Description des procédés utilisés

III.3.1 La ligne de sérigraphie de MPO-Energy

Les essais d’impression portant sur l’étude de la sérigraphie ont été conduits sur la ligne de production

de MPO-Energy qui est exposée sur la figure III.5. Sur cette dernière, les deux faces des 100 cellules bleues

de chaque lot mixte ont pu être métallisées à une cadence de 1200 cellules par heure. Une pâte à base

d’argent est d’abord déposée en face arrière pour permettre l’interconnexion des cellules, puis toute cette

face est recouverte d’aluminium (voir la figure III.1 page 95) avant l’impression de la grille de métallisation

en face avant. Chaque impression est séparée de la suivante par une étape de séchage (à environ 200

◦

C, 20 s

après dépôt) pour éviter une contamination des zones non métallisées et limiter l’affaissement des contacts

en face avant. Une fois ces étapes réalisées, les cellules passent dans un four de recuit à palier, dont la

consigne du pic de température est d’environ 850

◦

C (voir la figure II.5b page 51), pour que les mécanismes

décrits dans les sections g. page 28, 2 page 51 et 1 page 52 puissent avoir lieu. Les principales propriétés

électriques des cellules (voir la section I.2.3 page 16) sont ensuite extraites systématiquement grâce à un

testeur industriel présent en fin de ligne. Les cellules sont finalement triées en fonction de leur performance

(rendement), mais aussi de leur esthétique afin que la couleur des panneaux solaires soit homogène. Lors

de ces travaux, plusieurs écrans (caractérisés par différentes épaisseurs de la couche d’émulsion EOM et

fraction ouverteOA, voir la section A page 48) tissés avec des fils en acier inoxydable ont été testés pour

imprimer la face avant. Les autres paramètres de la ligne ont été maintenus constants tout au long des essais.

a. Vue d’ensemble de la ligne en U

(lon-gueur d’environ 50 mètres).

b. Tête de sérigraphie pour la

métallisa-tion de la face avant.

c. Zoom sur la tête de sérigraphie lors

d’une impression.

FigureIII.5:Photographies de la ligne de production de MPO-Energy. Sur l’image a, il faut remarquer la

présence des modules de métallisation (têtes d’impression et fours de séchage) des deux faces des cellules

(à droite), du four de recuit (au fond à gauche) et du testeur de cellules (au premier plan à gauche).

III.3.2 La presse de flexographie IGT-F1

Lors du développement d’un procédé de métallisation basé sur le concept double couche, les cellules ont

d’abord été imprimées par flexographie. La presse de laboratoire IGT-F1 située dans les locaux du LGP2 a

été utilisée à cet effet. Il faut souligner que cette dernière n’est pas conçue pour le secteur photovoltaïque.

Elle est dépourvue de systèmes d’alignement et la largeur d’impression est limitée à 4 cm.

a. Vue globale de la presse IGT-F1. b.Anilox. c. Détail du montage d’un cliché.

FigureIII.6:Photographies de la presse de flexographie de laboratoire (IGT-F1) qui a été utilisée dans les

locaux du LGP2.

Comme le montre la figure III.6, la presse IGT-F1 est constituée d’une racle qui va permettre

l’homogé-néisation de l’encre à la surface de l’anilox. Celui-ci va ensuite fournir l’encre aux motifs gravés (en relief)

sur le cliché lors de la phase d’encrage. Par la suite, les motifs sont reproduits grâce au transfert d’encre

entre le cliché et la cellule. Comme cela est discuté dans le chapitre V page 159, plusieurs anilox ont été

tes-tés lors de ces travaux. Sur cette presse, il est également possible de faire varier indépendamment les forces

d’encrageF

_e

(entre l’anilox et le cliché) et d’impressionF

_i

(entre le cliché et le substrat) entre 10 et 500 N.

