Brevet FR2909803A1 — publié le 20080613

STRUCTURE DE CELLULE SOLAIRE EN CASCADE AYANT UNE CELLULE SOLAIRE A BASE DE SILICIUM AMORPHE La présente invention porte sur une structure de cellule solaire en cascade, et, plus particulièrement, sur une structure de cellule solaire en cascade ayant une cellule solaire supérieure à base de silicium amorphe. L'intensité du courant débité d'un dispositif photovoltaïque est rendu maximale par l'augmentation du nombre total de photons d'énergies et de longueurs d'onde différentes qui sont absorbés par le matériau semi-conducteur. Le spectre solaire couvre approximativement la région de longueur d'onde d'environ 300 nanomètres à environ 2200 nanomètres, ce qui correspond respectivement à d'environ 4,2 eV à environ 0,59 eV. La partie du spectre solaire qui est absorbée par le dispositif photovoltaïque est déterminée par la valeur de l'énergie de largeur de bande optique du matériau semi-conducteur. Le rayonnement solaire (lumière du soleil) ayant une énergie inférieure à l'énergie de largeur de bande optique n'est pas absorbé par le matériau semiconducteur et, par conséquent, ne contribue pas à la génération d'électricité, de courant, de tension et de puissance du dispositif photovoltaïque. Au cours des années, de nombreuses cellules solaires ont été développées qui ont satisfait divers degrés de réussite. Les cellules solaires à une seule jonction sont utiles mais souvent ne parviennent pas à l'efficacité de puissance et de conversion de cellules solaires multi-jonctions. Malheureusement, les cellules solaires multi-jonctions et les cellules solaires à une seule jonction ont été construites en divers matériaux qui sont capables de capturer et de convertir seulement une 2909803 2 partie du spectre solaire en électricité. Les cellules solaires multi-jonctions ont été fabriquées avec du silicium amorphe et ses alliages, tels le silicium amorphe hydrogéné carbone et le silicium amorphe hydrogéné 5 germanium, avec des couches i intrinsèques de bande interdite optique large et basse. Les cellules solaires en silicium amorphe ont une tension en circuit ouvert relativement élevée et un faible courant et répondent pour capturer et convertir en électricité des longueurs d'onde 10 de lumière du soleil de 400 à 900 nanomètres (nm) du spectre solaire. Cependant, la technologie des cellules solaires à base de silicium hydrogéné amorphe (a-Si:H) est actuellement le meilleur candidat pour des applications 15 photovoltaïques à grande surface à faible coût. La manière dont utiliser le silicium amorphe sur un dispositif photovoltaïque demeure l'un des problèmes et une solution réside dans le développement d'un dispositif à haute efficacité. 20 C'est un objectif de la présente invention que de proposer une structure de cellule solaire en cascade ayant une cellule solaire en silicium amorphe sur une cellule solaire non à base de silicium. La couche/les couches de silicium amorphe peuvent absorber une lumière incidente 25 avec la longueur d'onde de 200 à 600 nm. C'est l'un des objectifs de la présente invention que de proposer une structure de cellule solaire en cascade ayant une structure d'une cellule solaire à base de silicium amorphe en couche sur la surface incidente d'une 30 cellule solaire non à base de silicium. La cellule solaire en silicium amorphe en couche peut être configurée pour une couche anti-réfléchissante en raison de sa dépendance médiocre vis-à-vis d'une variation d'angle incident. 2909803 3 En conséquence, un mode de réalisation de la présente invention propose une structure de cellule solaire en cascade ayant une cellule inférieure non à base de silicium et une cellule supérieure à base de silicium 5 amorphe en couche sur la cellule inférieure non à base silicium. La présente invention a donc pour objet une structure de cellule solaire en cascade, caractérisée par le fait qu'elle comprend une cellule solaire inférieure et 10 une cellule solaire supérieure sur ladite cellule solaire inférieure, ladite cellule solaire supérieure étant une cellule solaire à base de silicium amorphe et la lumière du soleil étant incidente sur ladite cellule solaire à base de silicium amorphe. 