Brevet FR2620572A1 — publié le 19890317

DISPOSITIF PHOTOVOLTAIQUE La présente invention concerne des dispositifs photovolta!ques, et en particulier un dispositif photovol- talque ayant un rendement de conversion photoélectrique -élevé, qu'on peut fabriquer de façon économique. Le brevet US-4 281 208, par exemple, décrit un dispositif photovoltaïque ayant une structure multicouche dans laquelle une électrode recevant la lumière, une pelli- cule de semiconducteur amorphe comprenant une couche photo- active destinée à recevoir de la lumière et à produire des porteurs, et une électrode arrière sont superposées dans cet ordre sur un substrat transparent en verre ou en un ma- tériau analogue. Un tel dispositif voltaïque utilisant une pellicule de semiconducteur amorphe pour une couche photo- active présente un coût de fabrication réduit par unité d'énergie produite, en comparaison avec un dispositif pho- tovoltalque utilisant une tranche monocristalline; il a ce- pendant un faible rendement de conversion photoélectrique. Dans un dispositif photovoltaique qui est décrit par S. Nakano et col. dans Technical Digest of Internatio- nal PVSEC-1 (1984), pages 583-586, une pellicule de semi- conducteur amorphe comprenant une couche photo-active est formée sur une électrode de réception de lumière ayant une texture de surface rugueuse, grace à quoi la lumière inci- dente est confinée dans la pellicule de semiconducteur, ce qui permet d'améliorer le rendement de conversion photo- électrique. De façon générale, une électrode de réception de lumière comprend une seule couche ou plusieurs couches d'un oxyde conducteur transparent (OCT) tel que de l'oxyde d'étain-indium ou de l'oxyde d'étain. On forme une telle électrode en OCT sur un substrat transparent en verre ou en un matériau analogue, essentiellement par un procédé ther- mique de dépôt chimique en phase vapeur (CVD). A cette oc- casion, il est nécessaire de maintenir le substrat à une température élevée d'environ 500 C pour assurer une trans- parence suffisante pour l'électrode en OCT, ce qui nécessite donc une grande quantité d'énergie électrique. Il en résulte que le coût de fabrication de l'électrode en OCT est supé- rieur au coût de fabrication d'autres pellicules, ce qui rend difficile de réduire le coût de fabrication par unité d'énergie produite dans un dispositif photovoltalque. Compte tenu de l'art antérieur décrit ci-dessus, la présente invention a pour but de procurer un dispositif photovoltaïque ayant un rendement de conversion photoélec- trique élevé et un coût de fabrication réduit. Selon un aspect de l'invention, un dispositif photovoltalque comprend une couche photo-active destinée à produire des porteurs sous l'effet de la réception de lu- mière, et une couche de fenêtre comprenant au moins du si- licium et de l'hydrogène, et placée du côté de la couche photo-active sur lequel arrive la lumière incidente, la concentration d'hydrogène dans la couche de fenêtre étant plus élevée dans une partie correspondant au côté qui reçoit la lumière incidente que dans une partie qui fait face à la couche photoactive. Selon un autre aspect de l'invention, un disposi- tif photovoltaïque comprend un substrat opaque ayant une surface plane, une couche photo-active formée sur le subs- trat opaque pour produire des porteurs sous l'effet de la réception de lumière, et une couche de fenêtre formée sur la couche photo-active. La couche de fenêtre comprend une première sous-couche sur son côté qui reçoit. la lumière in- cidente, et une seconde sous-couche sur son côté correspon- dant à la couche photo-active, et la surface de la première sous-couche du côté qui reçoit la lumière incidente est plus rugueuse que la surface de la seconde sous-couche du côté qui reçoit la lumière incidente. Selon un aspect supplémentaire de l'invention, un dispositif photovoltaïque comprend un substrat transparent ayant une surface plane, une couche de fenêtre formée sur le substrat transparent et une couche photo-active formée sur la couche de fenêtre pour produire des porteurs sous l'effet de la réception de lumière, et la couche de fenêtre comprend une première sous-couche sur son côté correspon- dant au substrat et une seconde sous-couche sur son côté correspondant à la couche photo-active, et une surface de la première sous-couche qui se trouve du côté de la seconde sous-couche est plus rugueuse que son autre surface, fai- sant face au substrat. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre de modes de réali- sation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La suite de la description se réfère aux dessins annexés dans les- quels: La figure 1 est une coupe qui représente schéma- tiquement un dispositif photovoltaïque conforme à un mode de réalisation de la présente invention; et La figure 2 est une coupe qui représente schéma- tiquement un dispositif photovoltaïque conforme à un autre mode de réalisation de l'invention. En considérant la figure.1, on voit qu'un dispo- sitif photovoltalque conforme à un mode de réalisation de l'invention comprend un substrat 1 ayant une surface con- ductrice qui réfléchit la lumière. Le substrat 1 peut être formé par un métal réfléchissant la lumière, tel que de l'acier inoxydable ou de l'aluminium, ou bien il peut être formé par dépôt d'un métal réfléchissant la -lumière sur une surface d'un matériau de substrat isolant consistant en verre ou en céramique. Une pellicule de semiconducteur 2 formée sur le substrat 1 est essentiellement constituée par du silicium amorphe hydrogéné (qu'on désigne par a-Si:H). La pellicule de semiconducteur 2 comprend une couche ohmi- que de type N, portant la référence 2n, destinée à former un contact ohmique avec la surface conductrice du substrat 1. La pellicule de semiconducteur 2 comprend en outre une couche photoactive 2i qui n'est pas dopée ou qui contient une impureté de détermination de type de conductivité ayant une concentration extrêmement faible, et la couche photo- active 2i produit des porteurs consistant en paires élec- tron-trou lorsqu'elle reçoit de la lumière. La pellicule de semiconducteur 2 comprend en outre une couche de fenêtre dé type p portant la référence 2p, destinée à permettre le passage de la lumière jusque sur la couche photo-active 2i. La couche de fenêtre 2p comprend une première sous-couche 2pl sur son côté qui reçoit la lumière inciden- te, et une seconde sous-couche 2p2 sur son côté qui corres- pond à la couche photo-active. La seconde sous-couche 2p2 p2 contient de l'hydrogène avec un pourcentage atomique d'en- viron 15%, tandis que la première sous-couche 2pl contient de l'hydrogène avec un pourcentage atomiaue d'environ 20% ou plus. Du fait de l'augmentation de la proportion d'hy- drogène, la surface de la première sous-couche devient ru- gueuse et présente une structure texturée. A titre d'exemple, la surface de la première sous-couche 2pl en a-Si:H est presque plane lorsque la proportion d'hydrogène est inférieure à un pourcentage atomique d'environ 15%. Lorsque la proportion d'hydrogène devient égale à un pourcentage atomique de 15% ou plus, la surface de la première sous-couche 2pl présente des inégalités. La périodicité moyenne des inégalités de la première sous-couche 2pl est d'environ 200 à 300 nm lorsque l'hydrogène est présent avec un pourcentage atomique de 20%, elle est de 250 à 600 nm lorsque l'hydrogène est présent en un pourcentage atomique de 25%, et elle est de 300 nm.à 1 pm lorsque l'hydrogène est présent avec un pourcentage atomique de 30%. La périodicité moyenne des inégalités sur la pre- mière sous-couche de carbure de silicium amorphe hydrogéné (a-SiC:H) est de 200 à 500 nm lorsque l'hydrogène est pré- sent avec un pourcentage atomique de 25%, et de 300 nm à 2 pm lorsque l'hydrogène est present avec un pourcentage atomique de 30%. Dans la première sous-couche en nitrure de silicium amorphe hydrogéné (a-SiN:H), en silicium micro- cristallin hydrogéné (pc-Si:H) ou en carbure de silicium microcristallin hydrogéné (pc-SiC:H), les inégalités de surface augmentent également conformément à l'augmentation de la proportion d'hydrogène. D'autre part,la seconde sous-couche 2p2 qui est en contact avec la couche photo-active 2i présente une con- ductivité supérieure à celle de la première sous-couche 2pl. La conductivité de la seconde sous-couche 2p2 est presque égale à celle d'une électrode en OCT classique, et on désire qu'elle soit supérieure ou égale à 1 x 102/_-1 cm. La seconde sous-couche 2p2 ayant une telle conducti- vité élevée peut consister en pc-SiC:H fortement dopé avec une impureté de type p. Le tableau qui suit indique brièvement un exemple de compositions et de conditions de fabrication de la pel- licule de semiconducteur 2. Composition Procédé de fabrication Conditions de réaction lière sous- aSiC:H Décharge luminescente du SiH4 = 10 cm /mn, puissance RF:1W couche type à plaques planes B2H6/SiH4 = 0,3% parallèles Température du substrat: 100 C __________ _CH4 = 10 cm3/mn, pression: 130 Pa 2ième sous- tc-SiC:H Décharge par résonance SiH4 2 cm3/mn, Puissance micro- couche cyclotron d'électrons onde: 20 W B2H6/SiH4 = 0,3%, Température du substrat: 250 C Ar = 100 cm3/mn, Pression: 0,67 Pa H = 100 cm3/mn ____ _ _ _CH4 = 2 cm /mn Couche photo- a-Si:H Décharge luminescente du SiH4 = 2 