La vitesse d’impressionv

_i

peut, quant à elle, être ajustée entre 0,2 et 1,5 m_·s

−¹

. Les clichés (d’une

épais-seur de 1,14 mm) utilisés durant cette thèse ont été gravés par laser à cause de la haute résolution (10µm)

nécessaire pour l’application du procédé de flexographie à la métallisation des cellules

5

. Ils ont ensuite été

montés sur le cylindre porte-cliché grâce à une mousse adhésive (d’une épaisseur de 0,5 mm).

III.3.3 Le procédé LIP

Après l’étude du procédé de flexographie et l’optimisation des paramètres permettant de déposer une

couche d’accroche répondant aux contraintes d’une métallisation double couche, les lignes imprimées dans

les locaux du LGP2 et recuites à l’INES

6

ont été épaissies par LIP dans les locaux de l’INL

7

de Lyon. La

figure III.7 schématise le montage expérimental utilisé. La cellule est placée dans un bain électrolytique

fourni par la société Technic. Sous l’effet de l’irradiation lumineuse d’une lampe halogène, des paires de

porteurs de charge sont générées. Les électrons rejoignent l’émetteur dopé n, puis les zones de contacts

entre les lignes imprimées et ce dernier. Les zones de la couche antireflet qui n’ont pas été gravées lors du

recuit jouent donc le rôle de masque lors du dépôt.

Pour fermer le circuit électrique et contrôler les phénomènes de dissolution (voir la section b. page 81),

la face arrière de la cellule est reliée à un générateur de courant et à une anode en argent. Cette dernière

se dissout pour fournir des ionsAg

+

qui sont ensuite attirés puis réduits par les électrons photogénérés au

niveau des contacts de la cellule (qui jouent alors le rôle de cathode). Grâce à la distribution homogène du

potentiel due à l’illumination de la cellule, le dépôt ne dépend pas de la distance des contacts par rapport à

l’anode, mais la croissance de l’argent sur la couche d’accroche est isotrope. Pour un bain donné, le contrôle

du dépôt se fait essentiellement par le choix du courantI

_LIP

et de la tensionV

₃

appliquée en face arrière.

Figure III.7: Schéma représentant l’épaississement d’une couche d’accroche déposée par flexographie

grâce au montage expérimental du procédé LIP utilisé dans les locaux de l’INL.

D’un côté, il faut que les potentiels de l’anode, de la face avant et de la face arrière de la cellule soient

contrôlés pour éviter les phénomènes de dissolution

[73,254,338]

. En fonction de ces derniers, plusieurs cas

peuvent se produire. En particulier, il faudrait queV

₃

= V

₂

> 0 pour que le dépôt ait lieu en face avant et

que l’oxydation des ionsAg

+

en face arrière (au niveau des bandes d’argent déposées pour l’interconnexion

des cellules, voir la figure III.1 page 95) soit exactement compensée par leur réduction. Comme il est

difficile de remplir cette condition d’un point de vue expérimental, il est conseillé d’appliquer une tension

5. Dans un cadre plus conventionnel, les clichés sont généralement réalisés par insolation d’une plaque photosensible protégée

par un film négatif de protection qui permet la réticulation des motifs. Les clichés réalisés de cette façon n’ont pas permis

d’atteindre une largeur de motif inférieure à 50µm au cours de ces travaux.

6. INES : Institut National de l’Énergie Solaire.

7. INL : Institut des Nanotechnologies de Lyon.

V3légèrement supérieure à V2 pour que le dépôt sur la face arrière soit supérieur à sa dissolution sans que

le dépôt en face avant soit affecté

[73,254,338]

. D’un autre côté, le choix du courant I

_LIP

à appliquer dépend

essentiellement des spécifications du bain utilisé, notamment de sa résistance en fonction du courant. En

effet, la densité de courant j

_LIP

(équivalente au nombre d’ionsAg

+

qui sont réduits) détermine la vitesse et

qualité des dépôts. Si cette dernière est trop élevée, la vitesse des dépôts est trop rapide, ce qui conduit à des

contacts poreux et de mauvaise qualité (et même à une électrolyse de l’eau si j

_LIP

est très importante). Si elle

est trop faible, la vitesse des dépôts est limitée par la résistance du bain, ce qui augmente considérablement

le temps nécessaire pour métalliser les cellules (il n’y aura aucun dépôt si j

_LIP

est trop faible).

