Description technologique

1 La sérigraphie

Grâce à ces nombreux atouts, la sérigraphie est utilisée dans l’industrie photovoltaïque depuis les années

1970

[98]

pour déposer les contacts en face avant et en face arrière. Cette technique, considérée comme l’une

des plus vieilles méthodes d’impression (déjà connues par les Égyptiens et les Chinois durant l’antiquité),

présente les avantages suivants :

❐ Simplicité, fiabilité et rapidité du procédé utilisé notamment en microélectronique.

❐ Durabilité de l’équipement.

❐ Haute cadence de production permettant de métalliser 1000 à 3000 cellules par heure.

❐ Faible taux de rejets.

❐ Pas de pré-nettoyage de la cellule.

La sérigraphie peut être décomposée en plusieurs phases qui sont schématisées sur la figure II.2 :

a. La pré-impression ou phase de remplissagedurant laquelle l’écran est recouvert de la pâte appropriée,

ce qui lui permet une mise à température ambiante couplée à une diminution de sa viscosité.

b. L’impression ou phase de contactdurant laquelle la pâte est transférée sur la cellule photovoltaïque

grâce à la compensation de la distance verticale écran-substrat

1

due à la pression exercée par une racle

(en polyuréthane ou en métal). Une nouvelle diminution de la viscosité de la pâte (destruction de sa

structure sous l’effet des contraintes de cisaillement engendrées par le passage de la racle) conduit

finalement à son écoulement à travers l’écran.

c. La post-impression qui consiste à figer le dépôt grâce au rétablissement de la structure de la pâte

(recouvrance) et aux forces d’adhésion qui s’exercent entre celle-ci et le substrat une fois qu’elle a

été libérée de l’écran. C’est lors de cette étape que les mécanismes qui conduisent à un affaissement

des dépôts prennent place.

Par la suite, la cellule est transférée rapidement dans un four à tapis convoyeur (à environ 200

◦

C) pour

sécher la pâte déposée et éviter son affaissement avant le recuit final.

a. Pré-impression. b. Impression des contacts. c. Post-impression.

FigureII.2:Schéma des trois étapes principales lors de l’impression par sérigraphie.

A Fabrication et spécifications de l’écran

L’écran utilisé pour le dépôt des contacts est constitué d’un cadre en aluminium auquel est fixé un tissage

de fils maintenu à une tension élevée

[99]

. Cette structure est ensuite imprégnée d’un film photosensible d’une

couche d’émulsion (EOM)

2

. Elle va jouer le rôle de joint entre la pâte et le substrat après avoir subi une

structuration préalable des motifs par photolithographie

3

. La structure finale d’un écran est présentée sur la

figure II.3 où il est possible d’observer les principaux paramètres caractérisant un écran :

❐ La largeur du motif ou ouverture w

_m

(enµm). Actuellement, la résolution maximale d’un motif est

de l’ordre de 40µm.

❐ Le diamètre du fil d

_f

(en µm) et le pas de la maille ou nombre de fils (en fils/in ou en fils/cm).

Généralement, 290 à 500 fils/in (114 à 197 fils/cm) de 20 à 40µm de diamètre en acier inoxydable

ou en polyamide.

❐ Le vide de la maille v

_m

(en µm). C’est la distance entre deux fils. Elle doit être de l’ordre de 5

fois la taille des plus grosses particules présentes dans la pâte afin d’éviter le colmatage de l’écran,

notamment lors de l’utilisation de pâtes métalliques qui ont tendance à s’agglomérer rapidement.

❐ La fraction ouverte ou transparence de l’écran OA

4

(en %). C’est le ratio de la surface ouverte sur la

surface totale de l’écran :

OA= v

_m

v

_m

+d

_f

2

[II.4]

❐ L’épaisseur de l’écran h

_E

, exprimée en µm qui dépend directement de l’épaisseur de la couche

d’émulsion EOM et de celle des fils d

f

mais aussi de la fraction ouverte OA. Si les fils sont en

acier, elle peut être calculée grâce à l’équation suivante

[99]

:

h

_E

= 2d

_f

OA+EOM [II.5]

Dans le cas contraire, un facteur de correction est introduit pour tenir compte de la compression des

fils.

a. Schémas d’un écran. b. Image d’un écran (avec des fils en polyamide).

FigureII.3:Schémas et image d’un écran utilisé pour la sérigraphie des contacts en face avant.

2. EOM : « Emulsion Over Mesh ».

3. L’exposition de la couche d’émulsion à une lampe UV entraîne une réticulation. Par la suite, un rinçage permet de supprimer

la partie non exposée qui correspond aux motifs de l’écran.

