Brevet FR2327643A1 — publié le 19770506

La présente invention concerne un convertisseur d'énergie lumineuse en énergie électrique comprenant au moins une diode photosensible à semi-conducteur. L'invention a également pour trait un procédé de fabrication desdites diodes photosensibles, Les convertisseurs d'énergie lumineuse en énergie électrique selon l'invention sont de préférence à usage terrestre, la source d'énergie lumineuse étant le Soleil. La conversion de l'énergie solaire en électricité est réalisée par 'effet photovoltaïque. La source d'énergie que constitue le rayonnement solaire (4 kwh/jour/m2) peut satisfaire à des demandes d'énergie autonomes et localisées de l'ordre du KWh pour des puissances de l'ordre du KWatt. Parmi les procédés de conversion de rayonnements Lumineux en électricité, ceux gui utilisent l'effet photovoltaïque sont les plus efficaces ; on obtient des rendements de l'ordre de 10 à 20 % avec le silicium qui est le matériau de choux pour la constitution des deux zones de la photodiode en raison de sa large bande d'absorption de 0,3 à 1,-1 micron. En effet, les dlodes photosensibles, quand elles sont soumises au rayonnement sumlneux, développent entre les deux zones séparées par une 3onction, lesdites deux zones étant de préférence dopées de manière différente, une différence de potentiel. Ce potentiel ei2ctriqle peut être utilisé à des fins de chauffage, d'éclairage e c. Néanmoins, l'essor de cette technologie utilisant 'effet phtovoltaique, est actuellement freiné par des considérations de rendement et de coût, ce aui entraîne un prix élevé u kiloWatt heure installé. Les facteurs principaux de coût sont le prix du silicium et les frais entraînés par les réalisations technologiques incorporant cet élément ; à ceux-ci il faut ajouter es frais entraînés par la commercialisation et l'instal lation des panneaux. Afin d'arriver aux meilleurs compromis pour une utiiisation efficace des convertisseurs d'énergie lumineuse en énergie électrique, Il convient d'utiliser au mieux les caractéristiques physiques de l'élément photosensible permettant la mise en oeuvre de technologies simplifiées Pour utiliser au mieux le silicium, il faut - le produire dans un état cristallographique excellent afin d'avoir la plus grande longueur de diffusion possible des porteurs minoritaires, nécessaire pour l'absorption infra rouge, - irradier le silicium par un faisceau concentré (augmenter d'un facteur de l'ordre de 5 l'ensoleillement naturel). Pour faciliter la commercialisation et l'installation, il faut concevoir - des panneaux modulaires associables en série ou en parallèle, -- des panneaux insensibles aux intempéries, protégeant les connexions électriques et les diodes photosensibles qui soient de plus, facilement nettoyables. Le convertisseur d'énergie lumineuse en énergie électri e se ion l'invention répond à ces différents critères d'optimi sation de la transformation de l'énergie solaire en énergie électrique. De plus, le procédé de fabrication des photodiodes selon l'invention permet de réaliser à faible coût et avec une grande fiabilité, les barreaux de silicium dopé, éléments essen tiels de l'invention. Le convertisseur selon l'invention comprend au moins une diode photosensible à semi-conducteur, chacune des zones de ladite diode étant reliée à au moins une électrode. Une différence de potentiel électrique apparaît entre les électrodes correspondant auxdites zones lorsque ladite diode photosensible est irradiée par de la lumière. La caractéristique de l'invention est que lesdites diodes photosensibles sont des barreaux sensiblement cyLindriques de semi-conducteurs dopés, la jonction entre les deux zones étant de forme sensiblement cylindriaue et séparant, une première zone en forme de couronne au voisinage de la surface du barreau, d'une seconde zone constituée par le coeur du barreau. Ledit convertisseur selon l'invention comprend de plus des moyens pour concentrer la lumière sur lesdites diodes en forme de barreau cylindrique. La couronne du barreau est par exemple de type n (ou p) et le coeur dopé en porteur respectivement p ou n. L'irradiation par un rayonnement lumineux de longueur d'onde comprise entre 0,3 et 1,1 micron, conduit à une création de paires électronstrous qui sont radialement séparés par la jonction. Il en résulte une tension entre le coeur et la surface, d'où génération de courant dans un circuit extérieur reliant le coeur à la surface. Les barreaux de silicium utilisés ont préférentiellement un diamètre compris entre 2 et 4 mm, et sont tirés à partir de silicium fondu convenablement dopé, à des vitesses supérieures à 5C cm/heure. Ils sont de ce fait sans dislocation et présentent un faible taux de défaut ponctuel. La couronne au voisinage de la surface du barreau cylindrique de dopage différent de celui du coeur, peut être réalisée par diffusion, implantation, épitaxie, etc... Dans les utilisations les plus courantes, les convertisseurs