieure du revêtement électrode 6, c'est-à-dire que le revêtement électrode 6 ne possède pas une autre couche au-dessus de la couche 12.
De préférence également, le revêtement électrode 6 comprend une seule couche principale 8 à base de molybdène, une seule couche barrière à la sélénisation 10, et une seule couche 12.
II est à noter qu'on entend, dans tout le texte, par « une seule couche », une couche d'un même matériau. Cette unique couche peut néanmoins être obtenue par la superposition de plusieurs couches d'un même matériau, entre lesquelles existe une interface qu'il est possible de caractériser, comme décrit dans WO-A-2009/080931 .
Typiquement, dans une enceinte de dépôt magnétron, plusieurs couches d'un même matériau seront formées successivement sur le substrat porteur par plusieurs cibles pour former au final une seule couche du même matériau, à savoir le molybdène.
A noter qu'on entend par le terme « à base de molybdène », un matériau composé d'une quantité substantielle de molybdène, c'est-à-dire soit un matériau constitué seulement de molybdène, soit un alliage comprenant majoritairement du molybdène, soit un composé comprenant majoritairement du molybdène mais avec une teneur en oxygène et/ou en azote, par exemple une teneur conduisant à une résistivité supérieure ou égale à 20 Ohm.cm.
La couche 12 est destinée à être intégralement transformée par sélénisation et/ou sulfuration en Mo(S,Se)2, lequel matériau n'est en revanche pas considéré comme un matériau « à base de molybdène » mais un matériau à base de disulfure de molybdène, de diséléniure de molybdène ou d'un mélange de disulfure et de diséléniure de molybdène.
De manière conventionnelle, la notation (S, Se) indique qu'il s'agit d'une combinaison de SxSei-x avec 0 < x≤ 1 .
Il est important de noter que le substrat illustré sur la figure 1 et décrit ci- dessus est un produit intermédiaire dans la fabrication d'un module photovoltaïque. Ce produit intermédiaire est ensuite transformé du fait du procédé de fabrication du matériau photoactif. Le substrat conducteur 1 décrit ci-dessus s'entend comme le produit intermédiaire avant transformation, lequel peut être stocké et acheminé vers d'autres sites de production pour la fabrication du module.
La couche supérieure 12, de façon à jouer son rôle de contact ohmique une fois transformée en Mo(S,Se)2, a par exemple une épaisseur supérieure ou égale à 10nm, et inférieure ou égale à 100nm, de préférence comprise entre 30nm et 50nm. Une épaisseur importante n'est pas nécessaire.
Ledit métal M est avantageusement à base de molybdène et/ou de tungstène.
Les composés de disulfure et/ou de diséléniure de molybdène Mo(S,Se)2 sont des matériaux dont l'efficacité comme couche de contact ohmique est prouvée. Le tungstène (W) est un matériau aux propriétés chimiques analogues. Il forme également des semi-conducteurs chalcogénides WS2 et WSe2. Mo(S,Se)2 et W(S,Se)2 peuvent tous deux être formés comme des semiconducteurs de type p avec un dopage de type p supérieur ou égal à 1016/cm3 et un travail de sortie d'environ 5ev. D'une manière générale, il peut s'agir d'un matériau à base d'un métal M propre à former un composé de type sulfure et/ou séléniure semi-conducteur de type p avec une concentration de porteurs de charge supérieure ou égale à 1016/cm3 et un travail de sortie supérieur ou égal à 4,5eV. Plus généralement encore, il s'agit d'un métal M de tout type apte à former, après sulfuration et/ou sélénisation, une couche de contact ohmique avec un matériau semi-conducteur photoactif, plus particulièrement avec un matériau photoactif à base de chalcopyrite de cuivre et de sélénium et/ou de soufre.
La couche barrière à la sélénisation 10 protège la couche principale 8 à base de molybdène d'une sélénisation et/ou sulfuration éventuelle. A noter qu'une couche protégeant de la sélénisation protège également de la sulfuration.
On entend par couche barrière à la sélénisation, une couche d'un matériau de tout type adapté pour empêcher ou réduire la sélénisation des couches couvertes par la couche barrière à la sélénisation lors du dépôt, sur la couche barrière à la sélénisation, de couches de matériaux semi-conducteurs formés par sélénisation et/ou sulfuration. La couche barrière à la sélénisation au sens de l'invention montre une efficacité prouvée même à une épaisseur de 3nm.
