Brevet FR2476917A1 — publié le 19810828

La présente invention est relative à des cellules so- laires élémentaires, à des procédés pour leur réalisation et à un panneau ou batterie composé de telles cellules. La surface agissante des cellules solaires de la tech- nique antérieure ne peut jamais dépasser leur surface réelle. Normalement, leur coefficient d'utilisation est compris entre 11 et 18%. En outre, l'éclairement d'une surface, telle par exemple celle d'une cellule solaire, obéit à une loi d'éclai- rement en cosinus. L'intervention de cette loi contribue à réduire la surface agissante dans un rapport de 2 dans le cas o l'éclairage est réalisé par de la lumière diffuse à inten- sité constante dans toutes les directions. Dans le cas de la lumière provenant directement du soleil, on peut s'affranchir de l'effet de la loi en cosinus en munissant la cellule so- laire d'un mécanisme d'orientation à mouvement d'horlogerie qui est agencé de façon à faire en sorte que la normale à la surface éclairée d'une cellule solaire particulière pointe toujours vers le soleil. Cependant, un tel mécanisme est relativement coûteux et est également encombrant; en outre, la loi en cosinus s'y applique encore, ce qui n'est pas sans importance dans les cas o la lumière solaire n'arrive pas directement mais est diffusée par un ciel nuageux. L'un des buts de la présente invention est de permet- tre de réaliser une cellule solaire dont la surface agissante soit supérieure à sa surface réelle, et au moyen de laquelle les effets néfastes de la loi en cosinus précitée puissent être écartés sans faire appel à des mécanismes d'orientation. La présente invention permet d'atteindre ce but en proposant une cellule solaire à semiconducteurs comportant un substrat ou base en un matériau d'un premier type de con- ductivité (type p ou type n), ce substrat ou base étant re- couvert par une couche superficielle en un matériau d'un second type de conductivité (type n ou type p. respectivement) adaptée à recevoir par exposition un rayonnement incident électromagnétique ou solaire, laquelle est caractérisée en ce que ladite couche superficielle est munie d'une structure périodique formant ou apparaissant sous la forme d'une confi- guration répétitive, par exemple en réseau, qui définit des régions ou zones alternées présentant des impédances com- plexes différentes pour une onde électromagnétique incidente sensiblement plane, et en ce que la périodicité de la struc- ture est calculée ou dimensionnée vis-à-vis desdites impé- dances complexes de façon à permettre la création d'un champ local d'ondes stationnaires du genre dit champ d'harmoniques de Hartree, de sorte que ledit champ local puisse interférer avec des ondes électromagnétiques à incidence tangentielle de façon à dévier lesdites ondes incidentes en direction de la- dite couche superficielle et à agrandir ainsi la surface agis- sante de la cellule solaire. L'existence d'un champ d'harmoniques de Hartree est très bien connue dans la théorie des champs électromagnéti- ques, et elle intervient par exemple dans la conception des antennes diélectriques à structure périodique. Sous des con- ditions appropriées, il apparaît dans la structure périodique des oscillations locales dont le champ est dénommé champ d'harmoniquesde Hartree. On connaît également des structures périodiques optiques, et on peut par exemple se reporter à ce sujet à l'article de William S. C. Chang intitulé "Periodic Structures and their Application in Integrated Optics", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. MTT- 21, no 12, décembre 1973, pp. 775-785. Le champ d'harmoniques de Hartree a pour effet de don- ner lieu à une déviation de la lumière à incidence sensible- ment tangentielle en direction de la surface structurée de la cellule solaire, d'o s'ensuit que la surface effective ortho- gonale à la direction tangentielle d'incidence peut être supé- rieure à la surface réelle de la cellule solaire en cause. En outre, comme les écarts de la direction d'incidence de la lu- mière par rapport à la direction tangentielle n'ont qu'une faible influence sur la déviation des rayons vers la surface exposée, il y a également déviation d'une partie accrue de la lumière diffuse. En faisant état ci-dessus d'une alternance de l'impé- dance complexe, on entend que l'impédance de l'une des ré- gions ou zones peut avoir une valeur finie cependant que l'impédance d'une région ou zone adjacente ou contiguë pré- sente une