15 Ladite structure peut comprendre en outre une structure d'interface conductrice positionnée entre ladite cellule solaire inférieure et ladite cellule solaire supérieure. Ladite structure d'interface conductrice peut 20 être faite d'oxyde conducteur transparent ; elle peut être une structure de jonction tunnel ou être un film de matériau métallique. Ladite cellule solaire à base de silicium amorphe peut être une jonction de type p-n ou être une jonction de 25 type p-i-n. Ladite cellule solaire à base de silicium amorphe peut comprendre des couches de silicium amorphe dopées de type n et de type p. Ladite cellule solaire à base de silicium amorphe 30 peut comprendre une couche de silicium amorphe non dopée. Ladite cellule solaire à base de silicium amorphe peut être faite d'un matériau a-Si:H, a-SiC:H, a-SiGe:H ou a-SiGeC:H. 2909803 4 Ladite cellule solaire inférieure peut comprendre un matériau absorbant la lumière fait d'un matériau à base de germanium. Ladite cellule solaire inférieure peut comprendre 5 un matériau absorbant la lumière fait d'un matériau semi-conducteur binaire III-V. Ladite cellule solaire inférieure peut comprendre un matériau absorbant la lumière fait d'un matériau semi-conducteur binaire II-VI. 10 Ladite cellule solaire inférieure peut comprendre un matériau absorbant la lumière fait d'un matériau de composé organique. Ladite cellule solaire inférieure peut comprendre un matériau absorbant la lumière fait d'un colorant 15 organométallique de ruthénium. Ladite cellule solaire inférieure peut comprendre un matériau absorbant la lumière fait d'un matériau de séléniure de cuivre indium gallium. La présente invention porte également sur une 20 structure de cellules solaires en cascade comprenant une cellule solaire non à base de silicium et une cellule solaire à base de silicium amorphe sur ladite cellule solaire non à base de silicium, ladite cellule solaire à base de silicium amorphe absorbant la lumière du soleil 25 avec une longueur d'onde de 200 à 600 nm. La structure de cellules solaires en cascade peut comprendre en outre un oxyde conducteur transparent positionné entre ladite cellule solaire non à base de silicium et ladite cellule solaire à base de silicium 30 amorphe. La structure de cellules solaires en cascade peut comprendre en outre une structure de jonction de tunnel positionnée entre ladite cellule solaire non à base de 2909803 5 silicium et ladite cellule solaire à base de silicium amorphe. La structure de cellules solaires en cascade peut comprendre en outre un film de matériau métallique 5 positionné entre ladite cellule solaire non à base de silicium et ladite cellule solaire à base de silicium amorphe. Ladite cellule solaire non à base de silicium peut comprendre une cellule solaire à base de germanium ; 10 elle peut comprendre une cellule solaire semi-conductrice binaire III-V ou II-VI ; elle peut comprendre une cellule solaire organique ; elle peut comprendre une cellule solaire à colorant ; elle peut comprendre une cellule solaire de séléniure de cuivre indium gallium. 15 Pour mieux illustrer l'objet de la présente invention, on va en décrire ci-après, à titre indicatif et non limitatif, des modes de réalisation particuliers avec référence au dessin annexé. 20 Sur ce dessin : la Figure 1 est un diagramme en coupe transversale schématique illustrant une structure de cellule solaire en cascade conformément à un mode de réalisation de la 25 présente invention ; la Figure 2 est un diagramme d'absorption schématique illustrant la condition d'absorption du silicium amorphe conformément à un mode de réalisation de la présente 30 invention. Il est avantageux de définir plusieurs termes avant de décrire l'invention. Il sera entendu que les 2909803 6 définitions suivantes sont utilisées tout au long de cette description. Selon l'esprit de la présente invention, si l'on se réfère à la Figure 1, une structure de cellule solaire 5 en cascade a une cellule solaire supérieure en couche sur une cellule solaire inférieure. Dans un mode de réalisation, la cellule solaire inférieure peut être de divers types. Par exemple, un type à jonction p-n unique comprend une couche de matériau actif 101 ayant une seule 10 bande interdite optique sur un substrat de cellule inférieure 102. En variante, un type à jonction p-n ou pi-n comprend des couches de matériau actif 101 ayant de multiples bandes interdites optiques sur le substrat de cellule inférieure 102. Il est entendu qu'il y a d'autres 15 couches entre la couche/les couches de matériau actif 101 et le substrat de cellule inférieure 102, telles qu'une couche tampon, sans limitation à de telles couches tampons. Le substrat de cellule inférieure 102, dans un mode de réalisation, peut être un substrat de GaAs. Il est 20 entendu que le terme GaAs se réfère à une composition semi-conductrice qui peut être utilisée comme substrat. Nominalement, le matériau semi-conducteur binaire III-V prototype consistant en parties égales des deux éléments Ga et As est utilisé pour former le matériau semi-conducteur. 