INPI-France/Brevets-Francais-2024-Chunked huggingface dataset:
Dans un mode de réalisation illustré à la , la structure d’intégration SI comporte des éléments passifs PASS, les éléments passifs PASS étant situés à l’extérieur de la cage thermique formée par les connexions conductrices non supraconductrices (comprenant les pistes conductrices PC et les vias conducteurs VC) de l’assemblage AS selon l’invention. Dans un mode de réalisation, les éléments passifs sont choisis parmi une inductance (de préférence supraconductrice), une capacité (de préférence supraconductrice), un résonateur (de préférence supraconductrice) et une résistance (de préférence conducteur non supra). Dans un mode de réalisation, les éléments passifs sont formés dans un ou plusieurs niveaux de routage au niveau de la première face S1 et/ou de la deuxième face S2 de la structure d’intégration SI, à l’aide d’une ou plusieurs pistes de routage, de préférence supraconductrices pour la ou les inductances, la ou les capacitances et/ou la ou les résonateurs. Dans un mode de réalisation, au moins une partie de ces éléments passif PASS est connectée par une liaison supraconductrice à la puce fonctionnelle PF et/ou à la puce de contrôle PC. Dans un mode de réalisation, au moins une partie de ces éléments passifs PASS est connectée par une liaison conductrice non supraconductrice au support de packaging SP. Dans un mode de réalisation la ou les inductances et/ou la ou les capacitances et/ou le ou les résonateurs sont connectés électriquement, à l’aide d’une ou plusieurs pistes de routage, de préférence supraconductrice, à la puce de contrôle PC et/ou à la puce fonctionnelle PF. Dans un mode de réalisation, la ou les résistances sont connectées électriquement par une liaison conductrice non supraconductrice au support de packaging SP.
Cellule solaire tandem en silicium et pérovskite La présente invention se rapporte au domaine photovoltaïque, notamment au domaine des cellules tandem à base de silicium et de pérovskite. La présente invention concerne plus particulièrement une structure multicouche destinée à former une cellule photovoltaïque tandem à deux terminaux. Selon un deuxième aspect, l’invention se rapporte au procédé de fabrication d’une telle structure multicouche.
Les cellules solaires comprenant une couche d'absorption en pérovskite ont à ce jour dépassé des rendements de plus de 25% d’efficacité. En raison de la bande interdite optiquement réglable, des procédés de fabrication potentiellement bas coûts, et des rendements élevés, les couches absorbantes en pérovskite sont le partenaire idéal pour une intégration en tandem en tant que sous-cellule supérieure (c’est à dire la cellule solaire partielle face à la lumière dans la cellule solaire tandem) avec des sous-cellules inférieures en divers matériaux et notamment en silicium.
Habituellement, les couches d’interface disposées entre les deux sous-cellules en tandem sont constituées de dépôts d’oxydes de métaux de transition ou de polymères organiques conjugués. Ces dépôts peuvent être effectués par voie liquide ou par voie sèche. Mais ces solutions présentent des inconvénients suivants :
- une absorption optique non négligeable du fait d’une épaisseur classiquement comprise entre 30 et 50 nm des couches d’interface. Il s’ensuit des pertes par absorption parasite (i.e. moins de courant produit par la cellule solaire).
- un manque de conformité des dépôts, ces dépôts étant typiquement réalisés sur une sous-cellule inférieure de silicium issue d’un polissage chimique, ou texturée sur la face avant. Les couches déposées peuvent être discontinues, de qualité inhomogène, ce qui se traduit par des performances inhomogènes ou l’apparition de court-circuits.
Un des buts de la présente invention est de pallier au moins l’un des inconvénients précités. A cet effet, la présente invention propose une structure multicouche destinée à former une cellule photovoltaïque tandem, la structure multicouche comprenant :
une sous-cellule inférieure à base de silicium, une sous-cellule supérieure à base de pérovskite, une jonction à effet tunnel comportant du silicium dopé disposé à l’interface de la sous-cellule inférieure et de la sous-cellule supérieure,
la sous-cellule supérieure comprenant une couche inférieure de transport de charges composée par une mono-couche de molécules auto-assemblées.
