FR3030116A1 - Dispositif photovoltaique dote d'une couche conductrice et transparente a base de nanofils et procede de fabrication d'un tel dispositif - Google Patents

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Abstract

Le dispositif photovoltaïque (2') comprend au moins une cellule photo voltaïque (2) munie d'un empilement (21) de couches semi-conductrices et d'une couche (22) conductrice et transparente à un rayonnement incident, comprenant des nanofils en matériau conducteur et une matrice en un matériau d'encapsulation (24) enrobant les nanofils. La couche conductrice et transparente (22) est disposée sur l'empilement (21) de couches semi-conductrices. Le dispositif (2') comprend également un réseau d'électrodes de collecte (23) disposé sur la cellule photovoltaïque, en contact avec la couche conductrice et transparente (22), et une couche d'encapsulation formée du matériau d'encapsulation (24) et transparente au rayonnement incident. La couche d'encapsulation enrobe le réseau d'électrodes de collecte (23).

Description

1 DISPOSITIF PHOTOVOLTAIQUE DOTÉ D'UNE COUCHE CONDUCTRICE ET TRANSPARENTE A BASE DE NANOFILS ET PROCÉDÉ DE FABRICATION D'UN TEL DISPOSITIF DOMAINE TECHNIQUE L'invention a trait au domaine des dispositifs photovoltaïques, et plus particulièrement à un module photovoltaïque dont les cellules photovoltaïques sont 10 interconnectées électriquement et protégés de l'oxydation par un matériau d'encapsulation. ETAT DE LA TECHNIQUE 15 Une cellule photovoltaïque est un dispositif semi-conducteur qui convertit un rayonnement électromagnétique incident, en l'espèce le rayonnement solaire, en courant électrique au moyen d'une jonction PN. Vue de façon schématique, une jonction PN comporte une première couche semi-conductrice dopée d'un premier type de conductivité (n ou p) en contact avec une deuxième couche semi-conductrice 20 dopée d'un second type de conductivité opposé (p ou n). On distingue plusieurs types de cellules photovoltaïques, suivant la nature du matériau semi-conducteur (matériau organique ou inorganique, tel que le silicium, l'alliage CIGS ou le tellure de cadmium) et sa structure cristallographique (silicium 25 amorphe, monocristallin ou multi-cristallin). Par ailleurs, les cellules photovoltaïques à base de Silicium peuvent être regroupées en deux catégories : les cellules à homojonction et les cellules à hétérojonction. Dans une cellule à homojonction, les couches p et n formant la jonction PN sont composées de matériaux semiconducteurs de même nature et de même structure cristallographique, par exemple 30 du silicium monocristallin. Ainsi, les deux couches semi-conductrices présentent la même largeur de bande interdite et seul le dopage diffère. A l'inverse, dans une cellule à hétérojonction, les couches p et n sont formées de matériaux semiconducteurs ayant des largeurs de bande interdite différentes. Cela peut être obtenu 3030116 2 en choisissant deux matériaux de natures différentes ou un même matériau avec deux structures cristallines différentes. La figure 1 montre un exemple de cellule photovoltaïque à hétérojonction 1. La 5 cellule 1 comprend un substrat 11 en silicium cristallin dopé de type n recouvert d'une fine couche 12 en silicium amorphe dopé de type p. La jonction PN se situe à l'interface entre le substrat 11 et la couche 12. Les charges électriques générées par la jonction PN sont collectées par des contacts métalliques, ou métallisations, disposés sur chaque face de la cellule. Sur la figure 1, seuls les contacts 13 situés en face avant de la cellule photovoltaïque 1, c'est-à-dire la face exposée au rayonnement solaire, sont représentés. Les contacts 13 de la face avant se présentent généralement sous la forme d'une grille ou réseau d'électrodes afin de laisser passer le rayonnement incident. Ce réseau d'électrodes comporte une multitude de lignes métalliques étroites appelées « doigts ». Les doigts sont répartis sur toute la face avant de la cellule et agencés parallèlement les uns aux autres, en forme de peigne. Ils sont en outre reliés électriquement à des lignes métalliques plus larges, orientées perpendiculairement aux doigts et couramment désignées par l'expression « busbar ».
