Brevet FR2548833A1 — publié le 19850111

Jonction tunnel et cellule photovoltaique monolithique à plusieurs étages utilisant une telle jonction L'invention concerne les jonctions tunnel et peut trouver des applications par exemple dans le domaine des hyperfréquences ou dans des dispositifs optoélectroniques (télecowmunications, fibres optiques, etc ...). Elle peut aussi s'appliquer plus particulèrement aux cellules photovoltsi- ques à plusieurs étages. Il est connu de réaliser des cellules photovoltaïques sonolithi- ques à plusieurs stages associes par des jonctions tunnel transparentes, destinées à la conversion multispectrale de l'ènergie solaire. La conver- sion photovoltaique multispectrale consiste à découper le spectre solaire en bandes et à adapter à chaque bande spectrale une jonction de réponse spectrale appropriée. On obtent avec de telles cellules multi-étagées un rendement supérieur au rendement de cellules élémentaires, ce rendement étant fonction du nombre d'étages de la cellule.Pour plus de précisions on pourra se reporter par exemple à l'article de J. LOFERStI paru dans le Journal of Applied Physes, numéro 27, page 7/7 (1956). On sait réaliser en particulier des cellules photovoltaïques mono- lithiques à deux étages dont la cellule supdrieure est réalisée en Arséniu- re mixte de Gallium et d'Aluminium et la cellule inférieure est réalisée en Arséniure de Gallium. La cellule supérieure et la cellule inférieure sont reliées par une jonction transparente, c'est-h-dire dont la largeur de bande interdite est supérieure ou égale a la cellule supérieure. Cette jonction est en général réalisée dans un matériau analogue au matériau de la cellule supérieure, c'est-à-dire en Arséniure mixte de Gallium et d'Alumi nium, du type Gal-xAlxAs avec 0,3 Cependant, les cellules à deux étages mises en série au moyen de telles jonctions n'ont pas permis jusqu'à présent d'obtenir de très bons rendements, en raison des pertes électriques relativement importantes au niveau de la jonction. L'invention tente de remédier à cet inconvénient. Elle vise par conséquent une jonction de très faible résistance électrique, qui puisse en particulier être utilisée pour la réalisation d'une cellule photovoltaique monolithique à plusieurs étages. Plus précisément l'invention concerne une jonction tunnel constituée par l'association d'une couche n et d'une couche p, réalisées par dopa ge d'Arséniure mixte de Gallium et d'Aluminium du type GalxAlxAs, x étant un nombre compris entre 0 et 1 et représentant la fraction molaire d'Arséniure d'Aluminium, (1 - x) étant la fraction molaire d'Arséniure de Gallium. Selon l'invention, la couche n est réalisée en Arséniure mixte de Gallium et d'Aluminium du type GalxAlxAs, dans lequel x est supérieur ou égal à 0,6, et la couche p est réalisée en Arséniure mixte de Gallium et d'Aluminium du type Gal~xAlxASs dans lequel x est supérieur ou égal à 0,4. Dans un mode préféré de réalisation de l'invention, chacune des couches n et p est d'épaisseur inférieure ou égale à 0,1 micron. De préférence-, la jonction tunnel selon l'invention est réalisée en Epitaxie par Jets Moléculaires. L'invention concerne également une cellule photovoltaique monolithique à plusieurs étages, destinée à la conversion multispectrale de l'énergie solaire, consttuée de plusieurs cellules élémentaires ayant chacune une réponse spectrale omplémentaire de celle des autres cellules, empilées en série électrique et optique au mcyen de jonctions tunnel transparentes. Selon l'invention, ces jonctions tunnel sont des jonctions tunnel selon l'invention, telles que caractérisées ci-dessus. La jonction tunnel selon l'invention présente de grands avantages : la forte concentration de porteurs de ses couches permet une dégé- nérescence suffisante du semi-conducteur constituant cette jonction et une forte densité de courant. La jonction selon l'invention permet donc de réaliser de façon très satisfaisante la mise en série électrique de deux semiconducteurs. En outre, la largeur de bande interdite de la jonction selon l'invention étant importante, la jonction permet une