L’expression ‘mono-couche de molécules auto-assemblées’ est bien connue de l’homme du métier sous l’acronyme anglo saxon ‘SAM’ pour Self-Assembled Monolayer. De façon classique, la SAM est une mono-couche de molécules greffées en surface par une liaison forte, telle qu’une liaison covalente ou des interactions électrostatiques.
Dans le cadre de la présente invention, la mono-couche de molécules auto-assemblées est greffée avec le silicium de la jonction à effet tunnel par des liaisons covalentes.
Comme on le verra plus en détail ci-dessous, cette liaison covalente est formée par une réaction d'hydrosilylation d’un composé précurseur de la molécule greffée, avec les liaisons Si-H disponibles en surface du silicium. Le composé précurseur comprend un groupement d’ancrage formé par une liaison multiple C-C, de type alcène ou alcyne, qui réagit avec les liaisons Si-H sur la surface de silicium à fonctionnaliser, en formant des liaisons Si-C. La réaction est autolimitée par le nombre de sites Si-H réactifs accessibles. La mono-couche de molécules auto-assemblées ainsi formée selon la présente invention est ainsi conforme. La mono-couche recouvre uniformément la texture de la surface de Si qu’elle recouvre, de sorte que l'épaisseur de ladite mono-couche est la même en tout point. Elle suit la géométrie de la surface à l’échelle microscopique, quelle que soit la rugosité de la surface, évitant toute interruption pouvant conduire à un court-circuit électrique.
De plus, ladite mono-couche présente une épaisseur réduite, notamment inférieure ou égale à 10 nm. Cette épaisseur est tout au plus équivalente à la plus grande dimension de la molécule greffée. Ceci permet de limiter l’adsorption optique de l‘interface et assure un meilleur rendement photovoltaïque.
Description détaillée de l'invention La représente schématiquement un corps 30 en matériau 5, notamment un matériau composite, en particulier un tissage d’une structure fibreuse d’un matériau composite, dont la dilatation thermique est à mesurer. Le matériau 5 est en particulier un matériau composite à matrice organique, réalisé par exemple par tissage interlock. Le matériau 5 est capable de répondre aux contraintes requises dans le domaine de l’aéronautique.
Le corps 30 comprend un renfort 2, notamment sous forme de fibres ou de structure fibreuse, par exemple tissée. Le renfort 2, en particulier la structure fibreuse, est densifié par une matrice. Dans le cas de matériaux composites 5, une telle matrice est notamment une résine.
Le renfort 2, en particulier en tant que structure fibreuse, est réalisé par tissage en trois dimensions permettant d'obtenir une liaison entre les couches et d'avoir une bonne tenue mécanique du renfort 2, notamment de la structure fibreuse, et de la pièce en matériau 5 ainsi obtenue.
Sur la ,
une direction de trame A du corps 30 est représentée par la flèche A, une direction de chaîne B du corps 30 est représentée par la flèche B, et une direction normale au plan chaine/trame C, défini par la direction de trame A et la direction de chaîne B, est représentée la flèche C.
La direction de trame A, la direction de chaîne B et la direction normale au plan chaine/trame C sont respectivement parallèles aux directions x, y et z d’un repère, notamment orthonormé.
Les figures 2 et 3 représentent respectivement une vue schématique en coupe d’une installation de mesure de dilatation d’un matériau selon l’invention et une vue schématique d’une installation de mesure de dilatation d’un matériau avec le dispositif de mesure d’un niveau supérieur d’un liquide.
Tel que présenté sur les figures 2 et 3, l’invention porte sur un procédé de mesure de la dilatation thermique d’un matériau, notamment d’un matériau composite, en particulier un matériau composite à matrice organique.