Enfin, une couche 14 en oxyde transparent et conducteur est disposée sous le réseau d'électrodes 13, afin d'améliorer le contact électrique. En particulier, cette couche conductrice améliore le transport latéral des charges électriques vers les doigts métalliques. La couche 14 sert également de couche antireflet afin qu'une plus grande proportion de rayonnement solaire soit absorbée par la cellule photovoltaïque. Une cellule photovoltaïque ne peut généralement pas, à elle seule, fournir le courant et la tension nécessaires au fonctionnement des appareils électriques usuels. Il convient donc de connecter en série et/ou en parallèle plusieurs cellules afin de fournir en sortie une tension et/ou un courant approprié. On parle alors de « module photovoltaïque ». Les cellules sont classiquement interconnectées au moyen de rubans métalliques, par exemple en cuivre recouvert d'alliage fusible (par exemple 3030116 3 SnAg), qu'on vient souder, coller ou simplement déposer sur les busbars des cellules photovoltaïques. Les « chaînes » de cellules photovoltaïques ainsi formées sont ensuite encapsulées 5 pour les protéger des conditions environnementales, et notamment de l'oxygène et de l'humidité. Les cellules sont généralement disposées entre deux plaques de protection. Au moins une plaque est transparente au rayonnement solaire (celle disposée en regard de la face avant des cellules), par exemple en verre, et au moins une plaque est rigide (généralement celle disposée en regard de la face arrière des 10 cellules), afin de faciliter la manipulation du module photovoltaïque. Deux films en un matériau polymère d'encapsulation, par exemple de l'éthylène-acétate de vinyle (EVA), sont interposés entre les cellules et les plaques de protection. L'ensemble est chauffé à environ 150°C pour faire fondre le polymère, puis les plaques sont pressées l'une contre l'autre, afin de noyer les cellules dans le matériau polymère 15 fondu. Les plaques de protection, les films de matériau d'encapsulation et les cellules photovoltaïques forment alors une unité appelée « laminé ». Les couches d'oxyde transparent et conducteur (OTC) des cellules photovoltaïques sont pour la plupart composées de matériau à base d'indium, tel que l'oxyde d'indium 20 et d'étain (« Indium-Tin Oxide », ITO). Avec de tels matériaux, optimiser simultanément la transparence au rayonnement incident et la conduction électrique de la couche d'OTC est difficile, car l'amélioration de l'une de ces propriétés se fait au détriment de l'autre. Typiquement, une transparence de l'ordre de 85 % (i.e. 85 % du rayonnement incident est transmis) et une résistance carré d'environ 60 0 25 constitue un bon compromis. Cependant, en raison du coût élevé de l'indium et des techniques qui doivent être utilisées pour le déposer (dépôts sous vide type évaporation par faisceau d'électrons ou dépôt physique par phase vapeur), la réalisation d'une couche d'OTC à base 30 d'indium est une étape onéreuse dans le processus de fabrication d'une cellule photovoltaïque. Elle représente donc une part importante du coût de fabrication d'un module.
3030116 4 D'autres oxydes transparents et conducteurs moins onéreux ont été envisagés pour remplacer l'ITO, comme l'oxyde de zinc dopé à l'aluminium (AZO) et l'oxyde de zinc dopé au gallium (GZO). Toutefois, ces matériaux alternatifs ne présentent pas des performances aussi bonnes que l'ITO, notamment en termes de conduction 5 électrique. Pour réduire le coût lié à l'utilisation d'un oxyde transparent et conducteur, sans diminuer les performances du dispositif photovoltaïque, le document [« Hybrid silver nanoparticle and transparent conductive oxide structure for silicon solar cell 10 applications », M. Huang et al., Phys. Status Solidi RRL 8, No. 5, 399-403 (2014)] décrit une structure hybride dans laquelle le transport latéral des porteurs de charge est améliorée grâce à une grille formée de nanoparticules d'argent (résistance carré d'environ 5 0) et disposée sur la couche d'OTC, tandis que la couche d'OTC est optimisée en transparence uniquement et sert principalement de couche antireflet.
15 Cela permet une ingénierie moins complexe de l'ITO ou d'utiliser des OTC alternatifs à bas coût. Pour fabriquer une telle structure hybride, un procédé par transfert est employé. D'une part, la couche d'OTC est déposée sur un substrat, puis recouverte d'une 20 couche de résine durcissable aux ultraviolets. D'autre part, des nanoparticules d'argent sont agglomérées en blocs conducteurs sur une feuille de polytéréphtalate d'éthylène (PET). Les blocs de nanoparticules agglomérées constituent ainsi un réseau d'électrodes en forme de grille. Puis, la feuille de PET est pressée contre le substrat recouvert de la couche d'OTC et de la couche de résine, de sorte que les 25 blocs de nanoparticules viennent en contact de la couche d'OTC. Le laminé est ensuite exposé aux ultraviolets, ce qui a pour effet de durcir la résine. Enfin, la feuille de PET est décollée du laminé, laissant la grille de nanoparticules d'argent sur le substrat recouvert de la couche d'OTC.
30 Ainsi, dans ce dispositif photovoltaïque, un réseau d'électrodes en nanoparticules d'argent agglomérées est superposé à la couche d'OTC. Une couche de résine, transparente et électriquement isolante, occupe l'espace entre les électrodes.
3030116 5 La solution proposée par le document susmentionné ne parvient pas à diminuer le coût de production du dispositif photovoltaïque, malgré le fait qu'on utilise un oxyde transparent et conducteur plus économique, car la combinaison d'une grille en nanoparticules d'argent et d'une couche d'OTC nécessite de nombreuses étapes 5 supplémentaires de fabrication liées à la formation et au transfert de la grille de nanoparticules. RESUME DE L'INVENTION 10 Il existe donc un besoin de réduire les coûts de fabrication d'un dispositif photovoltaïque, de type cellule ou module, sans diminuer les performances globales du dispositif photovoltaïque, en particulier son rendement. Selon l'invention, on tend à satisfaire ce besoin en prévoyant un procédé de 15 fabrication d'un dispositif photovoltaïque comprenant les étapes suivantes : - prévoir au moins une cellule photovoltaïque comprenant - un empilement de couches semi-conductrices ; et - une première couche poreuse formée de nanofils en matériau conducteur et disposée sur une première face de l'empilement de 20 couches semi-conductrices, la première couche poreuse de nanofils étant conductrice électriquement et transparente à un rayonnement incident; - déposer un premier réseau d'électrodes de collecte sur la cellule photovoltaïque, en contact avec la première couche poreuse de nanofils ; et 25 - presser la cellule photovoltaïque avec une première couche formée d'un matériau d'encapsulation et transparente au rayonnement incident, de sorte que le matériau d'encapsulation imprègne la première couche poreuse de nanofils.