valeur infinie, ou vice versa. De plus, il est à noter que les impédances complexes varient avec la fréquence, ce qui vaut également pour la périodicité de la structure. Dans ces conditions, une impédance complexe infinie équivaut à une réflexion totale, tandis qu'une impédance finie impli- que une absorption d'énergie qui est responsable de la créa- tion d'un champ local, sous réserve que les conditions vou- lues soient réalisées. La structure offre de nombreux para- mètres sur deux desquels peut jouer l'élaboration du motif de structure de la cellule solaire selon l'invention, à sa- voir celui qui est à valeurs alternées et la longueur ou pas de la périodicité. Il peut y avoir alternance de valeurs de la réflexion de la lumière soit du fait d'une variation en alternance du niveau de la surface, c'est-à-dire de la pré- sence sur celle-ci de nervures alternant avec des sillons, soit du fait d'une alternance de valeurs de l'indice de ré- fraction ou, ce qui revient au même dans le cas présent, de la constante diélectrique. Le fait que la couleur change ne joue aucun rôle sur le rendement, vu que la couleur d'une couche ou du substrat, dont l'épaisseur est du même ordre de grandeur que la longueur d'onde de la lumière, varie selon la direction dans laquelle la surface est observée, et qu'elle n'est donc pas fonction de la structure. C'est le fait d'un choix qui est matière à option que d'avoir défini cidessus la présente invention en termes d'impédances complexes à valeurs alternant sur toute l'éten- due d'une couche superficielle "structurée", la structure étant périodique et de nature géométrique ou physique. Ainsi, l'impédance complexe de la surface est à valeurs alternées et elle présente une périodicité approximativement égale au quart de la longueur d'onde de la lumière incidente. Le choix de la périodicité du réseau dépendra en par- tie de la largeur de bande de la lumière incidente, mais il devra de plus être établi en fonction des propriétés photo- électriques de la cellule solaire, qui déterminent sa sensibi- lité à la fréquence de la lumière incidente. Si la sensibilité spectrale de la cellule solaire s'étend sur une largeur de bande supérieure à l'octave que l'oeil humain est capable de percevoir sous forme de lumière visible, il faut qu'il y ait variation soit de la distance entre sommet d'une nervure et fond d'un sillon, c'est-à-dire de la profondeur des sillons, soit de la distance entre paroi antérieure d'une nervure et paroi antérieure d'une nervure suivante, soit encore de ces deux distances, de sorte que l'effet de déviation de la lu- mière dû au champ d'harmoniques de Hartree se manifeste sur une largeur de bande suffisamment grande. Par conséquent, le mot "lumière" devra être entendu dans le présent contexte comme couvrant l'ensemble du rayonnement solaire que les pro- priétés photoélectriques de la cellule solaire utilisée per- mettent d'exploiter, ce rayonnement étant susceptible de s'étendre à l'ultraviolet ainsi qu'à l'infrarouge. Ceci signi- fie que la périodicité du réseau est susceptible de varier d'un côté à l'autre de la surface de la cellule solaire ou que la profondeur des sillons est susceptible de varier afin d'accroître la largeur de bande. L'aspect de la configuration répétitive peut varier dans une grande mesure. Cette configuration peut présenter des lignes parallèles, et être donc semblable à un réseau optique, ou une multiplicitéde réseaux de ce genre possédant les uns par rapport aux autres des constantes de réseau dif- férentes. Toutefois, de tels réseaux se distinguent de ré- seaux optiques en ceci que l'effet d'un réseau optique tient uniquement à sa structure de lignes, alors qu'à la surface de la cellule solaire la conformation des lignes individuelles, quant à la profondeur des sillons par exemple, a également de l'importance. Au lieu de présenter des lignes droites, la configuration répétitive peut comporter des lignes sinueu- ses. La surface peut aussi présenter une structure bi-pério- dique ou multi-périodique, obtenue par exemple en ménageant des zones non structurées au sein d'une configuration répé- titive particulière à celle-ci. Au lieu de présenter des li- gnes sinueuses, la configuration répétitive peut être à lignes en cercle, en demi-cercle ou en quart de cercle, ou bien, à l'effet de lui conférer de la sensibilité aux modes TM aussi bien qu'aux modes TE, qui sont les modes d'oscillation de la lumière contenue dans le rayonnement non cohérent