Le procédé de mesure de la dilatation thermique d’un matériau est réalisé grâce à une installation de mesure 1 comprenant
un récipient 10, un liquide 20, un dispositif de mesure 60 d’un niveau du liquide 20, notamment un niveau supérieur h F du liquide 20, et un dispositif de suivi de température 40 du liquide 20.
Selon un mode particulier de réalisation, l’installation de mesure 1 comprend éventuellement un dispositif de maintien (non représenté) configuré pour maintenir le corps 30 au fond du récipient 10.
Le procédé de mesure de la dilatation thermique d’un matériau comprend en particulier différentes étapes décrites ci-dessous.
La est un organigramme représentant des étapes du procédé de mesure de la dilatation thermique d’un matériau, notamment d’un matériau composite, en particulier un matériau composite à matrice organique, selon l’invention.
L’organigramme de la représente les différentes étapes du procédé de mesure de la dilatation thermique d’un matériau selon l’invention comprenant au moins une étape de remplissage a) consistante à remplir le récipient 10 avec le liquide 20.
Le liquide 20 a une température d’ébullition T eb et un coefficient de dilatation thermique C dt connus. Le récipient 10 est en particulier en verre. Alternativement, le récipient 10 est fait d’un autre matériau inerte vis-à-vis du liquide 20 utilisé, dont le coefficient de dilatation C dt est connu.
Le liquide 20 est notamment choisi parmi un liquide dont le coefficient de dilatation est connu et dont la température d’ébullition est à minima 30ºC supérieure à une température maximale souhaitée à atteindre ou désirée lors du procédé de mesure de la dilatation thermique d’un matériau de l’invention.
- A1, A2, A3, A4 sont soit des cations organiques monovalents, soit des mélanges de ceux-ci qui sont choisis indépendamment parmi les composés organiques d'ammonium primaires, secondaires, tertiaires ou quaternaires, y compris les hétérocycles et systèmes cycliques azotés.
A et A' indépendamment l'un de l'autre ont 1 à 60 atomes de carbone et 1 à 20 hétéroatomes (tels que méthylammonium ou formamidinium) ou des cations inorganiques (tels que Na, K, Rb, Cs).
- B est un cation organique divalent choisi parmi les composés organiques d'ammonium primaires, secondaires, tertiaires ou quaternaires qui ont de 1 à 60 atomes de carbone et de 2 à 20 hétéroatomes et avec deux atomes d'azote chargés positivement ;
- M est un cation métallique divalent choisi dans le groupe constitué par Cu, Ni, Co2+, Fe2+, Mn2+, Cr2+, Pd2+, Cd2+, Ge2+, Sn2+, Pb2+, Eu2+ ou Yb2+ ;
- N est un cation métallique divalent choisi dans le groupe de Bi et Sb et,
- X est un anion indépendamment choisi parmi CI ˉ Brˉ, Iˉ, NCSˉ, CNˉ et NCO- et leur mélange.
D’autres caractéristiques et avantages apparaitront à la lecture de la description détaillée ci-après, de 7 exemples de mise en œuvre non limitatifs, faite en référence aux figures annexées dans lesquelles :
représente une vue schématique d’une cellule photovoltaïque présentant une configuration PIN, comprenant une structure multicouche selon un premier mode de réalisation de l’invention.
représente une vue schématique d’une cellule photovoltaïque comprenant une structure multicouche selon un deuxième mode de réalisation de l’invention.
représente une vue schématique d’une cellule photovoltaïque comprenant une structure multicouche simplifiée de la structure multicouche du premier mode de réalisation de l’invention (troisième mode de réalisation).
représente une vue schématique d’une cellule photovoltaïque comprenant une structure multicouche simplifiée de la structure multicouche du deuxième mode de réalisation de l’invention (quatriètme mode de réalisation).
représente une vue schématique d’une cellule photovoltaïque comprenant une structure multicouche simplifiée selon un cinquième mode de réalisation de l’invention.
représente une vue schématique d’une cellule photovoltaïque comprenant une structure multicouche simpliée selon un sixième mode de réalisation de l’invention.
représente une vue schématique d’une cellule photovoltaïque selon le premier mode de réalisation de l’invention et présentant une configuration NIP.
