Cellules monocristallines

Pour passer de l’étape précédente, silicium pur à environ 99.999 % polycristallin, à un matériau monocristallin utilisable pour les com-posants électroniques, on utilise une troisième étape également gourmande en énergie, le procédé Czochralski.

Le polycristal est fondu dans un creuset avec un peu de dopant, par exemple du bore pour obtenir un matériau de base de type p ; au sommet de ce bain, on place une bouture de silicium monocristallin dans l’orientation précise que l’on veut obtenir et l’on fait croître le cristal sous la bouture en tirant, tournant et contrôlant très précisé-ment la température. On fait croître ainsi dans la même orientation que la bouture des cristaux de 1 à 2 mètres de long et jusqu’à 30 cm de diamètre. Pour obtenir des tranches de silicium (wafers) d’environ 200 à 400 µm, épaisseur utilisable, il faut ensuite couper le matériau avec une scie diamantée, ce qui perd encore à peu près la moitié de la matière. On voit donc que le procédé total a un rendement en matière faible (15 à 20%) et qu’il est très gourmand en énergie.

Les étapes suivantes de fabrication de la cellule seront :

– le décapage de la surface pour éliminer les défauts de sciage (par Extraction du silicium

Purification du silicium

Cristallisation du silicium

ex. soude caustique à 40 % et 120°C), on essaie en général d’obtenir une surface texturée en petites pyramides pour améliorer la collection de la lumière dans toutes les directions ;

– une diffusion de phosphore pour réaliser la jonction (phosphine, 20 minutes à 900° C), ce dopage va contrebalancer le dopage ini-tial p de la matière pour obtenir une couche n + en surface et n à la jonction ;

– un décapage de l’arrière et des côtés pour éliminer le phosphore amené partout lors de la diffusion mais non désiré ;

– un dopage de l’arrière avec de l’aluminium (sérigraphie et cuis-son), ce qui crée une diffusion p+ et une surface améliorant la col-lection des porteurs ; on appelle cette couche champ de surface arrière (BSF, back surface field), ce qui n’est pas tout à fait appro-prié, le dopage ne changeant pas de polarité mais seulement de concentration. Les photons de grande longueur d’onde (rouges) générant des porteurs dans cette zone améliorent le courant de la cellule mais surtout la surface à faible taux de recombinaisons aug-mente la tension ouverte et donc le rendement de la cellule ; – le dépôt d’une couche antireflets sur l’avant (sérigraphie de TiO₂

ou Ta2O5par exemple) et cuisson ;

– le dépôt de la grille de métallisation avant (pâte d’argent sérigra-phiée) et cuisson ;

– le dépôt d’un métal soudable sur l’arrière (pâte d’argent sérigra-phiée) et cuisson ;

– le test et tri de toutes les cellules fabriquées.

La figure 3.10 montre en coupe (échelles non respectées) une cellule au silicium monocristallin.

Figure 3.10

Cellule au Si monocristallin 1 Grille de métallisation avant 2 Couche antireflets

3 Surface avant dopée n et texturée

3-4 Jonction et champ électrique 4 Substrat p

4-5 BSF, « champ » arrière 5 Dopage p+

6 Métallisation d’aluminium 7 Métallisation soudable

On voit donc que cette fabrication comprend beaucoup d’étapes et qu’elle va de nouveau consommer passablement d’énergie pour tous les traitements thermiques à des températures souvent entre 400 et 900° C. La tendance actuelle est de réaliser des chaînes de fabri-cation à procédés si possible secs pour éviter les manipulations de wafers telles que par exemple un transfert de cassette (décapage en milieu liquide) à une sérigraphie. Les différents traitements ther-miques, et même parfois la diffusion, se font dans des fours à bande et le procédé peut être continu sans stock intermédiaire, ce qui faci-lite son automatisation. Une autre tendance est de scier toujours plus

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fin, 100 µm étant suffisant pour capter tout le spectre reçu sur terre, certains constructeurs essaient de traiter des wafers de 130 à 180 µm, mais cette épaisseur est actuellement un minimum pour limiter la casse lors de manipulations et de chocs thermiques éventuels. Pour économiser de la matière, de nouvelles scies utilisent un fil très fin portant une poussière de diamant pour la coupe et permettant de perdre seulement 200 µm de matière.

La cellule au silicium monocristallin (couramment disponible sur le marché) atteint actuellement les rendements les plus élevés : certains constructeurs multiplient les procédés sophistiqués : diffusion très proche de la surface avant pour améliorer la collection des photons de petite longueur d’onde (photons très énergétiques et pénétrant peu dans le silicium), métallisation avant extrêmement fine déposée au fond d’une gorge gravée au laser, 2 couches antireflets, pour atteindre jusqu’à 17 % de rendement. Mais la majorité des panneaux monocristallins sur le marché (en 1994) atteignent environ 13 à 14 % de rendement. Le rendement théorique maximal dépend du spectre lumineux reçu et du gap du semi-conducteur : pour le silicium où il vaut 1.12 eV à 300 K, seuls les photons de longueur d’onde inférieure à 1.1 µm généreront donc des porteurs et même si son énergie est supérieure au gap, chaque photon générera seulement une paire de porteurs, l’excédent d’énergie étant dissipé en chaleur. En tenant compte de tous ces facteurs, le rendement théorique maximal est environ de 22 % pour le silicium cristallin. La figure 3.11 montre la portion de spectre générant effectivement du courant dans une cel-lule au silicium. On remarque que toute la lumière visible est utile, de même que le proche infrarouge et l’ultraviolet. Dans l’espace, le rendement théorique sera plus élevé, la proportion d’ultraviolet étant plus importante.

Les facteurs qui limitent encore le rendement sont :

– les pertes par réflexion que l’on peut limiter à 4 % avec les effets d’une couche antireflets d’indice de réfraction de 2.3 et d’une encapsulation de verre (indice 1.5) ;

– les pertes par recombinaison : les porteurs générés par l’effet pho-tovoltaïque se recombinent parfois localement au lieu d’être sépa-rés par le champ électrique de la jonction, ceci arrive spécialement aux porteurs générés en profondeur ou en surface du wafer où les défauts sont plus denses et la présence d’impuretés plus impor-tante, ce qui crée des centres de recombinaison. Des porteurs sépa-rés par le champ électrique peuvent également être recombinés durant leur trajet vers une métallisation. La pureté du silicium, la distance de la jonction de la face avant, la qualité du BSF et la qua-lité du traitement de la surface jouent un rôle très important ; – les pertes dues à l’ombre de la grille de métallisation frontale : on

optimise la largeur et l’épaisseur de la grille, sa forme et sa den-sité vis-à-vis de la résistance surfacique du silicium pour obtenir le meilleur rendement ;

– les pertes ohmiques des métallisations avant et arrière et du maté-riau (Rs) ainsi que les pertes parallèles (Rp) ;

– les pertes dues à l’augmentation de température du matériau au soleil.

Rendement des cellules

Pertes de rendement