Un test possible pour savoir si un matériau est adapté ou non pour un rôle de barrière à la sélénisation est de comparer un échantillon avec et sans une couche de 5nm de ce matériau entre la couche supérieure 12 à base d'un métal M et la couche principale 8 et de faire subir une sélénisation aux échantillons, par exemple par chauffage à 520°C dans une atmosphère à 100% de sélénium. Si la sélénisation de la couche principale 8 est réduite ou empêchée et la couche supérieure 12 entièrement sélénisée, le matériau est efficace.
Le matériau de la couche barrière à la sélénisation 10 est par exemple à base d'un nitrure de métal tel que le nitrure de titane, le nitrure de molybdène, le nitrure de zirconium ou le nitrure de tantale, ou une combinaison de ces matériaux. Il peut également s'agir d'un oxynitrure.
D'une manière générale, il s'agit d'un matériau de tout type adapté pour protéger la couche principale 8 à base de molybdène d'une sélénisation ou sulfuration éventuelle.
Il peut également être à base d'un oxyde métallique tel que l'oxyde de molybdène, l'oxyde de titane ou un oxyde mixte de molybdène et de titane.
Les nitrures sont cependant préférés aux oxydes.
De façon préférée encore, il s'agit d'un matériau à base d'un oxynitrure métallique avec M choisi parmi le titane, le molybdène, le zirconium ou le tantale, et avec un teneur en oxygène x= O/(O+N) avec 0<x<1 , par exemple 0,05<x<0,95, par exemple 0,1 <x<0,9.
II est à noter que les nitrures, oxydes et oxynitrures ci-dessus peuvent être sous-stœchiométriques, stœchiométriques ou sur-stœchiométriques respectivement en azote et en oxygène.
En variante, il s'agit d'une couche à base de molybdène, plus précisément d'un composé à base de molybdène avec une teneur élevée en oxygène et/ou en azote. La teneur en oxygène et/ou en azote est par exemple suffisante si elle induit une résistivité supérieure ou égale à 20 Ohm.cm.
D'une manière générale, il s'agit donc d'une couche à base de molybdène avec une teneur élevée en oxygène et/ou en azote ou d'un matériau à base d'un nitrure, d'un oxyde ou d'un oxynitrure métallique adapté pour protéger la couche principale 8 à base de molybdène d'une sélénisation ou sulfuration éventuelle.
La couche barrière à la sélénisation 10 est de faible épaisseur. Elle a une épaisseur inférieure ou égale à 50nm, de préférence inférieure ou égale à 30nm, de préférence encore inférieure ou égale à 15nm.
Si la couche barrière à la sélénisation 10 est très fine, elle risque de ne plus avoir une influence significative. Elle a ainsi par exemple une épaisseur supérieure ou égale à 3nm, de préférence supérieure ou égale à 5nm. De façon surprenante, il s'est en effet avéré qu'une couche barrière à la sélénisation 10 d'une si faible épaisseur avait un effet significatif.
La couche barrière à la sélénisation 10 a une conductivité moindre que la couche principale 8 à base de molybdène. Elle a par exemple une résistivité comprise entre 200 Ohm.cm et 500 Ohm.cm dans le cas d'une couche à base d'une oxyde, nitrure ou oxynitrure métallique et une résistivité comprise entre 20 Ohm.cm et 50 Ohm.cm dans le cas d'un matériau à base de molybdène avec une teneur élevée en azote et/ou en oxygène.
Du fait de la faible épaisseur de la couche barrière à la sélénisation 10, une résistivité élevée ne nuit pas aux performances de la cellule, le courant électrique passant transversalement.
La couche barrière à la sélénisation 10 est en outre de préférence apte à limiter la diffusion arrière des ions sodium vers le substrat porteur 2, c'est-à-dire la diffusion des ions sodium depuis le dessus de la couche supérieure 12, à travers la couche supérieure 12 et vers le substrat porteur 2.
Cette propriété est avantageuse à plusieurs égards.
