Brevet FR2501911A1 — publié le 19820917

La présente invention concerne une technique d'interconnexion pour des cellules solaires empilées, et elle porte plus particulièrement sur une technique d'in- terecnnexion pour une cellule solaire du type en cascade, formée par croissance épitaxiale, employant des intercon- nexions conductrices. Le besoin d'obtenir des cellules solaires ayant un meilleur rendement, en particulier pour les applications spatiales et les concentrateurs, a conduit au principe con- sistant à empiler des cellules ayant des bandes interdites différentes. La cellule solaire dite en cascade emploie une cellule ayant une bande interdite large, formée par croissance ou appliquée au sommet d'une cellule ayant une bande interdite étroite. On considère que la cellule solai- re en cascade est très prometteuse pour l'obtention d'un rendement de conversion élevé. On pourra voir par exemple à ce titre l'article de S.M. Bedair, intitulé "Material and Device Considerations for Cascade Solar Cell", IEEE Trans. Electron Devices, ED-27, page 822 (1980). Avec ce type de structure empilée, on accède habituellement aux cellules en série, du fait que la couche inférieure (base) de la cellule supérieure est par nature en contact intime avec la couche supérieure (émetteur) de la structure inférieure. Ceci est en particulier le cas avec les cellules empilées formées par croissance épitaxiale en séquence, c'est-à-dire lorsque la cellule à bande interdite large et la cellule à bande interdite étroite ont des constantes de réseau suf- fisamment proches pour que la cellule à bande interdite large soit formée par croissance épitaxiale sur la cellule à bande interdite étroite. Avec de telles cellules, la technique d'interconnexion habituelle consiste à fabriquer des jonctions tunnel entre les cellules. Ceci présente l'inconvénient qui consiste en ce que ces jonctions sont extrément difficiles à fabriquer, en particulier dans les semiconducteurs à bande interdite élevée qui sont nécessai- res pour la réalisation de cellules en cascade ayant un bon rendement, ainsi que l'inconvénient qui consiste en ce qu'elles présentent une chute de tension série, habituelle- ment de quelques dixièmes de volt, qui réduit notablement le rendement. Conformément à une autre technique d'inter- connexion, il a été proposé de fabriquer une jonction de mise en courtcircuit en établissant entre les cellules des couches à réseau désadapté. On pourra voir à ce titre le brevet US 4 017 332. Avec cette tecthnique, il est diffi- cile de fabriquer des cellules supérieures à bande inter- dite large de qualité suffisante, à cause de la présence de la couche interstitielle à réseau désadapté. L'invention a pour but de réaliser une cellule solaire en cascade qui comporte une interconnexion conduc- trice entre les couches empilées. L'invention a également pour but de réaliser une cellule solaire en cascade qui présente des caractéristiques courant-tension optimisées. L'invention a également pour but de réaliser une cellule solaire en cascade comportant des rainures formées dans la cellule supérieure à bande interdite large, pour permettre à des interconnexions métalliques d'établir un contact ohmique entre la base de la cellule supérieure à bande interdite large et l'émetteur de la cellule inférieu- re à bande interdite étroite. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'aun mode de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure la est une coupe d'une cellule solaire en cascade de l'art antérieur employant une interconnexion par jonction tunnel; La figure lb est un circuit équivalent de la jonction tunnel de la figure la; La figure 1lc est une courbe courant-tension pour le dispositif à jonction tunnel de la figure la; et Les figures 2a - 2c montrent les principales étapes de la séquence de fabrication qui conduit à la struc- ture de l'invention, représentée sous forme terminée sur la figure 2c. Conformément à l'invention, on obtient un con- tact ohmique direct entre les cellules dans une cellule solaire en cascade formée par croissance épitaxiale, au moyen d'interconnexions conductrices qui sont formées dans des rainures réalisées par attaque de façon intermittente dans la cellule supérieure. La base de la cellule supérieu- re est directement connectée par les interconnexions con- ductrices à l'émetteur de la cellule inférieure. Les in- terconnexions conductrices se terminent de préférence sur un épaulement formé dans la base de la cellule supérieure. Dans un autre mode de réalisation préféré, on utilise une métallisation à deux niveaux de façon que le niveau