Conclusion

Ce chapitre avait pour objectif de décrire la métallisation en face avant des cellules photovoltaïques

industrielles. Pour résumer, un bon contact peut être défini par quatre figures de mérite qui sont les

ré-sistivités de ligne ρ

_l

et de contact ρ

_c

, la résistance shunt R

_{S h}

et son ratio hauteur/largeur AR. À l’échelle

industrielle, l’optimisation de ces dernières est généralement réalisée grâce à un procédé standard. Une

pâte composée d’argent et de fritte de verre est d’abord déposée par sérigraphie. Par la suite, la cellule est

recuite à haute température pour permettre la gravure de la couche antireflet et la formation les contacts

finaux. De nombreux travaux ont permis de comprendre comment la microstructure résultante était créée et

quelles étaient ses conséquences sur l’extraction du courant photogénéré. Bien que simple dans son

prin-cipe, la métallisation des cellules industrielles se révèle être relativement complexe. Ainsi, l’optimisation

de cette étape dépend de nombreux paramètres comme le résume la figure II.18 page 71. La plupart des

travaux sur le sujet ont concerné l’impact de ces derniers sur les propriétés électriques des contact car ce

sont souvent celles-ci qui dictent le choix d’une pâte à l’échelle industrielle. Au contraire, peu d’études ont

concerné l’obtention d’un fort ratio AR. Les principaux facteurs permettant de jouer sur celui-ci sont les

propriétés rhéologiques de la pâte et le choix des paramètres d’impression. C’est également ces derniers qui

apparaissent prédominants pour réduire la consommation de pâte.

La dernière section de ce chapitre a montré qu’il était nécessaire de s’affranchir de ce procédé à plus ou

moins long terme. En comparaison des contacts déposés sur les cellules à haut rendement, ceux des cellules

industrielles induisent de nombreuses pertes. D’un point de vue économique l’utilisation d’argent dans les

pâtes a également de fortes conséquences. Plusieurs alternatives ont vu le jour ces dernières années. Trois

d’entre elles commencent déjà à intégrer les usines de production. Elles sont dérivées de la sérigraphie

et elles se concentrent sur l’augmentation du ratio AR des contacts. Néanmoins, il faut souligner qu’à

l’heure actuelle, aucune ne s’est vraiment imposée sur le marché et que ces solutions ne permettent pas

de s’affranchir des pâtes à base d’argent.

Enfin, c’est le concept double couche qui a été présenté. Grâce à ce dernier, il est possible de jouer

sur les autres figures de mérite de la métallisation, mais aussi de séparer leur optimisation dans le temps.

Alors que le premier dépôt est destiné à améliorer mécaniquement et électriquement la prise de contact,

le second permet de réduire la résistivité de ligne et d’augmenter le ratioAR. De l’argent ou l’empilement

nickel/cuivre/étain peuvent jouer le rôle de couche électrode. Celle-ci est réalisée par LIP dans la majorité

des cas. A l’inverse, plusieurs solutions existent pour déposer la couche d’accroche. À l’heure actuelle,

toutes sont encore en développement, mais des pilotes sont déjà commercialisés pour le procédé jet d’encre

et l’aérosol. La meilleure solution pour s’affranchir des limitations technologiques et économiques des

contacts actuels reste de remplacer l’argent par du cuivre et la couche d’accroche par un silicide de nickel.

Néanmoins, ce procédé n’est pas encore prêt et son industrialisation devrait se faire par étapes.

Formulation des problématiques

Suite à cette étude bibliographique, le plan de thèse suivra les deux axes de travail suivants :

❐ Étude de la sérigraphie à l’échelle industrielle:

Après le choix de la pâte qui est souvent régi par les propriétés électriques des contacts, il est

néces-saire de maximiser leur ratio hauteur/largeur et de limiter la quantité d’argent déposée. Ces aspects

n’ont été que peu étudiés. Cependant, ils apparaissent de plus en plus importants à cause de

l’aug-mentation du prix de l’argent et de l’hégémonie du procédé standard qui devrait perdurer durant la

prochaine décennie

[2]

. L’objectif est d’étudier l’influence des propriétés rhéologiques des pâtes

d’ar-gent et des principaux paramètres du procédé sur les caractéristiques des impressions.

❐ Développement de la flexographie pour le concept double couche:

Bien que des pilotes existent pour les procédés jet d’encre et aérosol, ce schéma de métallisation a du

mal à intégrer les lignes de production. Au contraire, la flexographie semble répondre aux contraintes

de l’industrie photovoltaïque. Dans des secteurs tels que la production d’emballage, elle a déjà

dé-montré sa fiabilité et sa robustesse pour imprimer de faibles volumes d’encre sur des substrats fragiles

et irréguliers à une vitesse d’impression de plusieurs mètres par seconde. Lorenz et al.

[250]

ont

récem-ment montré que grâce à sa haute cadence de production, le CoO de la métallisation des cellules

pouvait être considérablement réduit, jusqu’à 30 % si la flexographie est utilisée pour déposer à la

fois l’aluminium sur la face arrière et la couche d’accroche sur la face avant (suivi d’un

épaississe-ment avec l’empileépaississe-ment nickel/cuivre/argent). Pourtant, ce procédé n’a été que peu étudié. Aucune

étude ne rapportait son utilisation au début de cette thèse. L’objectif est d’étudier et d’adapter les

paramètres de la flexographie pour déposer une couche d’accroche de moins de 50µm de large qui

puisse être épaissie par LIP par la suite. Pour valider la faisabilité du concept, c’est de l’argent qui a

été choisi pour servir de couche électrode.

