Source : pv-manufacturing.org
L'industrie photovoltaïque s'appuie sur des plaquettes de silicium multicristallin et monocristallin pour fabriquer des cellules solaires. Ensemble, ils représentent près de 90 % de tous les substrats de plaquettes utilisés dans l'industrie. En raison des orientations différentes des grains au sein d'une même plaquette, la gravure alcaline ne peut pas être utilisée pour texturer le silicium multicristallin, car cela entraînerait une texturation non uniforme sur la surface car différents grains gravent à des vitesses différentes. Les plaquettes de silicium monocristallin avec une orientation [100] sont le type de plaquette monocristalline le plus courant dans l'industrie car elles peuvent être facilement texturées à l'aide d'un agent de gravure alcalin, par exemple KOH. Le silicium cristallise dans un réseau cubique en diamant (deux réseaux cubiques à faces centrées s'interpénétrant) et est représenté sur la Fig. 1. Les lignes bleues, vertes et rouges de la Fig. 1 représentent les [100], [110] et [111] avions, respectivement.
Figure 1Représentation du réseau cubique de diamant d'un cristal de silicium et la représentation des différents plans indiqués par des lignes colorées.
Figure 1Représentation du réseau cubique de diamant d'un cristal de silicium et la représentation des différents plans indiqués par des lignes colorées.
Les agents de gravure alcalins gravent les surfaces de silicium [100] beaucoup plus rapidement que les surfaces de silicium [111], ce qui est à la base du processus de gravure anisotrope utilisé pour créer une texture pyramidale. La principale différence entre la gravure à la scie et la texturation est la vitesse de gravure. Pour augmenter l'anisotropie du processus, la vitesse de gravure doit être faible, c'est-à-dire 2 µm/min ou moins. Pour obtenir des vitesses de gravure inférieures, la température du procédé peut être abaissée et/ou la concentration de l'agent de gravure peut être diminuée. Par exemple, une recette de texturation typique qui utilise une concentration de KOH de 1 à 2 % (par rapport à une concentration de 30 à 40 % pour l'élimination des dommages à la scie) à 70-80 °C. Le résultat est une surface peuplée de pyramides à base carrée aléatoires où les côtés sont formés par des plans [111] et la base est le plan [100]. Ceci est représenté sur la figure 2. En réalité, les pyramides gravées ne sont pas des tétraèdres à base carrée parfaits avec un angle de base, a, de 54,74°. Pour la plupart des procédés de texturation industriels, a est compris entre 49 et 53°. C'est parce que la pointe de la pyramide est gravée pour la plus longue durée.
Figure 2Pyramides carrées aléatoires sur la surface du silicium. Le bord de base est de 5-6 µm.
La solution de texturation comprend également de l'isopropanol (ou un autre additif industriel). L'isopropanol agit comme un tensioactif qui améliore le mouillage de la surface et garantit que H2le gaz (libéré par la gravure) ne colle pas à la surface. Si l'isopropanol n'est pas utilisé, des « buttes » rondes peuvent se former en raison de H2bulles bloquant la vitesse de gravure à la surface. L'isopropyle réduit la tension superficielle et permet à H2bulles à libérer de la surface plus facilement.
De nombreux facteurs contribuent à la qualité de la texturation :
Le résultat de la texturation dépend de la surface initiale.
Le procédé est sensible à la présence de silicates résiduels provenant de la gravure des dommages à la scie.
L'équilibre entre la nucléation pyramidale et la destruction pyramidale.
Une gravure excessive peut entraîner la destruction des pyramides.
L'évaporation de l'isopropanol se produit lorsque la température du bain atteint 90 °C.
L'isopropanol a une fonction mouillante - empêche les bulles d'H2 de coller à la surface.
La ventilation est importante, mais peut affecter le taux d'évaporation de l'isopropanol
Les durées de processus typiques sont de 15 à 20 minutes, par conséquent, le taux d'évaporation doit être surveillé.
Circulation batch – bouillonnant avec N2peut aider à garder les composants du bain bien mélangés.
Une texturation correcte est importante car la texture de la surface est directement liée à la capacité de la cellule solaire à capter la lumière et à générer du courant. La texturation des surfaces améliore le courant cellulaire via trois mécanismes distincts.
La réflexion des rayons lumineux d'une surface inclinée sur une autre améliore la probabilité d'absorption.
Les photons réfractés dans le silicium se propageront selon un angle, augmentant leur longueur de trajet efficace dans la cellule, ce qui à son tour augmente les chances de génération de paires électron-trou.
Les photons de grande longueur d'onde réfléchis par la surface arrière rencontrent une surface de silicium inclinée, améliorant les chances d'être réfléchis en interne (piégeage de la lumière)
Une bonne texturation devrait conduire à une réflectivité plus faible pour toute la gamme de longueurs d'onde visibles.
Sur la figure 6, la réflectivité différente pour différents temps de gravure est tracée en fonction de la longueur d'onde. Pour une texturation optimale, la taille des pyramides doit être de 3 à 10 µm (taille du bord à la base) et la couverture de la surface doit être proche de 100 %.
