Brevet FR2542503A1 — publié le 19840914

La présente invention concerne une cellule solaire en silicium amorphe capable de transformer le rayonnement solaire en énergie électrique. Récemment, on a introduit des cellules solaires en silicium amorphe comme cellules solaires à bon marché pouvant utiliser une énergie propre et inépuisable Les cellules solaires en silicium amorphe ont la caractéristique que le coût de la fabrication est bas car elles sont constituées d'un substrat bon marché et d'une fine pellicule ayant moins de 1 Pm d'épaisseur, obtenue en faisant appel à un procédé à basse température Dans le but de faire le meilleur emploi de cette caractéristique à un faible coût, il est nécessaire d'augmenter le rendement de conversion photovoltaïque d'une cellule solaire en silicium amorphe de façon à pouvoir la mettre en utilisation pratique. On a fait jusqu'ici diverses propositions pour amé- liorer les performances d'une cellule solaire utilisant du silicium amorphe Beaucoup des cellules solaires ayant une structure PIN sont construites d'une manière telle qu'une couche de type P est prévue au côté d'éclairage de manière à recueillir facilement des trous avec une longueur de diffu- sion plus courte des paires de trou-électron formées avec une haute densité par le rayonnement solaire et à accroître l'efficacité de la collecte complète du rayonnemnt solaire. Cependant, une couche de type P contenant un élément du groupe II Ib de la Classification Périodique, tel que le bore (B) du type P a généralement un coefficient d'absorp- tion de la lumière tellement grand qu'un tas de photons ne peuvent être appliqués à une couche I o des porteurs sont formés Par conséquent, dans une structure PIN dans laquelle une couche de type P est disposée au côté d'éclairage, du silicium amorphe auquel on ajoute du carbone ou de l'azote avec un intervalle de bande interdit plus grand (a-Si:C:H ou a- Si:N:H) est utilisé pour la couche de type P de manière à utiliser effectivement les lumières ayant de courteslongueurs d'ondes En outre, si le facteur de remplissage est amélioré, l'efficacité de la conversion photovoltalque peut encore être accrue Dans ce cas, on peut s'attendre à augmenter la résistance en série d'une cellule solaire, à améliorer le facteur de remplissage et à élever l'efficacité de la conver- sion photovoltaique par diminution de la résistance électrique de l'interface entre une couche de type P et une couche électrode. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n' 4 064 521 dé- crit un exemple de cellule solaire PIN qui comprend un corps de silicium amorphe constitué d'une première couche de type P dopée au bore, une couche intrinsèque et une seconde couche de type N dopée au phosphore, idais dans ce cas, la couche de type P en contact avec une électrode de transmission est uniformément dopée Ainsi, cette cellule solaire a un rendement photovoltaique insuffisant. Un objet de la présente invention est une cellule solaire en silicium amorphe avec un rendement élevé de la con- version du rayonnement solaire en énergie électrique utili- sable. Un autre objet de la présente invention est une cellule solaire PIN de structure nouvelle ayant une sensibilité plus grande à la lumière et une résistance en série plus faible. Ces objets peuvent être atteints avec une cellule so- laire PIN en silicium amorphe, caractérisée en ce que dans la couche de type P la conductivité électrique d'une zone en contact avec une électrode est supérieure à celle d'une autre zone en contact avec la couche de type I. La présente invention sera bien comprise à la lecture de la description suivante en relation avec les dessins ci- joints, dans lesquels: La figure 1 est une vue en coupe d'un mode de réali- sation d'une cellule solaire selon la présente invention; la figure 2 est une vue en coupe d'une cellule solaire dé l'art antérieur - Les présents inventeurs ont trouvé, à la suite de diverses études, que dans une cellule solaire ayant une struc- ture à jonction PIN qui comporte une couche de type P au côté incident, la conductivité électrique d'une zone de la couche de type P, en contact avec une électrode, est rendue supérieure à celle d'une autre zone en contact avec la couche de type I et ainsi la résistance en série de la cellule solaire est diminuée de manière à améliorer le facteur de remplissage et à élever le rendement de conversion photo- électrique. Remarquant que la propriété de la pellicule peut être contrôlée à l'intérieur d'une large plage en faisant varier la composition ou en obtenant une pellicule de a-Si:C:H de type P ou une pellicule de-a-Si:N:H de