Brevet FR2619248A1 — publié le 19890210

La présente invention concerne des ensembles à cel- lules solaires ou photovoltaïques. Dans les applications nécessitant des ensembles, les cellules photovoltaïques sont en général montées en séries qui sont alors regroupées en panneaux. Lorsqu'une cellule photovoltaïque individuelle de la série est dans l'ombre alors que le reste de la série est éclairé, le photocourant doit encore circuler dans la cellule qui est à l'ombre. A cet égard, il faut noter que le photocourant fourni par une cellule photovoltaïque éclairée circule dans le sens "inverse" ou sens dans lequel la diode-de la cellule photo- voltaïque ne conduit pas normalement lorsque la cellule n'est pas éclairée. Lorsqu'un courant est obligé de cir- culer dans une cellule photovoltaïque placée à l'ombre, il peut atteindre la valeur de claquage en inverse et provoque souvent une dégradation correspondante des performances. Ce problème est surtout grave dans le cas des cellules photo- voltaïques à l'arséniure de gallium. Une diode montée en dérivation, ayant une orientation inverse, peut être câblée en parallèle avec la diode de la cellule photovoltaïque afin que cette dernière soit protégée. Lorsque la cellule photovoltaïque est à l'ombre, le photocourant des autres cellules de la série circule dans la diode montée en déri- vation, dans le sens de passage direct, si bien que la cellule photovoltaïque placée à l'ombre est protégée. Evi- demment, lorsque la cellule photovoltaïque n'est pas à l'ombre, la diode montée en dérivation est polarisée en inverse et peut être ignorée dans la mesure o son courant de fuite est faible. Des diodes séparées montées en dérivation sont uti- lisées en général à cet effet, et augmentent souvent de manière indésirable le coût, la complexité et le poids de l'ensemble. Un article décrivant une disposition du type décrit est intitulé "Solar Arrays with Integral Diodes" de R.M. Diamond et E.D. Steele et a été incorporé à l'ouvrage "Solar Cells" édité par J.F. Faugere et D.A. Nutt; Gorden and Breach Science Publishers, Ltd., 12 Bloomsburg Way, London W.C. 1, Angleterre, 1971. Comme décrit dans cet article, les diodes de dérivation étaient "solidaires" en ce qu'elles étaient fabriquées séparément au dos de la cellule photovoltaïque au silicium, mais devaient être reliées séparément au circuit. D'autres articles concernant de façon plus générale la technologie et les procédés de fabrication de cellules photovoltaïques à l'arséniure de gallium sont notamment les suivants: 1. "Overview of GaAs Solar Cell Production", de Y.C.M. Yeh et al I.E.C.E.C., avril 1984, 2. "Review of Mantech Program For GaAs Solar Cells", de P.A. Iles, Kou-I Chang et W. Pope, presenté à la I.E.E.E. Photovoltaic Specialists Conference, 6-10 mai 1987, New Orleans, LA, et 3. "Heterostructure GaAs/Ge Solar Cells", de R.K. Morris, K.I. Chang, et al., présenté à la I.E.E.E. Pho- tovoltaic Specialists Conference, 6-10 mai 1987, New Orleans, LA. Ainsi, on a reconnu qu'il serait souhaitable d'uti- liser des diodes montées en dérivation dans des ensembles de cellules photovoltaïques, mais que l'utilisation de diodes séparées de dérivation compliquait beaucoup le mon- tage d'un panneau de telles cellules, et l'utilisation des diodes "solidaires" nécessitant des connexions séparées, telles que décrites dans le premier article précité, pré- sente aussi les mêmes inconvénients. L'invention a essentiellement pour but la réalisa- tion d'une configuration monolithique comprenant une cel- lule photovoltaXque et une diode de dérivation, ne présen- tant pas les inconvénients précités. Dans un mode de réalisation particulier de l'inven- tion, une cellule photovoltaïque à l'arséniure de gallium de grande surface, comprenant une zone étendue de jonction p-n exposée afin-qu'elle reçoive le rayonnement, avec le matériau semi-conducteur de type p étant au niveau de la surface exposée de la cellule, a une petite zone supplémen- taire d'un matériau semi-conducteur de type n formée sur un petit îlot isolé du matériau de type p afin que la diode de dérivation montée en inverse puisse être formée. Les tech- niques de métallisation des circuits intégrés sont alors utilisées pour la connexion de la borne de la diode de dérivation de type n à la sortie de la cellule de type p, et de la borne de la diode de dérivation de type p à la zone de type n de la cellule photovoltaïque. Lors