Energy research Active solar energy Photovoltaic programme Swiss Federal Office of Energy SFOE Annual Report 2001 Procédé de fabrication industriel de cellules solaires flexibles sur film plastique mince Author and co-authors Dr. Diego Fischer, Prof. Dr. Herbert Keppner Institution / company VHF-Technologies SA + Ecole d Ingénieurs du Canton de Neuchâtel Address EICN, Av. Hôtel de Ville 7 Telephone, Fax 032 930 31 9 / 032 930 36 4 E-mail, homepage info@vhf-technologies.com, www.vhf-technologies.com Project- / Contract -Number CTI 4622.1 Duration of the Project (from to) 1.1.2000-31.3.2001 ABSTRACT VHF-Technologies SA was founded in February 2000 to industrialize the amorphous silicon on flexible substrate solar cell technology developed by the IMT of the University of Neuchâtel over the years 1996-1999. The goal of this research project was to transfer the IMT technology to a pilot-line level, thereby enabling VHF- Technologies to serve as soon as possible a growing market demand in the field of wireless and autonomous electronics. This transfer was achieved as planned thanks to a very close collaboration between VHF-Technologies SA and the Ecole d Ingénieurs du Canton de Neuchâtel (EICN) on the site of EICN in Le Locle, in the laboratory of Prof. Herbert Keppner. As a result, a roll-to-roll reactor for continuous VHF-deposition of amorphous silicon cells on a 30 cm wide flexible polyimide substrate was designed, built and taken into operation. This reactor has a nominal annual capacity of 2000 sqm, and was shown to produce amorphous silicon solar cells in continuous rolls of 30 meters x 30 cm. Based on such a roll, VHF-Technologies and EICN were able to demonstrate in May 2001 a world record length flexible monolithically series connected solar module (28 meter long, 30 cm wide, 2 kg weight) Solar cell efficiencies, based on a p-i-n structure without light-trapping and without a window-layer, were shown to reach consistently values between 3 to 4 %.
S-2 Introduction / Buts du projet VHF-Technologies SA est une entreprise start-up qui fabrique et commercialise des cellules solaires en forme de film mince et flexible. La technologie de base, le procédé de déposition rapide de silicium par fréquence VHF, a été développée à l Institut de Microtechnique de l Université de Neuchâtel. Pour pouvoir répondre à une forte demande du marché dans l alimentation de dispositifs portables et autonomes, le présent projet avait comme objectif de transférer la technologie de l IMT à l échelle d une ligne pilote industrielle. L élément crucial du présent projet CTI était de développer un réacteur roll-to-roll, et d y transférer d abord le procédé de déposition rapide par plasma VHF, et ensuite la technologie des structures p-i-n développée auparavant à l IMT de Neuchâtel. Au niveau du réacteur, le but donné était de réaliser un installation avec une capacité nominale de 2000 m 2 par année, et avec un yield de production d au mois 0%. Au niveau des dispositifs, le but était d atteindre au moins 3% de rendement de conversion sur des petites surfaces. Un tel rendement a été trouvé suffisant pour satisfaire les marchés de la petite puissance dans le domaine de l électronique portable (montre, carte-à-puce, habillement). Afin de réunir tous les éléments nécessaires à une première fabrication des produits photovoltaiques vendables, le projet couvrait également divers éléments complémentaires, tel que la mise en série, le contactage, et l encapsulation des cellules. Brève description du projet / de l'installation Le schéma ci-dessous décrit le planning général du projet CTI (Figure 1). Dans l année 2001 a eu lieu la phase finale du projet («total process optimisation»). month 1-3 month 4-6 month 7-9 m onth -12 reactor, electrode 1 roll-to-roll 2 silicon d ep osition reactor ITO doping, solar cells 3 IT O process laser param eters lift-off 4 laser system lift-off total process optim isation Figure 1. Jalons définis pour le projet CTI. 1 : premier plasma VHF dans le réacteur 2 : déposition d une couche de silicium sur 30 m de substrat 3 : déposition d une cellule p-i-n sur 30 m 4 : définition finale des paramètres laser : fabrication de cellules avec un rendement photovoltaïque de 3% et un rendement de fabrication > 0%
S-3 Travaux effectués et résultats acquis S agissant de la phase finale du projet, les travaux de 2001 se sont concentré sur l optimalisation globale des différentes étapes de fabrication, ainsi que sur l analyse en détail des résultats. Uniformité et yield de production : L uniformité et le yield (c-à-d le taux des cellules utilisables) ont été déterminés par l analyse de cellules solaires de petite surface disposées à travers toute la largeur utilisable (28 cm) de la bande de substrat. Les Figures 2 et 3 montrent des exemples de distribution des valeurs du «fillfacteur» et du Voc à travers la largeur du substrat. Ces deux paramètres de la cellules solaire sont les deux très sensibles aux «shunts», c-à-d aux courts-circuits dans la cellule. Les analyses montrent alors un taux très élevé de bonnes cellules, jusqu à 88% dans des cellules mesurées. Concernant l uniformité de la déposition de toutes les couches de la cellule à travers toute la largeur du substrat, elle est directement confirmée par la très petite dispersion des valeurs de Voc et «fillfacteur» autours des valeurs centrales. 