Brevet FR3063179A1 — publié le 20180824

CELLULE PHOTOVOLTAÏQUE MULTI-JONCTIONS DE TYPE III-V SUR SUBSTRAT SILICIUM ET SON PROCEDE DE FABRICATION L'invention porte sur une cellule photovoltaïque multi-jonctions s de type III-V et sur son procédé de fabrication. Les cellules photovoltaïques en silicium cristallin ont atteint leurs limites, en termes d'efficacité de conversion énergétique (rendement), il y a plus de 12 ans, avec un record d'efficacité de 25% en conditions de laboratoire. Les marges d'amélioration sont extrêmement réduites et la l o recherche se concentre désormais sur la réduction des coûts. Certains matériaux III-V sont beaucoup mieux adaptés que le silicium pour les applications photovoltaïques, car ils présentent une bande interdite directe, une plus grande mobilité des porteurs et une bande interdite mieux adaptée au spectre solaire. Par exemple, les cellules mono-jonction en 15 GaAs présentent un rendement théorique de l'ordre de 33% (sans concentration du rayonnement solaire), et des rendements jusqu'à 28,8% ont effectivement été obtenus en laboratoire. Le concept le plus prometteur pour améliorer encore le rendement est celui des cellules photovoltaïques multi-jonctions, comprenant 20 plusieurs jonctions PN présentant des largeurs de bande interdite différentes, empilées et connectées en série. Cela permet une meilleure utilisation du spectre solaire, réduisant les pertes par thermalisation. Ces structures sont généralement réalisées sous forme monolithique ; se pose donc le problème d'assurer une bonne qualité cristalline. 25 A cette fin, il est connu d'utiliser des matériaux semi- conducteurs présentant des paramètres de maille accordés ; tel est le cas de l'architecture GaInP/GaAs/Ge sur substrat en germanium, qui est la plus couramment utilisée et qui a permis d'atteindre un rendement de 41,6% sous éclairage solaire concentré d'un facteur 364 (Spectrolab). Cependant, la 30 largeur de bande interdite de la jonction en germanium (0,67 eV) n'est pas optimale ; une largeur de bande de l'ordre de 1 eV serait préférable car elle permettrait d'obtenir un rendement encore meilleur. Un rendement encore 3063179 2 plus élevé (44% sous éclairage concentré d'un facteur 949) a été obtenu par la société Solar Junctions en utilisant une structure InGaP/GaAs/InGaAs sur substrat en GaAs. La condition d'accord de paramètre de maille est très 5 contraignante, et d'autres techniques ont été développées pour s'en affranchir en tout ou en partie. Une approche prometteuse, mais encore mal maitrisée, consiste à réaliser une adhésion (« wafer bonding ») entre deux empilements photovoltaïques présentant des paramètres de maille incompatibles et o fabriqués par croissance sur des substrats différents, par exemple InP et GaAs. Il a même été possible - mais avec un rendement peu satisfaisant (23% avec un éclairage concentré d'un facteur 24) - de reporter un empilement monolithique de cellules photovoltaïques III-V sur une cellule 15 photovoltaïque mono-jonction en silicium. Encore une autre approche est celle dite « métamorphique », consistant à fabriquer des structures semi-conductrices ne respectant pas la condition d'accord de paramètre de maille, mais présentant des couches tampon empêchant la propagation des dislocations dans les régions actives. 20 A ce jour les meilleurs résultats (37,7% sans concentration) ont été obtenus par Sharp grâce à une structure métamorphique inversée fabriquée sur substrat Ge. « Inversée » signifie ici que la jonction de plus grande bande interdite se trouve près du substrat de croissance, ce qui n'est pas souhaitable ; il est donc nécessaire de reporter la structure sur un autre 25 substrat, en inversant son orientation, et la détacher du substrat de croissance qui peut être réutilisé. Dans ce cas particulier, une approche à accord de paramètre de maille (pour les deux premières jonctions en AlInGaP et InGaAs sur substrat Ge) a été combinée avec une approche métamorphique (pour la dernière jonction en InGaAs, séparée des deux autres par une structure 30 tampon). Quelle que soit l'approche retenue, dans la plupart des cas on a recours à des substrats de croissance en matériaux III-V ou en germanium, 3063179 3 qui sont coûteux et nécessitent des procédés complexes. Pour remédier à ces inconvénients, il a été proposé de réaliser des cellules photovoltaïques III-V sur substrat silicium - très peu coûteux et permettant de bénéficier du savoir faire développé dans l'industrie microélectronique. Cependant, cela est 5 difficile pour deux raisons : - le paramètre de maille du silicium est très différent de celui de la plupart de ces matériaux (désadaptation d'environ 4% avec GaAs), ce qui rend difficile l'obtention de structures présentant une bonne qualité cristalline et une faible densité de dislocations ; 10 - le coefficient de dilatation thermique est aussi très différent ; cela induit l'apparition de contraintes en tension dans les structures III-V épitaxiées lors de la phase de refroidissement qui suit la croissance, qui peuvent conduire à leur fissuration. Un accord de paramètre de maille avec un substrat en silicium 15 peut être obtenu en utilisant des composés quaternaires GaNy(PxAsi-x)i-y. Cependant ces matériaux présentent une faible longueur de diffusion des porteurs minoritaires, ce qui limite leurs performances. L'approche métamorphique sur substrat silicium a également été développée, par exemple en utilisant des couches tampons très épaisses 20 (10 pm environ) en alliage SiGe a composition graduée. Voir à ce propos C. L. Andre, J. A. Carlin, J. J. Boeckl, D. M. Wilt, M. A. Smith, A. J. Pitera, M. L. Lee, E. A. Fitzgerald, and S. A. Ringel, « Investigation of high-performance GaAs solar cells grown on Ge-Si/sub 1-x/Ge/Sub x/ -Si substrates », IEEE Transactions on Electron Devices 52, 1055 (2005). Cependant, le paramètre 25 de maille des alliages SiGe n'est pas compatible avec des matériaux III-V présentant une bonne absorption dans le proche infrarouge. En outre, la croissance épitaxiale d'une telle structure prend beaucoup de temps, ce qui rend coûteux le procédé de fabrication de la cellule photovoltaïque. L'invention vise à surmonter les inconvénients précités de l'art 30 antérieur. Plus précisément elle vise à permettre la fabrication de cellules photovoltaïques multi-jonctions de type III-V sur substrat silicium par un procédé simple et économique, sans pour autant sacrifier leurs performances. 