Brevet FR2516706A1 — publié le 19830520

La présente invention se rapporte à une cellule solaire perfectionnée utilisant des semiconducteurs à l'arséniure de gallium ( GaAs 3 et d'autres semiconducteurs composés. Les cellules solaires sont couramment utilisées en tant que dispositifs fournissant de l'énergie à des satellites et à des véhicules spatiaux, et les cellules solaires en silicium sont les plus communes. Cependant, le rendement global de telles cellules est notablement diminué par une exposition à des rayonnements cosmiques de hauts énergie comme des faisceaux d'électrons et des rayons protoniques, ce qui est l'une des raisons expliquant la longévité limitée des satellites. C'est pourquoi des essais ont été faits pour mettre au point des batteries solaires qui remplacent le silicium par le GaAs pour obtenir une configuration de cellule dont la performance n'est pas dégradée par une exposition à des rayonnements cosmiques. La figure I des dessins annexés illustre une cellule s -:#. 2-. t i# c 1 os s I- o s o#' n c- s ± a p .- La ré té - rence 1 désigne un substrat en GaAs du type n, le chiffre 2 désigne une couche semiconductrice du type p appliquée sur l'une des faces du substrat, la référence 3 correspond à une couche semiconductrice du type n résultant de la formation de la couche semiconductrice 2 du type p sur ledi substrat a références 4 désigne plusieurs premières électrodes parallèles disposées sur la couche semiconductrice 2 du type p et--une seconde électrode fixée a' ladite couche semiconductrice 3 du type n est La forme de réalisation de la figure 1 est de structure p sur n dons laquelle une mince couche du type p est formée sur une couche épaisse du type n, mais le même résultat peut être obtenu avec une structure n sur p dans laquelle une mince couche d#u type n est formée sur une couche épaisse du type p. La th.iijie du fonctionnement des -ji ulves solo ires est bien connue et elle ne nécessite aucun développement détaillé. Lorsque la lumière tombe sur la jonction p-n, les photons ayant une énergie supérieure à celle de l'intervalle de la bande produisent un excès de trous et des électrons libres, qui sont pompés par la tension installée à travers la jonction p-n et se déplacent vers la couche 2 du type p et vers la couche 3 du type n, respectivement. Cela produit une tension photo-électrique et, lorsqu'on ferme un circuit externe, un courant photoélectrique circule. Par conséquent, la lumière est conver- tie en une énergie électrique par la cellule solaire. Le rendement d'une cellule solaire dépend de i'efficacité avec laquelle les trous en excès et les électrons libres produits par l'absorption de lumière se déplacent dans des sens opposés à travers la jonction p-n. En présence d'une matière semiconductrice spécifique considérée, les efforts de recherche se concentrent sur l'obtention d'une cellule de conception optimale pour aug,-Dter cotte eçficacité Toutefois, le rendement d'une cellule solaire est fortement réduit lorsque cette cellule est balayée par des rayonnements de haute énergie, tels que des rayonnements cosmiques.Ce phénomène est dû en premier lieu au fait que le rayonnement diminue la mobilité et la durée de vie des porteurs dans la couche semiconductrice 2 du type p et dans la couche 3 au type n, d'où résulte une baisse notable dans le rapport de diffusion des porteurs de charge excédentaires vers la jonction p-n Cette baisse reste sensiblement la même, que la matière semiconductric non exposée ai ou non de bonnes qualités cristallines,ce qui signifi-t J #- j il pu- fie que l'action nuisible exercée par les rayonnements de haute énergie sur le rendement de la cellule est très grande. La présente invention a par conséquent pour objet de proposer une cellule solaire dont le substrat est formé par une matière semiconductrice en GaAs ou d'un autre type, st dont le rendeMent n'- 3 oas affect par une exposition à des rayonne.#ents ce haute énergie.Cet objet est atteint grace à un dispositif qui comprend une première couche seniiconductrice d'un type de conductivi- té donné ; une deuxième couche semiconductrice du même type de conductivité, mais ayant une concentration d'impuretés moins grande que celle de ladite première couche semiconductrice : une troisième couche semiconductrice du type de conductivité opposé, qui forme une jonction p-n avec la deuxième couche semiconductrice ; ainsi qu'une couche formant une jonction avec la troisième couche semiconductrice. la combinaison de cette troisième couche semiconductrice et de la couche formant une jonction avec cette dernière étant plus mince que la couche de barrage formée entre les deuxième et troisième couches semiconductrices. L'invention va à présent être décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs. et sur- lesquels la figure 1 est une coupe fragmentaire d'une cellule solaire classique telle que décrite ci-avant la figure 2 est une coupe fragmentaire d'une cellule solaire selon une forme de réalisation de la présente invention ; et la figure 3 est une coupe fragmentaire d'une cellule solaire du type barrière de Schottky selon une autre .forma de réalisation de la présente invention. Sur la figure 2, les composants identiques à ceux de la figure 1 sont affectés des mêmes références numériques. La cellule solaire de la figure 2 comporte aussi une couche serniconductrice 32 du type p ou firme une jonction avec la face de la couche semi-conductrice 2 du type p opposée