très bonne mise en série optique. La jonction selon l'invention permet donc en particulier d'améfio- rer le rendement des cellules photovoltalques monolithiques à plusieurs étages qu'elle permet de réaliser. Afin que l'invention soit mieux comprise, on va maintenant décrire en détail un mode de réalisation particulier de l'invention, donné uniquement à titre d'exemple et représenté sur la figure unique annexée. Cette figure représente une cellule photovoltalque monolithique à deux étages constituée de deux cellules élémentaires empilées en série optique et électrique au moyen d'une jonction tunnel selon l'invention. La cellule à deux étages représentée sur la figure est réalisée sur un substrat d'Arséniure de Gallium GaAs de type n, avec une concentration de porteurs, c'est-à-dire une différence entre les concentrations des atomes donneurs ND et des atomes accepteurs NA supérieure à l018cm3. Le substrat est recouvert d'une zone tampon 2, d'épaisseur environ un micron, réalisée en Arséniure de Gallium GaAs de type n dopé à l'étain (Sn) dont la concentration de porteurs ND - NA est égale à environ 1018cm-3. Au-dessus de la zone tampon 2, est disposée la cellule inférieure que l'on a repérée par 3. Cette cellule est réalisée en Arséniure de Gallium GaAs, dopé au silicium pour la couche de type n, repérée par 4, et au béryllium pour la couche de type p, repérée par 5. Les concentrations de porteurs sont respectivement d'environ 4.1017cm-3 pour la couche de type n et 2.1018cm-3 pour la couche de type p. La couche n est d'environ deux microns et la couche p de Q,8 micron. Au-dessus de la cellule inférieure 3 est située la cellule supérieure 6, reliée à la cellule 3 au moyen d'une jonction tunnel 7 selon l'in- vention que l'on décrira plus bas. La cellule 6 ent réalisée an Arséniure mixte de Gallium et d'Aluminium Ga0,6 Al0,4 As. La couche de type n, repérée par 3, est de deux microns et est dopée au silicium avec une concentration de porteurs de 3.1017cm-3, tandis que le couche le couche de type p, repérée par 9, est d'épaisseur 0,8 micron et est cee au béryllium avec une concentration de porteurs de 2.1018cm-3. De façon classique, la cellule supérieure 6 est recouverte d'une fenétre 10 d'épaisseur inférieure à 0,2 micron, réalisée en Arséniure de Gallium et d'Aluminium GaAlAs de type p dopé au béryllium. La fenêtre 10 est recouverte d'use couche de reprise de contact, d'épaisseur 0,5 micron réalise en Arséniure de Gallium CeAs de type p dopé au béryllium. a jonction tunnel 7.selon l'invention est réalisée en Arséniure mixte de Gallium et d'Aluminium Ga1-xAlxAs. Elle est constituée d'une couche n reparlée par 12S et d'une couche p, repérée par 13. L'épaisseur de chacune de ces touches est de 0,1 micron. La fraction molaire l'Arsèniure d'Aluminium, x, a, dans et exemple, la même valeur pour la couche n et ooui la couche p, a savoir 0,85. La couche n est dopée à l'étain et la couche p au béryllium. In obtient dans ce cas des concentrations de porteurs de 1019cm-3 pour la couche n et de 5.1019cm-3 pour la couche p. La concentration de porteurs de la couche n est bien supérieure à celle que l'on obtient avec les jonctions que l'on utilisait jusqu'à présent (on obtenait des concentrations comprises entre 5.1017cl3 et i018cm3). La concentration de porteurs de la jonction tunnel permet une dégénérescence suffisante du semi-conducteur constituant cette jonction et une forte densité de courant de la jonction tunnel (ici, 42 A.cm~2V~l). La jonction tunnel selon l'invention permet ainsi d'effectuer des mises en série électrique de semi-conducteurs en réduisant au minimum les pertes au niveau de la jonction. En outre, la largeur de bande interdite de l'alliage dans lequel est réalisée la jonction tunnel décrite étant de 2,leV, la jonction tunnel a une largeur de bande interdite très supérieure à celle du matériau de la cellule située en amont, ctest-à-dire de la cellule supérieure 6 (largeur de bande interdite égale à 1,94ex), de sorte que les pertes par absorption optique sont nulles. La jonction tunnel selon l'invention permet donc également une bonne mise