Brevet FR2234666A1 — publié le 19750117

L'invention se rapporte à une cellule solaire plus efficiente que les cellules solaires disponibles actuellement. Avant de décrire l'invention, il convient d'effectuer un bref rappel de la physique des semi-conducteurs et des cellules solaires. La structure de répartition de l'énergie des électrons des semi-conducteurs est caractérisée par des bandes d'énergie qui remplacent les niveaux d'énergie discrets des atomes constituants. La bande de plus haute énergie (par rapport au noyau) qui est totalement remplie d'électrons à la température de 0 K est appelée la bande de valence. La bande suivante qui possède une énergie plus élevée et qui est dépourvue d'électrons à 0 K est appelée bande de conduction. L'intervalle d'énergie nulle séparant ces deux bandes est appelé la zone interdite. La zone interdite détermine essentiellement l'énergie minimum des photons absorbés par la matière utilisée.Aux températures supérieures à 004;, les électrons de -la bande de valence sont excités thermiquement jusqu'à la bande de conduction où ils sont libres de se déplacer dans le cristal jusqu'à ce qulils entrent en collision avec des états vides d'électrons (appelés trous) laissés dans les bandes de valence par les électrons excités. Cette "collision" peut aboutir à une recombinaison de l'électron et du trou et par conséquent à l'annihilation à la fois du trou libre et de l'électron libre.Des impuretés peuvent etre ajoutées à un cristal pour fournir un grand nombre soit d'électrons libres à la bande de conduction pour constituer un cristal de type "n", soit de trous libres à la bande de valence pour créer un cristal de type "p". Un porteur de charge minoritaire dans un cristal est le type de porteur qui possède-la plus faible densité, par conséquent un électron dans un cristal de type p. La longueur de diffusion L ou L du porteur minoritaire est la distance que n p parcourt dans un cristal un porteur minoritaire nouvellement créé par quelque moyen d'excitation (la lumière par exemple) avant qu'il ne soit annihilé par un porteur majoritaire. Lorsqutun matériau de type n est réuni à un matériau de type pi un potentiel électrostatique est engendré à la jonction, de sorte que la région n devient positive par rapport à la région p. La structure de base d'une cellule solaire consiste en une jonction p-n dont un côté de la jonction est mince et exposé à la radiation solaire. La lumière incidente fait que la cellule solaire délivre une certaine puissance à une charge. Un photon de lumière pénètrant dans le cristal parcourt une distance x avant d'être absorbé dans la création d'une paire électron trou. Le nombre de photons par seconde I(x) atteignant le point x dans le cristal est uné fonction du coefficient d'absorption du matériau telle que I(x) = Dito) e dans laquelle I(o) est le nombre de photons incidents par seconde tombant sur le cristal. L'électron créé (porteur majoritaire) est expulsé du dispositif tandis que le trou créé (porteur minoritaire) diffuse vers la jonction p-n.Des trous se recombinent avec des électrons libres avant qu'ils atteignent la jonction et d'autres, atteignant la jonction, passent la zone de tension créée à travers la jonction. On dit alors qu'ils sont collectés. Seuls les trous collectés contribuent à la tension développée à travers la charge. D'une façon similaire, les photons atteignant une région p du dispositif engendrent des paires électron trou qui entraînent la diffusion d'électrons (porteurs minoritaires dans ce cas) vers la jonction. De même, seuls les électrons- collectés par la jonction contribuent à la tension développée à travers la charge.De chaque c8té de la jonction, le nombre des porteurs minoritaires créés qui atteignent finalement la jonction dépend du rapport y de la distance que le porteur doit parcourir pour atteindre la jonction à la longueur de diffusion de ce type de porteur. Si y l 1 très peu de porteurs seront collectés mais lorsque y titre trouvé. Les cellules solaires, actuellement disponibles, sont principalement soit des