selon l'invention sont soumis aux intempéries puisque directement exposés à la lumière solaire, par exemple lorsqu'ils sont situés sur des toits. Les structures électroniques attachées aux diodes photosensibles doivent être ainsi recouvertes de matière transparente protectrice aui peut également jouer le rle de moyens pour concentrer la lumière sur lesdites diodes, en ayant par exemple la forme de lentilles convergentes, de lentIlles planes, de dioptres cylindriques etc..La concentration de la lumière sur le barreau, par réfraction sur les structures transparentes protégeant le barreau et par réflexion sur des parois convenablemen disposées autour du barreau, est nécessaire pour obtenir une tension minimale entre les deux zones de la diode photosensible même en éclairement faible. De plus, les panneaux en verre ou en résine transparente doivent servir de support aux fils et connexions. L'aspect modulaire des réalisations est apparent sur les figures annexées. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux après la description qui suit d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif en référence aux figures annexées sur lesquelles on a représenté sur les figures l et 2, deux modes de réalisation des barreaux de silicium et des électrodes associées, selon 1 l invention, - sur les figures 3, 4a, 4b et 5, divers mode de réalisation utilisant ces barreaux de silicium où ces derniers sont associés à des structures de verre et des réflecteurs de géométrie variée, - sur la figure 6, un mode de branchement selon l'invention connectant en série plusieurs barreaux au fond d'un même réflecteur -- sur la figure 7, une structure de réflexion en selle permettant, de réfléchir la lumière sur l'extrémité des barreaux de faible longueur dans les cellules et de lui assurer une plus grande rigidité, sur la figure 8, un mode de réalisation du réflecteur (~'accrochage des réflecteurs sur la structure en verre focalisante et protectrice, sur la figure 9, un mode de réalisation de l'invention dans lequel la lumière est concentrée sur le barreau de silicium au moyen de réflecteurs cylindriques à directrice sensiblement parabolique. sur la figure 10, un schéma d'un dispositif de réalisation des barreaux de silicium. Sur la figure l, on a représenté un type de barreau 1 de silicium selon l'invention comportant une zone dopée en coeur 2 entourée d'une zone dopée 4 de type différent. La zone de coeur 2 est de résistivité comprise entre 0,01 ohm/cm et 10 ohm/cm. Elle est entourée de la couche 4 d'épaisseur de l'ordre de 1 micron. Les électrodes métalliques 5 et 6 sont déposées sur les deux zones 2 et 4. Le barreau 1 peut être réalisé par tirage, dopé par diffusion sur un micron pour constituer la zone 4, puis rodé à une extrémité pour constituer la partie en protubérance 8 sur laquelle est déposée l'électrode 5. L'autre électrode 6 est adjacente à la couronne 4 et s'étend le long d'une génératrice du cylindre constituant le barreau. Un connecteur 7 peut être déposé sur l'électrode 6 et autour du barreau pour faciliter l'interconnexion des barreaux entre eux. De préférence,- on réalise sur le barreau 1 et avant diffusion de la zone 4 un mémlat 9 le long d'une génératrice du cylindre pour faciliter le dépôt de l'électrode allongée 6. Sur la figure 2, on a représenté une variante de réalisation du barreau constituant la diode photosensible comportant également un coeur 2 entouré d'une couronne dopée de type différent 4, le coeur et la couronne étant dopés respectivement n et p (ou p et n). Dans cette réalisation, après obtention du barreau par tirage, on dope la surface pour réaliser la couronne 4, puis on rode le barreau pour réaliser le méplat 10 adjacent à l'électro- de reliée au coeur 12. On dépose ensuite, l'électrode 6 le long d'une génératri- du cylindre, et l'électrode 12.Cette variante de structure du barreau permet d'utiliser un barreau dont la résistivité du coeur est beaucoup plus élevée (voisine de 10 ohm/cm: que celle de la figure 1 qu exige une résistlvité de l'ordre de 0,01 ohm pour éviter une consommation importante par effet Joule. Sur la figure 3, on a représenté en perspective un mode de réalisation de l'invention dans lequel les barreaux de silicium 1, 1' sont solidaires d'un dièdre 14 constitué par deux parois réfléchissantes 16 et la. Les dièdres sont fixés sur des gorges 20 aménagées dans la structure en verre 22 qui joue le rôle de lentilles convergentes pour focaliser les rayons lumineux 24 et 26 sur les barreaux tels que 1 et l'. Dans ce mode de réalisation, le barreau 1 est avantageusement disposé au voisine de la irone focale correspondant à la lentille convergente réalisée par la structure en verre 22 dont la partie supérieure 30 est convexe.Les extrémités des faces des dièdres scnt insérées deux par deux dans tes gorges 20, puis fIxées par col age par exemple. La structure 22 est de même pas que l'espacement entre les différents barreaux l, 