Brevet FR2598033A1 — publié le 19871030

CELLULE SOLAIRE AMORPHE La présente invention concerne une cellule solaire amorphe qui est prometteuse pour la fabrication d'une cellule solaire économique, et elle porte en particulier sur une structure de cellule appropriée pour l'amélioration du rendement. La figure 3 est une coupe montrant une cellule solaire amorphe de l'art antérieur. Sur la figure 3, la référence 1 désigne un substrat et la référence 2 désigne une couche 10 de semiconducteur de type n qui est formée sur le substrat 1. La référence 3 désigne une couche de semiconducteur de type i, la référence 4 désigne une couche de semiconducteur de type p, la référence 5 désigne une électrode transparente et la référence 6 désigne une électrode en forme de grille. On utilise 15 pour les couches de semiconducteur de type n et p 2 et 4 une couche de semiconducteur dans un état amorphe ou une couche de semiconducteur microcristallin. Un semiconducteur amorphe de type p ou n contenant des impuretés a une résistivité élevée et une bande d'énergie interdite étroite, et il est sus20 ceptible de donner lieu à une absorption de lumière, entraînant ainsi une perte. De ce fait, on utilise depuis quelque temps un semiconducteur microcristallin à la place du semiconducteur amorphe. On fait fonctionner le dispositif de la manière 25 suivante. Lorsque la surface de l'électrode transparente 5 reçoit de la lumière, des paires d'électrons et de trous positifs sont produites dans le semiconducteur de type i qui est dans un état amorphe, et les électrons et les trous posi- tifs sont respectivement attirés vers les couches de semiconducteur de type n et p, 2 et 4, par l'effet de champ interne des semiconducteurs de type p et n, 2 et 4. Il en résulte que des nombres d'électrons ou de trous positifs supérieurs à ceux qui correspondent à l'équilibre thermique existent respectivement dans les semiconducteurs de type n et p, 2 et 4. Ces électrons ou ces trous positifs en excédent circulent par un circuit externe vers une charge connectée à cette cellule solaire, ce qui produit de l'énergie électrique. Dans une cellule solaire utilisant un tel semiconducteur amorphe, on considère que seule la couche de semiconducteur de type i, 3, est une région active principale, du fait que les électrons et les trous positifs qui sont créés dans les couches p et n disparaissent très rapidement par leur 15 recombinaison. Pour éliminer les inconvénients d'une telle cellule solaire amorphe de l'art antérieur, on a tenté de remplacer le semiconducteur amorphe par un semiconducteur microcristallin pour les couches de semiconducteur de type n et de type p, 20 2 et 4, dans le but de diminuer la résistivité et d'augmenter la largeur de la bande d'énergie interdite. Cependant, dans ce cas, des centres de recombinaison sont créés à la frontière entre la couche microcristalline et la couche amorphe, et les centres de recombinaison et les trous positifs ou les élec25 trons se recombinent mutuellement pendant que les électrons et les trous positifs en excédent qui--sont produits dans la couche i se déplacent respectivement vers les couches n et p, 2 et 4. Ceci fait apparaltre un problème qui consiste en ce que le courant photoélectrique qu'on cherche à produire est 30 réduit du fait de la diminution du nombre des électrons et des trous positifs en excédent. Une autre cellule solaire amorphe de l'art antérieur est décrite dans un article de Y. Hamakawa, H. Okamoto et Y. Nitta, intitulé "A new type of amorphous silicon photovoltaic 35 cell generating more than 2.0V", Applied Physics Letters, Vol. , pages 187 à 189, 1979. Cet article décrit un dispositif qui est obtenu en empilant un ensemble de cellules pin et en réalisant les connexions entre les cellules par des jonctions p/n. Dans ce dispositif, les couches p et n sont en silicium 5 amorphe, et l'échange de porteurs entre les électrons et les trous positifs, c'est-à- dire une recombinaison, a lieu dans ces couches amorphes. Une autre cellule solaire amorphe de l'art antérieur est décrite dans la demande de brevet japonaise publiée n Sho. 55-141765. Dans cette cellule solaire, la couche de connexion de la cellule pin consiste en une couche de type "thermet" en Pt. Un but de l'invention est de procurer une cellule solaire amorphe ayant une structure de cellule capable de ré15 duire le nombre de centres de recombinaison aux surfaces p-i et n-i, de réduire la résistivité du chemin des électrons et des trous positifs, et de réduire les pertes par absorption de lumière. L'invention procure une cellule solaire amorphe ayant une structure p-i-n (ou n-i-p), dans laquelle la couche p ou la couche n est une structure à deux couches comprenant une couche de semiconducteur amorphe et une couche de semiconducteur microcristallin, et dans laquelleiles deux couches ont le même type de conductivité et la couche de semiconduc25 teur amorphe se trouve du côté de la couche i. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre de modes de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La suite de la description se réfère aux dessins annexés sur lesquels: La figurel est une coupe montrant une cellule solaire amorphe correspondant à un mode de réalisation de l'invention; La figure 2 est une coupe montrant une cellule solaire amorphe à structure en tandem correspondant à un autre 35 mode de réalisation de l'invention; et La figure 3 est une coupe montrant une cellule solaire amorphe de l'art antérieur. On va maintenant considérer spécialement la figure 1 pour expliquer l'invention. Sur la figure 1, les éléments qui correspondent à ceux de la figure 3 sont désignés par les mêmes références. Les références 21 et 22 désignent respectivement une couche de semiconducteur microcristallin de type n et une couche de semiconducteur amorphe de type n, et les deux couches 21 et 22 constituent conjointement une couche n. La couche de semicon- ducteur microcristallin de type n 21 comprend un pourcentage molaire d'atomes de phosphore de 0,1 à 1%, et elle est formée de façon à avoir une épaisseur dans la plage de 10 à 50 nm. De façon similaire, la couche de semiconducteur amorphe de type n 15 22 comprend un pourcentage molaire d'atomes de phosphore de 0,1 à 1%,et elle est formée de façon à avoir une épaisseur dans la plage de i à 5 nm. Les références 41 et 42 désignent respectivement une couche de semiconducteur amorphe de type p et une couche de semiconducteur microcristallin de type p, et 20 les deux couches 41 et 42 constituent conjointement une couche 30 -35 p. La couche de semiconducteur amorphe de type p 41 contient des atomes de bore en un pourcentage molaire de 0,1 à 1%,et elle est formée de façon à avoir une épaisseur dans la plage de 1 à 5 nm, et la couche de semiconducteur microcristallin de type p 42 contient des atomes de bore en un pourcentage molaire de 0,1 à 1%,et elle est formée de façon à avoir une épaisseur dans la plage de 2 à 10 nm. On décrira ci-après la fonction de la structure à deux couches comprenant la couche amorphe et la couche microcristalline. Bien qu'il y ait une petite différence de fonctionnement entre les types n et p, on l'ignorera dans la description qui suit, du fait qu'elle n'a que peu d'influence sur l'effet de l'invention. Un semiconducteur amorphe ayant une épaisseur dans la plage de 2 à 3 distances interatomiques a une structure interne très similaire à celle qu'on trouve à l'intérieur d'une couche monocristalline. Par contre, dans un semiconducteur amorphe ayant une épaisseur supérieure à cette plage, la distance interatomique comme l'angle de combinaison de5 viennent irréguliers. Au contraire, une couche microcristalline ayant une épaisseur dans la plage de quelques nanomètres à quelques dizaines de nanomètres a une structure très similaire à celle de la couche monocristalline, et il existe une région dans laquelle le réseau cristallin est assez perturbé, à la frontière entre les domaines cristallins. Dans une telle région perturbée, des atomes non appariés sont inactivés par des atomes d'hydrogène. Lorsque la couche amorphe et la couche microcristalline sont en contact mutuel, on peut s'attendre à ce que les régions perturbées ne soient pas parfaitement inactivées par des atomes d'hydrogène, faisant ainsi apparaître un défaut. En fait, les caractéristiques de la jonction ne sont pas très bonnes. Le défaut est également produit par le fait que les propriétés de la couche amorphe sont perturbées sous 20 l'effet d'une variation importante des conditions de croissance, comme l'augmentation de la puissance de haute fréquence dans la croissance de la couche microcristalline, après la croissance de la couche amorphe. Lorsque ces défauts existent à la surface frontière 25 de la jonction p-i ou n-i, comme dans le dispositif de l'art antérieur, ces défauts se comportent comme des centres de recombinaison qui empêchent les trous positifs ou les électrons de circuler vers la couche i, ce qui réduit le courant photoélectrique. Cependant, dans ce mode de réalisation, les jonc30 tion p-i et n-i sont constituées par deux semiconducteurs amorphes, et la jonction comprenant le semiconducteur amorphe et le semiconducteur microcristallin constitue une jonction p-p ou n-n. Dans une telle structure, on peut ignorer l'influence des défauts à la frontière entre la couche amorphe et 35 la couche microcristalline, du fait qu'un grand nombre de cen- tres de recombinaisons existent à l'origine, à la surface fron- tière de la jonction p-pou n-n. En outre, l'utilisation de la couche microcristalline à résistivité faible et à bande interdite à énergie élevée, diminue effectivement les pertes par absorption de lumière, et permet également d'obtenir de bonnes caractéristiques électriques. Comme décrit ci-dessus, chacune des couches p et n de la cellule solaire amorphe est dotée d'une structure à deux couches comprenant une couche de semiconducteur amorphe et une 10 couche de semiconducteur microcristallin, et les jonctions p-i et n-i sont constituées uniquement par des semiconducteurs amorphes, ce qui conduit à des jonctions p-i et n-i ayant une très petite quantité de centres de recombinaison. En outre, les couches amorphes p et n 22 et 41 sont formées de façon à 15 être minces, c'est-à-dire qu'elles ont une épaisseur de 1 à 5 nm, ce qui a pour effet de réduire dans une