Elle fiabilise les procédé de fabrication consistant à ajouter des alcalins pour former le matériau photoactif, par exemple par dépôt de diséléniure de sodium sur la couche supérieure 12 du revêtement électrode 6 ou par adjonction de sodium pendant le dépôt du matériau photoactif, par exemple en utilisant des cibles contenant du sodium ou autres alcalins, comme décrit dans US-B-5 626 688.
La couche principale à base de molybdène 8 a une épaisseur suffisante pour que le revêtement électrode 6 ait, après un test de sélénisation tel que décrit ci-dessus, une résistance par carré inférieure ou égale à 2Ω/α, de préférence inférieure ou égale à 1 Ω/α. La présence de la couche supérieure 12 à base du métal M et de la couche barrière à la sélénisation 10 permet d'atteindre de telles performances.
Dans l'hypothèse d'un revêtement électrode 6 ne comprenant pas d'autres couches électroconductrices que la couche principale 8 à base de molybdène, la couche barrière à la sélénisation 10 et la couche supérieure 12 à base du métal M, la couche principale à base de molybdène 8, pour avoir un effet significatif, a de préférence une épaisseur supérieure ou égale à 40nm, de préférence supérieure ou égale à 150nm. Toutefois, la couche principale à base de molybdène 8 a par exemple une épaisseur inférieure ou égale à 400nm, par exemple inférieure ou égale à 300nm, par exemple inférieure ou égale à 250nm.
Diminuer l'épaisseur de la couche principale à base de molybdène 8 présente un avantage: permettre de déposer cette couche relativement fine par pulvérisation cathodique avec des paramètres de dépôt conduisant à une couche fortement contrainte, sans les problèmes de délamination que l'on peut rencontrer avec des couches épaisses.
La couche principale à base de molybdène 8 est par exemple constituée de molybdène, c'est-à-dire qu'elle comprend seulement du molybdène.
Le substrat porteur 2 et la couche barrière aux alcalins 4 vont maintenant être décrits.
Deux cas sont à distinguer. Le cas où une migration d'ions alcalins depuis le substrat est souhaitée pour doper la couche de matériau photoactif et le cas où cette migration n'est pas souhaitée.
Les substrats pourvus d'une ou plusieurs couches barrières aux alcalins 4 sont utilisés dans le deuxième cas notamment pour permettre d'utiliser comme substrat une feuille de verre de type silico-sodo-calcique obtenue par flottage, verre d'un coût relativement faible et qui présente toutes les qualités que l'on connaît à ce type de matériau, comme par exemple sa transparence, son imperméabilité à l'eau et sa dureté.
La teneur en ions alcalins du substrat 2 est dans ce cas un inconvénient que la couche barrière aux alcalins vient minimiser.
La couche barrière aux alcalins 4 est par exemple à base de l'un des matériaux choisis parmi : le nitrure, l'oxyde, l'oxynitrure ou l'oxycarbure de silicium, l'oxyde ou l'oxynitrure d'aluminium. En variante, toujours dans le deuxième cas, le substrat porteur 2 est une feuille d'un matériau de tout type adapté, par exemple un verre à base de silice ne contenant pas d'alcalins, tels que les verres borosilicatés, ou en matière plastique, ou même en métal.
Dans le premier cas, le substrat porteur 2 est de tout type adapté et contient des alcalins, par exemple des ions sodium et potassium. Le substrat est par exemple un verre silico-sodo-calcique. La couche barrière aux alcalins est absente.
Dans les deux cas, le substrat porteur 2 est destiné à servir de contact arrière dans le module photovoltaïque et ne nécessite pas d'être transparent.
La feuille constituant le substrat porteur 2 peut être plane ou bombée, et présenter tout type de dimensions, notamment au moins une dimension supérieure à 1 mètre.
L'invention a également pour objet un procédé de fabrication du substrat conducteur 1 décrit ci-dessus.
Le procédé comprend des étapes consistant à :
- déposer la couche principale 8 base de molybdène sur le substrat porteur 2 , avec dépôt éventuel préalable de la couche barrière aux alcalins 4;
- déposer la couche barrière à la sélénisation 10 sur la couche principale 8 à base de molybdène, par exemple directement dessus ;
- déposer la couche supérieure 12 à base du métal M sur la couche barrière à la sélénisation 10 ; et
- transformer ladite couche à base de métal M en un sulfure et/ou séléniure du métal M. Cette étape de transformation peut être une étape séparée avant la formation la couche semi-conductrice CIS, CGS ou CZTS ou une étape réalisée pendant la sélénisation et/ou sulfuration de la couche semi- conductrice CIS, CGS ou CZTS, que cette sélénisation et/ou sulfuration soit réalisée pendant le dépôt de ladite couche semi-conductrice ou après le dépôt de composants métalliques dits précurseurs de la couche semi-conductrice.