supé- rieur établisse un contact optimal avec la base de la cellu- le supérieure, et que le niveau inférieur établisse un con- tact optimal avec l'émetteur de la cellule inférieure. Dans cette description, les expressions "cellule à bande interdite large" et "cellule à bande interdite étroite" désignent les cellules supérieure et inférieure dans une pile en cascade de deux cellules formées par crois- sance épitaxiale. Les valeurs des bandes interdites sont relatives et elles sont choisies en fonction de considéra- tions de rendement et de réalisation des dispositifs. De plus, on écrit AlGaAs la formule du composé ternaire AlxGai-xAs, en notant que la composition particulière peut être modifiée comme il est bien connu, pour obtenir une bande interdite désirée. Pour des cellules solaires en cas- cade qui emploient des couches quaternaires, telles que InGaAsP, on peut faire varier les proportions des consti- tuants afin d'obtenir à la fois la constante de réseau et la bande interdite désirée. L'état actuel de la technique pour interconnecter des cellules solaires empilées formées par croissance épi- taxiale, correspond à l'emploi de ce qu'on appelle la jonc- tion tunnel La figure la représente en coupe une jonction tunnel caractéristique qui est formée entre une cellule à barde interdite large 10 et une cellule à bande interdite étroite 11. Par exemple, dans le cas o les deux cellules solaires sont de configuration p sur n, les émetteurs 12 et 14 peuvent respectivement 9tre en AlGaAs de type p et en GaAs de type p, et les bases 13 et 15 peuvent respec- tivement être en AlGaAs de type n et en GaAs de type n. La cellule 10 a de façon caractéristique une bande interdite d'environ 1, 7 eV et la cellule 11 a de façon caractéristique une bande interdite d'environ 1,1 eV. La région 16 est de la matière n++ fortement dopée et la région 17 est de la matière p++ fortement dopée. Les matières fortement dopées adjacentes constituent une jonction tunnel pour former une connexion série dans la cellule. Cette connexion est im- parfaite, comme l'indique le circuit équivalent représenté sur la figure lb, du fait qu'elle introduit la chute de ten- sion de la diode tunnel 22, polarisée en sens inverse, dans le circuit de cellule dont les diodes 20 et 21 constituent le modèle. Le résultat est que cette chute de tension est perdue dans la tension de sortie de la cellule, ce qui ré- duit le rendement global. Il faut également noter qu'on n'a pas démontré la faisabilité de Jonctionstunnel sur des aires convenant pour les cellules solaires. Cette démonstra- tion n'a été faite que par épitaxie en phase liquide et par épitaxie par jet moléculaire, alors qu'on considère actuel- lement que l'épitaxie en phase vapeur est la seule techni- que de croissance offrant une capacité de fabrication suf- fisamment grande pour la fabrication économique de cellules solaires. Comme le montre la figure lc, une jonction tunnel présente une région caractéristique à résistance négative, ce qui donne un S dans sa courbe caractéristique courant- tension en sens direct, a. Du fait que la jonction tunnel est en série avec les cellules supérieure et inférieure, ce S peut apparaître dans la courbe caractéristique courant- tension b de la cellule en cascade. Ce S conduit à un fac- teur de remplissage réduit et à un rendement réduit. La cellule en cascade de l'invention comportant des interconnexions conductricesest fabriquée par un pro- cessus dans lequel on part d'une cellule solaire en casca- de entièrement formée (mais sans interconnexions), comme le montre la figure 2a, et on effectue une attaque à tra- vers la cellule supérieure 30 pour mettre à nu l'émetteur 37 de la cellule inférieure 31. On interconnecte alors les deux cellules, 30 et 31, de la manière représentée sur la figure 2c. La cellule supérieure 30 comprend une couche 25019 11 supérieure en GaAs, 32, une couche de fenêtre en AlGaAs, 33, un émetteur en AlGaAs de type p, 34, et une base en AlGaAs de type n. 36. La cellule inférieure 31 comprend une couche d'arrêt d'attaque en AlGaAs de type n, 35, un émetteur en GaAs de type p, 37, et une base en GaAs de type n, 38. Une couche d'arrêt d'attaque préférée, 35, a une bande interdite plus grande que la cellule supérieure ou la cellule inférieu- re, et elle change de type de conductivité en passant de n+ au sommet à p+ à la partie inférieure, pour remplir la fonc- tion de confinement des porteurs. Les interconnexions 43 ou 44, 45 peuvent être en métal, en silicium polycristallin conducteur, en polymère conducteur ou en n'importe quelle matière conductrice compatible avec