30 La cellule photovoltaïque utilisée dans ce procédé de fabrication comprend une couche poreuse de nanofils en matériau conducteur, de préférence en argent, en lieu et place de la couche en oxyde transparent et conducteur (OTC) habituellement utilisée. La couche de nanofils d'argent présente non seulement un meilleur 3030116 6 compromis entre conductivité électrique et transparence que les couches d'OTC à base d'indium, mais également un coût de formation inférieur à celui des couches d'OTC en général.
5 Dans les cellules photovoltaïques de l'art antérieur, la couche d'OTC joue également le rôle d'antireflet, c'est-à-dire qu'elle empêche le rayonnement réfléchi par les couches semi-conductrices sous-jacentes de s'échapper de la cellule photovoltaïque. Dans le dispositif photovoltaïque selon l'invention, la fonction d'antireflet est avantageusement remplie par le matériau d'encapsulation de la cellule, lorsqu'il 10 imprègne la couche poreuse de nanofils. En effet, ce matériau d'encapsulation est transparent au rayonnement incident et son indice optique est avantageusement choisi pour retenir dans la cellule photovoltaïque une grande partie du rayonnement reçu. Le matériau d'encapsulation permet d'améliorer les propriétés optiques du dispositif photovoltaïque, en plus de protéger la cellule des conditions 15 environnementales. La couche de nanofils imprégnée du matériau d'encapsulation équivaut ainsi à la meilleure des couches d'OTC connues à ce jour, en termes de propriétés optiques et de propriétés électriques. Le coût de sa formation est moindre, car déposer la 20 couche poreuse de nanofils ne requiert pas d'équipements onéreux, comme les appareils de dépôt sous vide. De plus, la quantité de matériau requise pour former les nanofils est largement inférieure à celle utilisée pour former une couche d'OTC classique. Enfin, l'étape consistant à imprégner la couche poreuse de nanofils s'effectue lors de l'encapsulation de la cellule. Elle ne constitue donc pas une étape 25 supplémentaire dans le procédé de fabrication du dispositif photovoltaïque. Le procédé de fabrication ci-dessus est rapide et facile à mettre en oeuvre, car les nanofils d'argent peuvent être déposés directement sur l'empilement de couches semi-conductrices, par exemple en dispersant les nanofils d'argent dans une solution 30 contenant un solvant, en déposant cette solution par pulvérisation ou impression et en évaporant le solvant. De même, le réseau d'électrodes de collecte peut être préfabriqué et simplement déposé sur la couche de nanofils. Le fait de presser ensuite la couche d'encapsulation contre la cellule photovoltaïque permet de 3030116 7 maintenir le contact entre le réseau d'électrodes de collecte, noyé dans le matériau d'encapsulation, et la couche de nanofils d'argent. Selon qu'on prévoit une ou plusieurs cellules photovoltaïques dans le procédé de 5 fabrication, le dispositif photovoltaïque fabriqué peut être une seule cellule photovoltaïque encapsulée ou un module photovoltaïque comprenant une pluralité de cellules encapsulées et interconnectées. Pour former un module photovoltaïque, on peut disposer une pluralité de cellules 10 photovoltaïques identiques côte à côte sur un support, recouvrir leur couche poreuse de nanofils par le réseau d'électrodes de collecte et les presser avec la première couche en matériau d'encapsulation. Le réseau d'électrodes de collecte assure la connexion électrique entre les cellules photovoltaïques du module.
15 Dans une variante de mise en oeuvre, le module photovoltaïque est fabriqué en disposant des cellules photovoltaïques identiques côte à côte sur un support, en les recouvrant chacune d'un premier réseau d'électrodes de collecte et en les pressant avec la couche transparente au rayonnement incident. Les premiers réseaux d'électrodes de collecte sont configurés pour permettre la connexion entre les 20 cellules photovoltaïques. Il n'a donc plus, dans ce procédé de fabrication de module photovoltaïque, d'étape de métallisation des cellules photovoltaïques distincte de l'étape de connexion des cellules. La métallisation des cellules photovoltaïques en face avant (et en face 25 arrière) s'effectue en une seule fois pour toutes les cellules, et en même temps que la mise en module des cellules (connexion en série et/ou parallèle), ce qui représente un gain de temps et une économie considérables. De préférence, l'empilement de couches semi-conductrices de chaque cellule 30 photovoltaïque comporte une première couche semi-conductrice dopée d'un premier type de conductivité et une deuxième couche semi-conductrice dopée d'un second type de conductivité opposé, la deuxième couche semi-conductrice étant disposée entre la première couche semi-conductrice et la première couche poreuse de 3030116 8 nanofils. A titre d'exemple, la première couche semi-conductrice est un substrat en silicium cristallin et la deuxième couche semi-conductrice est en silicium amorphe. Chaque cellule photovoltaïque peut être fabriquée en formant la deuxième couche 5 semi-conductrice sur la première couche semi-conductrice et en déposant les nanofils en matériau conducteur sur la deuxième couche semi-conductrice de façon à obtenir la première couche poreuse de nanofils. Le procédé de fabrication selon l'invention peut également présenter une ou 10 plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : - la cellule photovoltaïque est laminée à chaud avec la première couche en matériau d'encapsulation et une plaque de protection transparente au rayonnement incident, la première couche en matériau d'encapsulation étant interposée entre la 15 plaque de protection et la cellule photovoltaïque ; - le matériau d'encapsulation est un matériau polymère ayant un indice optique supérieur à celui du matériau formant la plaque de protection, par exemple supérieur à 1,4 (indice du verre) dans le cas d'une plaque de protection en verre ; - le matériau d'encapsulation est choisi parmi les copolymères d'éthylène- 20 acétate de vinyl (EVA), les élastomères de polyuréthane thermoplastique (TPU), le polyvinyl de butyral (PVB), les silicones, les silicones hybrides polyuréthane, les ionomères et les résines durcissables par UV ; - la cellule photovoltaïque est soumise à une étape de recuit à une température comprise entre 100 °C et 200 °C pendantune durée comprise entre 25 1 min et 15 min, avant l'étape de dépôt du premier réseau d'électrodes de collecte ; - la cellule photovoltaïque comprend en outre une seconde couche poreuse de nanofils disposée sur une seconde face opposée de l'empilement de couches semiconductrices, la seconde couche poreuse de nanofils étant recouverte par un second réseau d'électrodes de collecte et pressée avec une seconde couche en matériau 30 d'encapsulation, de sorte que le matériau d'encapsulation imprègne la seconde couche poreuse de nanofils ; - le matériau conducteur des nanofils est choisi parmi le cuivre, l'argent et l'or ; - les nanofils ont un diamètre compris entre 50 nm et 150 nm ; 3030116 9 - la couche poreuse de nanofils a une épaisseur comprise entre 50 nm et 150 nm ; et - la couche poreuse de nanofils a une densité de nanofils comprise entre 10 mg/m2 et 60 mg/m2.