de la formation d'ensembles constituant des panneaux, aucune connexion électrique supplémentaire n'a à être réalisée, chacune des cellules étant une cellule photovoltaïque pro- tégée par sa réalisation monolithique. Selon un aspect plus large de l'invention, une cel- lule photovoltaïque comporte une jonction p-n de grande étendue, ayant une première couche d'un matériau semi- conducteur d'une première conductivité, exposée afin qu'el- le reçoive le rayonnement solaire incident ou tournée vers ce rayonnement, et une seconde couche ayant une conducti- vité de type opposé, placée sous la première. Un petit îlot de la première couche est isolé par attaque de cette pre- mière couche du matériau semi-conducteur jusqu'à la seconde couche, et un. matériau semi-conducteur ayant une conducti- vité de type opposé est formé sur ce petit îlot afin qu'une diode de dérivation soit constituée. Les techniques de dépôt des circuits intégrés utilisées pour l'isolement et la métallisation permettent alors la connexion de la zone externe de la diode de dérivation à la première couche de matériau semi-conducteur formant la sortie de la cellule, et pour la connexion de la zone interne de la diode de dérivation du matériau semi-conducteur du premier type de conductivité au matériau semiconducteur sous-jacent de la cellule qui a une conductivité de type opposé. Il faut noter au passage que la couche semi-conduc- trice tournée vers le soleil ou la source de lumière peut être une couche composite comprenant une couche semi-con- ductrice externe transparente ou translucide qui peut faire partie de la diode de dérivation. Le procédé est décrit en détail dans la suite en référence à des cellules photovoltaïques à l'arséniure de gallium. Les cellules individuelles sont souvent formées de manière que les cellules aient une surface d'environ 2 x 4 cm. Dans une telle cellule, la diode de dérivation peut âtre sous forme d'un carré d'environ 1 mm de côté. Ainsi, la zone de réception du rayonnement perdue à cause de la présence de la diode de dérivation est minimale, et nettement inférieure à 0,5 % de la surface active de la cellule. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un schéma d'un circuit représentant des cellules photovoltaïques montées'en série et des 'diodes de dérivation qui leur sont associées; la figure 2 représente schématiquement la disposi- tion d'une cellule photovoltaïque et d'une diode de dériva- tion, mettant en oeuvre les principes de l'invention, la cellule photovoltaïque étant eclairée; la figure 3 est un schéma analogue à la figure 2 mais représentant la circulation du courant lorsque la cellule photovoltaïque est dans l'ombre; les figures 4 à 9 illustrent les étapes successives de la fabrication d'une cellule photovoltaïque monolithique protégée, comprenant une diode de dérivation, ces figures illustrant les principes mis en oeuvre selon l'invention; et la figure 10 représente une cellule photovoltaïque comprenant une diode de dérivation, celle-ci étant repré- sentée à plus grande échelle. Sur les dessins, la figure 1 représente un circuit de cellules photovoltaïques de type connu comprenant plusieurs cellules photovoltaïques 12 et plusieurs diodes de dérivation 14. Le symbole "I " 16 indique le sens de PH circulation du photocourant provenant des cellules photo- voltaïques 12, si bien que la borne de sortie 18 est posi- tive et la borne de sortie 20 négative. Ainsi, lorsque les cellules photovoltaïques 12 sont éclairées par le soleil ou par une source analogue de rayonnement, les diodes 14 sont polarisées en inverse et sont pratiquement hors circuit. Cependant, s'il arrive que l'une des cellules photovoltaï- ques est dans l'ombre, la circulation du courant se pour- suit dans la diode de dérivation 14 associée si bien que la cellule photovoltaïque n'est pas détériorée par le courant inverse d'intensité élevée. Par ailleurs, dans certains cas, le réalisateur de l'ensemble peut prévoir quelle cel- lule photovoltaïque risque d'être dans l'ombre de temps à autre, et ces cellules particulières peuvent être munies de diodes de dérivation alors que les autres cellules de la série n'ont pas à comporter de diodes de dérivation montées en parallèle. La figure 2 est un schéma représentant une cellule photovoltaïque et mettant en oeuvre l'invention, montrant le trajet de circulation du courant lorsque la cellule est éclairée. Plus précisément, la cellule 