Le dépôt des différentes couches est par exemple réalisé par pulvérisation cathodique assistée par magnétron mais il s'agit en variante d'un autre procédé de tout type adapté.
L'invention a également pour objet un dispositif semi-conducteur 20 (figure 2) utilisant le substrat conducteur 1 décrit ci-dessus pour y former une ou plusieurs couches photoactives 22, 24.
La première couche photoactive 22 est typiquement une couche dopée de type p, par exemple à base de chalcopyrite de cuivre Cu, d'indium In, et de sélénium Se et/ou de soufre S. Il peut s'agir, par exemple, comme expliqué précédemment, de CIS, CIGS ou CZTS.
La deuxième couche photoactive 24 est dopée de type n et dite tampon. Elle est par exemple composée de CdS (sulfure de cadmium) et formée directement sur la première couche photoactive 22.
En variante, la couche tampon 24 est par exemple à base de lnxSy, Zn(O,S), ou ZnMgO ou dans un autre matériau de tout type adapté. En variante également, la cellule ne comprend pas de couche tampon, la première couche photoactive 22 pouvant elle-même former une homojonction p-n.
D'une manière générale, la première couche photoactive 22 est une couche de type p ou à homojonction p-n obtenue par addition d'éléments alcalins.
Le dépôt de la couche photoactive comprend des étapes de sélénisation et/ou de sulfuration, comme expliqué plus en détail ci-dessous. Le dépôt peut être réalisé par évaporation des éléments Cu, In, Ga et Se (ou Cu, Sn, Zn, S). Lors de ces étapes de sélénisation et/ou de sulfuration, la couche supérieure 12 à base du métal M est transformée en une couche 12' à base de M(S,Se)2. Cette transformation concerne par exemple l'intégralité de la couche supérieure 12.
Le dispositif semi-conducteur 20 comprend donc :
- le substrat porteur 2 et le revêtement électrode 6' formé sur le substrat porteur 2 et dont la couche supérieure 12' a été transformée.
Le revêtement électrode 6' comprend :
- la couche principale 8 à base de molybdène ;
- la couche barrière à la sélénisation 10 formée sur la couche principale à base de molybdène 8 ; et
- la couche supérieure 12' de contact ohmique, à base de M(S,Se)2, formée sur la couche barrière à la sélénisation 10. Sur la couche de contact ohmique 12' et en contact avec celle-ci, le dispositif semi-conducteur comprend la ou les couches semi-conductrices photoactives 14, 16.
L'invention a également pour objet une cellule photovoltaïque 30 comprenant un dispositif semi-conducteur 20 tel que décrit ci-dessus.
La cellule comprend par exemple, comme illustré sur la figure 2 :
- le dispositif semi-conducteur 20 formé par les couches 8, 10, 12', 22 et
24 ;
- un revêtement électrode transparent 32, par exemple en ZnO :AI, formé sur la première couche photoactive 22, et sur la couche tampon 24 en cas de présence de cette dernière, avec interposition éventuelle entre le revêtement électrode transparent 32 et le dispositif semi-conducteur 20 d'une couche passivante 34, par exemple de ZnO intrinsèque ou de ZnMgO intrinsèque.
Le revêtement électrode transparent 32 comprend en variante une couche d'oxyde de zinc dopée avec du gallium, ou du bore, ou encore une couche d'ITO.
D'une manière générale, il s'agit d'un matériau conducteur transparent (TCO) de tout type adapté.
Pour une bonne connexion électrique et une bonne conductance, une grille métallique (non représentée sur la figure 2) est ensuite optionnellement déposée sur le revêtement électrode transparent 32, par exemple à travers un masque, par exemple par faisceau d'électrons. Il s'agit par exemple d'une grille de Al (aluminium) par exemple d'environ 2μηη d'épaisseur sur laquelle est déposée une grille de Ni (nickel) par exemple d'environ 50nm d'épaisseur pour protéger la couche de Al.