dispositifs collecteurs homojonction (HOMC) de silicium (Si) ou d'arséniure de gallium (GaAs) ayant des taux maximum de 13,5 pour-cent de masse d'air nulle (16 pour-cent de masse d'air l).et 9 pour-cent de masse d'air nulle (12 pourcent de masse d'air 1) respectivement. Le principal inconvénient du silicium en tant que matériau de cellule solaire est que sa discontinuité d'absorption fondamentale (ou zone d'énergie interdite) (1,1 eV) est quelque peu plus faible que celle requise pour le matériau optimum (1,5 eV). En conséquence, les taux théorique maximum de masse d'air nulle des cellules de silicium est d'environ 15 pour-cent.GaAs a une discontinuité d'absorption de 1,4 eV qui en fait potentiellement un matériau plus efficient pour les cellules solaires que le silicium. Cependant, GaAs possède d'autres limitations qui diminuent son rendement. Par exemple, la collecte des porteurs minoritaires créés dans l'arséniure de gallium GaAs est beaucoup plus difficile que dans le silicium. Ceci est-dt au fait que le coefficient d'absorption dans GaAs étant beaucoup plus grand que celui du silicium, les porteurs minoritaires sont créés tout près de la surface dans la cellule de GaAs. En raison de la très haute probabilité de la recombinaison de ces porteurs au voisinage de la surface (vitesse élevée de recombinaison à la surface) très peu de ces porteurs sont collectés par la jonction. Un autre problème concernant l'arséniure de gallium est que les longueurs de diffusion du porteur minoritaire sont tout à fait courtes. Par exemple L 2 m pour le GaAs lorsqu'il est dopé de 1 x 1018 donneurs, p- tandis -que L ~ 40 m lorsque le silicium possède une même densité de donneurs. p- Ceci signifie que la couche frontale doit autre très mince. Une autre approche est celle des cellules collectrices hétérojonction (HETC) dans lesquelles la couche frontale est faite d'un matériau possèdant une plus grande zone de bande interdItz cel d; matériau de la couche arrière. Dans cette structure, la plupart des porteurs minoritaires contribuant au fonctionnement de la cellule sont engendrés dans la couche arrière. Ceci permet d'accroStre la profondeur de la couche frontale pour réduire sa résistance latérale. Cependant, la jonction de deux cristaux dissemblables entraîne un assortiment défectueux du réseau dans la jonction ou dans la région de collecte qui peut fournir une densité élevée de centres de recombinaison défectueux dans la bande interdite.Les porteurs minoritaires perdus pour la recombinaison dans ces centres ne contribuent plus au fonctionnement de la cellule ; ainsi, le réseau perturbé peut réduire les rendements pratiques au-dessous de ceux calculés pour ces dispositifs. De même, le fait que seulement les porteurs minoritaires engendrés de l'un des côtés de la jonction contribuent au fonctionnement de la cellule peut aboutir à une limitation. Finalement, un dernier type de cellule solaire décrit au brevet 3.675.026 des Etats Unis doit être considéré. Ce dispositif est composé d'une surface frontale formée d'une couche de type p de A10,7Ga0,3AS disposée sur une région de GaAs de type p qui est réunie à une région de GaAs de type n. La couche de Al0,7G,3As sert apparemment à réduire la densité des centres de recombinaison qui existent ordinairement à la surface frontale de la région GaAs de type p. Ceci accrort le nombre des porteurs minoritaires créés qui finalement sont collectés et qui devraient par conséquent accroitre le rendement de la cellule. Des mesures préliminaires ont montré que des taux de 18 pour-cent de masse d'air 1,4 sont possibles avec ce dispositif. Deux inconvénients de ce dispositif proviennent du fait que la région active est une homojonction (GaAs sur les deux côtés de la jonction p-n). D'abord, les porteurs minoritaires engendrés sur les deux côtés de l'homojonction sont collectés et, ensuite, les états de recombinaison d'interface rencontrés dans le dispositif utilisant une hétérojonction pour région active ne sont pas efficaces puisqu'ils réduisent le rendement dans ce cas. Pour plus ample référence, ce