5 Un autre aspect de l'invention concerne un dispositif photovoltaïque, de type cellule ou module, performant et peu coûteux à produire. Ce dispositif comprend : au moins une cellule photovoltaïque comportant : - un empilement de couches semi-conductrices ; et 10 - une couche conductrice électriquement et transparente à un rayonnement incident, comprenant des nanofils en matériau conducteur et une matrice en un matériau d'encapsulation enrobant les nanofils, la couche conductrice et transparente étant disposée sur l'empilement de couches semi-conductrices ; 15 un réseau d'électrodes de collecte disposé sur la cellule photovoltaïque, en contact avec la couche conductrice et transparente ; et une couche d'encapsulation formée du matériau d'encapsulation et transparente au rayonnement incident, la couche d'encapsulation enrobant le réseau d'électrodes de collecte.
20 La couche conductrice et transparente comprenant les nanofils est avantageusement disposée en contact avec la deuxième couche semi-conductrice de l'empilement de couches semi-conductrices.
25 BREVES DESCRIPTION DES FIGURES D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles : 30 - La figure 1, précédemment décrite, représente une cellule photovoltaïque à hétérojonction selon l'art antérieur ; - les figures 2A à 2C représentent les étapes de fabrication d'un dispositif 3030116 10 photovoltaïque à partir d'une cellule dotée d'une couche conductrice et transparente à base de nanofils, d'après un mode de mise en oeuvre préférentiel du procédé selon l'invention ; - la figure 3 représente schématiquement un module photovoltaïque 5 comprenant plusieurs cellules, chacune étant dotée d'une couche conductrice et transparente à base de nanofils. Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de références identiques sur l'ensemble des figures.
10 DESCRIPTION DETAILLEE D'AU MOINS UN MODE DE REALISATION Les figures 2A et 2C représentent des étapes F1 à F3 d'un procédé permettant d'encapsuler une ou plusieurs cellules photovoltaïques, afin de fabriquer le dispositif 15 photovoltaïque de l'invention. A l'étape F1 de la figure 2A, on prévoit au moins une cellule photovoltaïque 2 comprenant un empilement 21 de couches semi-conductrices, dont une première couche semi-conductrice 211 dopée d'un premier type de conductivité et une 20 deuxième couche semi-conductrice 212 dopée d'un second type de conductivité opposé au premier type. La cellule photovoltaïque 2 peut être une cellule à homojonction ou à hétérojonction, selon la nature et la structure cristallographique des matériaux semi-conducteurs utilisés.
25 A titre d'exemple, la cellule photovoltaïque 2 représentée sur la figure 2A est une cellule à hétérojonction à base de silicium. La couche 211 est formée par un substrat en silicium cristallin dopé de type n et la couche 212, d'épaisseur comprise entre 3 nm et 20 nm, est en silicium amorphe dopé de type p. Ainsi, dans cet exemple simplifié, la jonction PN se situe à l'interface entre les couches 211 et 212, les types 30 de dopage n et p correspondant respectivement aux premier et second types de conductivité opposés. Dans d'autres exemples, dont un est représenté en figure 3, l'empilement 21 de la cellule peut comporter d'autres couches semi-conductrices. Par exemple, une couche de silicium intrinsèque peut être disposée entre les 3030116 11 couches dopées n et p. Le substrat 211 de type n constitue la « base » de la cellule photovoltaïque 2 par opposition à la couche mince 212 de type p, appelée « émetteur ». L'émetteur 212 5 se situe ici en face avant 2a de la cellule photovoltaïque, c'est-à-dire du côté de la cellule exposé au rayonnement solaire. On parle dans ce cas de cellule avec émetteur en face avant. La cellule photovoltaïque 2 comporte en outre une couche poreuse 22 constituée de 10 nanofils en un matériau électriquement conducteur, de préférence un métal. La couche poreuse de nanofils 22 est disposée sur l'empilement de couches 21, en face avant 2a de la cellule photovoltaïque. Elle est avantageusement en contact avec la couche de silicium amorphe 212.