Les structures illustrées aux figures 1 à 7 représentent la structure multicouche selon l’invention mise en œuvre dans des cellules photovoltaiques.
La structure multicouche 100 de l’invention comprend une sous-cellule inférieure 10 comprenant un substrat en silicium 1 de c-Si (n), une sous-cellule supérieure 20 comprenant une couche absorbante de pérovskite 2, une jonction à effet tunnel 30, disposée à l’interface de la sous-cellule inférieure 10 et de la sous-cellule supérieure 20, à base de silicium, une couche de transport des charges 4 en face arrière de la sous-cellule supérieure 20 étant composée par une mono-couche de molécules auto-assemblées greffée sur le silicium de la jonction à effet tunnel 30.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les émetteurs optoélectroniques à antenne réseau à commande de phase (OPA, pour Optical Phased Array , en anglais) sont des dispositifs optoélectroniques permettant d’émettre en espace libre un rayonnement lumineux, monochromatique, de manière directionnelle. Ils trouvent une application notamment dans le domaine de la détection et de l’estimation d’une distance par laser (LIDAR), mais également dans le domaine des communications optiques en espace libre, des écrans holographiques et de l’imagerie médicale.
La illustre de manière schématique le principe de fonctionnement d’un tel émetteur optoélectronique 1. Une source laser 2 émet un signal optique qui est distribué par un diviseur de puissance 3 dans des bras 4 de l’émetteur optoélectronique 1. Chaque bras 4 comporte un déphaseur 6, et un émetteur élémentaire 7 également appelé antenne optique. Chaque antenne optique 7 émet un signal optique en espace libre, par exemple par diffraction, les signaux optiques se combinant ensuite par interférence pour former un rayonnement lumineux. Celui-ci présente un diagramme d’émission en champ lointain déterminé notamment par la phase relative Δφ appliquée par les déphaseurs 6 aux signaux optiques se propageant dans les bras 4.
De tels émetteurs optoélectroniques peuvent être réalisés en photonique intégrée, c’est-à-dire que ses différents composants optiques (guides d’onde, diviseur de puissance, antennes optiques…) sont réalisés sur et à partir d’une même puce photonique. A ce titre, la illustre de manière schématique et partielle un exemple d’un tel émetteur optoélectronique 1 décrit dans l’article de Hulme et al intitulé Fully integrated hybrid silicon two dimensional beam scanner , Opt. Express 23 (5), 5861-5874 (2015). Cet émetteur optoélectronique 1 comporte une source laser 2, ici de type III-V, et est réalisé sur une même puce photonique. Il comporte donc une source laser 2 à semiconducteur, le diviseur de puissance 3, des guides d’onde 5, les déphaseurs 6 et les antennes optiques 7 situées dans les bras 4. Dans cet exemple, la source laser 2 est réalisée par report, sur la puce photonique (de type SOI), d’un matériau III-V suivi d’une structuration de celui-ci pour former le milieu à gain.
Par ailleurs, pour former en champ lointain un rayonnement lumineux peu divergent, il est nécessaire notamment que chaque antenne optique émette sur une grande longueur, par exemple sur une à plusieurs centaines de microns. Aussi, une solution consiste à diminuer le taux d’extraction des antennes optiques, par exemple en réalisant le réseau de diffraction non pas dans le guide d’onde mais à distance, par exemple au-dessus, de celui-ci, de sorte que seule la partie évanescente du mode optique soit sensible aux structurations périodiques du réseau de diffraction.
A ce titre, l’article de Han et al. intitulé Highly directonal waveguide grating antenna for optical phased array , Current Applied Physics, 18 (2018) 824-828 décrit un exemple d’antenne optique dans laquelle le réseau de diffraction est situé au-dessus et à distance d’un guide d’onde en silicium, et est formé dans la face supérieure de la gaine recouvrant le guide d’onde. Les valeurs des paramètres dimensionnels du guide d’onde et du réseau de diffraction restent constantes le long de l’antenne optique, et sont choisies notamment pour limiter les pertes optiques liées à des réflexions parasites et pour optimiser la directivité de l’antenne optique.
