Brevet FR2525819A1 — publié le 19831028

? 525819 La présente invention concerne une cellule photo-électrique au silicium amorphe, et elle vise plus particulièrement une cellule photo-électrique utili- sant un matériau amorphe à grand intervalle de bande (ou grande bande interdite Le brevet américain n 4 064 521, auquel le lecteur est prié de se re- porter, décrit une cellule photo-électrique comportant du silicium amorphe contenant de l'hydrogène, en tant que matériau sensible à la lumière La cel- lule photo-électrique comprend, de façon typique, une couche relativement épaisse, de l'ordre de 500 nanomètres, de silicium amorphe intrinsèque, liée à des couches opposées de type p et de type N ayant chacune une épaisseur d'environ 10 nm, la lumière pénétrant dans le dispositif soit par la couche de type p soit par la couche de type n Les couches de type p et de type N sont fortement absorbantes, et les porteurs de charge qui y sont engendrés se re- combinent de façon typique avant d'atteindre la région d'épuisement du disposi- tif, pour être collectés sous la forme de courant Il existe une limite en ce qui concerne la minceur de ces couches, afin d'éviter le problème qui se pose, lorsque la couche est trop mince, par la présence d'une charge spatiale insuf- fisante pour épuiser totalement la région intrinsèque Il en résulte que l'épais- seur optimale des couches de type p et de type N est choisie, de façon ty- pique, de manière à constituer un compromis entre une faible absorption et une charge spatiale suffisante. Le brevet américain no 4 109 271 indique que du silicium déposé dans une atmosphère qui comprend du carbone forme un alliage amorphe silicium- carbone qui présente un intervalle de bande plus large, et, par conséquent, une moindre absorption, que le silicium amorphe Un alliage amorphe siliciur carbone convenablement d Qpé remplace soit la couche de type p soit la couche de type n, par laquelle la lumière pénètre dans la cellule, ce qui réduit la valeur de l'absorption dans cette couche Cependant, l'épaisseur de l'alliage silicium-carbone est limitée par le transport des porteurs de charge majori- taires au-travers de cette couche vers une électrode, étant donné que le trans port semble se produire au travers des états d'intervalles plutôt qu'au travers des états de bande L'épaisseur optimale de la couche d'alliage silicium- carbone est également un compromis entre une mince couche, suffisante pour obtenir un bon transport de charge, et une couche épaisse qui assure une charge spatiale suffisante pour épuiser totalement la région intrinsèque Le besoin se fait donc sentir de disposer d'une structure de cellule photo- 2 ? 525819 électrique qui peut utiliser un matériau tel qu'un alliage siliciumcarbone pré- sentant les propriétés désirées d'un large intervalle de bande, de même que de bonnes propriétés de transport de porteurs de charge majoritaires, et une charge spatiale suffisante pour épuiser totalement la région intrinsèque du d ispositif. L'invention concerne, en conséquence, une cellule photo-électrique p-i-n au silicium amorphe, comportant une couche d'un matériau semicon- ducteur surmontant soit la couche de type p soit la couche de type n, et pré- sentant un intervalle de bande plus large que celui de ladite couche. D'autres caractéristiques et avantages de cette invention ressortiront de la description faite ci-après, en référence à la Figure unique du dessin, qui représente, en perspective, une cellule photo-électrique selon cette invention. En se référant au dessin, on voit que la cellule photo-électrique 10 comprend une fenêtre 12, un premier contact électrique 14 surmontant la sur- face de la fenêtre 12, une couche semiconductrice à large intervalle de bande 16, au-dessus du contact électrique 14, une première couche 18 de silicium amorphe au-dessus de la couche 16, une seconde couche 20 de silicium amorphe intrinsèque, surmontant la première couche 18, une troisième couche 22 de silicium amorphe, au-dessus de la seconde couche 20, et un second contact électrique 24, surmontant la troisième couche 22. Les première et troisième couches 18 et 22, respectivement, pré- sentent des types de conductivité opposés, et la couche semiconductrice à large intervalle de bande 16 possède le même type de conductivité que celui de la première couche 18. De façon typique, la fenêtre 12 est transparente à la lumière située dans un domaine de longueur d'onde allant de 400 à 1000 nanomètres L'épais- seur de la fenêtre peut être suffisante pour supporter le reste de la structure, jouant ainsi le rôle de substrat, ou bien encore cette épaisseur peut être telle que la fenêtre constitue un revêtement anti-réfléchissant pour la cellule photo- électrique 10 Les premier et second contacts électriques 14 et 24 sont com- posés chacun d'un conducteur électrique