B Composition et propriétés des pâtes

La pâte de sérigraphie utilisée pour le dépôt de la grille de métallisation en face avant doit remplir un

certain nombre de fonctions qui sont entre autres :

❐ Être facilement imprimable.

❐ Garantir une bonne résolution et un bon ratio hauteur/largeur des contacts pour limiter l’ombrage de

la cellule sans trop augmenter les pertes résistives.

❐ Permettre la gravure de la couche antireflet lors du recuit.

❐ Garantir une bonne conductivité de ligne pour limiter les pertes résistives.

❐ Garantir une bonne adhésion au substrat, nécessaire lors de la mise en module des cellules.

❐ Garantir une faible résistivité de contact avec le substrat pour minimiser les pertes résistives.

❐ Être soudable.

❐ Être stable à long terme.

D’un point de vue rhéologique

5

, une pâte de sérigraphie doit posséder des propriétés particulières

[100–103]

.

Elle ne doit s’écouler que lorsque la contrainte qui lui est appliquée est supérieure à une valeur critique.

Elle doit également être pseudoplastique (ou rhéofluidifiante) et thixotrope afin de satisfaire aux trois étapes

de l’impression par sérigraphie. En d’autres termes, sa viscosité doit diminuer lorsque le taux de

cisaille-ment augcisaille-mente (pseudoplasticité) et elle doit varier au cours du temps (thixotropie)

[104]

. En effet, comme

schématisé sur la figure II.4, la pâte ne doit pas s’écouler lors de la phase de remplissage. Puis, sa viscosité

doit rapidement diminuer (la pâte se fluidifie) sous l’action de la racle durant la phase de contact afin d’être

facilement imprimée. Enfin, elle doit vite revenir à son état initial durant la phase de libération

[100]

afin

d’éviter un fort étalement qui engendrerait des pertes par ombrage supplémentaires pour la cellule.

Figure II.4: Schéma de l’évolution de la viscosité de la pâte lors des trois étapes de l’impression par

sérigraphie

[100]

.

À cause des contraintes précédemment citées, la pâte de sérigraphie est donc un mélange très complexe

de différents constituants permettant d’obtenir de bonnes propriétés rhéologiques, tout en conservant sa

fonction première qui est de garantir un bon contact électrique et mécanique avec la cellule. Elle peut être

définie comme une suspension de particules dans un mélange de solvants et de liants organiques. Bien que

de nombreuses pâtes soient disponibles dans le commerce et que leur composition exacte reste secrète,

toutes contiennent cinq ingrédients essentiels présents en plus ou moins grandes quantités :

❐ 70 à 90 % en masse de poudre de particules d’argent (matériau actif), qui donne sa cohésion à la

pâte et régit la conductivité finale du contact. L’argent est utilisé pour sa faible résistivité, ρ

Ag

=

1,61µΩ·cm, qui fait de lui le meilleur conducteur connu. La poudre est composée de particules de

différentes tailles (1 à 10µm) et de différentes formes (lentille, sphérique, etc.). À l’heure actuelle,

les fabricants de pâte essaient de limiter la concentration en argent afin de réduire le coût en matière

première. En effet, l’argent a vu son prix passer d’environ 150e/kg en 2000 à plus de 1000e/kg en

2010. Actuellement, il oscille autour de 500e/kg

[105]

.

❐ 10à25 %en masse de solvant(s) organique(s), du terpinéol en général, qui permet de diluer la pâte

et qui agit comme un milieu porteur pour les autres ingrédients. Il permet notamment de jouer sur son

imprimabilité.

❐ 1à5 %en masse de liant(s) organique(s)(ou liant(s) provisoire(s)), de l’éthylcellulose en général, qui

assure la cohésion de la pâte entre le dépôt et le séchage. Il s’agit d’un réseau de chaînes moléculaires

enchevêtrées permettant aux divers constituants de se mélanger.

❐ 2 à 10 % en masse de liant(s) minéral(aux) (ou liant(s) permanent(s)), qui détermine entre autres

l’adhésion finale du contact. Le liant minéral est généralement de la poudre de fritte de verre

compo-sée de borosilicate de plomb (PbO−SiO

₂

−B

₂

O

₃

) et d’autres oxydes métalliques tels que l’alumine

(Al

₂

O

₃

) ou l’oxyde de bismuth (Bi

₂

O

₃

).

❐ 0 à 2 % en masse de surfactants et d’autres additifs, qui peuvent être ajoutés afin de modifier les

propriétés rhéologiques des pâtes

[106]

, la formation du contact lors du recuit final

[107]

ou encore la

durée de vie des pâtes.

