Brevet FR2500216A1 — publié le 19820820

La présente invention est relative à un procédé de fabrication de dispositifs photovoltatques comportant des corps semiconducteurs constitués de silicium amorphe. On sait que les dispositifs photovoltalques, tels que les cellules so- laires, sont capables de transformer l'énergie rayonnante solaire en énergie électrique utilisable. Cette transformation d'énergie résulte de ce qu'il est convenu d'appeler "l'effet photovoltaique". Une cellule solaire au silicium amorphe est constituée d'un corps de silicium amorphe hydrogéné (a - Si: H), qui est formé, de façon typique, par décharge luminescente dans du silane. De telles cellules sont décrites dans le brevet américain n0 4 064 521, auquel on pourra se référer. A l'intérieur du corps de la cellule existe un champ électrique qui résulte des types de conductivité différents des régions semiconductrices qui constituent le corps. De façon typique, on utilise une structure P-I-N, et, lorsque la lumière vient frapper le corps, les photons engendrent des paires trou-électron dans la région intrinsèque du corps. Dans une cellule solaire au silicium amorphe, le mécanisme de glissement qui résulte du champ électrique inhé- rent, à l'intérieur du corps, amène les électrons à s'écouler vers la région de type N, et les trous à s'écouler vers la région de type P, ces régions étant sur les côtés opposés de la région intrinsèque. Par conséquent, s'il existe un circuit externe reliant la région de type N à la région de type P, il circule un courant au travers de ce circuit tant que la lumière continue à engendrer des paires électron-trou dans la cellule solaire. Ainsi que le savent les techniciens en ce domaine, des cellules au silicium amorphe sont fabriquées, de façon typique, par décharge luminescente de silane (SiH4). Le procédé de décharge luminescente implique une décharge d'énergie au travers d'un gaz, à une pression relativement faible, dans une enceinte partiellement sous vide. En particulier, la décharge luminescente de silane est effectuée typiquement à une pression ne dépassant pas 5 torr. Comme cela est décrit en détail dans le brevet américain n0 4 14Z 195, un procédé typique, pour fabriquer une cellule solaire au silicium amorphe, con- siste en premier lieu à placer un substrat sur un élément chauffé placé dans une chambre sous vide. Une électrode écran, ou grille est reliée à une borne 2 50 0 2 1 6 d'une source d'énergie, et une seconde électrode est connectée à l'autre borne de la source d'énergie, de façon que l'électrode écran soit située entre la seconde électrode et le substrat. Pendant que du silane, à faible pression, est admis dans la chambre sous vide, on établit une décharge luminescente entre les deux électrodes, et une pellicule de silicium amorphe se dépose sur le substrat. La structure P-I-N au silicium amorphe peut être formée, par exemple, de la manière décrite dans le brevet américain n0 4 064 521, et, dans ce cas, le substrat est constitué typiquement d'un métal tel que l'alumi- nium, le niobium, le tantale, le chrome, le fer, le bismuth, l'antimoine ou l'acier inoxydable. Dans un procédé typique, le silicium amorphe est dopé en ajoutant des impuretés au silane. Par exemple, le premier dopant peut être du diborane (B H), qui est ajouté au silane afin de former une couche de sili- 2 6 cium amorphe de type P. Après formation de la couche de type P de manière qu'elle présente une épaisseur de l'ordre de 100 A environ, on interrompt l'écoulement du diborane de façon à former une région intrinsèque ayant une épaisseur de l'ordre de quelques milliers d'Angstroms. Ensuite, un dopant de type N, tel que la phosphine (PH3) est ajouté au flux de silane, afin de former une couche de silicium amorphe de type N présentant une épaisseur de quelques centaines d'Angstroms. Il se forme une couche transparente, conductrice, sur la couche de type N. Selon un procédé typique, on utilise dans ce but de l'oxyde d'étain et d'indium. Comme le savent les techniciens dans ce domaine, les régions de type P et N peuvent être inversées. De même, le substrat peut être formé de verre, au lieu d'un métal. Dans ce cas, un revêtement conducteur et trans- parent, par exemple d'oxyde d'étain et d'indium, est appliqué sur le substrat de verre avant la formation du silicium amorphe. Ensuite, la cellule peut être formée de type P-I-N ou N-I-P, avec un contact métallique sur sa partie supérieure, c'est-à-dire sa surface enlevée du substrat. Ces divers types de cellules sont décrits dans le brevet américain n0 4 162 505. Bien que de nombreuses solutions aient été proposées pour la réali- sation de cellules solaires au silicium amorphe, le besoin se fait sentir d'aug- menter le rendement, l'efficacité et les facteurs de remplissage de telles cellules. C'est là, précisément, le but de la présente invention. 25002 1 6 En conséquence, cette invention a pour objet un procédé perfectionné pour former une cellule solaire au silicium amorphe, selon lequel on fait va- rier la température du substrat lors du dépôt du silicium amorphe. On a ob- servé expérimentalement que, lorsque la température du substrat varie lors de l'opération de dépôt de la couche de silicium amorphe, de façon que le subs- trat soit plus froid lorsque s'effectue le dépôt de la surface incidente de la couche de silicium amorphe, on obtient une amélioration du facteur de rem- plissage et de l'efficacité de la cellule ainsi formée. Bien que l'on n'ait pas totalement déterminé les motifs de cette amélioration technique, on suppose que la bande interdite peut s'ouvrir quelque peu lors du dépôt, en raison de l'augmentation de l'incorporation de l'hydrogène dans une pellicule déposée sur un substrat plus froid. Il en résulte que la surface incidente de la couche de silicium amorphe n'absorbe pas autant de lumière qu'elle en aurait absorbé