suffisamment épais pour transporter le courant électrique engendré dans la cellule photoélectrique sans pertes résistives excessives Le premier contact électrique 14 transmet également la lumière dans un domaine de longueur d'onde situé entre environ 400 et 1000 nanomètres, et ce contact est composé, de façon typique, d'un oxyde transpa- 3 2525819 rent conducteur, tel que de l'oxyde d'indium et d'étain, ou d'une mince couche métallique En variante, les fonctions de la fenêtre 12 et du premier contact électrique 14 peuvent être combinées dans une couche électriquement conduc- trice et transmettant la lumière Le second contact électrique 24 peut être c onstitué d'un métal, par exemple de l'acier présentant une épaisseur suffisante pour supporter le reste de la cellule photo- électrique, servant ainsi de substrat pour la cellule. La couche semiconductrice 16 à large intervalle de bande présente, de façon typique, une épaisseur de l'ordre de 5 à 50 nanomètres, et elle est cons- tituée d'un matériau ayant une énergie d'intervalle de bande de l'ordre de 1, 8 e V ou plus Si cette couche est conductrice de type p, elle est composée de préférence d'un alliage amorphe silicium-carbone dans lequel le rapport carbone/silicium est compris entre 0, 1 et 1 environ Si cette couche est conductrice de type n, elle peut être composée d'un alliage silicium-carbone ou d'un alliage silicium-azote dans lequel le rapport azote/silicium est com- pris entre 0, 1 et 1 La concentration en carbone ou en azote peut être uni- forme dans l'épaisseur, ou bien elle peut être échelonnée ou graduée, à partir d'une concentration maximale à proximité du premier contact électrique, jus- qu'à une concentration minimale ou nulle à l'interface avec la première couche 18 L'avantage d'un échelonnement de la concentration en carbone ou en azote est qutil peut assurer un champ interne effectif qui aide à séparer les porteurs de charge engendrés par effet photo-électrique dans la couche de large inter- valle de bande L'échelonnement peut éliminer également des rainures ou des fentes qui se produisent aux interfaces d'hétérojonction, en raison des diffé- rences d'affinités électroniques pour le matériau de type n, et dans la somme des affinités électroniques et des intervalles de bande, pour un matériau de type p Par ailleurs, l'échelonnement peut également réduire les états d'in- terfaces qui peuvent se produire à une hétéro-jonction. De façon typique, la première couche présente une épaisseur qui est comprise entre 5 et 50 nanomètres, et elle est constituée de silicium amorphe contenant un dopant modificateur de conductivité, selon une concentration ato- 3 mique uniforme de l'ordre de 10 /cm En variante, la concentration en do- pant peut s'échelonner depuis une valeur maximale, à l'interface avec la couche à large intervalle de bande 16, jusqu'à une valeur nulle, à une épais- seur de plusieurs centaines de nanomètres, ou bien elle peut être graduée au 4 2525819 travers à la fois du large intervalle de bande et de la première couche Le profil du dopant peut être ajusté afin de rendre optimale la distribution du champ électrique dans la région active de la cellule La seconde couche de silicium amorphe présente une épaisseur comprise entre environ 300 et 1000 nanomètres, et elle est constituée de silicium amorphe sensiblement intrinsèque, qui comprend un matériau conducteur non dopé, compensé, ou légèrement de type N ou de type p La troisième couche 22 présente, de façon typique, une épaisseur comprise entre 5 et 50 nanomètres, et elle est composée de silicium amorphe contenant un dopant modificateur de conductivité, présentant une con- centration atomique de 10 /cm environ. La couche semiconductrice 16 de large intervalle de bande, la première couche 18, la seconde couche 20 et la troisième couche 22, dans l'exemple dé- crit ici, sont constituées de silicium amorphe ou d'alliages contenant du sili- cium amorphe Il convient de noter que ces couches contiennent également de l'hydrogène, selon une concentration comprise typiquement entre 5 et 20 % atomique, et de préférence de 10 % atomique, et elles peuvent également contenir d'autres ions halogènes, tels que du fluor, du chlore, du brome ou de l'iode. Les couches de silicium amorphe contenant de l'hydrogène peuvent être déposées séquentiellement, en mettant en oeuvre le procédé décrit dans le bre- vet américain N O 4 064 521 Les alliages silicium-carbone et siliciumazote peuvent être déposés en mettant en oeuvre le procédé objet du brevet américain né 4 109 271. Les performances des cellules photo-électriques au silicium amorphe p-i-n contenant de l'hydrogène, selon la présente invention, sont limitées par la qualité des couches dopées de type p et de type n, et par une rétro- diffusion de porteurs de charge dans le voisinage soit des jonctions de type