fourni par le soleil, la configuration répétitive peut avoir l'aspect d'un damier ou être formée d'éléments punctiformes isolés et non pas des carrés contigus d'un damier. Elle peut aussi pré- senter des traits interrompus mutuellement perpendiculaires apparaissant sous forme de rangées de signes "+". L'invention vise en outre divers procédés de réalisa- tion de cellules solaires selon l'invention. La reproduction des configurations répétitives peut être effectuée par un procédé holographique, faisant éventuellement appel à des faisceaux laser et de préférence en prenant comme configura- tion répétitive sur la cellule solaire l'image holographique négative d'un "objet" approprié, laquelle, sous forme d'image holographique négative, présente la configuration microscopi- que de lignes désirée. Ainsi, on peut faire appel à une modi- fication de la longueur d'onde de la lumière cohérente pour faire varier les dimensions de la configuration répétitive. Par ailleurs, on peut faire appel à n'importe quel procédé de la technologie classique des semiconducteurs. Il convient de donner une attention particulière au fait que dans la fabrication des micro-circuits, il est nor- malement nécessaire que les défauts tels que contacts intem- pestifs entre lignes ou conducteurs voisins ou qu'interrup- tions d'une ligne conductrice doivent être évités à tout 24769 17 prix, vu que les contacts ou interruptions de ce genre donne- raient lieu à un court-circuit ou à une coupure de circuit préjudiciables, alors que les défauts de ce genre ou que les manques de définition de largeur ou d'espacement des lignes restent admissibles en forte proportion dans la mise en oeuvre de l'invention, ceci parce que l'efficacité de la configura- tion répétitive n'est pas néfastement affectée tant que la surface totale des défauts est faible devant la surface totale de la configuration. Dans une forme de réalisation de l'invention, la confi- guration répétitive n'est pas établie à la surface proprement dite du substrat semiconducteur, mais à la surface d'une cou- che translucide déposée sur ce substrat ou à la surface d'une pellicule ou lamelle disposée immédiatement devant le substrat. On peut faire appel à une pellicule ou lamelle de ce genre soit dans le but de couvrir ou de protéger la cellule solaire, soit parce qu'il peut être plus facile de conférer la configuration répétitive désirée à une telle couche protectrice. L'invention vise en outre une disposition de cellules solaires en groupement ou batterie réalisée de telle façon que les surfaces photosensibles des cellules solaires formant cette batterie soient disposées sensiblement parallèlement à la position moyenne de l'écliptique. Les caractéristiques et avantages de l'invention res- sortiront plus amplement de la description détaillée qui est donnée ci-après à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est un schéma illustrant la loi ordinaire en cosinus applicable aux cellules solaires de l'art antérieur; 30. la figure 2 est un schéma représentant les fronts de phase pour de la lumière traversant un champ d'harmoniques de Hartree extérieur à une cellule solaire selon l'invention; la figure 3 est une vue en perspective d'une dispo- sition en batterie de cellules solaires selon l'invention; 35. les figures 4 à 7 sont des vues en coupe de diverses 24}4 J formes de réalisation de cellules solaires selon la présente invention; et les figures 8 à 14 représentent des exemples de di- verses configurations répétitives dont peut être pourvue la surface d'une cellule solaire. Sur la figure 1, la surface photosensible d'une cel- lule solaire élémentaire de la technique antérieure est dési- gnée par la lettre A. Une droite orthogonale à cette surface, c'est-àdire sa normale, est désignée par la lettre N. Un faisceau incident de rayons lumineux dont la direction forme un angle v avec la normale N est désigné par la lettre L, et sa section effective par la lettre E. La loi en cosinus est évidente si l'on considère le triangle rectangle ayant pour hypoténuse la surface A de la cellule solaire, si bien que l'équation E= A cos v est vérifiée. Il apparaît donc que pour qu'une cellule solaire ordinaire puisse présenter pour la lumière solaire tombant directement sur celle-ci une sur- face agissante égale à sa surface physique, il serait néces- saire de la manipuler, par exemple au moyen d'un mécanisme d'horlogerie, de telle façon que sa normale reste constam- ment parallèle à la direction