type P, les inventeurs ont d'autre part procédé à des études et trouvé que la con- ductivité électrique d'une zone d'une pellicule a-Si:C:H de type P ou d'une pellicule a-Si:N:H, en contact avec une électrode, est rendue supérieure à celle d'une autre zone en contact avec la couche de type I et qu'ainsi la résistance en série de la cellule solaire est réduite dans le but d'amé- liorer le facteur de remplissage et d'augmenter l'efficacité de la conversion photoélectrique. On procédera maintenant à la description de la présente invention en liaison avec ses modes de réalisation préférés. En figure 1,on a représenté en coupe un mode de réali- sation d'une cellule solaire a-Si selon la présente invention, laquelle comprend un substrat en verre transparent 1, une pellicule conductrice transparente 2, une couche en silicium 25425 Q 3 amorphe 3 dont le type de conductivité est composé du type P en 4, du type I en 5 et du type N en 6, sur le coté substrati et une électrode métallique 9 La couche 4 du type P est constituée de couches P 1,7, et P 2,8, différentes quant a la quantité de carbone ou d'hydrogène, la couche 7 ayant une quantité de carbone ou d'azote inférieure à celle de la couche 8 L'épaisseur de la couche-Pl, de la couche P 2, de la couche de type I et de la couche de type N sont respectivement 8 nm, nm 500 nm et 50 nm L'électrode métallique 9 est en aluminium et a une épaisseur de 500 nm La référence 10 représente un rayonnement solaire incident. Dans un autre mode de réalisation, la couche 4 de type P est constituée de la couche 7 (P) et de la couche 8 (P,) contenant du-carbone ou de l'azote et des quantités différentes d'un élément du groupe II Ib de la classification périodique tel que du bore ou d& l'aluminium La quantité d'un élément du groupe II Ib de la classification périodique dans la couche 7 à proximité du substrat est supérieure à celle de la couche 8 IP 2) La figure 2 est une vue en coupe d'une cellule solaire de l'art antérieur contenant une couche de type P constituée d'une seule couche. Dans le tableau I on a représenté les propriétés de sortie d'une cellule solaire utilisant une couche de silicium amorphe qui contient une couche de type P auquel du carbone a été ajouté, et dans le tableau II les propriétés d'une autre cellule solaire utilisant une couche de silicium amorphe qui contient une couche de type P à laquelle on a ajouté de l'azote Comme le montrent ces résultats, dans le cas de l'addition de carbone ou d'azote à une zone de la couche de type P, en contact avec une électrode, à une concentration inférieure à celle d'une zone en contact avec la couche de type I, le facteur de remplissage est remarquablement amélioré et l'efficacité de la conversion photovoltaïque peut être accrue. TABLEAU I Exemple de comparaison Exemple l Efficacité Densité de Tension à Facteur de Composition de de la con courant à circuit remplissag la couche version circuit ouvert P photovolta ouvert ique (%) (m A/cm 2) (V) (%) , 6,6 7,3 7,2 8,0 12,9 14,3 12,6 13,7 0,85 0,89 0,85 0,90 (lumière irradiée': AM-1 ( 100 m W/cm 2)) Si 0,7 C 0,3 si 0,5 C 0,5 Pl P 2 Pl P 2 Si 0,9 C 0,1 si 0,7 C 0,3 si 0,75 C 0,25 si 0,5 C 0,5 TABLEAU II i _,_,, Efficacité Densité de Tension à Facteur de Composition de de la con courant à circuit remplissage la couche version circuit ouvert photovolta ouvert 2 P _ ique (%) (m A/cmui) (V) (%) Exemple de comparaison 3 6,0 12,0 0,84 60 Si N i 0,7 N 0,3 4 6,9 13,3 0,89 58 Si 0,5 N 0,5 Si, 5 N, Exemple 3 7,2 12,9 0,84 66 1 si 0,1 PI 50,9 N 0,1 l P 2 Si 0,7 C 0,3 4 7,8 13,5 0,89 65 1 i 0,8 N 02 P 150, 80 o,2 P 2 si 0,5 N 0, 5 (lumière irradiée: AM-1 ( 100 m W/cm) l,,,, Z 542503 En général, on ajoute du carbone dans une proportion de O à 25 % d'atomes à la couche Pl et dans une proportion de 10 à 50 % d'atomes à la couche P 2, et de l'azote dans une proportion de O à 25 % d'atomes à la couche Pl et de 10 à 50 % d'atomes à la couche P 2. Dans le tableau III, on a représenté les caractéris- tiques de sortie d'une cellule solaire utilisant une couche en silicium amorphe qui contient une couche de type P à laquelle sont ajoutés du carbone et du bore, et dans le tableau IV les caractéristiques de sortie d'une autre cellule solaire qui utilise une couche en silicium amorphe à laquelle sont ajoutés de l'azote et du bore Le carbone ou l'azote est contenu et allié dans la pellicule suivant une quantité de 30 % en atomes Comme cela apparaît dans ces résultats, dans le cas de l'addition de bore à une zone en contact avec une électrode dans la couche de type P à une concentration supérieure à celle d'une zone en contact avec la couche de