1'... constituant les diodes photosensibles, iesdits dièdres réalisant ainsi une structure en chevron. Sur les figures 4a et 4b, on a représenté deux autres modes de réalisation de l'Inventton en utilisant des structures 22 en verre ou en résine transparente, les lentilles étant alors des lentilles planes à échelons externes en 4a et internes en 4b. Ces lentilles rès focalisantes son; d'encombrement minimal. Dans cette realtsation également, les barreaux l et 1' sont disposés au voisinage de la ligne focale correspondant aux enitlles 22. Dans ce cas, les réflecteurs 31 sont de section ovale, leurs extrémItés venant s'insérer dans les encoches 20. Avantageusement la partie interne 34 est réfléchissante alors gue la partie externe 36 est noircie. Les dtrectrices des réflecteurs cylindriques telles que 3i peuvent avoir des formes variées, pseudoelltptiques ou paraboliques avec le barreau l au voisinage du foyer de la parabole etc.. Sur la figure 5, on a représenté un autre mode de réalisation de 'invention pour lequel le vitrage focalisant 22 consiste en une pluralité de lentilles accolées 40 d'orientation différente associées à un réflecteur pseudoellip tique 42 permettant une focallsation des rayons lumineux tres Inclinés telle que 44, dont le trajet est tel qu'après réfraction et réflexion ils atteignent les barreaux 1, 1'... Sur la figure 6, on a représenté une association de différents barreaux cylindriques, association série où la zone de coeur 2 est reliée par des connexions électriques appropriées à la partie en couronne externe 4 du barreau suivant et où la partie externe de ce barreau 4 est reliée à la partie interne du barreau adjacent de la série par le connecteur enfichable métallique 50. De cette façon, les tensions à peu près constantes délivrées par chaque diode s'ajoutent. Sur les figures 3, 4 et 5, les barreaux de silicium peuvent être isolés par rapport au réflecteur, ou une électrode du barreau peut être reliée une surface métallique constituant le réflecteur et pouvant servir de connexion électrique. Dans le cas de l'association en série représentée sur la figure 6, les barreaux de faible longueur sont isolés par rapport aux diverses parties réflectrlces. Sur la figure 7, on a représenté un autrt r-rz,le de réalisation de l'ìnvention dans laquelle les differents barreaux tels que 1, 1', 1", sont disposés en sér;e au sommet de réflec Leurs tels que 52. Une structure en selle 54 est destinée d'une part à renvoyer la lumière arrivant entre deux barreaux selon les rayons tels que 56, et d'autre part à assurer une meilleure rigidité du réflecteur 52. Encore une fois, dans tous les exemples cités les réflecteurs sont avantageusement réfléchissants intérieurement et noircis extérieurement pour éviter une trop grande perte de umiere par rayonnement. Sur la figure 8, on a représenté un mode de réalisation de L'invention pour lequel la structure en verre périodique 60, semblable à la structure 22 de la figure 5, est munie d'encoches ou rainures 62 dans lesquelles viennent s insérer les extrémités 64 des réflecteurs supportant les barreaux tels que 1 et 1' ; on a représenté pour une meilleure clarté du dessin deux réflecteurs associés à deux barreaux. Sur la figure 9, on a représenté un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel la focalisation de la lumière est obtenue après passage à travers un dioptre plan 66 et un dioptre sphérique 68 et réflexion sur un miroir 70 de directrice parabolique et de génératrice parallèle à l'axe des barreaux 1 et 1'. Le trajet des rayons lumineux est désigné par les références 72 et 74. Sur la figure 10, on a représenté -un dispositif de reaiisation des barreaux de silicium pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, le silicium fondu 80 est placé dans un creuset de silice 82 entouré par une résistance chauffante en graphite 84. Le tout est entouré d'une couche calorifuge 86. L'ensemble est contenu dans un récipient métallique 88. L'orifice supérIeur de ce récipient est surmonté d'une cheminée 90 livrant passage au support d'échantillon 92 animé d'un mouvement de rotation selon la flèche 100. L'orifice inférieur 102 sert à évacuer l'argon qui est introduit selon la flèche 103 par l'extrémité supérieure 104 de la cheminée 90. Ce type d'appareil est connu ; toutefois, par rapport à une utilisation classIque, '-n-vent-on se différencie par une vitesse de tirage beaucoup plus importante, 50 cmjheure au moins, conduisant à un diamètre du barreau cristallin beaucoup plus faible, de préférence infé- rieur à 4 mm. Ceci nécessite un gradient thermique élevé au niveau de l'interface de croissance du cristal ctest- -dire la surface où le cristal est formé. On est amené à rapprocher de cet interface une paroi froide qul est par exemple le couvercle 106 du récipient 90. Toute la description précédente a été faite en partant de diodes à 3 onction de type n-p ou p-n, configuration qui est la plus avantageuse. Toutefois, ne