REVETEMENTS ANTIREFLETS D’UNE DOUBLE COUCHE POUR LES CELLULES SOLAIRES AU SILICIUM

REVETEMENTS ANTIREFLETS D’UNE DOUBLE COUCHE POUR LES CELLULES SOLAIRES AU SILICIUM

Introduction

 En photovoltaïque PV ainsi que dans toutes les technologies impliquant l’interaction lumière matière, le phénomène de la réflexion et la transmission de la lumière à une interface entre deux milieux d’indice de réfraction différents est important. Dans le cas du PV, toute réflexion de lumière à la surface de la cellule réduit la quantité d’énergie disponible à absorber et donc réduit la performance du dispositif. De plus, la surface d’un semi-conducteur réfléchit typiquement plus de 20% de la lumière incidente perpendiculairement. Il est donc essentiel d’inclure une méthode pour réduire la réflexion à la surface de la cellule (communément appelé revêtement antireflet) dans le procédé de fabrication des cellules solaires. 

Principales techniques de fabrication de revêtements antireflets

 Le domaine du PV est dominé par les cellules solaires simples en silicium qui ont bénéfice de la maturité de l’industrie du silicium. Selon leur qualité et leur type, elles peuvent avoir une efficacité de conversion jusqu’à plus de 20%. Comme les semi-conducteurs qui composent la cellule ont un indice de réfraction plus élevé que l’air (>3,4 pour le Si), une technique pour réduire les pertes par réflexion à la surface est nécessaire. Deux méthodes peuvent être utilisées : i) recouvrir la cellule d’une fine couche d’un matériau transparent d’indice de réfraction intermédiaire entre celui de l’air et celui du semi-conducteur, ii) texturer la surface du semi-conducteur par des motifs de dimensions nanométriques (par exemple par des pyramides). 

TEXTURISATION 

Toute rugosité de la surface réduit la surface en favorisant les chances pour la lumière de se réfléchir sur le matériau. L’opération de texturisation vise à développer en surface un relief micrométrique, permettant des réflexions multiples. Parfois les deux méthodes sont utilisées conjointement. D’abord, pour les CAR par déposition de couches minces transparentes, la disponibilité de matériau avec de bons indices de réfraction et une faible absorption est le principal obstacle. Ensuite, pour obtenir un CAR plus performant autant sur une grande plage de longueurs d’onde que pour différents angles d’incidence, la texturisation de la surface est utilisée. Une méthode couramment utilisée consiste à créer des pyramides aléatoires sur la surface du Si. Une couche d’oxynitrure de silicium est déposée sur les pyramides pour améliorer la performance de la cellule et sert de passivation de la surface de Si .On remarque que quelques pyramides sont tronquées, relevant ainsi la surface du Si, pour permettre le contact métallique sur le dessus de la cellule. En d’autres termes, le CAR doit être optimisé pour minimiser la réflexion dans la plage d’absorption de la ou des cellule(s) limitante(s). D’abord, lorsque toutes les cellules sont bien ajustées (c’est-à-dire qu’elles ont tout le potentiel de produire le même courant) l’amélioration de la CAR devient plus problématique et des techniques spéciales peuvent être envisagées : CAR triple ou quadruple couche, nanotexturisation de la surface. Les gaps de ces cellules solaires à haute efficacité sont ajustes de manière à ce que le spectre solaire soit absorbé également par chaque cellule. Donc, même si le réflectance de la CAR a un minimum presque 0% sur une certaine plage de longueurs d’onde, la perte de courant occasionnée par une réflectance aussi petite que 5% sur une autre plage de longueurs d’onde limitera le courant total du dispositif. Cet CAR a une excellente performance sur une grande largeur spectrale avec une réflectance moyenne de 2,7% sur 450 – 1650 nm. Par contre, le procédé de fabrication est plus complexe que la déposition d’une ou deux couches diélectriques par PECVD par exemple, et la durabilité à long terme d’une telle structure reste à vérifier. 

Notion fondamentale de l’antireflet à gradient d’indices 

Deux types d’approches sont envisageables pour réaliser un revêtement antireflet sur un substrat (Figure I.1). La première approche consiste en une couche dite à gradient d’indice dont l’indice de réfraction croît de l’extérieur vers le substrat. La seconde approche utilise un empilement de couches d’indices de réfraction différents et exploite les interférences destructives entre les faisceaux réfléchis sur les multiples dioptres [4]. Figure I.1. Représentation schématique des deux types d’approche (gradient d’indice et interférentielle) pour obtenir un effet antireflet. L’effet antireflet à gradient d’indice sur du verre a été pour la première fois observé par Lord Rayleigh en 1886, lorsqu’il a décrit la diminution de la réflectivité pour des prismes de deux s. Dans son article, Lord Rayleigh émit l’hypothèse que cette perte de réflectivité eût pour origine l’existence d’une couche possédant un indice de réfraction inférieur à celui du verre et d’épaisseur inferieur à un cent-millième de pouce (soit 254nm). L’antireflet à gradient d’indice repose sur l’adaptation progressive de l’indice de réfraction entre l’air (n = 1) et le substrat de verre (n = 1,52). En pratique, le gradient d’indice peut être rendu discret et l’effet antireflet est obtenu grâce à un empilement de couches homogènes d’indice de réfraction de plus en plus bas en allant du substrat vers l’air. Le cas le plus simple est l’antireflet en une seule couche, et pour en illustrer le principe, le paragraphe suivant présente la détermination des conditions sur l’épaisseur et l’indice de réfraction de la couche pour l’obtention d’une réflexion nulle sous incidence normale et pour une longueur d’onde donnée.

Matériaux utilisés pour les revêtements antireflets 

Influence du substrat 

Les matériaux choisis pour la fabrication dépendent de la fonctionnalité du substrat auquel ils sont fabriqués. L’indice du substrat intervient dans l’expression du facteur de réflexion d’un miroir. Ses propriétés vont affecter dans une certaine mesure les propriétés optiques du substrat. Son influence sur le maximum de réflexion diminue avec l’augmentation du nombre de couches. Le rôle du substrat va se limiter aux zones de faible réflexion. Le spectre du facteur de réflexion peut être perturbé par le substrat si ce dernier a un indice qui varie fortement avec la longueur d’onde et, en particulier, s’il est absorbant. Habituellement, l’application impose le substrat (cavité laser, couche antireflet..). Il est de préférence transparent dans le domaine spectral utile du dispositif auquel il appartient [6]. L’absorption est en général un phénomène indésirable sauf dans les cas particuliers où elle joue un rôle dans la fonction optique (comme facteur anti réfléchissant). 

Choix des matériaux 

Les oxydes représentent une classe de matériaux très utilisés en tant que revêtements car ils ont l’avantage de présenter de bonnes propriétés mécaniques, une bonne stabilité chimique ainsi qu’une bonne transparence optique sur une large gamme spectrale et des indices de réfractions variés (Tableau I.1). Matériaux à indice de réfraction élevé : Les matériaux les plus utilisés pour leur haut indice de réfraction sont TiO2 et Ta2O5 en raison de leur faible absorption dans le visible et de leur bonne stabilité chimique. Ces deux matériaux peuvent être déposés par pulvérisation cathodique réactive à partir de cibles métalliques.