les matières semiconduc- trices des cellules. Une métallisation de face arrière 40 est appliquée à la partie inférieure de la base 38. Le cir- cuit équivalent de la cellule solaire en cascade de l'in- vention apparaft sur la figure lb, si on considère les li- gnes en pointillés, et il établit une interconnexion ohmique entre les diodes 20 et 21. On utilise des techniques photolithographiques pour définir une succession d'ouvertures de fenêtre W. On forme les fenêtres en utilisant un agent d'attaque qui ef- fectue une attaque à travers l'émetteur 34 en AlGaAs, au moins jusqu'au sommet de la base 36, comme le montre la fi- gure 2b, mais dans le mode de réalisation préféré, on forme un épaulement 47 à un niveau situé environ à mi-profondeur de la base 36. On définit ensuite par photolithographie une ouverture plus étroite, W1, représentée sur la figure 2b, et on procède à une attaque à travers la couche fenêtre en AlGaAs, 35, jusqu'à l'émetteur 37 de la cellule inférieure 31. On peut ensuite utiliser un seul contact 43 pour inter- connecter la base 36 de la cellule supérieure 30 et l'émet- teur 37 de la cellule inférieure 31. L'aire occupée en sur- face par les fenCtres est de façon caractéristique de 10 % ou moins de l'aire totale de la cellule supérieure. Dans un mode de réalisation préféré, ce contact 43 monte le long de la paroi latérale 48 de la rainure qui définit la fenêtre W1 et passe sur l'épaulement 47 pour produire un contact sdr. L'épaulement 47 permet d'établir un contact ohmique sAr avec la base 36 de la manière décrite dans la demande de brevet US 69 462 déposée par P.G. Borden le 24 août 1979. On applique ensuite des contacts métalliques de face supé- rieure, 46, et la qualité de ces contacts est améliorée par la présence de la couche supérieure en GaAs, 32. Dans un autre mode de réalisation, on utilise des contacts conducteurs à deux niveaux pour former les inter- connexionso Cette technique est particulièremeht appropriée lorsqu'on utilise des métaux, du fait que des métaux par- ticuliers établissent des contacts ohmiques optimaux avec des matières semiconductrices particulièreso On peut ainsi choisir le métal 44 de façon qu'il forme un contact ohmique à faible résistance avec la matière et le type de conducti- vite de l'émetteur 37, et on peut choisir le métal 45 de façon qu'il forme un contact ohmique à faible résistance avec la matière et le type On va maintenant tion particulière pour une interconnexions métalliques A. On effectue une attaque dans l'émetteur jusqu'à 1. On définit la vitesse 2. On attaque la couche d'attaque spécifique la couche de AlGaAs. ( de conductivité-de la base 36. décrire une séquence de fabrica- cellule solaire en cascade à conforme à l'inventiono pour former la rainure large W la base de la cellule supérieure d'attaque dans le AlGaAs; supérieure de GaAs dans un agent du GaAs. en descendant jusqu'à On pourra voir par exemple à ce titre l'article de G.A. Antypas, et col. intitulé "Glass-Sealed GaAs-AlGaAs Transmission Photocathode", App. Phys. Lett., volume 26, page 371 (1975). 3. On attaque 90 % du AlGaAs dans du HF; 4. On attanae le AlGaAs dans des conditions définies pour W (on utilise le même agent d'attaque qu'à l'étape 2 et on effectue l'attaque jusque dans la base de la cellule supérieure). Dans un autre mode de réalisation, un agent d'attaque spécifique de l'agent de dopage, par exemple H20:H202:H2S04 dans les proportions 10:1:1, qui attaque la matière de type p mais non la matière de type n dans l'obscurité, s'arrgte à la couche n. Un autre mode de réalisation consiste à utiliser une attaque anodique, ce qui permet d'obtenir une vites- se et une maîtrise précises. B. On effectue une attaque pour former la rainure étroite, W1, à l'intérieur de la rainure large, W: 1. On effectue une attaque jusqu'à la couche de fen4tre enterrée AlGaAs de la cellule inférieure en utilisant le même agent d'attaque qu'en A2 et A4; 2. On effectue une attaque à travers la couche de AlGaAs avec du HF. Cette opération attaque également le SiO2 de façon à mettre à nu le contact supérieur. C. On forme des interconnexions métalliques pour les cellu- les solaires de type p sur n de l'exemple considéré: 1. On évapore un métal de contact de type p sur des ré- gions définies par de la matière de réserve photogra- phique, de façon à remplir les rainures et à établir un contact avec l'émetteur de la cellule inférieure; 2. Pour une métallisation à deux couches, on forme un nouveau masque et on évapore du métal de type n pour établir un contact avec la base de la cellule supé- rieure. Dans un autre mode de