Brevet FR2230086A1 — publié le 19741213

La présente invention, concernant des dispositifs à semi-conducteurs, est plus spécifiquement relative à une cellule solaire à base de semi-conducteur ayant sa bande d'absorption spectrale située dans le rayonnement visible, comme par exemple et de préférence du silicium monocristallin. De façon générale, on sait que les cellules solaires actuelles utilisent l'effet photovoltaïque dans des jonctions de semiconducteurs. Jusqu'à présent, on en connait deux types, l'un à homojonctions,l'autre à hétérojonctions. Les premières sont monolithiques, en ce sens qu'elles n'emploient qu'un seul matériau de base, qui habituellement est du silicium ou du gallium-arsenic. Pour le rayonnement photonique constituant le spectre émissif du soleil, les valeurs de bande interdite vont d'un électron-volt environ à 6 électronvolts. Les secondes font appel, soit à deux semiconducteurs différents, soit à un métal et à un semiconducteur. En général, le métal ou le semiconducteur constituant le fenêtre d'entrée de la cellule sont transparents dans le spectre émissif du soleil et seul le semiconducteur constituant le substrat est absorbant. Les cellules solaires de l'un ou de l'autre type, qu'on fabrique ou qu'on peut trouver sur le marché, ont un rendement énergétique assez bas, en pratique de Tordre de 7 à 11% Certains auteurs ont prétendu atteindre des valeurs plus élevées pour le rendement, mais on attend encore les résultats pratiques de leurs travaux. L'invention vise notamment à augmenter le rendement énergétique d'une cellule solaire, en lui conférant une structure appropriée. Les cellules solaires fabriquées selon l'invention atteignant un rendement de l'ordre de 17% au moins, on voit ltintéret de cette découverte, particulièrement applicable aux engins spatiaux. La cellule solaire selon l'invention, ne faisant appel qu'à un type semiconducteur de conductivité unique pour le matériau de la couche de base, peut être appelée a jonctions homogènes induites"; on l'obtient avec une association nouvelle d'éléments, tout en ne se servant que de techniques actuellement connues de contrôle des états de surface des semiconducteurs. A cet effet, selon l'invention, la cellule solaire comporte, en association, une couche de base du matériau semi-conducteur dopé d'un type donné (P ou N) présentant, du côté devant être dirigé vers le rayonnement photonique, une grille diffusée ou implantée du même semiconducteur, mais dopé de sens inverse (N ou P respectivement), ladite grille étant elle-même recouverte d'une couche de diélectrique transparent audit rayonnement, chargée à une faible partie de sa hauteur totale audessus de ladite grille par des ions piégés qui sont positifs ou négatifs, respectivement Si le semiconducteur de la base est de type P ou N, leur densité étant suffisante pour provoquer une inversion à la surface du semiconducteur de la base. L'invention sera mieux expliquée et comprise en se reportant à la description ci-après, avec référence aux dessins ci-annexés parmi lesquels on voit - à la figure 1, schématiquement, la coupe d'une cellule solaire selon l'invention, pour du silicium de type P; - à la figure 2, de même, pour du silicium de type N; - à la figure 3, la configuration de principe de la structure des bandes, sans éclairement, pour une base de silicium de type N et - à la figure 4, une configuration analogue pour une base de silicium de type P. La cellule de l'invention ne comporte pas une jonction stoechiométrique, mais une jonction purement électrique obtenue par déplétion et inversion. Sur une couche de silicium de résistivité donnée dopée 1 de type P (figure 1) ou de type N (figure 2) on fait croître ou on dépose une couche 3 d'oxyde de silicium, dopée avec des impuretés ioniques positives ou négatives, selon que le silicium de base est de type P ou de type N, après avoir réalisé une grille 2 de conductivité inverse, soit par diffusion, soit par implantation ionique, soit par tout autre moyen approprié. Dans le cas d'une couche 1 en silicium type P, la couche 3 sera dopée à l'aide d'ions positifs stables, notamment tels que: Mg++, Ca++, Zn++, Fez+, Ni++, Lt , Cu+, Rob , Na Li+ K+, Gus+... dans une concentration de 1017 et. cm-3.Dans le cas d'une couche 1 en silicium type N, la couche 3 de dioxyde sera dopée à l'aide d'ions négatifs stables tels que Br-, Cl#,O##, I-.,. avec la méme concentration que précédemment. On