Les travaux de Mette

[73]

et de Boulord

[254]

présentent une méthodologie qui permet une optimisation

des paramètres du procédé LIP basée sur les contraintes discutées précédemment. Elle est résumée par les

6 étapes suivantes :

1. Détermination de la surfaceS

_metal´

de la couche d’accroche imprimée et recuite.

2. Calcul du courantI

_LIP

à appliquer.

3. Choix de l’épaisseurh

_LIP

de la grille de métallisation désirée et calcul de la massem

_Ag

correspondante.

4. Calcul du tempst

_LIP

nécessaire pour atteindreh

_LIP

.

5. Ajustement de l’éclairement et de la tension pour queV

₃

> V

₂

> 0 etI = I

_LIP

.

6. Vérification de l’épaisseur et de la masse des dépôts.

Pour réaliser ces étapes, le courantI

_LIP

(en A) peut d’abord être calculé grâce à l’équation suivante :

I

_LIP

= j

_LIP

S

_metal´

[III.19]

où j

_LIP

(en A_·m

−²

) etS

_metal´

(en m

2

) sont la densité de courant à appliquer selon les spécifications du bain

choisi et la surface métallisée avant dépôt, c’est-à-dire après impression et recuit de la couche d’accroche.

Une fois que l’épaisseurh

_LIP

(en m) de la grille de métallisation désirée a été choisie ou optimisée (voir la

section III.6 page 112), il est possible de calculer la masse d’argentm

_Ag

(en g) à déposer :

m

_Ag

=ρ

_Ag

S

_metal´

h

_LIP

[III.20]

oùρ

^o_Ag

=1,05_·10

7

g_·m

−3

est la masse volumique de l’argent.

Finalement, le temps de dépôtt

_LIP

(en s) est donné grâce aux lois de Faraday par l’équation suivante

[73,254]

:

t

_LIP

=m

_Ag

^z

^Ag

^F

η

bain

M

_Ag

I

_LIP

[III.21]

où η

bain

≈ 100 %, z

_Ag

= 1, M

_Ag

= 107,9 g_·mol

−1

et F = 96 500 C_·mol

−1

sont le rendement du bain

(rapport de la masse déposée théoriquement sur celle mesurée expérimentalement), le degré d’oxydation

de l’ion Ag

+

, la masse molaire de l’argent et la constante de Faraday. Il faut remarquer qu’en intégrant

les équations [III.19] et [III.20] dans cette dernière relation, il est également possible d’exprimer t

_LIP

en

fonction deh

_LIP

indépendamment des propriétés de la couche d’accroche :

t

_LIP

= ρ

^o_Ag

z

_Ag

F

η

bain

M

_Ag

j

_LIP

^h

^LIP

[III.22]

En fixant la densité de courant j

_LIP

entre 1 et 3 A_·dm

−²

(valeurs typiques pour les bains électrolytiques

[254]

),

il faut approximativement 30 à 90 secondes pour déposer 1µm d’argent et il est possible de déposer entre

0,66 et 2µm par minute.

Une fois ces calculs effectués, il faut protéger les bords de la cellule avec une résine pour éviter les

courts-circuits, puis plonger cette dernière dans le bain et réaliser l’étape n

o

5. Après dépôt, les contacts et

les cellules peuvent être caractérisés (étape n

o

6).

III.4. Caractérisation des dépôts et des cellules

Dans le document Etude de la métallisation de la face avant des cellules photovoltaïques en silicium (Page 118-122)