dernier dispositif décrit est connu comme cellule collectrice homojonction à fenêtre hétérojonction (cellule HWHC). La cellule de la présente invention est désignée par cellule à fenêtre à intervalle de bande gradué (GBW). Elle comporte une région de type p de GaAs réunie à une région de e ~xAlxAs de type n pour former une jonction p-n. La valeur de x varie linéairement de x = 0, à la jonction des deux régions, à la valeur x = 0,7 à la surface opposée de la région de type n. Ceci est la différence principale entre la présente invention et la cellule HWHC. Dans la cellule SZHC, x reste constant. La caractéristique de la présente invention de présenter une valeur x variant linéairement accroît le rendement de la cellule. La figure 1 est une représentation schématique d'un mode de réalisation de l'invention. La figure 2 est le diagramme des bandes d'énergie du mode de réalisation de l'invention représenté à la figurl, et la figure 3 une représentation schématique ayant pour but de décrire un procédé de fabrication du mode de réalisation de l'invention représenté à la figure 1. La référence 11 de la figure 1 désigne un cristal de GaAs. Fixé au cristal 11, se trouve un cristal 12 de Gal Xhl As de façon à former une jonction 13 des deux cristaux. La valeur de x est zéro à la jonction 13 et varie linéairement de la surface 14 où x est approximativement égal à 0,7. Ainsi, le pourcentage d'aluminium dans le cristal 12 à la surface 14 est approximativement 70 et à la jonction 13 le pourcentage est zéro. Les cristaux 11 et 12 sont dopés pour obtenir un cristal 11 de type p et un cristal 12 de type n et pour former une jonction p-n 15 voisine de la jonction 13. Des contacts ohmiques 16 sont fixés à la surface 14 qui est protégée par un revêtement anti-réflexion 17 de SiO. Une large zone de contact ohmique 18 est fixée à la surface 19 du cristal 11.Le contact 18 est lié à la plaque mince de métal 20 pour fournir le support mécanique de la structure. Une résistance de charge 21 est connectée entre les contact-s ohmiques 16 et 18. Une indication de la bande de conduction et de la bande de valence minimum en fonction de leur position dans les cristaux li et 12 a été portée au diagramme des bandes d'énergie de la figure 2-. Cette représentation est basée sur une variation linéaire du.pourcentage x d'aluminium de la jonction 13, où x = O, à la surface 14 où x = 0,7. Bien que la variation du pourcentage d'aluminium soit linéaire, la pente de la bande de valence (dEv/dy) change au point de rencontre (surface 22 dans la figure 1 et point -Yc dans la figure 2) entre les régions Gal xAlxAs directe et inverse. Le fonctionnement de base de l'invention est similaire à celui décrit précédemment pour une cellule solaire de type général. La radiation solaire 23 provenant de la gauche pénètre dans la surface frontale 14 de la région Gal xAlxAs ou des photons possèdant une énergie plus grande que 2,0 eV sont absorbés. Lorsque les photons pénètrent plus profondément dans cette couche, l'énergie d'absorption fondamentale du matériau décrott. Par-exemple, au point -Y, (22 dans la figure 1) de nombreux photons possèdant une énergie plus grande que 1,8 eV seront absorbés.Le coefficient d'absorption est aussi plus de deux ordres de grandeur supérieur dans la région d'intervalle de bande direct (-yc à -y1) par rapport à la région d'intervalle de bande indirect (-Ys à En conséquence, la plupart des photons incidents sont absorbés à des profondeurs plus grandes que -yc(y > -yc). Pour cette raison, il est tout à fait important que l'épaisseur (1 F m dans la figure 1) de l'intervalle de bande de la région Gal xAlxAs directe soit choisie pour maximiser à la fois la quantité de lumière absorbée dans cette région et la fraction des porteurs minoritaires engendrés par les photons et collectés à la jonction.Dépendant de l'épaisseur de l'intervalle de bande de la région de Ga1xAlxAs directe, une fraction des photons incidents atteindra la région de GaAs de type p (cristal 11) où ils seront absorbés. Les porteurs minoritaires (électrons dans ce