La cellule 30 est ensuite protégée des agressions extérieures. Elle comprend par exemple à cet effet un contre-substrat (non représenté) couvrant le revêtement électrode avant 32 et feuilleté au substrat porteur 2 par l'intermédiaire d'un intercalaire de feuilletage (non représenté) en matière thermoplastique. Il s'agit par exemple d'une feuille en EVA, PU ou PVB.
L'invention a également pour objet un module photovoltaïque comprenant plusieurs cellules photovoltaïques formées sur le même substrat 2, reliées en série entre elles et obtenues par margeage des couches du dispositif semi-conducteur 20.
L'invention a encore pour objet un procédé de fabrication du dispositif semi-conducteur 20 et de la cellule photovoltaïque 30 ci-dessus, lequel procédé comprend une étape de formation d'une couche photoactive par sélénisation et/ou sulfuration. Il existe de nombreux procédés connus de fabrication d'une couche photoactive de type Cu(ln,Ga)(S,Se)2. La couche photoactive 22 est par exemple une couche de CIGS formée de la façon suivante.
Dans une première étape, les précurseurs de la couche sont déposés sur le revêtement électrode 6.
Un empilement métallique composé d'une alternance de couches de type CuGa et In est par exemple déposé par pulvérisation cathodique magnétron à température ambiante, sur le revêtement électrode 6. Une couche de sélénium est ensuite déposée à température ambiante directement sur l'empilement métallique, par exemple par évaporation thermique.
En variante, l'empilement métallique a par exemple une structure multicouches de type Cu/ln/Ga/Cu/ln/Ga
Dans une deuxième étape, le substrat subit un traitement de chauffage à haute température dit RTP (« Rapid Thermal Process, RTP » en anglais), par exemple à environ 520°C dans une atmosphère composée par exemple de soufre gazeux, par exemple à base de S ou de H2S, formant ainsi une couche de CulnxGai-x(S,Se)2.
Un avantage de ce procédé est qu'il ne nécessite pas une source externe de vapeur de sélénium. La perte d'une partie du sélénium pendant le chauffage est compensé par un dépôt en excès de sélénium sur l'empilement métallique. Le sélénium nécessaire à la sélénisation est fourni par la couche de sélénium déposée.
En variante, la sélénisation est obtenue sans le dépôt d'une couche de sélénium mais par une atmosphère contenant du sélénium gazeux, par exemple à base de Se ou de H2Se, préalablement à l'exposition à une atmosphère riche en soufre.
L'étape de sulfuration permet de s'abstenir éventuellement d'une couche tampon par exemple de CdS.
Comme expliqué ci-dessus, il peut être avantageux de procéder à un dépôt d'une couche à base d'alcalins, par exemple de sodium, pour un dosage précis du sodium dans la couche photoactive.
Préalablement au dépôt de l'empilement métallique CuGa et In, les alcalins sont par exemple introduits par le dépôt, sur la couche sacrificielle 12 à base de molybdène, d'une couche de séléniure de sodium ou d'un composé contenant du sodium de façon à introduire par exemple de l'ordre de 2.1015 atomes de sodium par cm2. L'empilement métallique est déposé directement sur cette couche de séléniure de sodium.
A noter qu'il existe de nombreuses variantes possibles pour former les couches de CI(G)S ou CZTS, lesquelles incluent par exemple la coévaporation des éléments mentionnée plus haut, le dépôt par vapeur chimique, le dépôt électrochimique de métaux, séléniures ou chalcopyrites, la pulvérisation réactive de métaux ou séléniures en présence de H2Se ou H2S.
D'une manière générale, le procédé de fabrication de la couche photoactive 22 est de tout type adapté.
Tous les procédés de fabrication de couches de type CIS ou CZTS utilisent une étape de chauffage à haute température en présence de sélénium et/ou de soufre à l'état de vapeur ou à l'état liquide.
EXEMPLES ET RESULTATS
Les performances de cellules photovoltaïques incorporant différents revêtements électrodes à base de molybdène ont été testées avec succès.
Dans tous les exemples, un substrat porteur 2 en verre silico-sodo- calcique d'une épaisseur de 3mm a été utilisé, avec une couche barrière aux alcalins constituée de Si3N et d'une épaisseur de 140nm déposée directement sur le substrat porteur 2 en verre.
