Quel procédé de métallisation pour les cellules photovoltaïques de demain ?

Mardi 12 Juin 2012

SSSSéééébastien bastien bastien bastien ThibertThibertThibertThibert: s.thibert@mpo: s.thibert@mpo: s.thibert@mpo: s.thibert@mpo----energy.comenergy.comenergy.comenergy.com

1. La technologie photovoltaïque : quelques chiffres clés2. Les cellules en silicium cristallin : principe de

fonctionnement 3. Avantages et inconvénients du procédé de

métallisation actuel et solutions alternatives4. Conclusion

Sources : [Epia2011, Ren212011]

�Une production en contradiction avec les ressources :

�En 6 heures les déserts reçoivent plus d’énergie que l’humanité en consomme annuellement�Seulement 0,3% des 40 millions km 2 de déserts équipés de collecteurs solaires auraient pu suffire pour répondre aux besoins énergétiques de la planète en 2009…

�Mais, moins de 3% de la consommation mondiale d’énergie était d’ « origine » solaire en 2009…

1. La technologie photovoltaïque : quelques chiffres clés

# 1

�Néanmoins, le photovoltaïque est une industrie en p leine croissance menée par la réduction des coûts :

�1839 : Découverte de l’effet photovoltaïque par Becquerel�1954 : Première cellule en silicium réalisée dans les laboratoires Bell avec un rendement de 4%Coût de la cellule > 1500$/Wc…� 2011 : Plus de 50 GW (≈50 centrales nucléaires) de capacitéinstallée en Europe (80% du marché mondial)

Coût du module PV < 2 $/Wc�Prévisions : 100 GW installées en Europe en 2016

Parité réseau atteinte progressivement : coût de l’électricité PV < 0,12 €/kWh en 2020 (sud Europe)

Sources : [Epia2011, Ren212011, Pvxchange2012]

1. La technologie photovoltaïque : quelques chiffres clés

# 2

Sources : [NREL2012]

�Plusieurs filières en développement: � Couche mince� Organique� Silicium cristallin (>80%) du marché

�Plusieurs leviers pour réduire les coûts des systèmes PVs :

� Economie d’échelle� Durée de vie� Coûts de production� Rendement� Innovation� Etc…

1. La technologie photovoltaïque : quelques chiffres clés

# 3

�Principe de fonctionnement et effet photovoltaïque

→Absorption des photons incidents

E

E

→Conversion en paire électron/trou

→Accélération des paires (jonction p/n et p+/p)

→Séparation des paires (jonction p/n et p+/p)

→Collecte des porteurs

� Le dispositif doit favoriser

→L’absorption du maximum de photons incidents

→La conversion de l’énergie des photons en charges électriques

→La collecte sans pertes de charges dans un circuit extérieur

2. Les cellules en silicium cristallin : Principe de fonctionnement

# 4

�Procédé standard d’élaboration des cellules

→Nettoyage et Texturation

→Création de la jonction pn par Diffusion Phosphore

→Dépôt d’une Couche Anti Reflet (CAR) en Face Avant (FAV)

→Sérigraphie des contacts

→Recuit >800°C: prise de contact et formation du Back Surface Field (BSF)

→Ouverture de jonction

2. Les cellules en silicium cristallin : Principe de fonctionnement

# 5

�Principe :�Déposer une encre conductrice à travers un masque.�Contact FAV : grille d’une pate d’argent�Contact FAR : pate d’aluminium pleine plaque

�Pourquoi la sérigraphie?�Haut débit (pas de vide)� 1 wafer.s-1

�Technologie mature utilisée depuis 1970 : Simple, fiable et rapide, utilisée en microélectronique

�Principales limitations dues à la sérigraphie des contacts en FAV :

�Motifs poreux après sérigraphie� Résistivité des contacts 2 fois supérieure à celle de l’argent pur (ρ= 3.10-6 Ω.cm)�Diminution du rendement�Motifs larges (> 80µm) � ombrage de 8 à 10% de la cellule � Diminution du rendement�Emploi d’argent�Augmentation des coûts (métallisation ≈ 40% du coût process des cellules)�Les pâtes doivent assurer un bon contact, une bonne conductivité et être facilement soudables

�La sérigraphie des contacts en face avant limite non seulement le rendement, mais augmente également le coût de production d’une cellule photovoltaïque

�Besoin d’une solution alternative

FAR FAV

3. Avantages et inconvénients du procédé de métallisation actuel et

solutions alternatives

# 6

�Cahier des charges d’un procédé alternatif : �Réduction de l’aire de contact�Réduction des pertes par ombrage� Augmentation du ratio hauteur/largeur�Diminution des pertes résistives dans le contact et l’émetteur�Utilisation d’émetteurs plus faiblement dopés�Augmentation de la réponse de la cellule dans le bleu/UV�Ne pas augmenter les coûts

�En résumé :Essayer de se rapprocher des contacts déposés par photolithographie (dans l’industrie spatiale ou en laboratoire) sans augmenter les couts de production …