Par la suite, tous ces composants sont dispersés et mixés à l’aide d’un tricylindre

6

pour créer une pâte plus

ou moins homogène en cassant les agglomérats.

a. La fritte de verre

La fritte de verre, bien que composant minoritaire de la pâte, joue un rôle prépondérant dans la formation

du contact comme cela sera expliqué en détail dans la section II.2.2 page 52. Elle influe à la fois sur

la résistivité de contact, sur la gravure du silicium et de la couche antireflet, sur le frittage de la poudre

d’argent, sur l’adhérence finale du contact, sur la diffusion des impuretés, etc. Ainsi, la composition de

cette poudre est la principale différence entre les pâtes de métallisation disponibles commercialement

[108]

.

Sa recette est gardée secrète, d’autant plus qu’elle est souvent acquise empiriquement à cause de sa grande

complexité. Néanmoins, un exemple typique de la composition d’une poudre de fritte de verre est indiqué

dans le tableau II.1.

Ingrédient Concentration (%m)

Al

₂

O

₃

14,6

B

₂

O

₃

2,1

CdO 0,6

CaO 0,2

CuO 0,6

P

₂

O

₅

4,4

PbO 51,8

SiO

₂

25

ZnO 0,8

TableII.1:Exemple de composition des particules de fritte de verre

[109]

.

La taille des particules est comparable à celle des particules d’argent (de l’ordre duµm), mais elle peut

parfois atteindre plusieurs millimètres

[100]

. Parmi les ingrédients, seuls les oxydes de plomb et de bismuth

interviennent directement lors de la gravure de la couche antireflet et lors de la création du contact avec

l’émetteur. Les autres composés permettent de lier le contact mécaniquement à la cellule et de moduler les

propriétés de la fritte de verre. Par exemple, la silice et les oxydes de bore et de phosphore sont connus pour

être des formateurs de la structure du verre. Les ingrédients restants sont des modificateurs qui réarrangent

les liaisons atomiques au sein du réseau. En modifiant l’agencement microscopique, ils permettent de jouer

sur sa durée de vie

[110]

, mais surtout sur les propriétés thermiques et les propriétés d’écoulement de la fritte

de verre en fonction de la température

[111–114]

. Selon la concentration relative de chacun des ingrédients,

la pâte n’aura donc pas le même comportement lors du recuit (voir la section 2 page 62 pour plus de

détails) et la structure finale du contact ne sera pas la même. Enfin, il faut préciser que l’ajout des autres

composés permet également à la réaction de gravure de la couche antireflet d’être plus rapide et d’avoir lieu

dans une plus grande gamme de températures, ce qui la rend plus contrôlable à l’échelle industrielle

[115]

(élargissement de la fenêtre du procédé).

2 Le recuit thermique rapide

Comme cela a été décrit dans le paragraphe g. page 28, le RTA permet à plusieurs phénomènes

im-portants de prendre place. Néanmoins, l’une de ses principales fonctions reste la formation des contacts en

face avant. Comme schématisé sur la figure II.5a, le RTA s’effectue généralement sous air ambiant dans un

four en ligne à lampes infrarouges. Le temps de séjour dans le four est de l’ordre de 60 à 120 s, pendant

lesquelles la cellule subit une montée en température (environ 800

◦

C) suivie d’un refroidissement. Le profil

de température est schématisé sur la figure II.5b, il peut être décomposé en quatre étapes

[116]

:

1. De0à300

◦

C : évaporation des solvants organiques qui pourraient se vaporiser et induire ainsi une

fissuration des contacts (à cause des bulles de gaz) s’ils étaient encore présents par la suite.

2. De300à500

◦

C : combustion des liants organiques encore présents.

3. De500

◦

Cà700/800

◦

C : frittage de la poudre d’argent assisté par la fritte de verre devenue liquide,

et formation des contacts lors du pic de température qui reste en dessous de la température de

l’eutec-tiqueAgSi(835

◦

C). Contrairement au contact en face arrière, où un alliageAlSiest formé, ici c’est

un contact intimeentre l’Aget leSiqui est crée.

4. De700/800

◦

Cà0

◦

C : refroidissement et solidification du contact.

Le pic de température n’est que de quelques secondes, ce qui vaut son nom à cette étape. Les mécanismes

régissant la formation de la microstructure des contacts sont détaillés dans la section suivante.

a. Schéma d’un four à lampes infrarouges. b.Profil de température lors du RTA.

II.2.2 Microstructure du contact : mécanismes de formation des contacts et

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