Les cellules photovoltaïques ont été produites par formation de Cu(ln,Ga)(S,Se)2 en deux étapes. Un empilement précurseur contenant Cu, Ga, In et Na a été déposé par pulvérisation magnétron de la façon décrite ci- dessus.
Une couche de sélénium a ensuite été déposée par évaporation thermique.
L'empilement précurseur a ensuite été transformé en Cu(ln,Ga)(S,Se)2 par procédé de chauffage rapide RTP dans une atmosphère contenant du soufre.
Une couche 24 de CdS a ensuite été déposée, suivie par une couche 32 de ZnO:AI. Des cellules photovoltaïques avec une surface d'ouverture de 1 ,4cm2 ont été produites par le dépôt d'un grille sur la couche de ZnO :AI. Des modules de 30x30cm ont été fabriqués par interconnexion monolithique.
Les figures 3a et 3nb illustrent l'effet de la couche barrière à la sélénisation. Figure 3b : en raison d'une haute température et d'une pression partielle en sélénium élevée, l'épaisseur du composé Mo(S,Se)2 formé est de plusieurs centaines de nanomètres, laissant seulement une très fine épaisseur de Mo métallique. Figure 3a : la couche barrière à la sélénisation empêche la sélénisation de la couche de molybdène qu'elle protège.
De la même façon, la figure 4 est une image de microscopie électronique montrant un substrat en verre de 3mm, une couche barrière aux alcalins à base en nitrure de silicium, de 130nm, une couche de nitrure de titane de 30nm et une couche de 25nm de molybdène, avant traitement. La figure 5 montre quant à elle le même substrat que sur la figure 4 après dépôt de la couche photoactive et sélénisation. L'épaisseur totale de l'électrode arrière, incluant la couche de Mo(S,Se)2 et la couche barrière à la sélénisation varie entre 460nm et 480nm, l'épaisseur de la couche de Mo(S,Se)2 variant quant à elle entre 70nm et 80nm.
Les figures 6 et 7 illustrent le coefficient de conversion énergétique obtenu en fonction des différents substrats conducteurs utilisés.
La figure 6 présente des résultats d'expérience obtenus pour des cellules photovoltaïques différant entre elles par l'épaisseur de la couche barrière à la sélénisation, en TiON ou MoON (exemples 1 à 6), et comparant ces résultats à une cellule photovoltaïque avec substrat conducteur sans couche barrière à la sélénisation et couche de molybdène épaisse (exemple 7).
Le rendement de la cellule est en ordonnées en %.
Les exemples ne diffèrent que par le revêtement électrode arrière 6 à base de molybdène.
exemple 1 (MoON 05) : verre (3mm) / Si3N4 (140nm) / Mo (200nm) / MoON (5nm) / Mo (30nm),
exemple 2 (MoON 15) : verre (3mm) / Si3N4 (140nm) / Mo (200nm) /
MoON (15nm) / Mo (30nm),
exemple 3 (MoON 30) : verre (3mm) / Si3N4 (140nm) / Mo (200nm) / MoON (30nm) / Mo (30nm),
exemple 4 (TiON 05) : verre (3mm) / Si3N4 (140nm) / Mo (200nm) / TiON (5nm) / Mo (30nm),
exemple 5 (TiON 15) : verre (3mm) / Si3N4 (140nm) / Mo (200nm) / TiON (15nm) / Mo (30nm),
exemple 6 (TiON 30) : verre (3mm) / Si3N4 (140nm) / Mo (200nm) / TiON (30nm) / Mo (30nm),
exemple 7 (V1209) : verre (3mm) / Si3N4 (140nm) / Mo (425nm)
Les exemples 1 à 6 montrent un avantage à utiliser une couche barrière à base de TiON plutôt qu'une couche barrière à base de MoON.
A noter qu'on entend par TiON ou MoON un oxynitrure avec 0<x<1 , x=O/(O+N), O et N étant bien entendu les proportions atomiques.
De meilleurs résultats ont été obtenus avec une épaisseur de 5nm dans le cas du MoON.
Dans le cas du TiON, l'optimum d'épaisseur est d'environ 15nm.