Sources : [Hilali2004, Zhao1999]

3. Avantages et inconvénients du procédé de métallisation actuel et

solutions alternatives

# 7

�Concept d’une double couche pour une meilleure optimisation et réduction des couts:�Seed layer (Ag/Ni/Ti/Cr):

�Prise de contact sur l’émetteur, assure un bon contact électrique et mécanique�Réduction de la largeur du contact

� Conductive layer (Ag/Cu):�Augmentation de la conductivité�Augmentation du ratio Hauteur/Largeur�Utilisation du cuivre

Optimisation individuelle de chacune des couches ����Augmentation du rendement et réduction des coûts

Sources : [Horteis2007, Pysch2009]

Cu=7 €/kg Ag=900 €/kg

3. Avantages et inconvénients du procédé de métallisation actuel et

solutions alternatives

# 8

�Conductive layer (Ag/Cu):�Light Induced Plating (LIP) : Procédé électrolytique amélioré

�Seed layer (Ag/Ni/Ti/Cr):�Plusieurs procédés disponibles :

→Inkjet→Aerosol Jetting→Flexographie/Tampographie rotative→Etc…

Sources : [Shin2010, Mette2007, Frey2011]

3. Avantages et inconvénients du procédé de métallisation actuel et

solutions alternatives

# 9

4. Conclusion

�Technologie photovoltaïque en pleine expansion

�Plusieurs filières, les cellules en silicium crista llin représente plus de 80% du marché

�Pour que cette énergie soit plus compétitive il fau t réduire les coûts associés :�Coûts de production �Rendement�Innovation

� La métallisation des cellules est réalisée actuelle ment par sérigraphie :�Haute cadence et procédé mature, mais limite les per formances des cellules et augmente leur coût ���� Besoin d’une solution alternative

�Optimisation en deux temps de la métallisation, le concept « Seed & Plate » :�Seed layer (Ag/Ni/Ti/Cr) ����Prise de contact et réduction de la largeur des contacts:

� Plusieurs procédés disponibles : →Inkjet→Aerosol Jetting→Flexographie/Tampographie rotative

�Conductive layer (Ag/Cu) ����Augmentation du ratio hauteur/largeur et de la conductivité des contacts:

→Light Induced Plating (LIP) : Procédé électrolytique amélioré

Merci de Merci de Merci de Merci de

votre votre votre votre

attentionattentionattentionattention…………# 10

Bibliographie

�[Epia2011] EPIA and Greenpeace, “Solar generation : Solar photovoltaic electricity empowering the world,” 2011.

�[Ren212011]Ren21, “Renewables 2011 global status report,” 2011.

�[Pvxchange2011] http://www.pvxchange.com/priceindex/priceindex.aspx?template_id=1&langTag=en-GB

�[NREL2012] http://www.nrel.gov/

�[Hilali2004] M. M. Hilali, A. Rohatgi, and B. To, “A review and understanding of screen-printed contacts and selective-emitterformation,” in Proceedings of the14th Workshop on Crystalline Silicon Solar Cell Materials and Processes, 2004, vol. 1617, no. August, pp. 109-116.

�[Zhao1999] J. Zhao and A. Wang, “24.5% Efficiency Silicon PERT Cells on MCZ Substrates and 24.7% Efficiency PERL Cells on FZ Substrates,” Prog. Photovolt: Res. Appl, vol. 7, pp. 471-474, 1999.

�[Horteis2007] M. Hörteis, A. Mette, P. Richter, F. Fidorra, and S. Glunz, “Further progress in metal aerosol jet printing for front sidemetallization of silicon solar cells,” in Proceedings of the 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, 2007, no. September, pp. 7-10.

�[Pysch2009] D. Pysch, A. Mette, A. Filipovic, and S. Glunz, “Comprehensive analysis of advanced solar cell contacts consisting of printed fine-line seed layers thickened by silver plating,” Progress in Photovoltaics: Research and Applications, vol. 17, no. 2, pp. 101–114, 2009.

�[Shin2010] D.-Y. Shin, “Fabrication of an inkjet-printed seed pattern with silver nanoparticulate ink on a textured silicon solar cellwafer,” Journal of Micromechanics and Microengineering, vol. 20, no. 12, p. 125003, Dec. 2010.

�[Mette2007] A. Mette, P. L. Richter, M. Hörteis, and S. Glunz, “Metal aerosol jet printing for solar cell metallization,” Progress in Photovoltaics: Research and Applications, vol. 15, no. 7, pp. 621–627, 2007.

�[Frey2011] M. Frey, F. Clement, S. Dilfer, D. Erath, and D. Biro, “Front-side Metalization By Means Of Flexographic Printing,”Energy Procedia, vol. 8, no. April, pp. 581-586, Jan. 2011.

SSSSéééébastien bastien bastien bastien ThibertThibertThibertThibert: s.thibert@mpo: s.thibert@mpo: s.thibert@mpo: s.thibert@mpo----energy.comenergy.comenergy.comenergy.com# 11