26 de la figure 2 comporte des zones génératrices de courant représentées sous forme de diodes 28 et 30, et la diode de dérivation repérée par la référence 32, montée sur une partie de la cellule photovoltaïque qui est représentée sous forme de la diode 34. Par ailleurs, la structure indiquée schématique- ment sur la figure 2 est représentée très en détail sur les figures 4 à 9. Comme l'indique la figure 2, lorsque la cellule photovoltaïque 26 est éclairée, le courant est créé dans les parties de la cellule repérées par les références 28 et et circule comme l'indiquent les traits interrompus 36, de la borne 38 à la borne 40. La tension à la borne 40 est négative par rapport à celle de la borne 38. La figure 3 représente la circulation du courant dans la même cellule photovoltaïque protégée que sur la figure 2, mais lorsque la cellule 26 est à l'ombre. Plus précisément, lorsque la cellule photovoltaïque est à l'om- bre, aucun courant n'est créé par la partie principale de la cellule, repérée par les références 28 et 30. Le courant repéré par le trait interrompu 42 est appliqué à la cellule 26 par les autres cellules photovoltaïques de la série (voir figure 1). En l'absence de la diode 32 de dérivation, la cellule, comme indiqué par les références 28 et 30, serait polarisée en inverse et la tension ou le courant inverse appliqué à la cellule pourrait provoquer un cla- quage en inverse, avec un potentiel pouvant détériorer de façon permanente la cellule. Cependant, lorsque la diode 32 de dérivation est en place, le courant s'écoule au con- traire par le trajet repéré par le trait interrompu 42 si bien que la cellule 26 placée dans l'ombre n'est pas détériorée. On considère maintenant les diverses étapes utili- sées pour la fabrication de la cellule photovoltaïque com- prenant la diode monolithique de dérivation, en référence aux figures 4 à 9. nitialement, les techniques de fabrication de cel- lules photovoltaïques à l'arséniure de gallium sont connues en soi, par exemple comme décrit dans les articles cités précédemment. Comme l'indique la figure 4, la surface infé- rieure 52 de la cellule photovoltaïque peut être formée d'un matériau conducteur tel que l'argent. Le substrat 54 peut être de l'arséniure de gallium de type n, et il n'est pas représenté à l'échelle sur la figure 4, car la plus grande partie de l'épaisseur de la cellule est constituée par le substrat 54. Les couches supplémentaires représen- tées sur la figure 4 sont formées par croissance épitaxia- le, par mise en oeuvre de techniques connues, par exemple la technique de dépôt chimique en phase vapeur de composés organiques de métaux, comme décrit en détail dans les articles précités. La couche 56 est formée d'arséniure de gallium de type n, et l'interface de la couche 56 et de la couche 58 d'arséniure de gallium de type p constitue la jonction à laquelle le courant est créé lorsque la lumière solaire ou un autre rayonnement semblable parvient à la face supérieure de la cellule photovoltaïque. Cette jonc- tion p-n est désignée par la référence 60 sur la figure 4. La couche 62 d'arséniure de gallium de type p, contenant une proportion notable d'aluminium et constituant de l'arséniure de gallium et aluminium de type p. est transparente et elle est destinée à empêcher la dissipation de certaines des charges ou d'une partie du courant créé à la jonction p-n 60. La couche supplémentaire 64 d'arséniure de gallium de type n constitue la couche épitaxiale qui doit être ensuite déposée, et elle est nouvelle en ce qu'elle n'est pas normalement présente dans les cellules photovoltaïques qui ont été réalisées jusqu'à présent. Comme décrit dans la suite, le matériau, dans une petite partie de la couche 64, est utilisé pour la formation de la diode monolithique de dérivation. Il faut noter, pour avoir une idée générale des types de dimensions et d'épaisseurs mis en oeuvre, que la totalité de la cellule photovoltaïque a une épaisseur de l'ordre de 0,3 mm. La couche 56 peut avoir une épaisseur d'environ 0,0005 cm, la couche 58 de matériau semi-conduc- teur de type p peut avoir une épaisseur de l'ordre de 0,00005 cm, la couche 62 peut avoir une épaisseur de l'or- dre de 0,00001 cm, et la couche supérieure 64, qui est utilisée pour la fabrication de la diode de dérivation, peut avoir une épaisseur d'environ 0,00002 cm. On se réfère maintenant à la figure 5; la plus grande partie de la couche