Brevet FR2593326A1 — publié le 19870724

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un dispositif à cellule solaire, en parti- culier d'un dispositif ayant une structure de cellules solaires formée d'une matière semi-conductrice telle qu'une matière semi-conductrice composée. Un exemple d'une telle cellule solaire est une cellule solaire AlGaAs/GaAs. Les cellules solaires AlGaAs/GaAs ont un rende- ment de conversion plus élevé que toutes les autres cellules solaires qui ont été mises au point pour l'uti- lisation pratique. Cependant, le substrat GaAs est onéreux, et lourd, sa masse spécifique est double de celle de Si. En outre, le GaAs a une résistance mécanique faible car il a tendance à se cliver. Pour résoudre ces problèmes, les propositions suivantes ont été faites: (a) Première composition (pour réduire le poids et le coût) AlxGalAs et GaAs ont pratiquement la même structure de réseau cristallin (dimension de réseau), de sorte qu'il n'y a pas de défaut d'adaptation (de désordre de la structure cristalline) à l'interface. Il est donc possible de former un monocristal de bonne qualité. En conséquence, en faisant croître épitaxialement la jonc- tion p-n de GaAs et AlGaAs sur un substrat de GaAs, on obtient un cristal de bonne qualité, et l'on peut obtenir une cellule solaire ayant un rendement de conversion élevé. Au fur et à mesure que x de AlxGa xAs se rap-- proche de 1, la vitesse de décapage par un acide ou un alcali augmente par comparaison avec GaAs. En utilisant ces faits, on fait croître épitaxialement AlAs ou AlxlGal xlAS avec xl proche de 1, sur un substrat de GaAs, puis on forme une couche de GaAs d'un premier type de conductibilité, une couche de GaAs d'un second type de conductibilité et une couche de Alx2Ga Ax2As du second type de conductibilité. On donne ici à xl une valeur plus élevée que x2, de sorte que la vitesse de décapage de la couche AlxlGa xl As est nette- ment plus élevée. Ensuite, on élimine la couche de AlAs ou de AlxlGalxl As par décapage pour séparer les couches qui se sont développées épitaxialement du substrat pour former une pellicule fine de AlGaAs/GaAs. Ainsi, le substrat de GaAs peut être réutilisé. En outre, le poids de la cellule solaire peut être réduit. Ce procédé présente l'inconvénient que la pel- licule fine de AlGaAs/GaAs possède une faible résistance mécanique, et se casse souvent au cours du processus de formation des électrodes et du processus d'assemblage. (b) Seconde proposition (pour réduire le poids et le coût, et pour améliorer la résistance mécanique). Dans ce procédé, on utilise un substrat de Si. Une couche d'une matière telle que Ge, ayant une struc- ture de réseau cristallin (dimension de réseau) équiva- lente de celle GaAs, est formée par dépôt de vapeur chimique organique de métal (MOCVD), par épitaxy par faisceau moléculaire (MBE) etc. On forme ensuite, une couche de GaAs d'un premier type de conductibilité, une couche de GaAs de second type de conductibilité et une couche de AlGaAs du second type de conductibilité. On améliore ainsi la résistance mécanique. Un équivalent de ce procédé est qu'on ne peut pas obtenir un monocristal de GaAs de bonne qualité. En conséquence, il est difficile d'obtenir de manière stable une cellule solaire ayant un rendement de conversion élevé. Un des but de l'invention est de créer un procédé par lequel une cellule solaire peut être fabriquée pour être d'un poids léger et peu onéreuse, et pour avoir une résistance mécanique élevée et un rendement de conversion élevé. Conformément à l'invention, il est créé un procédé de fabrication d'un dispositif à cellule solaire comprenant les opérations consistant à: créer un substrat semi-conducteur, former sur le substrat une couche éliminable ayant une structure de réseau cristallin identique ou similaire à celle du substrat, former sur la couche éliminable une structure de cellule solaire ayant une structure de réseau cristallin identique ou similaire à celle de la couche éliminable, former sur la structure de cellule solaire une couche de renfort ayant une résistance mécanique suffi- sante pour supporter la structure de cellule solaire, la couche éliminable étant formée d'une matière dont la vitesse de décapage est plus élevée que celle de la structure de cellule solaire et de la-couche de renforcement, éliminer la couche éliminable par décapage pour séparer la structure de cellule solaire supportée par la couche de renfort du substrat de façon à ce que la