en série optique des deux cellules 3 et 6. La cellule représentée sur la figure est de préférence réalisée par Epitaxie par Jets Moléculaires (EJM). Cette technique, connue en soi, est par exemple décrite dans l'article de A. Y. CHO, paru dans "Thin Solid Films", 100 (1983), 291-317. L'Epitaxie par Jets Moléculaires permet de réaliser avec précision la jonction tunnel 17 selon l'invention. Elle permet en particulier un très bon ajustement de la concentration en Aluminium. Comme cette méthode implique que l'on travaille sous ultra-vide (pression partielle d'environ l0~l--mm), donc dans de grandes conditions de propreté, elle permet en outre d'éviter l'oxydation de l'aluminium par des impuretés telles que l'oxygène ou la vapeur d'eau. Cet avantage est d'autant plus important que la concentration en Aluminium de la jonction tunnel 17 selon l'invention est forte. D'autre part, comme la vitesse d laquelle une couche de matériau semi-conducteur est déposée au moyen de 1'Epitaxie par Jets Moléculaires, c'est-i-dire la vitesse de croissance, est faible (on peut par exemple obtenir une vitesse de croissance de 5 A0/s), on peut réaliser assez facilement des couches minces, en particulier des couches inférieures à 0,1 micron les couches minces sont préférables aux couches épaisses car elles évitent la formation de dislocations dans les semisconducteurs, en permettant une accomodation élastique des différentes couches semi-conductrices qui présentent des désaccords de paramètres cristallins. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit uniquement à titre d'exemple mais elle couvre également les autres modes qui nten varieraient que par des détails, par des variantes d'exécution ou par l'utilisation de moyens équivalents. Ainsi, dans l'exemple décrit, on a choisi une valeur identique de x dans la formule des alliages Ga1-xAlxAs qui constltuent la couche n et la couche p, mais ces deux valeurs de x pourraient être différentes l'une de l'autre et bien sur être différentes de 0,85. D'autre part, le matériau constituant la jonction tunnel pourrait être dopé au moyen dlimpurets différentes de l'étain cu du béryllium. Les couches 12 et 13 pourraient aussi être 'épaisneur supérieur d O,1 micron. Les cellules 1 et 6 pourraient bien sur être réalisées différemment, pourvu qu'elles présentent les caractéristiques nécessaires à leur mise en série optique et électrique au moyen d'une jonction tunnel selon l'invention. La jonction tunnel selon l'invention peut en outre avoir d'autres applications que la mise en série de cellules phrtovoltaiques ; elle peut être utilisée dans des dispositifs optoélectroniques ou dans le domaine des hyperfréquences. REVENDICATIONS 1. Jonction tunnel constituée par l'association d'une couche n et d'une couche p, réalisées par dopage d'Arséniure mixte de Gallium et d'Aluminium du type GalxAlxAs, x étant un nombre compris entre 0 et 1 et repré- sentant la fraction molaire d'Arséniure d'Aluminium, (l-x) étant la fraction molaire d'Arséniure de Gallium, caractérisée par le fait que la couche n est réalisée en Arséniure mixte de Gallium et d'Aluminium du type GalxAlxAs dans lequel x est supérieur ou égal à 0,6, et que la couche p est réalisée en Arséniure mixte de Callium et d'Aluminium du type Gal-xAlxA-s dans lequel x est supérieur ou égal à G,4. 2.- Jonction tunnel selon la revendication 1, caractérisée par le fait que chacune des couches n et p, respectivement (12), (13), est d'épaisseur inférieure ou égale à 0,1 micron. 3.- Jonction tunnel selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée par le fait qu'elle est réalisée en Epitaxie par Jets Molécu- laires. 4.- Cellule photovoltaique monolithique à plusieurs étages, destinée à la conversion multispectrale de l'énergie solaire, constituée de plusieurs cellules élémentaires ayant chacune une réponse spectrale coxplémen- taire de celle des autres cellules, empilées en série électrique et optique au moyen de jonctions tunnel transparentes, caractérisée par le fait que les jonctions tunnel (7) utilisées sont des jonctions selon l'une quelconque des revendications 1 à 3.