La comparaison des résultats des exemples 1 à 6 avec l'exemple 7 montre en outre qu'il est possible d'obtenir des performances équivalentes avec des revêtements électrode ne combinant que 230nm de Mo, soit 195nm de moins que dans l'exemple 7, soit une économie substantielle de matériau.
La figure 7 illustre le même type de résultats que la figure 4 (i.e. rendement énergétique en %) mais pour des modules complets composés de quarante cellules chacun et utilisant des substrats conducteurs standards verre / Si3N (140nm) / Mo avec différentes épaisseurs de Mo :
exemple 8 ΠΊΟΝ10) : verre (3mm) / Si3N4 (140nm) / Mo (350nm) / TiON (10nm) / Mo (30nm),
exemple 9 (ΤΊΟΝ30) : verre (3mm) / Si3N4 (140nm) / Mo (350nm) / TiON (30nm) / Mo (30nm),
exemple 10 (V1209) : verre (3mm) / Si3N4 (140nm) / Mo (425nm).
Deux rounds d'expérience ont été réalisés (3919 et 3920).
Une épaisseur plus importante de molybdène a été choisie en raison du margeage réalisé pour définir les différentes cellules. Malgré une épaisseur totale de molybdène inférieure de 45nm par rapport au module de référence, les modules présentent des performances qui sont équivalentes.
La figure 8 illustre les résultats de tests de sélénisation de différents revêtements électrodes. L'épaisseur du revêtement électrode sur laquelle le revêtement électrode a été sélénisé est représentée en ordonnées. Pour ces tests, les revêtements électrodes ont été recuits à 520°C dans une atmosphère contenant du sélénium. Les échantillons suivants ont été analysés :
exemple 1 1 (MoON 05) : verre (3mm) / Si3N4 (140nm) / Mo (200nm) / MoON (5nm) / Mo (30nm),
exemple 12 (MoON 15) : verre (3mm) / Si3N4 (140nm) / Mo (200nm) / MoON (15nm) / Mo (30nm),
exemple 13 (MoON 30) : verre (3mm) / Si3N4 (140nm) / Mo (200nm) / MoON (30nm) / Mo (30nm),
exemple 14 (TiON 05) : verre (3mm) / Si3N4 (140nm) / Mo (200nm) / TiON (5nm) / Mo (30nm),
exemple 15 (TiON 15) : verre (3mm) / Si3N4 (140nm) / Mo (200nm) /
TiON (15nm) / Mo (30nm),
exemple 16 (TiON 30) : verre (3mm) / Si3N4 (140nm) / Mo (200nm) / TiON (30nm) / Mo (30nm),
exemple 17 (V1209) : verre (3mm) / Si3N4 (140nm) / Mo (425nm) Comme l'illustre la figure 8, une couche barrière à la sélénisation, même de 5nm, que le matériau soit TiON ou MoON, a un effet de protection contre la sélénisation de la couche principale 8 à base de molybdène. Dans tous les exemples, la couche supérieure 12 à base de molybdène a été complètement transformée en MoSe2.

Claims

REVENDICATIONS
1. Substrat conducteur (1 ) pour cellule photovoltaïque, comprenant un substrat porteur (2) et un revêtement électrode (6) formé sur le substrat porteur
(2), dans lequel le revêtement électrode (6) comprend :
- une couche principale (8) à base de molybdène formée sur le substrat porteur (2) ;
- une couche barrière à la sélénisation (10) formée sur la couche principale (8) à base de molybdène, la couche barrière à la sélénisation (10) ayant une épaisseur inférieure ou égale à 50nm, de préférence inférieure ou égale à 30nm, de préférence encore inférieure ou égale à 20nm ; et
- sur la couche barrière à la sélénisation (10), une couche supérieure (12) à base d'un métal M propre à former, après sulfuration et/ou sélénisation, une couche de contact ohmique avec un matériau semi-conducteur photoactif.
2. Substrat conducteur (1 ) selon la revendication 1 , dans lequel la couche barrière à la sélénisation (10) est à base d'un nitrure ou d'un oxynitrure métallique avec le métal M choisi parmi le titane, le molybdène, le zirconium ou le tantale et une teneur en oxygène x=O/(O+N) avec x= 0 ou 0<x<1 .