cas) ainsi engendrés diffusent à nouveau vers la jonction où, s'ils sont collectés, contribuent à la puissance délivrée par la cellule. La fabrication de la cellule solaire décrite à la figure 1 peut s'effec- tuer en accroissant la structure entière composée de deux couches épitaxiales en phase liquide sur un substrat de GaAs, en retirant le substrat de la struc ture et en traitant ensuite la structure pour le fonctionnement de la cellule solaire (c'est-à-dire en appliquant les contacts ohmiques, en appliquant la couche anti-réflexion et en l'équipant d'un support). La croissance des couches épitaxiales est illustrée schématiquement à la figure 3.Le système de croissance comporte un four (non représenté) ; un tube de réaction en quartz 25 ; un support de plaquette en graphite 26 ; un alliage fondu 27 composé de Ga, As, AI et Te pour la croissance d'une couche AlxGal As graduée de type n et un alliage fondu 28 composé de Ga, As et Zn pour la croissance d'une couche de GaAs de type p. Pour la croissance des couches épitaxiales, les températures de fusion doivent d'abord eAtre portées à leurs valeurs initiales (typiquement IOOOOC) puis le tube de réaction 25 est balayé complètement par du gaz de formation 29 (10 % de H2 + 90 X de N2).Le substrat de GaAs 30 est alors placé au-dessus de l'alliage fondu 27 de Aléas dopé au Te en utilisant le porteur 26 du substrat et en le laissant atteindre son équilibre thermique avec l'alliage fondu (30 minutes) Cette phase est illustrée à la figure 3. Pour amorcer et maintenir la croissance de la région graduée en Al. (cristal 12 de la structure représentée à la figure 1), la température de l'alliage fondu 27 est typiquement abaissée graduellement de 1000 C à 9500C à la vitesse d'environ 0,5 G à 10 G/minute. La température initiale de la composition fondue et l'ordre de grandeur de la température auquel l'alliage fondu 27 est refroidi sont choisis pour obtenir une diminution linéaire de la concentration d'aluminium de x = 0,7 à l'interface couche - à x = 0,0 à l'interface de la couche et de 11alliage fondu sur une distance de 2,5 F m à la fin de la période de croissance. Ltalliage fondu 27 contient une quantité suffisante de Te pour atteindre la concentration de dopage de 1 x 1018 Te/cm3 dans la couche de concentration graduée en A1..Le substrat de GaAs est alors placé au-dessus du GaAs fondu 28 en préparation pour la croissance de la seconde couche épitaxiale qui est composée du cristal 11 de la strùcture représentée à la figure 1. La composition du GaAs fondu 28 à sa température initiale (typiquement 9400C) est choisie pour empêcher un retour à la fusion ou une dissolution de la couche AlxGal xAs ayant subi précédemment l'opération de croissance. La concentration de Zn dans le mélange fondu 28 est choisie pour produire une couche de type p dopée à la concentration de 1 x 1016 Zn/cm3. La température du mélange fondu 28 est de nouveau réduite à vitesse constante (0,50cl à 100C/minute) à une valeur suffisamment faible pour obtenir une couche de GaAs ayant une épaisseur de 100 P m. A la suite de ce procédé de croissance, un contact ohmique de grande surface est appliqué à la couche épitaxiale franche de GaAs et celle-ci est alors fixée à une plaque mince de métal ou à une céramique revêtue de métal. Cette plaque rournit un support mécanique pour la structure achevée. Le substrat de GaAs est alors retiré et le substrat AlxGal As exposé est poli par l'utilisation des procédés connus de polissage mécanique et chimique. La fabrication est complétée par dépôt, sur la surface polie, d'un modèle de contact ohmique approprié suivi d'un revêtement anti-réflexion de 7 x 10-2 f m de SiO. Des matériaux de contact ohmique convenable sont des alliages Au-Sn pour la couche de GaAs de type n et des alliages Au ou Au-In pour la couche AlxGal xAs de type p. L'invention a trois avantages distincts par rapport aux cellules BWHC. Premièrement, le gradient de l'intervalle de bande peut accrottre d'une façon significative la longueur de diffusion du porteur minoritaire des trous engendrés par