d'incidence de la lumière. Il est en outre évident que par ciel nuageux et pour un flux de lumière incident intrinsèquement diffuse, toute la lumière provenant de l'ensemble des directions autres que la direc- tion parallèle à la normale à la surface se trouverait réduite conformément à la loi en cosinus ci-dessus considérée. Comme on le voit en considérant à présent la figure 2, lorsqu'un faisceau L de rayons lumineux longe en la rasant une surface d'une cellule solaire selon l'invention, il y a création dans l'espace au-dessus de cette surface d'un champ H d'harmoniques de Hartree suivant les lignes obliques G par- tant des bords de la configuration répétitive. Bien que le champ d'harmoniques de Hartree soit représenté comme présen- tant des limites abruptes, on comprendra que son intensité décroît graduellement vers l'extérieur. A l'extérieur de la ligne frontière frontale G du champ de Hartree, un faisceau lumineux rasant L présente des fronts de phase parallèles, mais lorsqu'il franchit cette ligne en pénétrant dans le champ de Hartree, les fronts de phase F s'incurvent en direc- tion de la configuration répétitive prévue sur la surface de la cellule solaire. Des calculs ont démontré que la surface agissante ou surface d'influence du faisceau de lumière L peut atteindre une valeur cinq fois plus grande que l'aire physique de la surface à configuration répétitive 7, à con- dition que la lumière présente un seul mode d'oscillation, le mode TM par exemple, et dix fois plus grande si l'un et l'autre des modes TM et TE sont exploités; tous ces énoncés se rapportent aux deux faces à configuration répétitive de la cellule solaire. De plus, la lumière diffuse, c'est-à- dire ici la lumière dont la direction d'incidence forme un certain angle avec le faisceau lumineux représenté, sera également déviée en direction de la configuration répétitive, de sorte que l'affaiblissement de cette lumière en considéra- tion de la loi en cosinus ne sera pas important. Contraire- ment aux batteries de cellules solaires ordinaires, qui doi- vent être tournées face au soleil, une batterie de cellules solaires formée de cellules selon l'invention doit être mon- tée de façon qu'un bord ou tranche se présente face à la source lumineuse, comme représenté par la figure 3. L'écarte- ment des cellules solaires individuelles de la batterie peut être de-dix fois la largeur B d'une cellule solaire. Une bat- terie de ce genre peut de préférence être montée de façon que les surfaces 7 des cellules solaires soient dans le même plan que l'écliptique E-W, représenté sur la figure 3 par une demi- ellipse passant par le soleil S. On se reportera à présent à la figure 4, qui représente en coupe une forme de réalisation d'une cellule solaire selon la présente invention. Celle-ci comprend deux couches conti- guës 1 et 2 présentant des conductivités respectives diffé- rentes ou opposées (semiconducteurs de type n, et de type p). La face inférieure de la couche de base 2 est pourvue d'une électrode 3, tandis que la face supérieure de la couche de dessus l est pourvue d'une électrode 4 qui est en forme de cadre et est attenante à ladite face supérieure. A l'inté- - 5 rieur du cadre, la surface de la couche de dessus i comporte une configuration répétitive qui, sur la coupe représentée, apparaît sous la forme d'une rangée d'éminences 5 séparées par des sillons 6. Ces sillons peuvent être formés par une technique de gravure par attaque chimique. L'ordre de gran- deur du pas ou longueur de périodicité du réseau peut adéqua- tement être d'un à deux dixièmes de micron, ce qui conduit à la création d'un champ d'harmoniques de Hartree d'un côté à l'autre de la structure et rend celle-ci opérante sur toute l'étendue du spectre de la lumière visible couvrant les lon- gueurs d'onde allant de 0,4 à 0,8 micron. La configuration sera à peu près insensible aux écarts de largeur des nervures et autres défauts, tels par exemple que court-circuits entre sillons adjacents et semblables interruptions des lignes, dus au fait que la résolution ou degré de finesse désirés pour la configuration répétitive atteint presque les limites de ce qu'il est possible d'obtenir fiablement par les techniques d'intégration à très grande échelle dont on dispose à l'heure actuelle. La figure 5 représente une autre forme de réalisation d'une cellule solaire selon l'invention dans laquelle la cou- che de dessus l présente une surface plane 8 sur laquelle sont solidarisées l'électrode