surface de la structure solaire recevant la lumière incidente soit mise à nue. Avec le procédé ci-dessus, le substrat peut être réutilisé de manière répétée, de telle sorte que le coût du substrat est pratiquement supprimé. En outre, la structure de cellule solaire sera une structure monocristalline de bonne qualité, de telle sorte que le rendement de conversion sera élevé. De plus, la résistance mécanique est fortement améliorée par l'adoption de la couche de renfort. L'adoption de la couche de renfort a été rendue possible par le concept de la formation de la structure de cellule solaire sur une couche éliminable, qui est éliminée après la formation de la structure de cellule solaire, de telle sorte qu'une surface de la structure de la cellule solaire recevant la lumière incidente soit mise à nue. Diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Des formes de réalisation de l'objet de l'inven- tion sont représentées, à titre d'exemples non limita- tifs, aux dessins annexes. La fig. 1 et la fig. 2 sont des vues en coupe montrant une cellule solaire dans le procédé de fabrica- tion, à divers stades. Le mode de réalisation décrit en se référant aux dessins est un procédé de fabrication d'une cellule solaire AlGaAs/GaAs. Comme le montrent les dessins, on se procure d'abord un substrat de GaAs 1. Puis on forme une couche éliminable de AlAs ou AlxlGal x1As (xl étant fixé à une valeur proche de 1 et supérieure à x2, décrite plus loin) sous une épaisseur de 10 à 20 microns par épitaxy en phase liquide ou dépôt en phase vapeur chimique organique (MOCVD). Puis, on fait croître une première couche de cellule solaire 3, telle qu'une couche de Alx2Gal x2As du type p (x2=0,5 à 0,7) épitaxialement sous une épaisseur de 0,05 à 0,1 microns. On fait ensuite croître épitaxialement une seconde couche de cellule solaire 4 telle qu'une couche de GaAs du type p, sous une épaisseur d'environ 0,5 microns. Puis on fait croître épitaxia- lement une couche de cellule solaire 5, telle qu'une couche de GaAs du type n, sous une épaisseur de 5 à 10 microns. La première, la seconde et la troisième couches de cellule solaire forment en association une structure de cellule solaire pour convertir directement l'énergie d'une lumière incidente en électricité. La première et la seconde couche de cellule solaire forment à leur inter- face, une hétéro-jonction, alors que la seconde et la troisième couche de cellule solaire forment à leur interface, une jonction p-n. On forme ensuite une couche de renfort 6, telle qu'une couche de silicium amorphe de faible résistivité et sous une épaisseur de 50 à 100 microns par dépôt de vapeur plasma-chimique (plasma-CVD) etc. Puis la tranche entière est plongée dans une solution aqueuse de HF, de telle sorte que la couche 2 est éliminée sélectivement par décapage. Par ce décapage, les couches 3,4 et 5 qui se sont développées, supportées par la couche de renfort 6, sont séparées du substrat 1, et une surface de la structure de cellule solaire rece- vant la lumière incidente est mise à nue, comme le montre la fig. 2. A la fig. 2, la tranche entière est représen- tée tournée vers le dessus pour illustrer une différence de concept avec la technique antérieure. Sur la surface mise à nue de la couche de AlGaAs 3, on forme une électrode positive en forme de grille et une pellicule anti-reflet. Sur la surface de la couche de silicium amorphe 6, on forme une électrode négative. La tranche est ensuite divisée en puces de dimension déterminée à l'avance, de telle sorte qu'une cellule solaire est achevée. Comme on le comprendra, les couches 2, 3 et 4 ont une structure de réseau cristallin identique ou similaire à celle du substrat 1 et des couches 2 et 3 sur lesquel- les elles sont formées, et la couche 5 a exactement la même structure de réseau cristallin que la couche 4 sur laquelle elle est formée. En conséquence, chacune des couches 2 à 5 est un monocristal de bonne qualité de sorte qu'un rendement de conversion élevé est assure. Le substrat de GaAs est séparé et peut être utilisé à plusieurs reprises, de telle sorte que le coût et le poids peuvent être notablement réduits. La couche de renfort 6 n'est pas limitée à du silicium amorphe mais peut être constituée de n'importe quelle autre matière, telle qu'un métal comme l'invar ou le kovar, le molybdène etc, ou du silicium polycris- tallin, pour autant qu'ils ont une résistance mécanique élevée et un coefficient de dilatation thermique proche de celui de GaAs. A