Par ailleurs, l’article de Wang et al. intitulé Silicon nitride assisted 1x64 optical phased array based on a SOI platform , Opt. Express 29(7), 10513-10517 (2021) décrit un autre exemple d’une antenne optique où le réseau de diffraction est situé au-dessus et à distance d’un guide d’onde en silicium, et formé ici de plots périodiques en un nitrure de silicium encapsulés dans une couche en un oxyde de silicium. Ici également, les valeurs des paramètres dimensionnels du guide d’onde et du réseau de diffraction restent constantes le long de l’antenne optique.
Cependant, le mode optique circulant dans le guide d’onde de l’antenne optique présente une puissance optique P(x) qui diminue de manière exponentielle suivant l’axe longitudinal à mesure qu’une partie en est extraite. Aussi, pour un taux d’extraction α r (x) du réseau de diffraction qui reste constant longitudinalement et égal à α 0 , le profil d’émission S(x) en champ proche du rayonnement lumineux émis par l’antenne optique présente également une décroissance exponentielle suivant l’axe longitudinal, selon la relation S(x) ∼ α 0 ×P(x), ce qui peut se traduire par une dégradation du diagramme d’émission en champ lointain du rayonnement lumineux.
Aussi, pour éviter cette réduction de la longueur d’émission effective de l’antenne optique, une solution pourrait être de moduler longitudinalement le taux d’extraction et donc de faire varier les valeurs des paramètres dimensionnels du réseau de diffraction suivant l’axe longitudinal. Cependant, cela conduirait à réaliser un réseau de diffraction ayant des dimensions des structurations périodiques particulièrement faibles, par exemple inférieures à 100nm, et donc peu ou pas compatibles avec les technologies conventionnelles habituellement utilisées dans les procédés de fabrication par exemple en photonique sur silicium.
L’invention a pour objectif de remédier au moins en partie aux inconvénients de l’art antérieur, et plus particulièrement de proposer un émetteur optoélectronique à antenne réseau à commande de phase dont le rayonnement lumineux en champ lointain est peu divergeant et présente un diagramme d’émission prédéfini, par exemple constant ou gaussien. Pour cela, chaque antenne optique est adaptée à émettre un rayonnement lumineux selon un profil d’émission voulu S c (x) en champ proche, par exemple constant ou gaussien, et orienté suivant un angle d’émission prédéfini θ c qui soit constant longitudinalement, sans qu’il soit nécessaire de réaliser des réseaux de diffraction aux dimensions trop petites.
Pour cela, l’objet de l’invention est un procédé de fabrication d’un émetteur optoélectronique à antenne réseau à commande de phase, lequel comporte : un diviseur, destiné à être couplé à une source laser ; une pluralité de guides d’onde, couplés au diviseur et s’étendant suivant un axe longitudinal dans un plan principal, formant des bras de l’émetteur optoélectronique ; et une pluralité de déphaseurs et d’antennes optiques, disposés dans les bras, chaque antenne optique étant formée du guide d’onde correspondant et d’un réseau de diffraction situé au-dessus et à distance du guide d’onde suivant un axe vertical orthogonal au plan principal.