15 Les nanofils de la couche 22 sont orientés aléatoirement et reposent les uns sur les autres. Leur diamètre est avantageusement compris entre 50 nm et 150 nm, par exemple égal à 100 nm. Les nanofils sont ainsi transparents au rayonnement solaire qui éclaire la face avant 2a de la cellule photovoltaïque, lors de son fonctionnement. Le taux de transparence de la couche poreuse 22 varie en fonction de son épaisseur 20 et de la densité des nanofils. De préférence, l'épaisseur de la couche 22 est comprise entre 50 nm et 150 nm et la densité de nanofils varie entre 10 mg/m2 et 60 mg/m2. Dans ces conditions, le taux de transparence de la couche 22 vaut approximativement 90 %.
25 Le matériau électriquement conducteur des nanofils est, de préférence, un métal choisi parmi le cuivre, l'argent ou l'or. On obtient ainsi une couche poreuse de nanofils 22 ayant une grande conductivité électrique, bien supérieure à celle des couches d'oxyde transparent et conducteur de l'art antérieur, cette conduction électrique de la couche 22 étant assurée par un contact continu entre les nanofils.
30 Par exemple, la résistance carré d'une couche 22 en nanofils d'argent (densité = 45mg/m2) recouvrant un substrat en silicium est inférieure à 20 O. La cellule photovoltaïque 2 peut être fabriquée en formant la deuxième couche 3030116 12 conductrice 212 sur la première couche semi-conductrice 211, puis en déposant la couche de nanofils 22 sur la couche 212. Dans l'exemple de la cellule à hétérojonction ci-dessus, la couche en silicium amorphe 212 est déposée sur le substrat en silicium cristallin 211, par exemple par dépôt chimique en phase vapeur 5 assisté par plasma (ou PECVD, pour « Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition » en anglais). Dans le cas d'une cellule à homojonction, la deuxième couche semi-conductrice 212 peut être formée par implantation d'ions dopants dans un substrat semi-conducteur 211. La couche de nanofils 22 est ensuite déposée sur la couche 212, de préférence par pulvérisation ou par impression d'une solution 10 contenant un moins un solvant dans lequel sont dispersés les nanofils. Comme illustré sur la figure 2A, la couche poreuse 22 peut recouvrir toute la face supérieure de l'empilement 21. Après évaporation du solvant, les nanofils de la couche 22 ne sont liés par aucun matériau d'enrobage.
15 La figure 2B représente une étape F2 pendant laquelle un réseau d'électrodes de collecte 23 est déposé en face avant 2a de la cellule photovoltaïque, sur la couche poreuse 22 de nanofils en matériau conducteur. Le réseau d'électrodes 23 permet de collecter les porteurs de charge générés par la cellule photovoltaïque, appelés également photo-porteurs, qui sont repoussés vers la face avant 2a (des trous dans 20 le cas d'un émetteur 212 de type p). Les électrodes du réseau 23 peuvent être constituées de fils métalliques, par exemple de section circulaire (Fig.2B) ou carré, interconnectés sous la forme d'un quadrillage et répartis sur toute la face avant 2a de la cellule. Les fils du quadrillage sont avantageusement espacés (dans chacune des directions) d'une distance comprise entre 1 mm et 12 mm, afin qu'une grande 25 proportion du rayonnement incident traverse le réseau d'électrodes 23 et atteigne la jonction PN. Préalablement au dépôt du réseau d'électrodes de collecte 23 (Fig.2B), le procédé peut comprendre une étape de recuit de la cellule photovoltaïque 2. Ce recuit 30 optionnel permet aux nanofils métalliques de se conformer à la surface du substrat. La conductivité électrique de la couche de nanofils 22 peut ainsi être augmentée. De préférence, ce recuit s'effectue sous une atmosphère inerte (afin que la cellule photovoltaïque 2 ne soit pas oxydée), à une température comprise entre 100 °C et 3030116 13 200 °C pendant une durée comprise entre 1 min et 15min. Bien que non représenté sur la figure 2B, la cellule photovoltaïque 2 peut comprendre en face arrière 2b (qui correspond ici à la face inférieure du 5 substrat 211), c'est-à-dire à l'opposé de la face avant 2a, un second réseau d'électrodes destiné également à collecter des photo-porteurs (ici les électrons). Ce second réseau d'électrodes peut être construit de la même façon que le réseau 23 disposé en face avant, sous la forme d'une grille métallique. Dans une variante de réalisation, une unique électrode occupe toute la face arrière 2b de la cellule 10 photovoltaïque. Enfin, à l'étape F3 de la figure 2C, la cellule photovoltaïque 2 est pressée avec une couche 24 formée d'un matériau d'encapsulation et disposée en regard de sa face avant 2a. La pression exercée a pour effet de plaquer le réseau d'électrodes 23 15 contre la couche poreuse de nanofils 22 et de remplir les pores de la couche 22 avec le matériau d'encapsulation. Ainsi, le matériau d'encapsulation enrobe les nanofils de la couche 22 et les électrodes du réseau 23. Dans un mode de mise en oeuvre préférentiel de l'étape F3, la cellule 20 photovoltaïque 2 - sur laquelle repose le réseau d'électrodes 23 - est laminée à chaud avec la feuille de matériau d'encapsulation 24 et une plaque de protection transparente 25. La feuille de matériau d'encapsulation 24 est disposée entre la plaque de protection 25 et la cellule photovoltaïque 2. L'ensemble ainsi formé est introduit dans un équipement appelé « laminateur » et chauffé à une température 25 d'environ 150 °C. Ce chauffage ramollit le matériau