n intrinsèques, soit de type p intrinsèques Les couches dopées contiennent, de façon typique, quelques pourcents atomiques de bore ou de phosphore, en fonction de leurs types de conductivité, et, par conséquent, elles présentent de courtes durées de recombinaison, pour les porteurs de charge qui y sont engendrés, et une absorption optique élevée, notamment pour des pellicules dopées au bore, qui diminue la pénétration de la lumière incidente dans la couche intrinsèque L'utilité de la cellule photo-électrique selon la présente invention est due au fait que la couche de large intervalle de bande et la pre- 2525819 mière couche transmettent relativement bien la lumière, si bien que la ma- jeure partie de la lumière incidente peut pénétrer dans la couche de silicium amorphe intrinsèque et être transformée en porteurs de charge, qui y sont engendrés La mince couche dopée de large intervalle de bande fournit égale- ment une partie de la charge spatiale nécessaire à l'épuisement de la couche intrinsèque, la première couche de silicium amorphe dopé fournissant le reste Ceci réduit le niveau de dopant nécessaire dans la première couche, ce qui diminue les pertes de recombinaison et l'absorption, dans cette région Par conséquent, il n'est pas nécessaire que la première couche soit épaisse ou fortement dopée Un autre avantage de cette structure est que le matériau de large intervalle de bande inhibe une rétro-diffusion de porteurs de charge lo- caux minoritaires engendrés dans la couche de silicium amorphe intrinsèque, lorsque la cellule photo-électrique fonctionne en polarisation directe, c'est-à- dire lorsque le champ interne de la cellule est faible. Il demeure bien entendu que cette invention n'est pas limitée à l'exemp de réalisation décrit et représenté, mais qu'elle en englobe toutes les variant 6 2525819 REVENDICATIONS 1 Cellule photo-électrique ( 10) qui comprend: une couche de large intervalle de bande ( 16) en un matériau semiconducteur; une première couche ( 18) de silicium amorphe contenant de l'hydrogène, d'un premier type de con- ductivité, au-dessus de la couche de large intervalle de bande ( 16); une se- conde couche ( 20) de silicium amorphe contenant de l'hydrogène, surmontant ladite première couche ( 18) et présentant une conductivité sensiblement intrin- sèque; une troisième couche ( 22)de silicium amorphe contenant de l'hydrogène, surmontant la seconde couche ( 20) et présentant le type de conductivité opposé à celui de la première couche ( 18); des moyens ( 14, 24) pour contacter élec- triquement la couche de large intervalle de bande ( 16) et la troisième couche ( 22), cette cellule étant caractérisée en ce que la couche de large intervalle de bande ( 16) présente une énergie de bande interdite supérieure à celle de la pre- mière couche ( 18) et possède le même type de conductivité que celui de la pre- mière couche ( 18). 2 Cellule photo-électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche à large intervalle de bande ( 16) est composée d'un matériau amorphe qui contient du silicium, de l'hydrogène et un élément choisi dans le groupe qui comprend le carbone et l'azote. 3 Cellule photo-électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche de large intervalle de bande ( 16) est constituée d'un alliage silicium-carbone. 4 Cellule photo-électrique selon la revendication 3, caractérisée en ce que l'alliage silicium-carbone possède une énergie de bande interdite supé- Z 5 rieure'à 1, 8 e V. Cellule photo-électrique selon l'une des revendications 1 à 3, ca- ractérisée en ce que la couche ( 16) de large intervalle de bande et la première couche ( 18) ont des conductivités de type p, et la troisième couche ( 22) possède une conductivité de type n. 6 Cellule photo-électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens pour contacter électriquement la troisième couche ( 22) sont constitués par une couche métallique ( 24) disposée au-dessus de la troisième couche ( 22), et en ce que les moyens pour contacter électriquement la couche de large intervalle de bande ( 16) sont constitués par une couche d'oxyde con- ducteur transparent ( 14), disposée sur la couche ( 16). 7 2525819 7 Cellule photo-électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la concentration d'un dopant modificateur de conductivité, dans la pre- mière couche, s'échelonne selon une concentration décroissante à partir de la partie de cette couche adjacente à la couche de large intervalle de bande ( 16). 8 Cellule photo-électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la concentration d'un dopant modificateur de conductivité, dans la coucl. de large intervalle de bande ( 16) et dans la première couche ( 18) s'échelonne selon une concentration décroissante à partir de la portion de ces couches adjacente au contact électrique ( 14) avec la couche ( 16).