les photons et de la sorte accrottre le rendement de leur collecte à la jonction. DeuxIèmement, les porteurs minoritaires engendrés par les photons et produits dans là région directe ne sont pas sujets à une recombinaison significative avec les électrons libres pour les fortes concentrations des défauts du réseau que l'on rencontre normalement, soit à la surface d'un cristal (c'est-à-dire à la surface opposée d'une région de type n), soit à llhétérojonction entre les régions dissemblables comme on le rencontre dans les cellules de types HETC et HCHC. Troisièmement, la variation de l'intervalle de bande de 1,8 eV à 1,4 eV dans l'une des deux régions de l'absorption significative de photons accroc+ le rendement total de l'absorption de la lumière et par conséquent accrott le rendement de l'ensemble pour la production de l'énergie électrique par ce dispositif. Pour ces raisons, la cellule CBW a un potentiel permettant des rendements de conversion plus élevés que ceux de la cellule la plus compétitive, la cellule EWHC. En plus de ces avantages, la présente invention possède encore certains autres avantages par rapport aux cellules HECT et HONC décrites précédemment. Par exemple, elle a une couche frontale épaisse (partie de l'intervalle de bande indirect de la couche de Gal xAlxAs) pour une résistance latérale réduite comme celle de la cellule "ETC, mais elle n'est plus sujette à une haute densité des centres de recombinaison en raison d'un assortiment défectueux des réseaux de la cellule HETC. De même, un apport significatif à la conversion d'énergie se trouve réalisé des deux c8tés de la jonction avec le présent dispositif. D'autres avantages de la présente invention par rapport à la cellule BOMG de GaAs comprennent la réduction de l'influence de la vitesse de recombinaison -en surface et, par l'utilisation d'une couche frontale plus épaisse, la diminution de la résistance latérale. L'avantage primordial de la présente invention par rapport aux cellules HOMC de silicium est qu'une fraction plus grande de la lumière incidente est absorbée dans la région active du nouveau dispositif puisque celui-ci est obtenu à partir d'un matériau direct à intervalle de bande possedant un coefficient d'absorption beaucoup plus grand. De plus, l'intervalle de bande de la présente invention (1,8 eV à 1,4 eV) est beaucoup plus proche de la valeur optimale de 1,5 eV que celle de la cellule de Si HOMO (1,1 eV). Comme variantes, le cristal 11 peut ètre un cristal de type n et le cristal 12 peut autre de type p, les dimensions de ces cristaux peuvent être différentes de celles décrites et les limites des valeurs de x peuvent être différentes de celles allant de O à 0,7. De mêmes la cellule représentée à la figure 1 peut titre fabriquée par un procédé différent de celui qui a été décrit. Par exemple, le cristal 12 peut être fabriqué au moyen de couches dans lesquelles la valeur x reste constante pour chaque couche mais varie linéairement d'une couche à l'autre. REVEIDIGATIONS 10) Cellule solaire pour convertir la radiation solaire en une énergie électrique composée - d'un cristal de GaAs possèdant une première et une seconde surfaces opposées, - alun cristal de Gal xAlxAs ayant une première et une seconde surfaces opposées, sa seconde surface opposée étant réunie à la seconde surface dudit cristal de Gahs pour former une jonction de deux cristaux et sa première surface est adaptée pour recevoir une radiation solaire, - la valeur de x variant approximativement linéairement de la première surface à la seconde surface de cristal de Gal xAlxAs oùl > x > 0 sur la première surface et où x = O à la seconde surface, - lesdits cristaux de GaAs et de Gal xAlxAs étant dopés pour former une jonction p-n voisine de la jonction des deux cristaux, et - d'un moyen connecté entre la première surface desdits cristaux de GaAs et de Gal xAlxAs pour utiliser l'énergie électrique engendrée à travers ladite jonction p-n. 20) Cellule solaire selon la revendication 1 dans laquelle la valeur de x à la première surface dudit cristal de Gal-xAlxAs est 0,7.