à la face sur laquelle les premières électrodes 4 sont placées, cette couche 12 ayant une concentration d'impuretés moins grande que celle de ladite couche semiconductrice 2 du type p. Une couche semiconductrice 13 du type n forme une jonction avec la face de la couche semiconductrice ^n3 dtype n oppo- sée è la face sur laquelle la seconde électrode 5 est fixée et elle présente une concentration d'impuretés plus faible-que celle de ladite couche 3 du type n.Une couche de barrage 6 est intercalée entre la couche semiconductrice 12 du type p à faible concentration d'impuretés et la couche semiconductrice 13 du type n à faible concentration d'impuretés. Le dispositif illustré sur la figure 2 est caractérisé par la présence d'une couche de barrage plus épaisse. Cela a pour objet d'assurer une jonction superficielle et d'augmenter la résistance de la cellule à des rayonnements de haute énergie en autorisant la génération d'un plus grand nombre de porteurs dans la couche de barrage que dans les autres régions telles que les couches semiconductrices du type p et du type n.L'idée fondamentale de cette forme de réalisation est la suivante : la couche de barrage est soumise à un puissant champ électrique et elle est caractérisée par une grande mobilité des porteurs et par. une faible probabilité de recombinaison de ces porteurs, ce qui fait que, même si la mobilité et la durée de vie des porteurs sont réduites par une exposition aux rayonnements de haute énergie, les porteurs dans la couche de barrage sont peu affectés et le rendement global de la cellule reste sensiblement constant. Une structure présentant une couche de barrage plus épisse peut être produite en diminuant la concentration des impuretés dans les couches semiconductrices du type p et du type n. D'autre part, la tension de circuit ouvert, qui constitue l'un des parcmètres d'une cellule solaire, est forte lorsque les concentrations d'impuretés des couches semiconductrices des types p et n sont grandes, et si le niveau de Fermi-Dirac est convenablement décalé à l'écart de la position neutre. Il peut être satisfait à ces deux exigences contradictoires rac à la configuration la fiers 2, dans laquelle chacun des ser#iconducteurs de type p et de type n est formé par deux sous-couch2s ayant des concentrations d'impuretés différentes. La relation entre la couche semiconductrice du type p et la couche de barrage est décrite ci-dessous en se référant à une cellule solaire au GaAs. Un simple cristal de GaAs présente un indice de pouvoir d'aLsorption si élevé qu'une épaisseur de quelques microns est suffisante pour absorber presque toute la lumière visible ( ayant une longueur d'onde inférieure à 0,9 m ) D'autre part, les rayonnements cosmiques tels que les faisceaux d'électrons et les rayons protoniques ont une forte énergie qui peut être absorbée uniformément, même par un cristal de GaAs présentant une épaisseur de plusieurs centaines de microns. Il est par conséquent possible de produire une cellule solaire ayant une grande résistance aux rayonnements de haute énergie en utilisant un cristal de GaAs comportant une mince zone efficace.Dans la cellule solaire classique du type p sur n, l'épaisseur de la couche semiconductrice du type p est déterminée d façon que les porteurs engendrés dans cette couche par l'éclairement lumineux soient à l'origine de la plus grande partie du courant photo-électrique. Cependant, avec une telle configuration, le rendement de la cellule est diminué aussitôt que les caractéristiques cristallines t par exemp i e 13 durée de vis et la mobilité des porteurs minoritaires 3 sont dégradées.Pour éviter e problème, l'épaisseur de la couche semi-conductrice du type p est réduite à un minimum en plaçant la couche de barrage sacré les couches n 3ç~r, ies2 r c n E cra semiconductrices des types p et n le plus près possible de la surface du cristal et, dans le même temps, l'épais seur de cette couche de barrie est eagmentée jusqu'à une valeur telle qu'un plus granG notre de porteurs soit engendré dans cette couche ce barrage que dans la couche semiconductrice du type . p. cet évenement, si la la couche semiconductrice du t; e p est détériorés pdr une exposition à des rayonnements de haute énergie, la tension installée traversant la couche de oarrage facilite la concentration des porteurs dans cette dernière et la dégradation du rendement de la cellule peut être maintenue à un minimum. C'es la raison principale pour laquelle la couche de barrage est réalisée plus épaisse que la couche semiconductrice du type p. L'épaisseur de cette couche de barrage peut être calculée à partir de la dépendance de l'indice d'absorption de la-matière semiconductrice par rapport a la longueur d'onde, et de la distribution spectrale de la lumière solaire. Une autre exigence pour améliorer la résistance de la cellule à des rayonnements de haute énergie est que l'épaisseur totale de la couche semiconductrice du type p et de la couche de barrage soit déterminée de telle façon que la part de la lumière solaire incidente ayant pus d'énergie que l'intervalle de bande du cristal spécifique c c'est-3-dire u e 1lumière ayant uns longueur d'onde inférieu-re à 0,9 m pour le GaAs 3 soit absorbée par ces couches. L'épaisseur requise de la combinaison entre la couche semiconductrice de type p et la couche de barrage peut être calcules sur la base de l'indice du pouvoir absorbant de la altière semiconductrice spécifique.La plus--grande