25 Il devrait être apprécié que certains écarts, pour satisfaire les besoins du dispositif ou des impuretés non souhaitées, telles qu'Al, peuvent être permis pour continuer à utiliser les modes opératoires de fabrication du GaAs établis. Pour satisfaire un besoin anticipé pour 30 des impuretés ou autres modifications relativement insignifiantes, il est prescrit qu'à la fois Ga et As sont présents et se combinent pour former une quantité d'au moins 95 % de la composition totale du substrat. De plus, 2909803 7 il devrait être apprécié que le terme substrat peut comprendre n'importe quel matériau sous la couche active. Par exemple, des couches de miroir, des couches de guide d'ondes, des couches de placage ou n'importe quelle autre 5 couche qui est plus de deux fois aussi épaisse que la couche active. Ensuite, dans un mode de réalisation, la couche de matériau actif 101 est utilisée comme matériau absorbant la lumière. Pour des configurations physiques, la couche 10 de matériau actif 101 peut être configurée sous la forme de matériau en vrac ou de films minces sur le substrat de cellule inférieure 102. La couche de matériau actif 101 peut être faite d'un ou de multiples éléments ou composés, etc. Par exemple, la couche de matériau actif 101 peut 15 être faite d'un matériau composé. Le matériau composé peut être un matériau semi-conducteur binaire III-V ou II-VI, tel qu'AlAs, AlGaAs, GaAs, InP, InGaAs, Cu2S/ (Zn,Cd) S, CuInSe2/(Zn,Cd)S et CdTe/n-CdS, etc. De façon facultative, la couche de matériau actif 101 peut être faite d'un 20 matériau à une seule base, tel que le germanium (Ge). En variante, la couche de matériau actif 101 peut être faite de CIGS (Copper Indium Gallium Selenide - Séléniure de Cuivre Indium Gallium) en composites de films minces multi-couches. Le terme CIGS se réfère à une 25 composition de film mince qui peut comprendre des semi-conducteurs de chalcopyrite, tels que des films minces de diséléniure de cuivre-indium (CuInSe2), de diséléniure de cuivre-gallium (CuGaSe2) et Cu (In,Ga1_X) Set. Dans un autre mode de réalisation, la couche de matériau actif 101 peut 30 être faite de colorants absorbant la lumière, tels que le colorant organométallique de Ruthénium sensibilisé par un colorant dans une couche mésoporeuse de dioxyde de titane nanoparticulaire, etc. En variante, la couche de matériau 2909803 8 actif 101 peut être faite d'une matière organique/polymère. Par exemple, les semi-conducteurs organiques, tels que les polymères et les composés à petite molécule comme le polyphénylène vinylène, la phthalocyanine de cuivre et les 5 fullerènes de carbone. En conséquence, la cellule solaire inférieure peut être n'importe quelle cellule solaire non à base de silicium appropriée dans les modes de réalisation de la présente invention, telle qu'une cellule solaire à base de Ge, une cellule solaire semi-conductrice binaire 10 III-V, une cellule solaire semi-conductrice binaire II-VI, une cellule solaire à colorant (Dye Solar Cell - DSC), une cellule solaire organique ou une cellule solaire CIGS. Pour la cellule solaire supérieure en couche, selon l'esprit de la présente invention, une ou plusieurs 15 couches de silicium amorphe 106, dopées ou non dopées ou en combinaison, sont sur la cellule solaire supérieure. Une structure d'interface conductrice 105 peut être introduite entre la couche/les couches de silicium amorphe 106. Dans le mode de réalisation, la couche/les couches de silicium 20 amorphe 106 peuvent être un type à jonction p-n unique ou un type à jonction p-i-n. Ainsi, la couche/les couches de silicium amorphe 106 peuvent comprendre une partie dopée de type n, une partie dopée de type p et une partie non dopée entre celles-ci. Il est entendu que l'expression 25 silicium amorphe présente le silicium amorphe et une matière à base de silicium amorphe, par exemple, le silicium amorphe 106 peut être a-Si:H, a-SiC:H, a-SiGe:H ou a-SiGeC:H, mais sans être limité à ceux-ci. Une structure