polymère d'encapsulation et facilite son introduction dans les pores de la couche 22. Puisque situé en face avant 2a de la cellule photovoltaïque 2, le matériau d'encapsulation formant la couche 24 et remplissant l'espace entre les nanofils de la 30 couche 22 est transparent au rayonnement incident (taux de transparence >90%). Son indice optique est avantageusement supérieur à l'indice de la couche de protection 25, par exemple supérieur à 1,4 dans le cas du verre, afin de conférer à la couche de nanofils 22 une fonction d'antireflet. Le matériau d'encapsulation se 3030116 14 présente par exemple sous la forme d'une feuille en matériau polymère. Le matériau polymère d'encapsulation peut être choisi parmi les copolymères d'éthylène-acétate de vinyl (EVA), les élastomères de polyuréthane thermoplastique (TPU), le polyvinyl de butyral (PVB), les silicones, les silicones hybrides polyuréthane, les ionomères et 5 les résines durcissables par UV. On notera que l'étape F2 de mise en place du réseau d'électrodes 23 peut s'effectuer conjointement à l'étape d'encapsulation F3, par exemple en déposant préalablement le réseau 23 sur la face de la feuille d'encapsulation 24 destinée à 10 venir en contact avec la cellule photovoltaïque. Le matériau d'encapsulation peut aussi être intégré à une toile en polytéréphtalate d'éthylène (PET), qui contient également des fils métalliques pour former le réseau d'électrodes de la cellule. A l'issue de l'étape F3, on obtient un dispositif photovoltaïque 2' comprenant une 15 cellule photovoltaïque 2 munie d'un réseau d'électrodes 23 en face avant et encapsulée sous la plaque de protection 25 au moyen du matériau d'encapsulation (tous deux transparents). La plaque 25, par exemple en verre trempé, protège la cellule photovoltaïque des conditions environnementales difficiles (grêle, pluie...) auxquelles elle est soumise. Le matériau d'encapsulation assure quant à lui une 20 étanchéité de la cellule vis-vis de la vapeur d'eau et de l'oxygène. La couche de nanofils 22 imprégnée du matériau d'encapsulation permet une bonne répartition du courant électrique dans la cellule, améliorant ainsi la collecte des photo-porteurs, tout en faisant peu obstacle au rayonnement solaire incident.
25 Bien qu'une seule cellule photovoltaïque 2 ait été représentée sur les figures 2A à 2C, les étapes F1 à F3 permettent également d'encapsuler plusieurs cellules photovoltaïque sous un même plaque de protection et donc de fabriquer un dispositif photovoltaïque de type module.
30 La figure 3 représente un exemple de module photovoltaïque 3 pouvant être obtenu à l'aide des étapes F1 à F3 du procédé de fabrication. Le module 3 contient une pluralité de cellules photovoltaïques 2. Par souci de clarté, seulement deux de ces cellules sont représentées.
3030116 15 Dans cet exemple, les cellules photovoltaïques 2 comprennent chacune un empilement de trois couches semi-conductrices : un substrat en silicium cristallin 211 dopé de type n, une couche de silicium amorphe 212 dopée de type p et disposée 5 sur la face supérieure du substrat 211, et une couche de silicium amorphe 213 dopée de type n recouvrant la face inférieure du substrat 211. La couche 213, située à l'opposé de l'émetteur 212 par rapport au substrat 211 et dopée du même type que le substrat, permet de générer un champ de surface arrière (ou BSF, pour « Back Surface Field » en anglais).
10 Comme dans le dispositif photovoltaïque 2' à une seule cellule (Fig.2C), les cellules 2 du module photovoltaïque 3 comprennent chacune une couche poreuse de nanofils conducteurs en face avant. Cette couche de nanofils est désignée par la référence 22a sur la figure 3. Comme cela est représenté sur la figure 3, chaque 15 cellule 2 peut comprendre en outre une seconde couche poreuse de nanofils 22b en face arrière de la cellule, recouvrant la couche 213. Contrairement à la couche de nanofils 22a en face avant, la couche de nanofils 22b n'est pas éclairée. Elle n'est donc pas utilisée pour sa transparence au rayonnement solaire, mais uniquement pour ses propriétés de conduction électrique ainsi que sa fonction d'antireflet.
20 Des réseaux d'électrodes de collecte 23a, 23b sont disposés sur les faces opposées de chaque cellule photovoltaïque 2. En face avant de chaque cellule, la couche poreuse de nanofils 22a est en contact avec le réseau d'électrode 23a, tandis qu'en face arrière, la couche poreuse de nanofils 22b est en contact avec le réseau 25 d'électrode 23b. Les réseaux d'électrodes 23a et 23b participent à l'interconnexion des cellules photovoltaïques 2 du module. Dans l'exemple représenté par la figure 3, les différentes cellules 2 du module 3 sont connectées en série. Le réseau d'électrodes 23a d'une cellule est connecté au 30 réseau d'électrodes 23b de la cellule adjacente, par exemple au moyen d'un ou plusieurs éléments de connexion 23c disposés entre les deux cellules adjacentes 2. Cette configuration est ensuite reproduite pour chaque paire de cellules adjacentes dans le module ou pour chaque paire de cellules adjacentes appartenant à l'une des 3030116 16 chaines (« string » en anglais) de cellules que comporte le module (ces différentes chaines étant ensuite connectées en parallèle). A cet effet, les réseaux d'électrodes 23a et 23b de chaque cellule peuvent être dimensionnés de façon à dépasser légèrement de la cellule et prendre contact sur les éléments de connexion 23c.