cm3/mn, Puissance RF:2W active type à plaques planes Température du substrat: 200 C parallèles Pression: 13 Pa Cbuche a-Si:H Décharge luminescente du SiH = 2 cm /mn, Puissance RF:2W ohmique type à plaques planes PH3/SiH4 = 1% parallèles Température du substrat: 300 C H = 2 cm3/mn, Pression: 13 Pa Remarque: Tous les débits sont ramenés aux conditions normales. ro CD uL -"J La première sous-couche consistant en a-SiC:H, qui contient une concentration élevée en hydrogène, peut égale- ment être formée par une décharge micro-onde dans laquelle on fixe à O le courant pour un champ magnétique dans la dé- charge par résonance cyclotron d'électrons (RCE). Dans ce cas, la première sous-couche est formée dans les conditions de réaction suivantes, avec les débits ramenés aux condi- tions normales: SiH4 = 10 cm3/mn, B2H6/SiH4 = 0,3%, CH4 = 3 4 =B2 6/S4 CH4 cm3/mn, puissance micro-onde de 1 W, température du substrat de 100 C et pression de 6,7 Pa. On dépose successivement sur le substrat 1 ayant une surface conductrice réfléchissant la lumière, la couche ohmique de type n, 2n, la couche photo-active 2i, la seconde sous-couche 2p2 ayant la conductivité élevée, et la première sous-couche 2pl ayant une texture de surface rugueuse 2tex, et on dépose ensuite sur la surface 2tex de la première sous-couche 2pl une pellicule antireflet transparente 3 bien connue. La pellicule antireflet 3 peut consister en SiO2 ou en une résine acrylique. Dans le dispositif photovoltaïque de la figure 1, de la lumière h V qui tombe sur la pellicule antireflet 3 à partir de l'air, est très peu réfléchie sur sa surface li- bre 4. La majeure partie de la lumière qui entre dans la pellicule antireflet 3 traverse directement la première sous-couche 2pl et la seconde sous-couche 2p2, et elle at- teint la couche photo-active 2i. La couche photo-active 2i absorbe la lumière incidente et forme par génération photo- électrique des porteurs qui consistent en paires électron- trou. Les électrons sont collectés sur la surface conduc- trice du substrat 1 à cause du champ de jonction que for- ment la couche de fenêtre 2p, la couche photo-active 2i et la couche ohmiqué 2n, et les trous sont collectés dans la seconde sous-couche 2p2 ayant la conductivité élevée. De l'énergie électrique est donc prélevée à partir de la sur- face conductrice du substrat 1 et de la seconde sous-couche 2p2, pour être dirigée vers l'extérieur. D'autre part, la lumière qui n'est pas absorbée par la couche photoactive 2i et qui traverse la couche ohmique 2n est réfléchie sur la surface réfléchissante du substrat 1 et atteint à nouveau la couche photoactive 2i, dans laquelle elle est absorbée pour produire des porteurs. Une partie de la lumière réfléchie par le substrat 1, qui n'est pas absorbée par la couche photo-active 2i, est ré- fléchie de façon irrégulière sur la surface rugueuse 2tex et elle atteint à nouveau la couche photo-active 2i. Par conséquent, la majeure partie de la lumière qui est entrée dans la pellicule de semiconducteur 2 est ensuite confinée à l'intérieur de cette dernière jusqu'à ce qu'elle soit absorbée par la couche photo-active 2i, ce qui permet d'obtenir un rendement de conversion photoélec- trique élevé. De plus, du fait que le dispositif photovol- talque de l'invention n'exige pas une électrode en OCT classique, on peut réduire le cot de fabrication. En considérant la figure 2, on voit un dispositif photovoltaïque conforme à un autre mode de réalisation de l'invention, qui comprend un substrat isolant transparent 11, en verre ou en un matériau similaire. Une première sous-couche 12pl, contenant une grande quantité de liaisons Si- H2 et ayant une texture de surface rugueuse 12tex, est déposée sur le substrat 11, et une seconde sous-couche 12p2, ayant une conductivité élevée de façon à remplir la fonction d'une électrode de collecteur, est déposée sur la surface rugueuse 12tex. En outre, une couche photo-active 12i et une couche ohmique 12n sont déposées sur la seconde sous-couche 12p2, et ceci est finalement suivi par le dé- p8t d'une plaque d'électrode arrière 13 en un métal de ré- flectivité élevée, tel que l'aluminium ou l'argent. Le dispositif photovoltaïque de la figure 2 per- met également d'obtenir un rendement de conversion photo- électrique élevé, du fait que la lumière hV qui tombe sur le substrat transparent 11 est confinée entre la surface rugueuse 12tex et l'électrode métallique réfléchissante 13. De plus, le dispositif photovoltaïque de la figure 2 ne nécessite pas non plus une électrode en OCT classique, ce qui permet de réduire le coût de fabrication. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif photovoltalque comprenant une couche photo-active (2i) destinée à produire des porteurs optiques lorsque de la lumière lui est appliquée, et une couche de fenêtre (2p) contenant au moins du silicium et de l'hydrogè- ne et placée du côté de la couche photo-active (2i) qui re- çoit la lumière incidente, caractérisé en ce que la concen- tration en hydrogène dans la couche de fenêtre (2p) est plus élevée dans une partie située du côté qui reçoit la lumière incidente, que dans une partie qui fait face à la couche photo-active (2i). 2. Dispositif photovoltalque selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que la conductivité de la couche de fenêtre (2p) est plus élevée dans la partie qui fait face à la couche photo-active (2i) que dans la partie se trouvant du côté qui reçoit la lumière incidente. 3. Dispositif photovoltaTque selon la revendica- tion 2, caractérisé en ce que la conductivité de la partie de la couche de fenêtre (2p) qui se trouve du côté de la couche photo-active (2i) est supérieure ou égale à 1o2 i-7 1 -1 1 x 102 -lcm1 4. Dispositif photovoltaïque selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que la concentration en hydrogène dans la partie de la couche de fenêtre (2p) qui se trouve du côté recevant la lumière incidente correspond à un pour- centage atomique d'au moins 20%, de préférence d'au moins % et encore plus préférablement d'au moins 30%. 5.Dispositif photovoltalque, caractérisé en ce qu'il comprend: un substrat opaque (1) ayant une surface plane; une couche photo-active (2i) formée sur la surface plane pour produire des porteurs optiques lorsque de la lumière lui est appliquée; et une couche de fenêtre (2p) formée sur la couche photo-active (2i), cette couche de fenêtre comprenant une première sous-couche (21) d'un côté recevant la lumière incidente, et une seconde sous- 262t572 il couche (2p2) qui fait face à la couche photo-active, et la surface de la première sous-couche (2pl) qui se trouve du côté qui reçoit la lumière incidente étant plus rugueuse que la surface de la seconde sous-couche (2p2) qui se trouve du côté qui reçoit la lumière incidente. 6. Dispositif photovoltalque selon la revendication , caractérisé en ce que la périodicité moyenne des inéga- lités sur la surface de la première sous-couche (2pl) qui se trouve du côté recevant la lumière incidente, est d'au moins 200 nm, de préférence d'au moins 250 nm et encore plus préférablement d'au moins 300 nm. 7. Dispositif photovoltaique selon la revendication , caractérisé en ce qu'une pellicule antireflet (3) est formée sur la première sous-couche (2pl). 8. Dispositif photovolta'ique, caractérisé en ce qu'il comprend: un substrat transparent (11) ayant une surface plane; une couche de fenêtre (12p1) formée sur cette surface plane; et une couche photo-active (12i) for- mée sur la couche de fenêtre pour produire des porteurs optiques lorsque de la lumière lui est appliquée, la couche de fenêtre comprenant une première sous-couche (12pl) qui fait face au substrat (11), et une seconde sous-couche (12p2) qui fait face à la couche photo-active (12i), cette première sous-couche ayant une concentration en hydrogène plus élevée que celle de la seconde sous-couche, de sorte que la surface de la première sous-couche (12pl) qui se trouve du côté de la seconde sous-couche est rendue ru- gueuse. o 9. Dispositif photovoltaique selon l'une quelconque des revendications 5 ou 8, caractérisé-en ce que la conduc- tivité de la seconde sous-couche (2p2, 12p2) est supérieure à celle de la première sous-couche (2pl, 12p1). 10. Dispositif photovoltaique selon la revendica- tion 9, caractérisé en ce que la conductivité de la seconde sous-couche (2p2, 12p2) est supérieure ou égale à 1 x 102 Nlcm-1. 11. Dispositif photovoltaïque selon l'une quelcon- que des revendications 1, 5 ou 8, caractérisé en ce que la couche de fenêtre (2p; 12pl, 12p2) est formée par un maté- riau sélectionné dans un groupe qui comprend le silicium amorphe hydrogéné, le carbure de silicium hydrogéné, le nitrure de silicium amorphe hydrogéné, le silicium micro- cristallin hydrogéné et le carbure de silicium microcristal- lin hydrogéné. 12. Dispositif photovoltaique selon la revendica- tion 8, caractérisé en ce que la périodicité moyenne des inégalités sur la surface de la première sous-couche (12pl) qui se trouve du côté de la seconde sous-couche (12p2) est d'au moins 200 nm, de préférence d'au moins 250 nm et encore plus préférablement d'au moins 300 nm. 13. Dispositif photovoltalque selon l'une quelcon- que des revendications 1, 5 ou 8, caractérisé en ce que la couche de fenêtre (2p; 12pl, 12p2) est formée par un semi- conducteur de type p.