3. Substrat conducteur (1 ) selon la revendication 2, dans lequel la couche barrière à la sélénisation (10) est à base d'un oxynitrure métallique avec le métal M choisi parmi le titane, le molybdène, le zirconium ou le tantale et une teneur en oxygène x=O/(O+N) avec 0<x<1 , par exemple 0,05<x<0,95, par exemple 0,1 <x<0,9.
4. Substrat conducteur (1 ) selon la revendication 1 , dans lequel la couche barrière à la sélénisation (10) est un composé à base de molybdène avec une teneur élevée en oxygène et/ou en azote.
5. Substrat conducteur (1 ) selon la revendication 4, dans lequel la couche barrière à la sélénisation (10) a une résistivité comprise entre 20MOhm.cm et 50MOhm.cm.
6. Substrat conducteur (1 ) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit métal M est propre à former un composé de type sulfure et/ou séléniure semi-conducteur de type p avec une concentration de porteurs de charge supérieure ou égale à 1016/cm3 et un travail de sortie supérieur ou égal à 4,5eV.
7. Substrat conducteur (1 ) selon la revendication précédente, dans lequel ladite couche supérieure à base d'un métal M est à base de molybdène et/ou de tungstène.
8. Dispositif semi-conducteur (20) comprenant un substrat porteur (2) et un revêtement électrode (6') formé sur le substrat porteur (2), le revêtement électrode (6') comprenant :
- une couche principale (8) à base de molybdène ;
- une couche barrière à la sélénisation (10) formée sur la couche principale (8) à base de molybdène ;
- une couche photoactive (22) en un matériau semi-conducteur photoactif à base de chalcopyrite de cuivre et de sélénium et/ou de soufre, par exemple un matériau de type Cu(ln,Ga)(S,Se)2, notamment CIS ou CIGS, ou encore un matériau de type Cu2(Zn,Sn)(S,Se)4, la couche photoactive (22) étant formée sur la couche barrière à la sélénisation (10) ; et
- entre la couche barrière à la sélénisation (10) et la couche photoactive (22), une couche de contact ohmique (12') à base d'un composé de type sulfure et/ou séléniure d'un métal M.
9. Dispositif semi-conducteur (20) selon la revendication précédente, dans lequel le matériau de la couche de contact ohmique (12') est un matériau semi-conducteur de type p avec une concentration de porteurs de charge supérieure ou égale à 1016/cm3 et un travail de sortie supérieur ou égal à 4,5eV.
10. Dispositif semi-conducteur (20) selon la revendication précédente, dans lequel la couche de contact ohmique (12') est à base d'un composé de type sulfure et/ou séléniure de molybdène et/ou de tungstène.
11. Cellule photovoltaïque (30) comprenant un dispositif semi-conducteur (20) selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, et un revêtement électrode transparent (32) formé sur la couche photoactive (22).
12. Procédé de fabrication d'un substrat conducteur (1 ) pour cellule photovoltaïque (30), comprenant des étapes consistant à :
- déposer une couche principale (8) à base de molybdène sur un substrat porteur (2);
- déposer une couche barrière à la sélénisation (10) sur la couche principale (8) à base de molybdène ; et - déposer, sur la couche barrière à la sélénisation (10), une couche supérieure (12) à base d'un métal M propre à former, après sulfuration et/ou sélénisation, une couche de contact ohmique avec un matériau semiconducteur photoactif ; et
- transformer la couche supérieure (12) à base de métal M en un sulfure et/ou séléniure du métal M.
13. Procédé de fabrication selon la revendication 12, comprenant une étape de formation d'une couche photoactive (22) par sélénisation et/ou sulfuration, sur ladite couche supérieure (12) à base d'un métal M, l'étape de transformation de ladite couche supérieure à base d'un métal M (12) étant réalisée avant ou pendant la formation de ladite couche photoactive (22), de préférence pendant.
14. Procédé de fabrication selon la revendication 12 ou 13, dans lequel, après sulfuration et/ou sélénisation, ladite couche supérieure (12) est à base d'un semi-conducteur de type p avec une concentration de porteurs de charge supérieure ou égale à 1016/cm3 et un travail de sortie supérieur ou égal à 4,5eV.
15. Procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, dans lequel l'étape de formation de la couche photoactive (22) comprenant une étape de sélénisation et/ou sulfuration à une température supérieure ou égale à 300°C.
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