obtient ainsi des ions "piégé's". Ces charges fixes Q ~induisent dans la couche 1 des charges Q > ,, (charges induites) données par la loi de Gauss avec x = distance entre le plan des charges et le silicium monocristallin Cox = Capacité électrique du diélectrique Dans le premier cas, le grille sera de type N+ par implantation ou diffusion de phosphore ou d'arsenic ou de tout autre dopant donneur; dans le deuxième cas, elle sera de type P, par implantation ou diffusion de bore ou de tout autre dopant accepteur. La forme d'une telle grille se voit en plan sur la figure la. Dans les deux cas, on applique par dessus la couche de dioxyde de silicium une couche anti-reflet, en soi connue, par exemple en silicium nitruré (sidi4), qui améliore le rendement énergétique. Sur la face de la couche de base 1 opposée au rayonnement photonique (h /) on dispose de préférence une grille de contact métallique 5, par exemple une grille d'aluminium dopé (P+ dans le cas de la figure 1) obtenue par diffusion ou implantation. La tension photovoltaique engendrée V est prise entre la grille 2 et le substrat 1 ou la grille 5. On peut la calculer, à partir de l'équation de Poisson: avec ni = concentration intrinsèque des porteurs dans le silicium K = constante de Boltzmann g = température absolue concentration du rapport accepteur/donneur q = charge élémentaire de l'électron Ainsi, cette tension est directement proportionnelle au logarithme du nombre de charges se trouvant dans l'oxyde. Ce nombre de charges peut être concentré sur une épaisseur limite. La jonction virtuelle ainsi obtenue, concentrée aux environs de la grille 2, présente deux avantages qu'il convient de souligner - une "fenetre d'entrée" très mince, constituée par la couche 3, de l'ordre de 0,01 f . Ceci augmente l'efficacité de la cellule bien en deça du bleu (du côté de l'ultra-violet proche), ce qui n'était pas le cas dans les structures connues de piles solaires. Néanmoins, l'ohmicité du contact est assurée par un taux de recombinaison pratiquement infini dans la grille implantée ou diffusée. - l'absence de tout traitement thermique conserve au substrat ses propriétés de départ, donc la grande durée de vie des porteurs et cette particularité améliore également la réponse dans llinfra-rouge. Sur la figure 3 on a représenté, avec les conventions habituelles, la configuration de la structure des bandes en l'absence d'éclairement, pour un dispositif selon l'invention où le silicium de base est de type N, avec une concentration d'impuretés ND = 1016 at. cl 3. Sur la partie gauche dans le silicium, on voit le niveau de conduction Nc, correspondant à 1,1 électron-volts et le niveau de valence Nv, correspondant à O électron-volt , qui se relèvent au voisinage de la zone d'inversion. EF correspond au niveau de Fermi. Si on se reporte maintenant à la figure 4, on y voit sur la gauche, la configuration des bandes d'énergie, pour du silicium type P. On y voit N c niveau de la bande de conduction N v niveau de la bande de valence top $ quasi niveaux de Fermi à l'équilibre thermodynamique #n quasi niveaux de Fermi hors d'équilibre J E i milieu de la bande interdite Si l'on veut déterminer par le calcul, au moins approximativement, le comportement de la cellule, on pourra procéder comme suit Sans éclairement et sans polarisation, aucun courant ne traverse la jonction et la concentration en électrons de la base compense la concentration en électrons de la zone induite. La concentration en trous dans la base est en équilibre thermodynamique avec la concentration en électrons. Sous éclairement (figure 4), la densité en électrons augmente et l'équilibre thermodynamique est rompu. il faut introduire la notion bien connue des quasi-niveaux de Fermi pour les électrons et pour les trous. La tension photoélectrique aux bornes de la cellule représentera la différence de potentiel entre les deux niveaux Vf = ##n f p gn - Si le cellule est court-circuitée, le courant de diffusion des électrons est alors avec: no = nombre d'électrons dans la bande de conduction Dn = constante de diffusion Ti, longueur de diffusion des électrons. Si S est la surface de la cellule et W son épaisseur (V étant le volume de la cellule = W x S) Fi, = le flux lumineux tn = durée de vie des électrons,formule qui est approximative En considérant l'équation d'une diode normale Si p est la résistivité de la base = = mobilité des trous il vient no = ni P