partie des porteurs de charge devant être engendrés dans le celui solaire lors de son éclairement doit être produite dans la couche semiconductrice du type p et dans la couche de barrage, à cause du fait que la diffuscen des trous dans la couche semiconductrice du type n ces moindre --jque celles ces électrons libres dans la couche semiconductrice du type p, et que la première est ps sensible aux rayonnements de haute énergie. Une cellule de structure dans laquelle la plus grande partie de la lumière incidente n'est pas absorbée dans la couche semiconductrice du type p ou dans la couche de barrage présente par essence même un faible rendement et est fortement sensible aux rayonnements de haute énergie. La cellule de structure adéquate qui permet la génération, par éclairement, d'un plus grand nombre de porteurs dans la couche de barrage que dans n'importe quelle autre région, et dont le rendement dépend dans une large mesure de cette faculté, peut être obtenue en déterminant l'indice d'absorptivité du cristal spécifique et la répartition des concentrations en impuretés dans ce cristal. Le concept inventif de la présente invention confère un avantage primordial dans un dispositif utilisant un semiconducteur à intervalle direct de bande tel que le GaAs, qui possède un grand indice de pouvoir absorbant dans le spectre visible et qui permet à la plus grande partie de la lumière incidente d'être absorbée dans une région peu profonde.D'autres matières semicunductrices peuvent cependant aussi être utilisées en diminuant de manière appropriée les concentrations d'impuretés présentes dans les couches semiconductrices des types p et n, respectivement , cela augmente l'épaisseur de la couche de barrage et permet, lors de l'éclairement, de créer un plus grand nombre de porteurs dans la couche de barrage que dans n'importe quelle autre région. Comme mentionné ci-avant, il est important, dans la cellule selon la présente invention. que la plus grande partie de la lumière incidente soit absorbée par la couche semiconductrice supérieure et par la couche de barrage. A cet effet, il est possible de former une coac-hQ de forte résistance spécifique en soumettant la surface de la couche semiconouctrice du type p t ou de la couche semiconductrice du type n dans une structure n sur p 3 au procédé du dopage compensé. En variante, une cellule solaire du type barrière de Schottky peut être formée en remplaçant la couche semiconductrice supérieure par une couche métallique 7 formant barrière de Schottky et illustrée sur la figure 3. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à la cellule solaire décrite et représentée, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Cellule solaire, cara#térisée par le fait qu'elle comprend une première couche semiconductrice (2) d'un premier type de conductîvité (p) , une deuxième couche semiconductrice t12) du même type de conductivité (p) et ayant une concentration d'impuretés inférieure à celle de ladite première couche semiconductrice t2) , une troisième couche semiconductrice (13) de type de conductivité opposée(n) et formant une jonction p-n avec ladite deuxième couche semiconductrice (12) , ainsi qu'une couche formant une jonction avec ladite troisième couche semiconductrice (13), la combinaison de cette troisième couche semiconductrice t13) et de ladite couche formant ladite jonction avec cette dernière étant plus mince qu'une couche de barrage [ 63 formée entre lesdites deuxième (12) et troisième [ 13) couches semiconductrices. 2. Cellule solaire selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la couche formant la jonction avec la troisième couche semiconductrice (13), ladite troisième couche semiconductrice (13) et la couche de barrage (6) absorbent la plus grande partie de la lumière solaire incidente. 3. Cellule solaire selon 3a revendication 1, caractérisée par le fait que la couche formant la jonction avec la troisième couche semiconductrice (13) est du même type de conductivité (n) que cette troisième couche semiconductrice i 33 mais prés ente une plus .Fopt# concentration d'impuretés. 4. Cellule solaire selon Ta revendication 1, caractérisée par le fait que la couche formant la jonction avec la troisième couche semiconductrice (13) est fabri- quée en un métal. 5. Cellule solaire, caractérisée par le fait qu'elle comprend des première (2,7) et deuxième C12) couches semiconductrices de tires de conductivité opposés (p,n3 et présentant des concentrations d'impuretés relativement faibles ; des troisièrne(13) et quatrième !R! couches semiconductrices sellées auxdites première (2,7) et deuxième (42i couches semiconductrices. respectivement, et ayant des concentrations d'impuretés relativement plus grandes ; ainsi que des électrodes t4,5) placées sur lesdites troisième (13)et quatrième (3) couches. 6. Cellule solaire selor la revendication 5, caractérisée par le fait que les souches semiconductrices (3, 7, 12, 13) sont en arséniure de gallium. 7. Cellule solaire selon la revendication 5, caractérisée par le fait qu'une couche de barrage (6) formée entre les première(2,7) et deuxième [ 12) couches semiconductrices s'étend sur une épaisseur plus grande que l'épaisseur combinée des deuxième (12) et quatrième [ 3) couches. B. Cellule solaire selon la revendication 7, caractérisée par le fait que la plus grande partie des porteurs engendrés par suite de l'éclairement de ladite cellule solaire provient de la couche de barrage (6).