autrement. Par conséquent, on pense -mais ceci ne constitue qu'une hypothèse- que la région intrinsèque reçoit davantage de lumière à l'endroit o sont en- gendrées les paires électron-trou. Comme on l'a expliqué dans la description qui précède, le but de la variation de la température du substrat pendant l'opération de dépôt de la couche de silicium amorphe est d'augmenter la quantité d'hydrogène contenue dans la pellicule, ce qui ouvre sa bande interdite. Comme cela est évident pour l'homme de l'art, le but recherché est que la partie de la pellicule qui reçoit la lumière possède la bande interdite la plus large. Par conséquent, bien que, dans les exemples qui suivent, on se réfère au refroidissement du substrat lors de l'opération de dépôt de la couche de silicium amorphe, Z5 exemples dans lesquels les couches de silicium amorphe sont formées sur des substrats opaques, on pourrait utiliser l'approche inverse, selon laquelle une couche de silicium amorphe est formée sur un substrat transparent, au travers duquel la lumière doit être introduite dans la cellule. Par conséquent, si l'on voulait réaliser une cellule solaire devant être illuminée au travers du substrat, c'est-à-dire, par exemple, une structure verre/oxyde d'étain et d'indium/silicium amorphe (a-SiH) P-I-N/Al, on ferait varier la tempéra- ture lors du dépôt de la couche de silicium amorphe, en l'augmentant plutôt qu'en la faisant décroître. De même, on a indiqué, dans les exemples suivants, l'utilisation 25002 16 d'une décharge de proximité en courant continu pour former les couches de silicium amorphe; il est cependant évident, pour l'homme du métier, que l'on peut utiliser une décharge anodique en courant continu ou une décharge à haute fréquence. Les exemples qui suivent, qui n'ont bien entendu aucun caractère limitatif, illustrent la présente invention. Exemples - Dans la série d'exemples qui suit, on a montré les effets du refroi- dissement du substrat lors du déroulement de l'opération de dépôt du silicium amorphe. Dans chacun de ces exemples, on a formé une cellule solaire au silicium amorphe sur un substrat d'acier inoxydable. Dans chaque cas, la structure était constituée par une structure: oxyde d'étain et d'indium/ silicium amorphe (a-Si:H) N-I-P /acier inoxydable. Dans chaque cas, la cellule solaire a été formée par une décharge luminescente de proximité en courant continu, dans une atmosphère de silane (SiH4), sous une pression de 0, 66 mbar environ. Exemple 1 - Ce premier exemple a constitué un contrôle, au cours duquel la tem- pérature du substrat a été maintenue à 380'C lors du dépôt des couches de Z0 silicium amorphe. La tension en circuit ouvert de la cellule était de 774 mV, et la densité du courant de court-circuit était égale à 9, 13 mA/cm. La cel- lule présentait un facteur de remplissage de 0, 513, et un rendement de 3, 63%. Exemple 2 - Dans ce second exemple, le substrat a été refroidi, lors du dépôt à partir d'une température de 3800C, à 340'C. La tension en circuit ouvert de la cellule était égale à 794 mV, et la densité du courant de court- circuit était de 10, 00 mA/cm.Le coefficient de remplissage de la cellule était de 0, 542, et son rendement égal à 4, 30 %. Exemple 3 - Dans ce troisième exemple, le substrat a été refroidi, lors du dé- pôt, depuis une température de 380'C jusqu'à 319'C. La tension en circuit ouvert de la cellule était égale à 783 mV, et sa densité de courant de court- circuit était de 9, 37 mA/cm. La cellule présentait un facteur de charge de 0, 530, et un rendement de 3, 89 %. 2 5 0 0 2 1 6 Exemple 4 - Dans ce quatrième exemple, le substrat a été refroidi pendant le dépôt, à partir d'une température de 378'C jusqu'à 295'C. La tension en cir- cuit ouvert de la cellule était de 794 mV, et la densité de courant de court- circuit était égale à 10, 31 mA/cm. La cellule présentait un facteur de rem- plissage de 0, 582, et un rendement de 4, 76 %. Exemple 5 - Dans cet exemple, le substrat a été refroidi, lors du dépôt, depuis une température de 380'C jusqu'à 279'C. La tension en circuit ouvert de la cellule était de 790 mV, et sa densité de courant de court-circuit de 9, 62 mA/cm. La cellule présentait un coefficient de remplissage de 0, 594, et un rendement de 4, 52 %. Il demeure bien entendu que cette invention n'est pas limitée aux exemples de mise en oeuvre décrits ci-dessus, mais qu'elle en englobe toutes les variantes. 25002 1 6 REVENDICATIONS 1 - Procédé pour la fabrication de cellules solaires au silicium amorphe, selon lequel on forme une couche de silicium amorphe sur un subs- trat, caractérisé en ce qu'on fait varier la température du substrat pendant l'opération de dépôt de la couche de silicium amorphe, de manière que sa température soit la plus basse pendant le dépôt de la partie de la couche de silicium amorphe devant recevoir la lumière incidente. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le subs- trat est opaque, et en ce qu'il est refroidi dans un domaine de températures compris entre 400'C et Z00'C environ, lors du dépôt de la couche de silicium amorphe. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en fce que le subs- trat est transparent, et en ce qu'il est chauffé dans une gamme de températures comprise entre 200'C et 400'C environ, pendant l'opération de dépôt de la couche de silicium amorphe. 4 - Procédé selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la couche de silicium amorphe est déposée par décharge luminescente de silane. - Procédé selon la revendication 4, caractérise en ce que la dé- charge luminescente est une décharge de proximité en courant continu. 6 - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la dé- charge luminescente est une décharge anodique en courant continu. 7 - Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la dé- charge luminescente est une décharge à haute fréquence.