q p On aboutit à la formule suivante avec 7 - L2 D Les formules (1) et (2) permettent de déterminer la résistivité de base de la cellule. La jonction virtuelle ainsi obtenue présente deux avantages - une "fenêtre d'entrée" très mince, ce qui va augmenter l'efficacité de la cellule bien en-deça du bleu (côté proche de l'ultra-violet) Toutefois, l'ohmicité du contact est assurée par un taux de recombinaison infini dans la grille implantée ou diffusée. - l'absence de tout traitement thermique conserve au substrat ses propriétés de départ, donc le grande durée de vie des porteurs, et cette particularité améliore également la réponse du côté infra-rouge On notera, pour la cellule solaire selon l'invention, notamment les avantages suivants 1. Ainsi qu'il a été dit, le rendement énergétique est considérablement amélioré pour que la réponse spectrale de la cellule se place bien par rapport au domaine spectral émissif du soleil, Théoriquement, on pourrait arriver à peu près à 20~/o; en pratique, avec les technologies actuelles, on atteint environ 17 %. 2, La tenue de la cellule aux radiations est améliorée par rapport aux cellules connues Cela tient à ce qu'ici la jonction est superficielle et peu volumineuse ; par suite, la dégradation due aux radiations ionisantes (électrons et protons) est très réduite. Le gain calculé est de l'ordre de 10 sur le pourcentage de chute de rendement. 3. Le coût de la fabrication est réduit par rapport à celui des piles solaires connues, Cela tient à ce que le nombre d'opérations unitaires de fabrication est moindre. En outre, elles se prêtent mieux à l'automatisation pour une production en continu. REVEND i CÂT IONS 1. Cellule solaire à base de semiconducteur ayant sa bande d'absorption spectrale dans le rayonnement visible, tel que du silicium Slonocristallin, caractérisée en ce qu'elle comporte en association une couche de base du matériau semiconducteur dopé d'un type donné (P ou N) présentant, du côté devant etre dirigévers le rayonnement photonique, une grille diffusée ou implantée du mtme semiconducteur, mais dopée de sens inverse (N ou P respectivement), ladite grille étant elle-même recouverte d'une couche de diélectrique transparent audit rayonnement, chargée à une faible partie de sa hauteur totale au-dessus de ladite grille par des ions piégés qui sont positifs ou négatifs, respectivement si le semiconducteur de la base est de type P ou N, leur densité étant suffisante pour provoquer une inversion à la surface du semiconducteur de la base 2. Cellule solaire selon la revendication 1, dont le semiconducteur de base est du silicium, caractérisée en ce que le-matériau du diélectrique transparent au rayonnement est constitué par du dioxyde de silicium. 3. Cellule solaire selon la revendication 2, dans laquelle la couche de base est en silicium dopé de type P, caractérisée en ce que la couche de dioxyde de silicium est dopée par des ions positifs stables pris dans le groupe Mg++, Ca++, Zn++, Fie++, Ni+#, Lt++, Cu+, Rb+, Na+, Li+, K+, Co+. 4. Cellule solaire selon la revendication 2, dans laquelle la couche de base est en silicium dopé de type N, caractérisée an ce que la couche de dioxyde de silicium est dopée par des ions négatifs stables pris dans le groupe Br-, Cl , OH , I 5. Cellule solaire selon l'une des revendications 1 à 4, comportant une couche anti-reflet disposée sur la surface de diélectrique dirigée vers le rayonnement photonique, caractérisée en ce que ladite couche anti-reflet est faite de silicium nitruré. 6. Cellule solaire selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que sur la face de la couche de base devant être opposée au rayonnement photonique, est disposée une grille de contact métallique, par exemple une grille d'aluminium dopé diffusé ou implantés 7 Procédé de fabrication d'une cellule solaire selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'après avoir obtenu, de façon connue en soi, la couche de base en matériau semiconducteur dopé, on y diffuse ou implante la grille sur l'une de ses faces, puis par-dessus, on dépose, par voie chimique, ou par évaporation sous vide ou par pulvérisation, la couche de diélectrique transparent, convenablement dopée, 8. Procédé de fabrication d'une cellule solaire selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'on applique par voie chimique ou électrophorétique ou électronique une couche anti-reflet par dessus la couche diélectrique