d'interface conductrice 105 peut se 30 trouver entre la couche/les couches de silicium amorphe 106 et la couche/les couches de matériau actif 101. Dans un mode de réalisation, la structure d'interface conductrice 105 peut être une jonction tunnel semi-conductrice, telle 2909803 9 qu'une jonction tunnel GaAs. En variante, la structure d'interface conductrice 105, telle qu'un oxyde conducteur transparent, peut comprendre 110 ou ZnO, etc. En variante, la structure d'interface conductrice 105 peut être un film 5 de matériau métallique très mince, tel que Au. De plus, les deux côtés externes de la cellule solaire supérieure en couche et de la cellule solaire inférieure sont des couches conductrices 103 et 104 pour un contact, telles qu'une couche transparente conductrice (ITO, Zn0) ou une couche 10 métallique. En conséquence, lorsque la lumière du soleil 100 est incidente sur la structure de cellule solaire en cascade, la lumière du soleil 100 avec une courte longueur d'onde, telle que la région de longueur d'onde des UV 15 d'environ 200 à 600 nm, est absorbée en premier par la cellule solaire supérieure en couche. Puis la lumière du soleil 100 avec une longueur d'onde visible est absorbée par la cellule solaire non à base de silicium. En plus de l'absorption de la lumière du soleil avec une courte 20 longueur d'onde, la cellule supérieure en couche à base de silicium amorphe peut être configurée en tant que couche anti-réfléchissante pour la cellule solaire inférieure. Dans un mode de réalisation, un procédé de dépôt en phase vapeur par procédé chimique assisté par plasma 25 (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition - PECVD) peut être appliqué à la formation de silicium amorphe 106 avec ou sans dopant. Il est avantageux que la couche de silicium amorphe 106 puisse absorber la lumière incidente dans la courte longueur d'onde, de préférence, d'environ 30 350 nm à 450 nm, comme représenté sur la Figure 2. De plus, l'absorption de lumière du silicium amorphe 106 dépend médiocrement du facteur de l'angle incident et anti- réfléchissant. Ainsi, la couche de silicium amorphe 106 2909803 10 peut être disposée devant la cellule solaire inférieure pour absorber la lumière incidente dans une courte longueur d'onde qui est médiocrement absorbée par la cellule solaire inférieure. Dans le mode de réalisation, la couche/les 5 couches de silicium amorphe 106 sur la cellule solaire inférieure est de préférence de 2,7 eV à 4 eV. Bien que la présente invention ait été expliquée en relation avec son mode de réalisation préféré, il doit être entendu que d'autres modifications et variantes 10 peuvent être apportées sans s'écarter de l'esprit et de la portée de l'invention telle que revendiquée ci-après. REVENDICATIONS 1 - Structure de cellule solaire en cascade, caractérisée par le fait qu'elle comprend une cellule solaire inférieure (101-102) et une cellule solaire supérieure (106) sur ladite cellule solaire inférieure, ladite cellule solaire supérieure (106) étant une cellule solaire à base de silicium amorphe et la lumière du soleil étant incidente sur ladite cellule solaire à base de silicium amorphe (106). 2 - Structure de cellule solaire en cascade selon la revendication 1, caractérisée par le fait qu'elle comprend en outre une structure d'interface conductrice (105) positionnée entre ladite cellule solaire inférieure (101-102) et ladite cellule solaire supérieure (106). 3 - Structure de cellule solaire en cascade selon la revendication 2, caractérisée par le fait que ladite structure d'interface conductrice (105) est faite à partir d'oxyde conducteur transparent. 4 - Structure de cellule solaire en cascade selon la revendication 2, caractérisée par le fait que ladite structure d'interface conductrice (105) est une structure de jonction tunnel. 5 - Structure de cellule solaire en cascade selon la revendication 2, caractérisée par le fait que ladite structure d'interface conductrice (105) est un film de matériau métallique. 6 - Structure de cellule solaire en cascade selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ladite cellule solaire à base de silicium amorphe (106) est une jonction de type p-n. 7 - Structure de cellule solaire en cascade selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ladite 2909803 12 cellule solaire à base de silicium amorphe (106) est une jonction de type p-i-n. 8 - Structure de cellule solaire en cascade selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ladite 5 cellule solaire à base de silicium amorphe (106) comprend des couches de silicium amorphe dopées de type n et de type p. 9 - Structure de cellule solaire en cascade selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ladite 10 cellule solaire à base de silicium amorphe (106) comprend une couche de silicium amorphe non dopée. 