Chapitre

III

Matériel et méthodes expérimentales

III.1. Description des matériaux utilisés

III.1.1 Les cellules bleues

Les cellules utilisées dans le cadre de cette étude ont été fournies par MPO-Energy. Comme le montre la

figure III.1, ces dernières ont été fabriquées selon le procédé standard (voir la section I.3 page 21) à partir de

wafers bruts de silicium monocristallin (CZ-Si) de 15,6_×15,6 cm

2

de forme pseudo-carrée (surfaceS

_cpv

=

239 cm

2

) et d’une épaisseur de 190µm. Ils ont d’abord été texturés à l’aide d’un bain basique pour former

des pyramides de 1 à 10µm de hauteur. Dans un second temps, la jonction pn a été réalisée par implantation

ionique (concentration en donneurs à la surface N

_D

_≈ 10

20

cm

−3

pour une profondeur de jonction x

_j

de

≈ 0,4µm) avant le dépôt de la couche antireflet par PECVD (70 nm deSiN

_x

: H). Les « cellules bleues »

(image encadrée sur la figure III.1) ainsi obtenues sont le point de départ des investigations menées au cours

de ces travaux.

FigureIII.1:Photographie illustrant les différentes étapes du procédé de fabrication des cellules utilisées

lors de ces travaux. Voir la section I.3 page 21 pour plus de détails sur le procédé standard. L’image

encadrée montre une « cellule bleue » et l’encart illustre la texturation de surface de cette dernière.

À partir des cellules bleues, des lots « mixtes » de 100 cellules bleues ont été constitués. En effet,

les différentes étapes décrites précédemment sont réalisées sur des lots de 100 wafers. Cependant, des

variations de leur qualité intrinsèque ou encore des modifications des conditions dans lesquelles ils ont

été traités (notamment lors de la texturation de surface et du dépôt de la couche antireflet) peuvent avoir un

impact sur l’étape de métallisation de la face avant (voir la figure II.18 page 71). Par conséquent, 100 lots de

100 cellules ont d’abord été sélectionnés. Dans chacun d’entre eux, une cellule a été choisie aléatoirement

pour constituer les 100 nouveaux lots mixtes de 100 cellules bleues qui ont ensuite été utilisés lors des

essais d’impression. Les conditions de dépôt de l’aluminium en face arrière et les paramètres du recuit des

cellules ont été maintenus constants tout au long des expériences. Grâce à cette méthodologie, l’analyse des

données obtenues en moyennant les propriétés mesurées sur les cellules métallisées permet d’éviter que les

étapes prenant place avant celle de métallisation influencent les résultats et faussent leur interprétation. Sur

la ligne de production de MPO-Energy, la largeur et la hauteur moyenne des contacts imprimés sur ces lots

sont de 90µm et 20µm, pour des cellules caractérisées par un rendement moyen de 18,8 %.

Lors de l’étude de la sérigraphie (chapitre IV), l’utilisation de la ligne industrielle de MPO-Energy a

permis d’imprimer les lots mixtes de 100 de cellules bleues (voir la section III.3.1 page 101). Au contraire,

l’usage d’une presse de laboratoire lors de l’étude de la flexographie (chapitre V) a conduit à une limitation

évidente du nombre d’échantillons étudiés (voir la section III.3.2 page 102). Dans ce cas, seules quelques

cellules ont été sélectionnées aléatoirement dans plusieurs lots mixtes. Par ailleurs, chacune d’entre elles a

été redimensionnée par laser pour former trois échantillons de 15,6_×4 cm

2

afin d’être compatible avec le

format d’impression de cette presse.

III.1.2 Les pâtes et les encres

Quatre pâtes de sérigraphie commerciales ont été considérées lors de ces travaux. Ce choix a été motivé

par la difficulté de formulation d’une pâte qui puisse répondre au cahier des charges de la métallisation de la

face avant des cellules. Bien que leur composition exacte soit gardée secrète, le tableau III.1 donne quelques

informations sur les composants des pâtes A, B, C et D sur la base des données recueillies sur leur fiche

sécurité. Il faut souligner que ces quatre pâtes ont été sélectionnées auprès des trois plus importants

four-nisseurs du secteur (les pâtes A et B proviennent de la même société comme le souligne leur composition

relativement similaire), ce qui permet l’analyse d’un échantillon représentatif des produits disponibles pour

cette étape de fabrication des cellules. La pâte A a également été sélectionnée pour formuler quatre encres

de flexographie grâce à plusieurs dilutions.

Pâte

Concentration massique des composants (%m)

Poudre

d’argent

Monoxyde de

plomb dans de la

fritte de verre

Solvant Liant, plastifiant

Pâte A n.c. 2,5 à 10 % ^{2,5 à 10 % de}

2-(2-butoxyethoxy)éthanol

0 à 2,5 % de

colophane

Pâte B n.c. 2,5 à 5 % ^{5 à 10 % de}

2-(2-butoxyethoxy)éthanol

0 à 2,5 % de

colophane

Pâte C 50 à 100 % 3 à 5 % ^{3 à 5 % de}

2-(2-butoxyethoxy)éthanol

1 à 3 %

d’oxydipropyl

dibenzoate

Pâte D 85 à 90 % 1 à 5 %

5 à 10 % de

trimethylpentanediol

monoisobutyrate

1 à 5 % d’adipate

de dimethyle

Dans le document Etude de la métallisation de la face avant des cellules photovoltaïques en silicium (Page 110-114)