réalisation, la technique d'interconnexion de l'invention est appliquée à une cellule en cascade qui contient trois cellules empilées les unes sur les autres. La cellule supérieure a une bande interdite élevée de l'ordre de 1,8 eV, la cellule intermédiaire a une bande interdite plus faible de l'ordre de 1,2 eV, tandis que la cellule inférieure a une bande interdite étroite de l'ordre de 0,7 eV. Les cellules sont de façon caractéristi- que formées séquentiellement par croissance épitaxiale. On sait qu'il est plus facile d'obtenir des jonctions tunnel entre des cellules ayant des bandes interdites faibles. Ain- si, on peut connecter les cellules inférieure et intermé- diaire par des jonctions tunnel classiques, par d'autres techniques. On interconnecte la cellule supérieure et la cellule intermédiaire par la technique de l'invention, re- présentée sur les figures 2a - 2c. La fabrication de cette cellule en cascade triple est essentiellement conforme à ce qu'on a indiqué cidessus, à l'exceptiondu fait que la matière de départ de la figure 2a comporte la cellule à bande interdite étroite, à la partie inférieure de la sé- quence épitaxiale. Ia cellule solaire en cascade de l'invention, comportant des interconnexions conductrices,peut être fa- briquée avec un certain nombre de systèmes de matières. Le critère consiste en ce que les cellules doivent Ctre formées par croissance épitaxiale les unes sur les autres et que des rainures doivent pouvoir Ctre formées de manière inter- mittente dans la cellule supérieure. Ce criète est satis- fait dans les systèmes pour lesquels il existe des agents d'attaque sélectifs,c'est-à-dire des agents d'attaque qui effectuent une attaque correcte dans la cellule supérieure mais qui s'arrAtent lorsqu'ils rencontrent la cellule in- férieure. le système AlGaAs/GaAs décrit ci-dessus en est un exemple. InGaAsP/InP et GaAlAsSb/GaAs sont d'autres systèmes ayant de telles propriétés d'attaque. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'inventiono 01 9 1i1 REVENDICATIONS 1. Cellule solaire en cascade comportant une cellule à bande interdite large (30) formée par croissance épitaxiale sur une cellule à bande interdite étroite (31) et connectée électriquement en série avec elle, caractéri- sée en ce que ces cellules sont connectées électriquement au moyen d'une interconnexion conductrice (43; 44, 45) qui est formée entre la base (36) de la cellule supérieure (30) et l'émetteur (37) de la cellule inférieure (31), à travers des rainures formées dans la cellule supérieure. Cellule solaire en cascade selon la revendica- tion 1, caractérisée en ce que l'interconnexion conductrice (43; 44, 45) consiste en une interconnexion métallique. 3. Cellule solaire en cascade selon la revendica- tion 2, caractérisée en ce que les rainures comprennent une partie large (W) au sommet et une partie étroite (W1) au fond, de façon à former un épaulement (47) dans la base (36) de la cellule à bande interdite large, et en ce que l'interconnexion métallique s'étend à l'intérieur de la partie étroite pour venir en contact avec l'émetteur (37) de la cellule inférieure, et cette interconnexion métalli- que se termine sur cet épaulement (47). 4. Cellule solaire en cascade selon la revendica- tion 3, caractérisée en ce que la cellule à bande interdite large (30) est fabriquée à partir de AlGaAs et la cellule à bande interdite étroite (31) est fabriquée à partir de GaAs. 5. Cellule solaire en cascade selon la revendica- tion 3, caractérisée en ce que l'interconnexion métallique consiste en une métallisation à deux niveaux (44, 45) dans laquelle le niveau supérieur (45) est en contact avec la base (36) de la cellule à bande interdite large et le ni- veau inférieur (44) est en contact avec l'émetteur (37) de la cellule à bande interdite étroite, afin de permettre la réalisation d'un contact ohmique optimal par les métaux choisis, avec les régions respectives de base et d'émetteur. 6. Cellule solaire en cascade selon la revendica- tion 1, caractérisée en ce qu'elle est combinée à une troisième cellule solaire ayant une bande interdite plus étroite que celle de la cellule inférieure (31), et cette troisième cellule est placée sous la cellule inférieure et en contact conducteur avec elle. 7. Cellule solaire en cascade selon la revendica- tion 6, caractérisée en ce que la troisième cellule solai- re est connectée électriquement à la cel1lle inférieure (31) au moyen d'une jonction tumnel. 8. CeIlule solaire en cascade selon la revendica- tion 6, caractérisée en ce que les trois cellules sont formées par croissance épitaxiale les unes sur les autres.