en forme de cadre 4 et des saillies en forme de nervures 9 par des techniques de dépôt classiques. La figure 6 représente une autre forme de réalisation de cellule solaire dans laquelle la couche de dessus l pré- sente également une surface plane ou lisse 8. La configura- tion répétitive est obtenue en formant en profondeur des li- gnes 10 dans la surface, par exemple par implantation ionique ou par guidage d'un gaz transversalement à des sillons formés par gravure chimique dans une photo-laque de sorte que des molécules de gaz diffusent à travers la surface pour se dis- soudre dans un solide. La forme de réalisation d'une cellule solaire selon l'invention qui est représentée par la figure 7 se distingue de celles précédemment décrites en ceci qu'il a été appliqué à la face supérieure de la couche de dessus 1 une pellicule pourvue de sillons 11 ménagés entre des saillies 12. Cette pellicule peut être une couche formée par vaporisation de verre ou d'un matériau translucide semblable, laquelle pro- tège d'une part la cellule solaire des influences extérieu- res et est d'autre part plus facile à pourvoir de la confi- guration répétitive voulue que la surface de la cellule so- laire proprement dite. En variante, la pellicule peut être formée par une lamelle distincte de la couche de dessus 1, cette lamelle étant pourvue de la configuration répétitive avant d'être placée devant la couche 1. On peut faire varier dans de larges limites la confor- mation globale ou aspect de la configuration répétitive, comme illustré par les exemples schématiques des figures 8 à 14. Dans les dispositions de la figure 8, la configuration répé- titive est formée par des traits rectilignes équidistants. Cette configuration est simple et on peut y faire appel sans hésitation, vu que la lumière rasante dont la direction d'in- cidence n'est pas perpendiculaire aux lignes mais oblique se trouvera infléchie vers la normale aux lignes dans le plan tangent. La configuration représentée par la figure 9 présente des bandes similaires, à ceci près qu'elles sont sinueuses. Il en résulte deux effets. En premier lieu, la largeur de bande du champ d'harmoniques de Hartree se trouve augmentée, puisque la longueur de périodicité du réseau pour une direc- tion donnée du flux incident varie le long de la surface. En second lieu, les conditions d'orthogonalité du flux incident deviennent moins impératives. La configuration représentée par la figure 10 comprend des demi-cercles, pour des raisons qui sont les mêmes que celles indiquées en ce qui concerne la configuration de la figure 9. La configuration représentée par la figure il présente une double périodicité, obtenue en scindant les traits rec- tilignes de la figure 8 et en les rassemblant en des groupes en forme de petits ilots 13 séparés par des zones intermé- diaires non structurées ou zones isotropes 14. La lumière solaire est non cohérente. Il en résulte que les configurations répétitives représentées par les fi- gures 8 à il ne seront opérantes que sur le mode TM de la lumière, et non sur le mode TE. Cette perte de la-moitié de la bande d'énergie de la lumière peut être évitée en faisant appel à des configurations répétitives telles que celles représentées par les figures 12 à 15. La configuration de la figure 12 présente des lignes qui sont interrompues de façon à former une configuration en damier. Il n'est pas nécessaire que les carrés noirs soient contigus. On obtient le même effet en remplaçant les carrés noirs du damier par des éléments sensiblement ponctuels, séparés les uns des autres comme représenté par la figure 13, ou en faisant appel à des traits interrompus mutuellement, perpen- diculaires, comme représenté par la figure 14, en formant ainsi des rangées de signes "+". La figure 15 représente une variante de cette dernière configuration, dans laquelle les signes "+" d'une ligne sur deux sont décalés de la moitié du pas d'espacement entre signes. R E V E N D I C A T I O N S 1. Cellule solaire élémentaire à semiconducteurs com- portant un substrat ou base en un matériau d'un premier type de conductivité (type _ ou type n), ledit substrat ou base étant recouvert par une couche superficielle en un matériau d'un second type de conductivité (type n ou type ', respec- tivement) prévue pour recevoir par exposition un rayonnement incident électromagnétique ou solaire, caractérisée en ce que ladite couche superficielle est munie d'une structure pério- dique formant ou apparaissant