5 Un matériau d'encapsulation 24', tel que décrit précédemment en relation avec la figure 2C (couche 24), enrobe les cellules photovoltaïques 2, les réseaux d'électrodes 23a, 23b disposés de chaque côté des cellules, ainsi que les éventuels éléments de connexion 23c. En outre, le matériau d'encapsulation 24' imprègne les 10 couches de nanofils 22a et 22b de chaque cellule 2. Le matériau d'encapsulation 24' du module photovoltaïque 3 est électriquement isolant, afin d'éviter un court-circuit entre les réseaux d'électrodes 23a et 23b d'une même cellule. Par contre, dans le dispositif photovoltaïque 2' à une seule cellule (Fig.2C), le matériau de la couche d'encapsulation 24 peut être conducteur d'électricité.
15 Les cellules photovoltaïques interconnectées de la figure 3 sont, de préférence, encapsulées entre deux plaques de protection 25a et 25b. La plaque de protection supérieure 25a, en face avant 3a du module 3, est transparente au rayonnement incident, tandis que la plaque de protection inférieure 25b, en face arrière 3b, est 20 avantageusement rigide, afin de faciliter la manipulation et l'installation du module. Les plaques de protection 25a-25b sont par exemple toutes les deux en verre trempé. Pour former un tel module photovoltaïque, les cellules photovoltaïques 2 sont de 25 préférence disposées côte à côte sur un support mécanique. Ce support est, de préférence, constitué par la plaque de protection inférieure 25b en verre sur laquelle on vient déposer une première feuille 24b en matériau d'encapsulation 24' et, de préférence, les réseaux d'électrodes 23b de la face arrière 3b. Alternativement, la feuille d'encapsulation 24b peut contenir directement les réseaux d'électrodes 23b.
30 Les réseaux d'électrodes 23a sont ensuite disposés sur les faces avant des cellules photovoltaïques 2, en contact avec les couches poreuses de nanofils 22a. Puis, une seconde feuille 24b du matériau d'encapsulation 24' est disposée sur les cellules 2.
3030116 17 Alternativement, la feuille d'encapsulation 24a peut contenir directement les réseaux d'électrodes 23a. Enfin, la plaque de protection 25a vient recouvrir la feuille d'encapsulation 24b.
5 L'ensemble constitué des plaques de protection 25a-25b, des feuilles d'encapsulation 24a-24b, des réseaux d'électrodes 23a-23b et des cellules photovoltaïques 2 est laminé à chaud. Le matériau d'encapsulation 24' des feuilles 24a-24b est ainsi ramolli et la pression exercée par les plaques de protection 25a-25b sur les cellules photovoltaïques 2 fait pénétrer le matériau 10 d'encapsulation 24' dans les couches poreuses 22a et 22b d'une part, et dans l'espace compris entre les cellules 2 d'autre part (où se situent d'ailleurs les éléments de connexion 23c). Plutôt que d'être connectées en séries, les cellules photovoltaïques 2 du module 3 15 peuvent être connectées en parallèle. La connexion des cellules au moyen des réseaux d'électrodes s'effectue alors dans le même plan. Le réseau d'électrodes 23a d'une cellule peut être connecté au réseau d'électrodes 23a de la cellule adjacente. De même, le réseau d'électrodes 23b d'une cellule peut être connecté au réseau d'électrodes 23b de la cellule adjacente.
20 Dans une variante de réalisation, le module photovoltaïque peut comprendre un seul réseau d'électrodes 23a pour la face avant 3a et un seul réseau d'électrodes 23b pour la face arrière 3b, chaque réseau 23a-23b connectant simultanément plusieurs cellules. Il n'y a alors pas d'élément de connexion 23c entre les cellules. A la place 25 du second réseau d'électrode, la face arrière des cellules peut également être occupée par une unique électrode. De nombreuses variantes et modifications du dispositif photovoltaïque et de son procédé de fabrication apparaîtront à l'homme du métier. Bien que le dispositif 30 photovoltaïque ait été décrit en relation avec une cellule à hétérojonction à base de silicium, d'autres types de cellules et d'autres matériaux semi-conducteurs peuvent être utilisés. Les cellules photovoltaïques peuvent notamment comporter un empilement de couches semi-conductrices à base de germanium ou en alliage CIGS 3030116 18 (alliage de cuivre, d'indium, de gallium et de sélénium). L'émetteur peut se situer en face avant, comme représenté sur les figures 2 et 3, ou bien en face arrière (non représenté).
5 Enfin, dans chacun des dispositifs photovoltaïques 2' et 3 décrits ci-dessus, la couche poreuse de nanofils peut être présente uniquement en face avant (face éclairée) de chaque cellule, comme sur les figures 2A à 2C, ou bien être présente sur les deux faces de chaque cellule, comme sur la figure 3.

Claims (17)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un dispositif photovoltaïque (2', 3) comprenant les étapes suivantes - prévoir au moins une cellule photovoltaïque (2) comprenant - un empilement de couches semi-conductrices (21) ; et - une première couche poreuse (22, 22a) formée de nanofils en matériau conducteur et disposée sur une première face de l'empilement de couches semi-conductrices (21), la première couche poreuse de nanofils étant conductrice électriquement et transparente à un rayonnement incident; - déposer un premier réseau d'électrodes de collecte (23, 23a) sur la cellule photovoltaïque (2), en contact avec la première couche poreuse de nanofils (22, 22a) ; et - presser la cellule photovoltaïque (2) avec une première couche (24, 24a) formée d'un matériau d'encapsulation (24') et transparente au rayonnement incident, de sorte que le matériau d'encapsulation (24') imprègne la première couche poreuse de nanofils (22, 22a).