sont pas exclues de la présente invention des réalisations où les diodes inclueralent des zones dopées de type intrinsèque et/ou présenteraient une structure plus complexe, ou des réalisatIons où les diodes seraient de type métal-semIconducteur diode Schottkyl. REVENDICATIONS 1. Convertisseur d'énergie lumineuse en énergie électrique comprenant au moins une diode photosensible à semi-conducteur, chacune des zones de ladite diode étant relIée à au moins une électrode, une différence de potentiel électrique apparaissant entre les électrodes correspondant auxdites zones lorsque ladite diode photosensible est irradiée par de la lumière, caractérisé en ce que lesdites diodes photosensibles sont des barreaux sensiblement cylindriques de semi-conducteurs dopés, la jonction entre les deux zones étant de forme sensiblement cylindrique et séparant une première zone en forme de couronne au voisinage de la surface du barreau, d'une seconde zone constituée par le coeur du barreau, et en ce que ledit convertisseur comprend de plus des moyens pour concentrer la lumière sur lesdites diodes en forme de barreaux cylindriques. 2. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit semi-conducteur est du silicium. 3. Convertisseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les barreaux de silicium ont un diamètre compris entre 2 et 4 millimètres, et en ce que la résistivité du coeur est comprise entre 0,01 et 10 ohm/cm. 4. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite zone en forme de couronne et ledit coeur du barreau sont deux zones dopées, l'une de type n (ou p) et l'autre respectivement de type p (ou n. 5. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour concentrer la lumière consistent en au moins un dioptre convergent cylindrique disposé entre la source d'énergie lumineuse et le barreau. 6. Convertisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens pour concentrer la lumière comprennent au moins une lentille cylindrique convergente disposée entre le barreau cylindrique et la source de lumière. 7. Convertisseur selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens pour concentrer la lumière comprennent une association de lentilles cylindriques convergentes associées à un même barreau cylindrique. 8. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que e moyens pour concentrer la umière comprennent de plus une paroi réfléchissante au moins disposée de façon renvoyer vers le barreau Fa lumière Incidente a surface. 9. Convertisseur selon la revendicetion 8, caractérisé en ce que e moyens pour concentrer la lumière comprennent un couple de parois réfléchissantes formant un dièdre, le barreau cylindrique étant situé au voisinage de l'arrête du dièdre. 10. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 8 e- 9, caractérisé sé en ce que es surfaces externes des parois non soumises directement à l'impact de la lumière sont nourcies. 11. Convertisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la cellule est constituée par un réseau de diodes en forme de barreaux, les axes desdits barreaux étant parallèles entre eux pour réaliser une structure périodique, e e1 eii le que des moyens pour concentrer La umière constituent une structure également périodique dont le pas est égal à la distance séparant deux barreaux mesurée perpendiculairement à leur axe parallèle. 12. Procédé de fabrication de diodes photosensibles pour La réalisation du convertisseur selon la revendication 1, caracté rse en e que 'on réalise les barreaux par airage à pari de silicium fondu à une vitesse supériure à 50 cm/heure, en ce qu'on dope la couronne externe desdits barreaux et en ce qu'on dépose ensuit sur lesdits baron des électrodes métalliques, une au moins sur le coeur du barreau et une au moins sur la couronne du barreau. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que 'on effectue le dopage sous atmosphère contrôlée et dans un fort gr-ad~ent thermique adapté à la vitesse de tirage. 14. Procédé selon la revendication 12, caractérise en ce que, pour déposer l'électrode métallique sur le coeur du barreau, on rode e barreau à sun extrémité té et sur toute sa pértphêrle pour attendre la zone de coeur et en ce qu'on dépose ensuite une électrode mécanique sur a surface obtenue par rodage. 15. Procédé scion la revendtcaton 12, caractérisé en ce que pour déposer l'électrode métallique sur le coeur du barreau dans une étape supplémentaIre après dopage de la couronne, on rode ledit barreau selon une génératrice pour réaliser un méplat atteignant la zone du coeur et en ce qu'on dépose une électrode métallique sur ledit méplat. 16. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que, pour déposer l'électrode métallique sur la couronne du barreau, dans une étape supplémentaire avant dopage de la couronne, on rode ledit barreau selon une génératrice pour réaliser un méplat et en ce que, après dopage de la couronne, on dépose une électrode métallique sur ledit méplat.