supérieure 64 a été retirée par des opérations classiques de revêtement par un matériau de réserve et d'attaque chimique, si bien qu'il ne reste que la petite zone désignée par la référence 64' sur la figure 5. La figure 6 représente une étape d'attaque d'une structure "mesa" grâce à laquelle les zones 72 et 74 sont retirées par attaque et laissent un îlot d'environ 1 mm de côté, comprenant les parties restantes des couches dési- gnées par les références 64', 62' et 58', en référence à la e. 8 couche complète associée représentée sur la figure 4. La figure 7 représente l'addition de deux plages métalliques 76 et 78 de contact qui sont appliquées dans une étape d'incorporation de la diode de dérivation à la cellule photovoltaïque, sous forme monolithique. La figure 8 représente l'addition de la couche iso- lante ou diélectrique 82 qui peut être formée par exemple de nitrure de silicium. La figure 9 représente la configuration finale de la cellule photovoltaïque, dans laquelle la borne 76 de la diode de dérivation est reliée par un trajet conducteur métallisé 84 déposé sur le matériau isolant 82, à l'un des conducteurs de sortie 86 de la cellule photovoltaïque. Un autre des conducteurs de sortie 86' est représenté à droite de la figure 9. En outre, le conducteur métallisé 88 relie la plage conductrice 78 au matériau de type p 58' et 62' afin que le circuit de la diode de dérivation soit terminé. La figure 10 est une vue générale d'une cellule photovoltaïque 92 qui peut avoir son grand côté 94 de longueur à peu près égale à 4 cm et son petit côté 96 de longueur approximativement égale à 2 cm. Une petite zone 98 qui peut avoir 1 mm de côté et qui est représentée agrandie sur la figure 10, contient la diode de dérivation. De nombreuses lignes conductrices minces d'un matériau conduc- teur 86 sont disposées sur la cellule photovoltaïque, et on peut noter la connexion électrique 84 reliant la diode 98 à l'un des conducteurs de sortie 86. Le courant de tous les conducteurs transversaux 86 est prélevé par le conducteur électrique plus important 100 et la cellule est reliée, à partir de ce conducteur 100, à la cellule adjacente de la série, de la manière indiquée schématiquement sur la figure 1. En conclusion, il faut noter que la description et les dessins annexés concernent un mode de réalisation de l'invention. Cependant, celle-ci peut être mise en oeuvre à l'aide d'autres procédés ou par utilisation d'autres structures. Ainsi, les cellules photovoltaïques formées d'autres matériaux que l'arséniure de gallium peuvent être réalisées avec des diodes monolithiques de dérivation, dans le cadre de l'invention, et d'autres techniques de traite- ment de semi-conducteur, tel que le masquage, l'attaque, la diffusion, etc peuvent être utilisées pour la fabrication de cellules photovoltaïques monolithiques comportant des diodes de dérivation, sans sortir du-cadre de l'invention. Il faut aussi noter que le substrat 54 tel que représenté sur les figures 4 à 9 n'est pas forcément constitué d'arsé- niure de gallium de type n, mais peut être formé d'autres matériaux. En outre, la couche 62 formant la fenêtre d'un matériau transparent de type p peut être supprimée, et la zone de type n 64' peut être formée alors directement sur la couche 58. Ainsi, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits avec précision en référence aux dessins. REVENDICATIONS 1. Ensemble de cellules photovoltaïques protégées, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs cellules photo- voltaïques monolithiques protégées (12) reliées électrique- ment en série, chaque cellule monolithique protégée (12) comprenant: (a) une couche inférieure (56) de matériau semi- conducteur d'arséniure de gallium de type n, (b) une couche (58) de matériau semi-conducteur d'arséniure de gallium de type p placée audessus de la couche de type n afin qu'une cellule photovoltaïque à jonction p-n (60) soit formée, (c) un premier et un second dispositifs conducteurs de sortie reliés aux couches de type n et de type p respec- tivement, (d) un dispositif destiné à isoler une petite zone (58') de la couche de type p par une cavité (72, 74) des- cendant Jusqu'à la couche de type n, (e) un matériau semi-conducteur de type n (64') recouvrant la couche de type p sur la petite zone de maté- riau de type p afin qu'une diode de dérivation soit formée, (f) un premier trajet conducteur métallisé (84) destiné à relier le matériau de type n de la diode de dérivation au second dispositif conducteur de sortie, et (g) un second trajet conducteur métallisé (88) re- liant le matériau de type p de la diode de dérivation à la couche inférieure du matériau de type n. 2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une couche supplémentaire (62) formant une fenêtre d'arséniure de gallium et d'aluminium de type p recouvre chaque couche d'arséniure de gallium de type p, et le matériau semi-conducteur de type n recouvrant la couche de type p est disposé sur un matériau de type p formé d'arsé- niure de gallium et d'aluminium. 3. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque cellule photovoltaïque (12) comporte un substrat (54) d'arséniure de gallium de type n. ll' 4. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque cellule photovoltaïque est formée par épitaxie. 5. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque cellule photovoltaïque (12) a une couche conductrice (52) placée au-dessous de la couche d'arséniure de gallium de type n. 6. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient un matériau isolant (82) de nitrure de silicium formant une couche sur la surface de chaque cel- lule monolithique afin qu'il isole électriquement le second trajet conducteur métallisé des couches semi-conductrices, entre les extrémités du trajet conducteur. 7. Cellule photovoltaïque monolithique protégée, caractérisée en ce qu'elle comprend: (a) une première couche inférieure (56) d'un maté- riau semi-conducteur d'un premier type de conductivité, (b) une seconde couche (58) d'un matériau semi- conducteur du second type de conductivité, recouvrant la première couche afin qu'une cellule photovoltaïque & Jonc- tion p-n (60) soit formée, (c) un premier et un second dispositifs conducteurs de sortie reliés à la première et à la seconde couches semiconductrices respectivement, (d) un dispositif destiné à isoler une petite zone (58') de la seconde couche à l'aide d'une cavité (72, 74) pénétrant Jusqu'à la première couche, (e) un matériau semi-conducteur (64') ayant une conductivité du premier type, recouvrant la seconde couche sur la petite zone afin qu'une diode de dérivation soit formée, - (f) un trajet conducteur métallisé (84) destiné à connecter le matériau semi-conducteur du premier type de conductivité de la diode de dérivation au second dispositif conducteur de sortie, et (g) un dispositif conducteur métallisé (88) reliant le matériau semi-conducteur du second type de conductivité de la diode de dérivation à la couche inférieure. 8. Cellule selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'une couche supplémentaire (62) formant une fenêtre, constitutée d'un matériau semiconducteur transparent du second type de conductivité recouvre la seconde couche de matériau semi-conducteur. 9. Cellule selon la revendication 7, caractérisée en ce qu'elle est formée par épitaxie. 10. Procédé de fabrication de cellules solaires monolithiques protégées, comprenant les étapes suivante: la formation d'une première couche (56) d'un maté- riau semi-conducteur ayant une conductivité d'un premier type, - la formation d'une seconde couche (58) d'un matériau semi-conducteur ayant une conductivité du second type, sur la première couche, afin qu'une cellule photovoltaïque à jonction p-n (60) soit formée, la formation d'une couche supplémentaire (64) d'un matériau semi-conducteur ayant la conductivité du premier type, sur une petite zone de la seconde couche, l'isolement et la formation d'une diode de dériva- tion par enlèvement d'une partie de la seconde couche (58) du matériau semi-conducteur afin qu'une cavité (72, 74) soit formée tout autour de la petite zone, la couche supplémentaire étant disposée afin qu'elle atteigne la première couche, la réalisation d'un dispositif métallique conducteur de sortie relié à la seconde couche, l'application d'une couche (82) d'un matériau iso- lant, allant de la couche supplémentaire de la diode de dérivation, sur la surface de la cavité, jusqu'au disposi- tif métallique de sortie, la connexion de la couche supplémentaire de la diode de dérivation au dispositif conducteur de sortie par une couche conductrice métallisée (84) placée par-dessus le matériau isolant, et la connexion de la seconde couche de la diode de 26192.4-8 dérivation par une couche conductrice métallisée (86) jusqu'à la première couche de matériau semi-conducteur.