large mesure la perte affectant le photocourant. L'utilisation des couches microcristallines n et"p confère au dispositif une résistivité suffisamment faible. Ceci permet aux niveaux de Fermi d'être placés au voisinage de la bande de conduction et de la bande de valence, ce qui conduit à une cellule solaire à puissance de sortie élevée, ayant une tension à vide élevée qui correspond à la différence entre les niveaux de Fermi dans les jonctions p-i 25 et n-i. Dans le mode de réalisation qui est représenté, les couches p et n sont constituées par une couche amorphe et par une couche microcristalline, mais la couche n qui se trouve du côté du substrat peut être constituée uniquement par une 30 couche amorphe. La figure 2 montre un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel l'invention est appliquée à une cellule solaire amorphe ayant une structure en tandem (pin/pin/ pin... ou nip/nip/...). Dans une cellule solaire ayant une telle structure en tandem, la jonction p-n qui se trouve dans la partie centrale doit être constituée par une couche mince (cette caractéristique permettant d'obtenir de faibles pertes par absorption de la lumière), ayant une résistivité élevée (cette caractéristique permettant d'obtenir un courant de 5 crête élevé) et une bande d'énergie interdite large. Bien qu'une couche microcristalline convienne pour une telle couche, il apparaît un problème consistant dans la perte de courant qui résulte des centres de recombinaison existant à la frontière entre la couche microcristalline et la couche amor10 phe i. De ce point de vue, chaque couche parmi les couches p et n de la structure en tandem est constituée par une couche amorphe et par une couche microcristalline, et la couche amorphe est placée dans ce mode de réalisation du côté de la 15 couche i. Une telle structure permet d'obtenir une cellule solaire à rendement élevé, comme dans le premier mode de réalisation représenté sur la figure 1. Sur la figure 2, les références 31 et 32 désignent des couches de semiconducteur de type i, les références 411 20 et 421 désignent des couches de semiconducteur amorphe de type p. et les références 412 et 422 désignent des couches de semiconducteur microcristallin de type p, chacune d'elles constituant une couche p en association avec la couche amorphe oaxresni te, 411 et 421. Les références 413 et 414 dési25 gnent respectivement une couche de semiconducteur monocristallin de type n et une couche de semiconducteur amorphe de type n. Les deux couches 413 et 414 forment une couche n. L'invention est applicable à une cellule solaire amorphe de type n-i-p, et elle est également applicable à 30 une structure intégrée dans laquelle la structure p-i-n ou n-i-p est subdivisée, et la couche supérieuresp (ou n) et la couche inférieuren (ou p) sont connectées l'une à l'autre par une interconnexion à l'aide d'électrodes, cette structure procurant des effets identiques à ceux décrits ci-dessus. L'invention est en outre applicable à une cellule solaire dans laquelle la bande d'énergie interdite de chaque couche i de la structure pin/pin/.. ./pin devient de plus en plus étroite au fur et à mesure qu'on s'éloigne de la surface de réception de la lumière solaire, de façon à permettre l'utilisation de la lumière correspondant à diverses régions de longueur d'onde dans une partie du spectre de la lumière solaire. Comme décrit cidessus et conformément à l'invention, chacune des couches p et n de la cellule solaire amor10 phe est constituée par une structure à deux couches, comprenant une couche de semiconducteur amorphe et une couche de semiconducteur microcristallin, et la couche amorphe est placée du côté de la couche i. Une telle structure permet de réduire considérablement le nombre de centres de recombinai15 son aux frontières des jonctions p-i et n-i, et elle permet de diminuer la résistivité du chemin qu'empruntent les électrons et les trous positifs, ce qui conduit à une cellule solaire ayant une puissance de sortie élevée. Il va de soi que de nombreuses modifications peu20 vent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Cellule solaire amorphe ayant une structure p-i-n (ou n-i-p), caractérisée en ce que chaque couche p ou n (41, 42; 21, 22) est une structure à deux couches comprenant une couche de semiconducteur amorphe (22, 41) et une couche de semiconducteur microcristallin (21, 42), et en ce que les deux couches ont le même type de conductivité et la couche de semiconducteur amorphe (22, 41) se trouve du côté de la couche i (3). 2. Cellule solaire amorphe selon la revendication 1, comprenant un ensemble de structures p-i-n (ou n-i-p), caractérisée en ce que toutes les couches p et n (411, 412; 421, 422; 21, 22; 413, 414) ont une structure à deux couches. 3. Cellule solaire amorphe selon la revendication 1, 15 comprenant un ensemble de structures p-i-n, caractérisée en ce que la couche i (31, 32) de la structure p-i-n a une bande d'énergie interdite dont la largeur diminue lorsqu'on s'éloigne de la surface de réception de la lumière solaire. 4. Cellule solaire amorphe selon la revendication 1, 20 caractérisée en ce que la structure p-i-n est une structure intégrée.