Brevet FR2578359A1 — publié le 19860905

L'invention concerne une cellule solaire à couche mince ayant une structure n-i-p et une surface de substrat rendue rugueuse, la lumière pénétrant dans La cellule à travers la couche n, ainsi qu'un procédé pour fabriquer une telle cellule. Il s'agit, dans les cellules solaires, de convertir une partie aussi grande que possible de l'énergie lumineuse reçue en énergie électrique. Sur des cellules solaires telles que Les cellules à couche mince en Si-a, la lumière du domaine spectral des grandes longueurs d'onde n'est pas complètement absorbée. Le contact métallique sur le côté arrière réfléchit une partie de la lumière non absorbée, laquelle peut être réutilisée dans la cellule. Pour obtenir un trajet optique aussi long que possible de cette lumière réfléchie dans la couche active de La cellule solaire, il est connu de réfléchir la Lumière non pas à la normale mais sous un petit angle; ceci est réalisable en utiLisant sur le côté arrière une électrode convenablement structurée ("light trapping"). Le courant de court-circuit de La cellule solaire est ainsi accru (voir le périodique I. Vac. Sci. Technol., A1(2), 1983, pages 578-582). La dérive des porteurs de charge jouant un grand rôle dans les cellules solaires au Si-a (cellules n-i-p), L'allure du champ électrique dans La celLule est importante. Le champ électrique doit être aussi uniforme que possible dans la cellule solaire et ne doit nulle part prendre La valeur zéro, sinon la recombinaison des porteurs de charge serait accrue ou la Longeur efficace d'absorption serait diminuée et le facteur de remplissage serait abaissé (Appl. Phys. Lett. 44 (5), 1984, pages 537-539). L'invention vise à créer une cellule solaire à couche mince du type mentionné au début, dans Laquelle la recombinaison des porteurs de charge soit diminuée pour que le facteur de remplis- sage soit ainsi augmenté. Selon L'invention, on obtient ce résultat par le fait que la surface du substrat de La cellule solaire est conformée avec de multiplesconcavités et sans aspérités. Le procédé selon l'invention pour fabriquer une telle cellule solaire est caractérisé en ce que: a) on rode le matériau du substrat à la poudre de AL203 et l'eau, b) la grosseur de grain de la poudre AL203 est d'environ 3 pm, c) on enlève Le matériau du substrat jusqu'à obtenir une profondeur de rugosité d'environ 0,5 à 3 im et d) on soumet ensuite le substrat à une attaque à l'acide fluorhydrique dans un bain à ultrasons. Les principaux avantages procurés-par l'invention sont les suivants: les courts-circuits sont évités et la surface efficace est agrandie en raison de la structure à multiples conca- vités. L'invention sera ci-après décrite plus en détail par un exemple de mise en oeuvre représenté schématiquement sur les dessins, o: - la figure 1 représente en coupe une partie d'une cellule solaire à couche mince dont la surface de substrat est réalisée avec de multiples concavités; - la figure 2 montre un diagramme de l'intensité du champ électrique dans un condensateur à plaques et dans un condensateur sphérique avec les rayons r1 et r2 et avec r1 possède de multiples concavités, sous éclairement AM1. La figure I représente une coupe d'une cellule solaire au Si-A à structure rendue rugueuse et présentant de multiples concavités, qui est constituée d'un substrat 1, d'une couche métallique 2, d'une diode n-i-p de Si-a désignée par 3, et d'une couche anti-réflexion 4. Le champ électrique est désigné par F. La lumière L pénètre à travers la couche anti- réflexion 4 et une couche suivante - non représentée - dopée n de la cellule solaire n-i-p, dans la couche active i en Si-a de la cellule. L'aire d'entrée de la lumière possède le rayon r1. La profondeur de rugosité est désignée par R. On peut se représenter la structure comme étant formée d'aires sphériques possédant les rayons r1 et r2. Les régions sur le bord de chaque aire concave sont négligées car elles ne représentent qu'une faible partie de la surface totale. L'intensité du champ électrique augmente dans les zones concaves ayant ou ayant à peu près le rayon r1, tandis