14 30 12 2 20 Nombre 8 6 4 Nombre 1 2 0 1 20 2 30 3 40 4 0 60 6 70 7 0 0, 0,20 0,30 0,40 0,0 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 Fillfactor (%) Voc (Volt) Figure 2 : Histogramme du «fillfacteur»(ff) sur un lot de 0 cellules tests (surface 0.2 cm 2 ) disposées de façon linéaire à travers la largeur du film. Figure 3 : Histogramme du Voc sur un lot de 0 cellules tests (surface 0.2 cm 2 ) disposées de façon linéaire à travers la largeur du film. Performance des cellules : La structure de cellule utilisée a été la suivante : polyimide Al p i n - ITO. Les Figures 4 et donnent les performances typiques obtenues avec de telles structures lors des «runs» de fabrication sur le réacteur roll-to-roll. La réponse spectrale (Figure 4) démontre des valeurs relativement basses sur toute la gamme spectrale utilisable. In en résulte que le courrant atteint 8mA/cm 2 sous AM1./0mW/cm 2. Ceci laisse clairement beaucoup de marge d amélioration, notamment par un meilleur contact arrière (de haute réflectivité et texturé) et par une amélioration de la transmission de la couche «fenêtre» (dans ce cas c est une couche n). Concernant la caractéristique JV (Figure ), la haute valeur du «fillfacteur» indique une bonne maîtrise des problèmes de contamination. Le Voc (800 mv) est satisfaisant pour ce type de dispositif. Il pourrait encore être amélioré de 0-0 mv par une structure inversée n-i-p et par des traitements d interface. Le rendement de conversion résultant est de 4.3% pour le cas donné en Figure.
S-4 1,0 0,9,00 courbe-jv réponse spectrale 0,8 0,7 0,6 0, 0,4 0,3 0,2 courrant (ma/cm2) 8,00 6,00 4,00 2,00 0,1 0,0 30 400 40 00 0 600 60 longeur d'onde (nm) 700 70 800 0,00 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 voltage (V) Figure 4 : Réponse spectrale de cellules tests (surface 0.2 cm 2 ) disposées à trois positionnements différents à travers la largeur du film. Figure : Caractéristique courrant-tension d une cellule tests (surface 0.2 cm 2 ) sous AM1.: Voc=801mV, FF=67.4%, Isc=8.0 ma/cm 2, rendement = 4.3% Eléments complémentaires : Aux niveau du procédé de la mise en série, la voie du gravage par laser Yag, initialement mise en priorité, (voir Figure 1) a été abandonnée en cours de projet. En effet il s est avéré impossible de trouver une fenêtre de procés suffisamment large et stable pour l étape cruciale de l isolation des couches ITO. En conséquence, seul le procédé «lift-off» a été développé et appliqué pour la structuration et la mise-en-série des cellules. Heureusement, de bons résultats ont été atteints par cette voie là avec, comme désavantages, une résolution de mise-en-série restreinte et la nécessité d utiliser des solvants. Figure 6 : Cellules solaires pour une application carte-à-puce structurées et mises-en-série par procédé «lift-off»
S- Collaboration nationale et internationale Une collaboration étroite a été maintenue avec l équipe du Prof. Shah de l IMT de Neuchâtel. Divers équipements ont été prêtés par l IMT à l EICN dans la cadre de ce projet. En plus, les collaborateurs du projet ont eu accès aux installations de caractérisation et de technologie de l IMT. La collaboration avec l entreprise Laserautomation SA à Chaux-de-Fonds a été très important afin de pouvoir accéder au savoir-faire industriel de la découpe et du gravage par laser. Évaluation de l année 2001 et perspectives pour 2002 Les buts posés dans la requête CTI ont été pleinement atteints, notamment au plan de la capacité de production nominale annuelle de 2000 m 2 du réacteur plasma-cvd, ainsi que les performances des cellules (>3% de rendement de conversion et un yield de > 0%). Le point fort de l année a été sans doute la présentation publique du module solaire le plus longe du monde lors de la manifestation «Science et Cité et» en mai 2001 sur la place du marché de la Ville du Locle. Le présent projet de recherche ayant pris fin en mars 2001, VHF-Technologies et l EICN ont soumis différents nouveaux projets de recherche dans le domaine des cellules solaires en silicium sur film flexible, dont deux commencent en hiver 2001/2002. Les priorités pour 2002 seront donc l amélioration du rendement photovoltaïque des dispositifs fabriqués sur la ligne pilote, ainsi que des questions liées aux applications, notamment pour des façades de bâtiments. Références et publications Publications: [1]: D. Fischer et al, "20cm x 30 cm Amorphous Silicon Solar Modules on Plastic Film Fabricated with the VHF-Technology at High Deposition Rates for Integration onto Building Panels", Proceedings of the 16th EE Photovoltaic Solar Energy Conference, Glasgow, UK, May 2000, p.213-21 [2]: Joël Spitznagel, Travail de diplôme EICN, HES- SO, hivers 2000/2001 [3]: divers publications sous: http://www.vhf-technologies.com/press Figure 7 : Module solaire monolithique «record» survolant la ville du Locle lors du festival «Science et Cité» en mai 2001 (longueur 28 mètres)