sous la forme d'une configura- tion répétitive, par exemple en réseau, qui définit des ré- gions ou zones alternées présentant des impédances complexes différentes pour une onde électromagnétique incidente sensi- blement plane, et en ce que la périodicité de la structure est calculée ou dimensionnée quant auxdites impédances complexes de façon à permettre la création d'un champ local d'ondes stationnaires du genre dit champ d'harmoniques de Hartree, de sorte que ledit champ local puisse interférer avec des ondes électromagnétiques à incidence tangentielle de façon à dévier lesdites ondes incidentes en direction de ladite cou- che superficielle et à agrandir ainsi la surface agissante de la cellule solaire. 2. Cellule solaire selon la revendication 1, caracté- risée en ce que ladite configuration répétitive présente des traits équidistants et sensiblement rectilignes. 3. Cellule solaire selon la revendication 1, caracté- risée en ce que ladite configuration répétitive présente des bandes qui forment des arcs, sont sinueuses ou forment des portions de cercle. 4. Cellule solaire selon l'une quelconque des revendi- cations 1, 2 et 3, caractérisée en ce que la configuration répétitive est à bi-périodicité ou à multi-périodicité. 5. Cellule'solaire selon l'une quelconque des reven- dications 1, 2, 3 et 4, caractérisée en ce que la configura- tion répétitive est périodique dans deux directions mutuellement orthogonales sur ladite couche superficielle, de manière que la structure soit sensible au mode TM ainsi qu'au mode TE des oscillations électromagnétiques de la lumière solaire. 6. Cellule solaire selon la revendication 5, caracté- risée en ce que la configuration répétitive de la structure est sensiblement en forme de damier ou présente un arrange- ment similaire à rangées mutuellement orthogonales d'éléments sensiblement ponctuels ou de signes "+" séparés les uns des autres. 7. Cellule solaire selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la configuration répétitive de la structure est créée en faisant occuper aux régions à im- pédances complexes différentes deux niveaux ou hauteurs dif- férents de la couche superficielle. 8. Cellule solaire selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la structure à configuration répétitive est formée de régions alternées de matériaux dif- férents présentant des indices de réfraction ou des cons- tances diélectriques différents, l'un au moins desdits maté- riaux étant déposé sur ou noyé dans ladite couche superfi- cielle exposée. 9. Panneau ou batterie de cellules solaires élémen- taires selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les surfaces exposées recevant de la lumière des cel- lules solaires élémentaires forment des plans parallèles mu- tuellement espacés disposés sensiblement parallèlement au plan de l'écliptique. 10. Procédé pour la réalisation d'une cellule solaire élémentaire selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la structure à configuration répétitive est réali- sée au moyen d'une technique holographique dans laquelle la configuration répétitive représente de préférence une image holographique négative. il. Procédé pour la réalisation d'une cellule solaire élémentaire selon la revendication 7, caractérisé en ce que la structure à configuration répétitive est réalisée par une technique de gravure par attaque chimique. 12. Procédé pour la réalisation d'une cellule solaire élémentaire selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite configuration répétitive est réalisée par une techni- que d'application. 13. Procédé pour la réalisation d'une cellule solaire élémentaire selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite structure est réalisée par une technique d'implanta- tion en profondeur, implantation ionique par exemple. 14. Cellule solaire selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la structure à configuration répétitive est réalisée sur une couche protectrice transpa- rente distincte qui est fixée directement sur ladite couche superficielle ou à faible distance de celle-ci. 15. Panneau ou batterie de cellules solaires élémentai- res selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un certain nombre de telles cellules définit des plans ou couches paral- lèles disposés à une même distance mutuelle D supérieure à la largeur B des cellules élémentaires individuelles de façon que lesdits plans soient sensiblement parallèles à la posi- tion moyenne du plan de l'écliptique.