qu'elle - diminue dans La zone ayant ou ayant à peu près le rayon r2, comme l'indique la courbe K1 sur La figure 2. Un substrat rendu rugueux statistiquement correspond ici, en moyenne, à un substrat lisse, indiqué par la courbe G1. Ceci conduit, pour une surface de substrat présentant de multiples concavités, à une allure plus favorable du potentiel K2 dans la cellule solaire, comme on peut le voir sur la figure 3. La figure 4 montre l'allure améliorée de la bande d'énergie K3 d'une diode de cellule solaire 3 dans la surface de substrat à multiples concavités comparativement à l'allure de la bande d'énergie G3 d'une cellule solaire avec un substrat à surface lisse. Comme cela ressort de L'allure de la courbe K3, la recombinai- son des porteurs de charge est réduite par le champ électrique plus intense sur le côté (r1) exposé à la lumière de la cellule solaire, o est absorbée la majeure partie de la lumière. Le champ dans la couche i en Si-a de la cellule est également réparti uniformément entre les zones dopées, avec les rayons r1, r2, de la diode 3. La recombinaison des porteurs de charge est ainsi également réduite. La réduction de la recombinaison des porteurs conduit à une augmenta- tion du facteur de remplissage de la caractéristique de la cellule solaire et, à côté de l'amélioration du courant de court-circuit avec des substrats rendus rugueux, à un -rendement plus élevé de la ceLLuLe. La figure 5 fait ressortir l'amélioration - apportée par L'invention - de La caractéristique d'une cellule solaire au Si-a du type A1 - ITO - n(Si-a) i(Si-a) - p(Si-a) - Ti - verre sous éclairement AM1, La caractéristique G4 se rapportant à une surface de substrat Lisse et la courbe K4 se rapportant à une surface de subrat rendue rugueuse et présentant de multiples concavités. Les facteurs de remplissage FFG et FFK des cellules solaires de cet exemple correspondent à 0,39 pour la cellule à surface de substrat lisse et à 0,46 pour la cellule à surface de substrat rendue rugueuse et dotée de multiples concavités. L'amélio- ration apportée par cette dernière au facteur de remplissage est d'environ 18 %. La partie suivante est un exemple de mise en oeuvre du procédé de l'invention pour la fabrication d'une cellule solaire dont le substrat possède une surface rendue rugueuse et ayant la conformation indiquée dans ce qui précède. - Le matériau du sbustrat, du quartz ou du verre, est rodé avec de la poudre de A1203 et de l'eau. La grosseur de grain de la poudre de AL203 est d'environ 3 pm. L'enlèvement de matériau doit être tel qu'on obtienne une profondeur de rugosité R d'environ 0,5 à 3 jpm qui est uniformément répartie sur tout le substrat. Le substrat est ensuite nettoyé dans le trichloréthylène bouillant pour enlever la couche de cire ayant servi à la fixation du substrat lors du rodage. Ensuite, le substrat est nettoyé deux fois à l'acétone bouillant. Après d'autres opérations de nettoyage, le substrat est soumis pendant environ deux secondes à une attaque à l'acide fluorhydrique dans un bain à ultrasons. Ensuite, on rince pendant au moins une minute à l'eau chaude et pendant au moins une minute à l'eau distillée dans un bain à ultrasons. Le substrat est séché après cela. En raison de l'attaque à l'acide fluorhydrique, les aspérités sur le substrat sont arrondies. Des courts-circuits dans la cellule solaire sont ainsi évités. REVENDICATIONS 1. Cellule solaire à couche mince ayant une structure n-i-p et une surface de substrat rendue rugueuse, la lumière pénétrant dans la cellule à travers la couche n, caractérisée en ce que la surface du substrat (1) de la cellule solaire est conformée avec de multiples concavités et sans aspérités. 2. Procédé pour fabriquer une cellule solaire selon la revendication 1, caractérisé en ce que: a) on rode le matériau du substrat (1) à la poudre de Al203 et l'eau, b) la grosseur des grains de la poudre A1203 est d'environ 3 pm, c) on enlève le matériau du substrat (1) jusqu'à obtenir une profondeur de rugosité (R) d'environ 0,5 à 3 pim et d) on soumet ensuite le substrat (1) à une attaque à l'acide fluorhydrique dans un bain à ultrasons.