la place du substrat de GaAs, on peut utiliser un substrat de AlGaAs. L'invention n'est pas limitée à la cellule solaire AlGaAs/GaAs, mais elle est applicable à n'importe quelle autre cellule solaire de semiconducteurs, y compris en particulier les cellules solaires de semi- conducteurs composés. REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'un dispositif à cellule solaire comprenant les opérations consistant à: créer un substrat semi-conducteur (1), former sur le substrat une couche éliminable (2) ayant une structure de réseau cristallin identique ou similaire à celle du substrat, former sur la couche éliminable, une structure de cellule solaire (3) ayant une structure de réseau cris- tallin identique ou similaire à celle de la couche éliminable, former sur la structure de cellule solaire une couche de renfort (4) ayant une résistance mécanique suffisante pour supporter la structure de cellule so- laire, la couche d'élimination étant formée d'une matière dont la vitesse de décapage est supérieure à celle de la structure de cellule solaire et de la couche de renfort, et éliminer la couche éliminable (2) par décapage pour séparer la structure de cellule solaire supportée par la couche de renfort du substrat, de telle sorte que la surface de la structure de cellule solaire recevant la -} lumière incidente soit mise à nue. 2. Procédé suivant la revendication 1, dans lequel l'opération consistant à former la structure de cellule solaire consiste: à former sur la couche éliminable, une couche de cellule solaire ayant une structure de réseau cristallin identique ou similaire à celle de la couche éliminable, et ayant un premier type de conductibilité, à former sur la première couche de cellule solaire, une seconde couche de cellule solaire ayant une structure de réseau cristallin identique ou similaire à celle de la première couche de cellule solaire, et ayant le premier type de conductibilité, la première et la seconde couche de réseau solaire formant une hétéro- jonction, et à former sur la seconde couche de cellule solaire, une troisième couche de cellule solaire ayant une structure de réseau cristallin identique à celle de la seconde couche de cellule solaire, et ayant un second type de conductibilité. 3. Procédé suivant la revendication 2, dans lequel la première couche de cellule solaire a une faible absorption de lumière, et la seconde et la troisième couche de cellule solaire ont une faible absorption de lumière. 4. Procédé suivant la revendication 2, dans lequel le substrat est un substrat monocristallin formé de GaAS ou AlGaAs, la couche éliminable est formée de AlxlGa lxlAs, o xl > 0,9, la première couche de cellule solaire est formée de Alx2Galx2As, o 0,4. x2. 0,8, la seconde et la troisième couche de cellule solaire sont formées de GaAs. 5. Procédé suivant la revendication 4, dans lequel la couche éliminable est formée sous une épaisseur d'environ 10 à 20 microns, la première couche de cellule solaire est formée sous une épaisseur d'environ 0,05 à 0,1 microns, la seconde couche de cellule solaire est formée sous une épaisseur d'environ 0,5 microns, et la troisième couche de cellule solaire est formée sous une épaisseur d'environ 5 à 10 microns. 6. Procédé suivant la revendication 4, dans lequel la couche éliminable est formée par épitaxy en phase liquide ou par dépôt de vapeur chimique organique de métal (MOCVD). 7. Procédé suivant la revendication 4, dans lequel la couche de renfort est formée de silicium amorphe ayant une faible résistivité. 8. Procédé suivant la revendication 7, dans lequel la couche de renfort est formée sous une épaisseur d'environ 50 à 100 microns. 9. Procédé suivant la revendication 7, dans lequel la couche de renfort est formée par dép8t de vapeur plasma-chimique ou analogue. 10. Procédé suivant la revendication 2, dans lequel l'opération d'élimination de la couche éliminable consiste à décaper la couche éliminable en utilisant une solution de décapage d'un acide, d'un alcali etc. 11. Procédé suivant la revendication 1, dans lequel la couche de renfort est d'un faible poids. 12. Procédé suivant la revendication 1, compre- nant en outre l'opération consistant à former sur la surface mise à nue de la structure de cellule solaire une électrode en forme de grille et une pellicule anti- reflet. 13. Procédé suivant la revendication 1, compre- nant en outre l'opération consistant à diviser la struc- ture de cellule solaire supportée par la couche de renfort en puces.