type I, il y a une amélioration très nette du facteur de remplissage et une augmentation de l'efficacité de la con- version photovoltaîque En général, on ajoute les éléments du groupe II Ib dans la proportion de 10 à 0,1 % d'atomes et de 1 à 0,05 % d'atomes, respectivement, à la couche Pl et à la couche P 2. TABLEAU III Efficacité Densité de Tension à Facteur de Quantité de la con courant à circuit remplissage de bore version circuit ouvert ajoutée à la photovoltaouvert 2 couche de ique (%) (m A/cmz) (V) (%) type P (%) Exemple de comparaison 6,5 13,3 0,88 56 0,1 7,5 13,2 0,88 65 Pl P 2 0,5 0,1 (lumière irradiée: AM-I ( 100 m W/cm 2)) TABLEAU IV Efficacité Densité de Tension à Facteur de Quantité de de la con courant à circuit remplissage bore ajoutée version circuit ouvert à la couche photovolta ouvert de type P ique (Z) (MA/cm 2) (y) (M ( 2) Exemple de comparaison 6 6,2 13, 2 0,87 55 0,1 Exemple 6 7,3 13,0 0,87 65 Pl 2 1 0,5 0,1 (lumière irradiée:A 14-1 ( 100-m W/cm 2)) L'addition de carbone ou d'azote à une couche de type P a pour but d'améliorer l'efficacité de la conversion photo- voltaique par l'effet dit de fenêtre dans lequel l'intervalle de bande interdit de la couche de type P est agrandi pour réduire l'absorption de lumière et davantage de photons sont appliqués à la couche de type I oi les porteurs servant à la conversion photovoltaïque sont formés. LI'intervallè de bande interdit, peut être agrandi en augmentant la quantité de carbone ou de bore et l'absorption de lumière dans la couche de type P peut être diminuée Ce- pendant, avec l'augmentation de la quantité de carbone ou d'azote, la conductivité électrique de la couche de type P est abaissée, et en particulier la résistance en série de la cellule solaire basée sur la résistance électrique à la surface de jonction entre la couche de type P et l'électrode est accrue. De manière à diminuer la résistance en série de la cellule solaire basée-sur la résistance électrique à la sur- face de jonction entre la c ouche de type P et l'électr 7 ode, on peut augmenter la quantité d'un élément du groupe II Ib de la classification périodique tel que le bore ou l'aluminium. Cependant, avec l'augmentation de la quantité d'un élément du groupe II Ib de la Classification périodique tel que le bore ou l'aluminium, l'intervalle de 'bande interdit est 42503 rétréci et l'absorption de lumière dans la couche de type P accrue. En tout cas, l'efficacité de la conversion photo- voltaïque est abaissée L'abaissement de la conductivité Mlectrique d'une zone en contact avec une électrode du type P Se manière qu'elle soit inférieure à celle d'une zone en contact avec la couche de type I est exécuté en divisant la couche de type P en une couche Pl qui a un intervalle de bande interdit relativement étroit mais une conductivité électri- que plus grande qui est appropriée pour une jonction avec une électrode, et une couche P 2 qui a un grand intervalle de bande interdit et une faible absorption de lumière, dans le but de surmonter les inconvénients décrits précédemment. La couche P a de préférence une épaisseur comprise entre 5 et 15 nm, car si l'épaisseur est inférieure à 5 rm, il est impossible d'obtenir une couche Pl uniforme et un effet de jonction désirable et bon avec une électrode, alors que si elle est supérieure à 15 nim, l'absorption de lumière dans la couche Pl est si importante que l'effet de fenêtre se trouve détérioré La couche P 2 a de préférence une épaisseur de pellicule de 5 à 30 nm, étant donné que si l'épaisseur de la pellicule est inférieure à 5 rfi, on ne peut former une couche P 2 uniforme, alors que dans le cas o l'épaisseur est supé- rieure à 30 nm, l'absorption de lumière est si importante que l'effet de fenêtre se trouve détérioré. Dans les modes de réalisation de la présente invention venant d'être décrits, on a seulement représenté une couche de type P constituée de deux couches-:Pl ayant une conductivité électrique élevée et P 2 ayant un grand intervalle de bande interdit, mais, si nécessaire, on peut prévoir trois ou davantage de couches De plus,-la quantité de carbone ou d'azote peut varier de façon continue d'une manière telle que la conductivité électrique d'une zone en contact avec une électrode dans la couche de type P est supérieure à celle d'une zone en contact avec une couche de type I D'une manière similaire, on peut faire varier de façon continue la quantité d'un élément du groupe II Ib de la classification périodique tel que le bore ou l'aluminium dans l'objectif de rendre la conductivité électrique d'une zone en contact avec une élec- trode dans la couche du type P supérieure à celle d'une zone en contact avec la couche de type I. La présente invention ne limite pas la composition de la couche de type I etdl unecouche en silicium amorphe qui n'est pas en contact avec une électrode d'une structure multi- couche mais peut être adaptée à toute structure contenant une couche de type P. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 Cellule solaire en silicium amorphe contenant une couche de type P, caractérisée en ce que, dans la couche de type P, la conductivité électrique d'une zone en contact avec une électrode est supérieure à celle d'une autre zone en contact avec une couche' de type I. 2 Cellule solaire en silicium amorphe selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'au moins du carbone ou de l'azote sont ajoutés à la couche de type P. 3 Cellule solaire en silicium amorphe selon la revendication 1, caractérisée en ce que la conductivité élec- trique de la zone en contact avec une électrode est contrôlée par la quantité-d'au moins le carbone ou l'azote. 4 Cellule solaire en silicium amorphe selon la -revendication 1, caractérisée en ce que la couche de type P est constituée de couches feuilletées différentes quant à la quantité de carbone ou d'azote. Cellule solaire en silicium amorphe selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche de type P a une concentration en carbone ou en azote qui varie de façon continue. 6 Cellule solaire en silicium amorphe selon la revendication 1, caractérisée en ce que dans la couche de type P, au moins un élément choisi dans le groupe constitué des éléments du groupe II Ib de la classification périodique est contenu dans une zone en contact avec une électrode sous une concentration supérieure à celle d'une zone en contact avec une couche de type I. 7 Cellule solaire en silicium amorphe selon la revendication 1, caractérisée en ce que dans la couche de type P, au moins du carbone ou de l'azote sont contenus et au moins un élément choisi dans le groupe constitué des éléments du groupe II Ib de la classification périodique est contenu dans une zone en contact avec une électrode sous une concentration supérieure à celle d'une zone en contact avec une couche de type I. i 1 8 Cellule solaire en silicium amorphe selon la revendication 4, caractérisée en ce que la couche de type P est constituée d'un feuilleté d'une couche Pl et d'une couche P 2 y la couche Pl ayant une concentration en carbone ou en azote inférieure à celle de la couche P 2. 9 Cellule solaire en silicium amorphe selon la revendication 6, caractérisée en ce que la couche de type P est constituée d'un feuilleté d'une couche Pl et d'une couche P 2, la couche Pl ayant une concentration en élément du groupe II Ib de la classification périodique su- périeure à celle de la couche P 2. Cellule solaire en silicium amorphe selon la revendication 8, caractérisée en ce que la couche de type Pl a une épaisseur comprise entre 5 et 1 5 nm et la couche P 2 une épaisseur comprise entre 5 et 30 nm 11 Cellule solaire en silicium amorphe selon la revendication 9, caractérisée en ce aue la couche P a une épaisseur comprise entre 5 et 15 nm et la couche P 2 une épaisseur comprise entre 5 et 30 nm 12 Cellule solaire en silicium amorphe selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche de type P a une concentration en élément du groupe II Ib de la clas- sification périodique qui varie de façon continue. 13 Cellule solaire en silicium amorphe selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche en silicium amorphe a un type de conductivité formé de l'ordre du type P, du type I et du type M à partir du côté du substrat. 14 Cellule solaire en silicium amorphe, caractérisée en ce qu'elle comprend un substrat en verre transparent ( 1), une pellicule conductrice t ansparente ( 2),-une couche de silicium amorphe C 3) constituée d'une couche de type P comprenant une couche Pl et une couche P 2, d'une couche de type I et d'une couche de type N et une électrode métallique ( 9), la couche p 1 en contact avec la pellicule conductrice transparente ayant une-conductivité électrique supérieure à celle de la couche P 2 en contact avec la couche de type I. Cellule solaire en silicium amorphe selon la revendication 14, ca Tactérisée en ce que la couche Pl a une concentration en au moins carbone ou azote inférieure à celle de la couche P 2. 16 Cellule solaire en silicium amorphe selon la revendication 14, caractérisée en ce que la couche Pl a une concentration en au moins un élément choisi dans le groupe constitué des éléments du groupe II Ib de la classi- fication périodique supérieure à celle de la couche P 2.