10 - Structure de cellule solaire en cascade selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ladite cellule solaire à base de silicium amorphe (106) est 15 faite d'un matériau a-Si:H, a-SiC:H, a-SiGe:H ou a-SiGeC:H. 11 - Structure de cellule solaire en cascade selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ladite cellule solaire inférieure (101-102) comprend un matériau absorbant la lumière fait d'un matériau à base de 20 germanium. 12 Structure de cellule solaire en cascade selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ladite cellule solaire inférieure (101-102) comprend un matériau absorbant la lumière fait d'un matériau semi- 25 conducteur binaire III-V. 13 - Structure de cellule solaire en cascade selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ladite cellule solaire inférieure (101-102) comprend un matériau absorbant la lumière fait d'un matériau semi- 30 conducteur binaire II-VI. 14 -Structure de cellule solaire en cascade selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ladite cellule solaire inférieure (101-102) comprend un 2909803 13 matériau absorbant la lumière fait d'un matériau de composé organique. 15 - Structure de cellule solaire en cascade selon la revendication 1, caractérisée par le fait que 5 ladite cellule solaire inférieure (101-102) comprend un matériau absorbant la lumière fait d'un colorant organométallique de ruthénium. 16 - Structure de cellule solaire en cascade selon la revendication 1, caractérisée par le fait que 10 ladite cellule solaire inférieure (101-102) comprend un matériau absorbant la lumière fait d'un matériau de séléniure de cuivre indium gallium. 17 -Structure de cellule solaire en cascade, caractérisée par le fait qu'elle comprend une cellule 15 solaire non à base de silicium (101-102) et une cellule solaire à base de silicium amorphe (106) sur ladite cellule solaire non à base de silicium (101-102), ladite cellule solaire à base de silicium amorphe (106) absorbant la lumière du soleil avec une longueur d'onde de 200 à 600 nm. 20 18 - Structure de cellule solaire en cascade selon la revendication 17, caractérisée par le fait qu'elle comprend en outre un oxyde conducteur transparent positionné entre ladite cellule solaire non à base de silicium (101-102) et ladite cellule solaire à base de 25 silicium amorphe (106). 19 - Structure de cellule solaire en cascade selon la revendication 17, caractérisée par le fait qu'elle comprend en outre une structure de jonction tunnel positionnée entre ladite cellule solaire non à base de 30 silicium (101-102) et ladite cellule solaire à base de silicium amorphe (106). 20 - Structure de cellule solaire en cascade selon la revendication 17, caractérisée par le fait qu'elle 2909803 14 comprend en outre un film de matériau métallique positionné entre ladite cellule solaire non à base de silicium (101-102) et ladite cellule solaire à base de silicium amorphe (106). 5 21 Structure de cellule solaire en cascade selon la revendication 17, caractérisée par le fait que ladite cellule solaire non à base de silicium (101-102) comprend une cellule solaire à base de germanium. 22 - Structure de cellule solaire en cascade 10 selon la revendication 17, caractérisée par le fait que ladite cellule solaire non à base de silicium (101-102) comprend une cellule solaire semi- conductrice binaire III-V ou II-VI. 23 - Structure de cellule solaire en cascade 15 selon la revendication 17, caractérisée par le fait que ladite cellule solaire non à base de silicium (101-102) comprend une cellule solaire organique. 24 - Structure de cellule solaire en cascade selon la revendication 17, caractérisée par le fait que 20 ladite cellule solaire non à base de silicium (101-102) comprend une cellule solaire à colorant. 25 - Structure de cellule solaire en cascade selon la revendication 17, caractérisée par le fait que ladite cellule solaire non à base de silicium (101-102) 25 comprend une cellule solaire de séléniure de cuivre indium gallium.