  2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la cellule photovoltaïque (2) est laminée à chaud avec la première couche en matériau d'encapsulation (24, 24a) et une plaque de protection (25, 25a) transparente au rayonnement incident, la première couche en matériau d'encapsulation étant interposée entre la plaque de protection et la cellule photovoltaïque.
  3. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel le matériau d'encapsulation (24') est un matériau polymère ayant un indice optique supérieur à celui du matériau formant la plaque de protection (25, 25a).
  4. 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel le matériau d'encapsulation (24') est choisi parmi les copolymères d'éthylène-acétate de vinyl (EVA), les élastomères de polyuréthane thermoplastique (TPU), le polyvinyl de butyral (PVB), les silicones, les silicones hybrides polyuréthane, les ionomères et les résines durcissables par 3030116 20 UV.
  5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel la cellule photovoltaïque (2) est soumise à une étape de recuit à une température comprise 5 entre 100 °C et 200 °C pendant une durée comprise etre 1 min et 15 min, avant l'étape de dépôt du premier réseau d'électrodes de collecte (23, 23a).
  6. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel la cellule photovoltaïque (2) comprend en outre une seconde couche poreuse de nanofils 10 (22b) disposée sur une seconde face opposée de l'empilement de couches semi- conductrices (21), la seconde couche poreuse de nanofils (22b) étant recouverte par un second réseau d'électrodes de collecte (23b) et pressée avec une seconde couche en matériau d'encapsulation (24'), de sorte que le matériau d'encapsulation (24') imprègne la seconde couche poreuse de nanofils (22a, 22b). 15
  7. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel une pluralité de cellules photovoltaïques (2) sont disposées côte à côte sur un support (25b), recouvertes par le premier réseau d'électrodes de collecte (23a) et pressées avec la première couche transparente au rayonnement incident (24a), le premier 20 réseau d'électrodes de collecte (23a) assurant en outre la connexion électrique entre les cellules photovoltaïques.
  8. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel une pluralité de cellules photovoltaïques (2) sont disposées côte à côte sur un support 25 (25b), recouvertes par des premiers réseaux d'électrodes de collecte (23a) et pressées avec la couche transparente au rayonnement incident, les premiers réseaux d'électrodes de collecte (23a) étant configurés pour permettre la connexion entre les cellules photovoltaïques. 30
  9. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le matériau conducteur des nanofils est choisi parmi le cuivre, l'argent et l'or.
  10. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel les 3030116 21 nanofils ont un diamètre compris entre 50 nm et 150 nm.
  11. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel la couche poreuse de nanofils (22, 22a) a une épaisseur comprise entre 50 nm et 5 150 nm et une densité de nanofils comprise entre 10 mg/m2 et 60 mg/m2.
  12. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel l'empilement de couches semi-conductrices (21) comporte une première couche semi-conductrice (211) dopée d'un premier type de conductivité et une deuxième 10 couche semi-conductrice (212) dopée d'un second type de conductivité opposé, la deuxième couche semi-conductrice (212) étant disposée entre la première couche semi-conductrice (211) et la première couche poreuse de nanofils (22, 22a).
  13. 13. Procédé selon la revendication 12, comprenant la fabrication de chaque cellule 15 photovoltaïque (2) à l'aide des étapes suivantes : - former la deuxième couche semi-conductrice (212) sur la première couche semi-conductrice (211) ; - déposer les nanofils en matériau conducteur sur la deuxième couche semi- conductrice (212) de façon à obtenir la première couche poreuse de nanofils 20 (22, 22a).
  14. 14. Procédé selon la revendication 13, dans lequel les nanofils en matériau conducteur sont dispersés dans une solution contenant au moins un solvant, la solution étant déposée par pulvérisation ou impression sur la deuxième couche semi- 25 conductrice (212) et le solvant étant évaporé.
  15. 15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, dans lequel la première couche semi-conductrice (211) est un substrat en silicium cristallin et la deuxième couche semi-conductrice (212) est en silicium amorphe. 30
  16. 16. Dispositif photovoltaïque comprenant : au moins une cellule photovoltaïque (2) comportant : - un empilement de couches semi-conductrices (21) ; et 3030116 22 - une couche (22, 22a, 22b) conductrice électriquement et transparente à un rayonnement incident, comprenant des nanofils en matériau conducteur et une matrice en un matériau d'encapsulation (24') enrobant les nanofils, la couche conductrice et transparente étant 5 disposée sur l'empilement de couches semi-conductrices (21) ; un réseau d'électrodes de collecte (23, 23a, 23b) disposé sur la cellule photovoltaïque, en contact avec la couche conductrice et transparente ; et une couche d'encapsulation (24, 24a, 24b) formée du matériau d'encapsulation (24') et transparente au rayonnement incident, la couche 10 d'encapsulation enrobant le réseau d'électrodes de collecte (23, 23a, 23b).
  17. 17. Dispositif selon la revendication 16, dans lequel l'empilement de couches semiconductrices (21) comporte une première couche semi-conductrice (211) dopée d'un premier type de conductivité et une deuxième couche semi-conductrice (212) dopée 15 d'un second type de conductivité opposé, la deuxième couche semi-conductrice (212) étant disposée sur la première couche semi-conductrice (211) et la couche conductrice et transparente (22, 22a) étant disposée en contact avec la deuxième couche semi-conductrice (212).
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