Brevet FR2460544A1 — publié le 19810123

La présente invention concerne un procédé de traitement par irradiation laser permettant d'améliorer les performances des photopiles solaires destinées à fonctionner sous concentration. On sait que la concentration du rayonnement solaire est une des méthodes susceptibles d'abaisser le prix de revient de l'électricité d'origine photovoltaique. Toutefois, pour réaliser de tels systèmes il est nécessaire de disposer de photopiles de faible résistance interne. En effet, une simulation mathématique indique que pour des flux de photons intenses le rendement de conversion dôcrott très rapidement lorsque la résistance série augmente. Ainsi, la figure 1 montre que pour une photopile à concentration de dimensions standard (2x2 cm2), réalisée à partir de silicium type P, il faut que la résistance série soit inférieure à 0,03 Pour diminuer la résistance superficielle de la couche dopée, il faut introduire une concentration de dopants aussi élevée que possible sur une profondeur qui doit autre limite pour éviter la dégradation de la réponse spectrale due aux pertes dans la fenotre d'entrée pour les rayonnements de courte longueur d'onde. Les photopiles commercialisées actuellement sont géné- ralement réalisées par diffusion de phosphore à haute température dans un substrat de silicium monocristallin de type P. Par ce procédé on ne peut introduire dans le silicium, une concentration de phosphore électriquement actif supérieure à 2x1020 at./cm3 aux températures de diffusions usuelles (N 8500C), le phosphore en excès étant inactif parce qu'il s'associe à des lacunes doublement chargées et aussi parce qu'il précipite. Compte tenu de cette limite et de la distribution du dopant résultant de la diffusion, pour des épaisseurs de jonction compatibles avec une bonne réponse spectrale ( Pour atteindre les résistances série suffisamment faibles pour permettre le fonctionnement sous concentration, on est conduit à utiliser des grilles collectrices spéciales dont les conducteurs 2 sont très rapprochés. Ainsi pour une photopile 2x2 cm réalisée sur du silicium de résistivité 1 fl. cm il faut une grille de 20 branches pour que la valeur de la résistance série soit inférieure à 0,03 SI et permette un bon fonctionnement sous les flux de photons intenses. Une telle grille ne peut être réalisée que par des techniques de photogravure très coûteuses. La présente invention concerne un procédé permettant de diminuer la résistance superficielle des couches dopées et d'atteindre ainsi des résistances série faibles sans utiliser de grille spéciale. Ce procédé consiste à irradier des couches diffusées avant dépôt de la grille et de la couche anti-reflet par des 2 impulsions de haute énergie (densité d'énergie N 1 J/cm ), très brèves ( 450 ns) issues d'un laser par exemple à rubis ( > = 6943A). L'énergie de ce faisceau, absorbée sur une profondeur voisine de e i 000 à 2 OOOA, est suffisante pour fondre superficiellement le silicium. La zone fondue recristallise ensuite en un temps très court (NIOLO ns), suivant un processus analogue à une épitaxie en phase liquide. Ce traitement permet de diminuer sensiblement la résistance superficielle des couches diffusées. La figure 2 montre que cette résistance peut être diminuée d'un facteur supérieur à 3 et que des valeurs de 12Jl/D peuvent être obtenues. Cette amélioration est liée à la réactivation des atomes de phosphore as sociés aux lacunes et à la dissolution des précipités formes lors de la diffusion.De ce fait, la résistance superficielle ne peut être réduite sensiblement que si la couche diffusée comporte une concentration en dopant supérieure à la solubilité limite. Cette diminution de la résistance superficielle a pour conséquence d'augmenter la tension en circuit ouvert de la photopile, qui atteint des valeurs supérieures à 600 mV sous un éclairement de 100mW/cm2, ainsi que d'accroître le facteur de remplissage de la photopile qui est supérieur à 0,75. En outre, le traitement laser présente certains effets secondaires bénéfiques : - amélioration de la qualité cristalline de la couche diffusée (élimination de dislocations, etc ...), dont il résulte une augmentation de la durée ede vie des porteurs et une meilleure collecte des porteurs - suppression de la zone morte formée par les précipités et donc amélioration de la transmission optique. Une évaluation du gain en rendement de conversion des photopiles à concentration, consécutive a une diminution de la résistance superficielle de 40 à 15 J\/D après un tel traitement laser a été effectué par calcul pour un matériau de base 1J. cm, une 2 surface de 2 x 2 cm et différentes grilles (20, 10 et 6 branches). les résultats représentés sur la figure 3 montrent que l'amélioration est d'autant plus sensible que le nombre de branches est plus faible. Ceci suggère deux types d'applications du procédé décrit - réalisation de photopiles économiques pour la concentration moyenne ( ev 30). Pour de tels flux, des rendements 1 13 % peuvent être obtenus avec des grilles de moins de 10 branches, ne faisant pas appel aux techniques de photogravure. De telles photopiles peuvent être produites simplement en ajoutant l'étape d'irradiation laser au processus standard de fabrication de pho topiles fonctionnant sans concentration. - réalisation de photopiles à concentration de très haut rendement. En combinant le procédé d'irradiation laser et l'utilisation de grilles optimisées (20 branches on peut fabriquer des photopiles de très faible résistance ( Remarquons que le procédé de traitement laser que nous avons décrit peut s'appliquer à des dopants autres que le phosphore et à des matériaux différents du silicium de type P (silicium de type N et autres semiconducteurs). En outre, il reste valable même si le dopant est introduit par une méthode autre que la diffusion (implantation, effluvage, etc ...). Enfin, des résultats identiques peuvent être obtenus en utilisant des lasers différents, par exemple, des lasers continus du type CO2. REVENDICATIONS 1. Procédé d'amélioration des performances de piles pho tovoltalques fonctionnant sous concentration, caractérisé en ce que l'on traite les dispositifs en cours de fabrication par une irradiation au moyen d'un laser. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la cellule photovoltalque est réalisée à partir de silicium de type N ou P. 3. Procédé suivant la revendication 1, -caractérisé en ce que la pile photovoltalque est réalisée en un semiconducteur autre que le silicium. 4. Procédé suivant la revendication-2 ou 3 caractérisé en ce que l'on diminue la résistance série des piles photovoltalques en réduisant la résistance superficielle de la couche dopée. 5. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le dopant est un élément quelconque introduit par diffusion, implantation ou toute autre méthode. 6. Procédé suivant la revendication~5, caractérisé en ce que le laser est du type à impulsion. 7. Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le laser est du type continu. 8. Pile photovoltaique, obtenue par la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications i à