3063179 4 Conformément à l'invention, ce but est atteint grâce à l'utilisation d'une couche tampon en alliage à base d'antimoine et aluminium, avec la présence d'au moins un autre élément du groupe V, notamment As (arsenic). Ces alliages, que l'on peut désigner de manière générale par 5 Al-V-Sb présentent un paramètre de maille très différent de celui du substrat en silicium, mais relaxent les contraintes en l'espace de quelques couches atomiques seulement. Ainsi, même une couche tampon de quelques nanomètres d'épaisseur permet d'obtenir une faible densité de défauts (de l'ordre de 106/cm2), et notamment de dislocations vis. Cela a été démontré 10 dans la cas particulier d'un alliage binaire AlSb, voir à ce propos G. Balakrishnan, S. Huang, L. R. Dawson, Y.-C. Xin, P. Conlin, D. L. Huffaker, « Growth mechanisms of highly mismatched AlSb on a Si substrate », Applied Physics Letters 86, 034105 (2005). L'alliage binaire AlSb présente toutefois un paramètre de maille qui n'est pas compatible avec les meilleurs matériaux 15 III-V disponibles pour la réalisation de cellules photovoltaïques. Par contre, la composition d'un alliage Al-V-Sb peut être choisie de telle sorte que son paramètre de maille soit accordé avec celui de certains alliages des familles AlGalnAs et GalnAsP, qui sont connus pour permettre la réalisation de cellules photovoltaïques multi-jonctions à haut rendement, voir par exemple 20 I. Mathews, D. O'Mahony, A. Gocalinska, E. Pelucchi, K. Thomas, A.P. Morrison, B. Corbett, « InAlAs and InGaAs solar cells for use in monolithic triple-junction solar cells with improved spectrum splitting », 28th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition (2013). Une couche tampon en AlSb (en soi inadaptée aux 25 applications photovoltaïques) a déjà été utilisée pour fabriquer des lasers en GaSb sur substrat Si, voir A. Castellano, L. Cerutti, G. Narcy, J.B. Rodriguez, A.Garreau, F. Lelarge « GaSb lasers grown on Silicon substrate emitting in the telecom wavelength range » 2016 Compound Semiconductor Week (CSW2016), 26 - 30 juin 2016. Cela montre que des couches tampon à base 30 de Al et Sb permettent également d'absorber les contraintes induites par les différences de paramètre de maille et de coefficient de dilatation thermique entre le substrat et les couches actives épitaxiées. 3063179 Un objet de l'invention est donc une cellule photovoltaïque multi-jonctions comprenant un substrat en silicium monocristallin ; une couche tampon en alliage au moins ternaire de type III-V comprenant de l'aluminium et de l'antimoine, déposée par épitaxie au-dessus dudit substrat ; et une 5 hétérostructure active déposée par épitaxie au-dessus de ladite couche tampon, formée d'au moins deux alliages différents choisis parmi les familles AlGalnAs et GalnAsP présentant des paramètres de maille adaptés entre eux et avec celui de la couche tampon et comprenant au moins deux jonctions PN empilées présentant des largeurs de bande interdite différentes. Selon des modes de réalisation particuliers d'une telle cellule photovoltaïque : - Les alliages choisis parmi les familles AIGaInAs et GalnAsP formant ladite hétérostructure active peuvent présenter un paramètre de maille compris entre 5,6533 A et 5,869 A. - Les alliages choisis parmi les familles AlGalnAs et GalnAsP formant ladite hétérostructure active peuvent présenter un paramètre de maille compris entre 5,80 A et 5,83 A. - Ladite couche tampon peut être en alliage AlAsxSbi-x, avec 0,56_.x REVENDICATIONS1. Cellule photovoltaïque multi-jonctions comprenant : - un substrat (20) en silicium monocristallin ; - une couche tampon (30) en alliage au moins ternaire de type III-V comprenant de l'aluminium et de l'antimoine, déposée par épitaxie au-dessus dudit substrat ; et - une hétérostructure active (40) déposée par épitaxie au-dessus de ladite couche tampon, formée d'au moins deux alliages différents choisis parmi les familles AlGalnAs et GalnAsP présentant des paramètres de maille adaptés entre eux et avec celui de la couche tampon et comprenant au moins deux jonctions PN empilées (41, 42, 43) présentant des largeurs de bande interdite différentes. 2. Cellule photovoltaïque multi-jonctions selon la revendication 1 dans laquelle les alliages choisis parmi les familles AlGalnAs et GalnAsP formant ladite hétérostructure active présentent un paramètre de maille compris entre 5,6533 A et 5,869 A. 3. Cellule photovoltaïque multi-jonctions selon la revendication 1 dans laquelle les alliages choisis parmi les familles AlGalnAs et GalnAsP formant ladite hétérostructure active présentent un paramètre de maille compris entre 5,80 A et 5,83 A. 4 Cellule photovoltaïque multi-jonctions selon l'une des revendications précédentes dans laquelle ladite couche tampon est en alliage AlAsxSbi_x, avec 0,56