Le procédé comporte les étapes suivantes : définition d’un profil d’émission cible S c (x) en champ proche et d’un angle d’émission cible θ c d’un rayonnement lumineux émis par chaque antenne optique, et d’une configuration structurelle Cs ref desdites antennes optiques, comportant : des valeurs de paramètres physiques Pp wg des guides d’onde définissant des propriétés optiques de transmission d’un mode optique provenant de la source laser ; et des valeurs de paramètres physiques Pp r des réseaux de diffraction définissant des propriétés optiques de diffraction du mode optique ; détermination d’une relation Λ r =f(w c ) exprimant une évolution du pas Λ r de structurations périodiques du réseau de diffraction en fonction d’une largeur w c du guide d’onde, de sorte que, compte tenu de ladite configuration structurelle Cs ref , un angle d’émission θ(x) du rayonnement lumineux émis par l’antenne optique est égal audit angle d’émission cible θ c ; détermination d’une relation α r =g(w c ) exprimant une évolution d’un taux d’extraction α r du réseau de diffraction en fonction de la largeur w c du guide d’onde, compte tenu de ladite relation Λ r =f(w c ) et de ladite configuration structurelle Cs ref ; détermination d’une variation longitudinale w c (x) de la largeur w c du guide d’onde et déduction d’une variation longitudinale Λ r (x) correspondante du pas Λ r du réseau de diffraction à partir de ladite relation Λ r =f(w c ), de sorte que, compte tenu de ladite relation α r =g(w c ) et de ladite configuration structurelle Cs ref , un profil d’émission S(x) en champ proche du rayonnement lumineux émis par l’antenne optique est égal audit profil d’émission cible S c (x) ; fabrication de l’émetteur optoélectronique dont les antennes optiques présentent la configuration structurelle de référence Cs ref , complétée par ladite variation longitudinale w c (x) de la largeur w c du guide d’onde et de ladite variation longitudinale Λ r (x) du pas Λ r du réseau de diffraction.
Certains aspects préférés mais non limitatifs de cet émetteur optoélectronique sont les suivants.
Les étapes de détermination des relations Λ r =f(w c ) et α r =g(w c ) peuvent être effectuées pour une gamme de largeur w c allant d’une valeur minimale w c,out et une valeur maximale w c,in prédéfinies.
L’étape de détermination de la variation longitudinale w c (x) peut comporter les opérations suivantes : définition d’une fonction puissance d’exposant n représentative d’une variation longitudinale w c (x) de la largeur w c entre la valeur maximale w c,out et la valeur minimale w c,in prédéfinies ; détermination, pour plusieurs valeurs n (m) de l’exposant n, d’une variation longitudinale w c =p (m) (x) de la largeur w c du guide d’onde et déduction d’une variation longitudinale Λ r =q (m) (x) correspondante du pas Λ r du réseau de diffraction ; et détermination d’une variation longitudinale α r(m) (x) du taux d’extraction α r correspondant à partir de ladite relation α r =g(w c ), puis d’un profil d’émission S (m) (x) correspondant ; puis détermination d’une valeur optimale n (mopt) parmi les valeurs n (m) de l’exposant n, pour laquelle le profil d’émission S (mopt) (x) présente un écart minimal vis-à-vis du profil d’émission cible S c (x).
La fonction puissance peut être w c (x) = w c,in + (x/L a ) n ×(w c,in – w c,out ), où L a est la longueur totale de la partie de l’antenne optique qui présente les variations longitudinales de la largeur w c du guide d’onde et du pas Λ r du réseau de diffraction.
L’invention porte également sur un émetteur optoélectronique à antenne réseau à commande de phase, comportant : un diviseur destiné à être couplé à une source laser ; une pluralité de guides d’onde couplés au diviseur et s’étendant suivant un axe longitudinal dans un plan principal, formant des bras de l’émetteur optoélectronique ; une pluralité de déphaseurs et d’antennes optiques disposés dans les bras, chaque antenne optique étant formée du guide d’onde correspondant et d’un réseau de diffraction situé au-dessus et à distance du guide d’onde suivant un axe vertical orthogonal au plan principal.
l’eau peut être utilisée en tant que liquide 20 pour des mesures de dilatation jusqu’à des températures de 70ºC, l’huile peut être utilisée en tant que liquide 20 pour des mesures de dilatation jusqu’à des températures de 150ºC, le mercure peut être utilisé en tant que liquide 20 pour des mesures de dilatation jusqu’à des températures de 300ºC, et/ou le galinstan peut être utilisé en tant que liquide 20 pour des mesures de dilatation jusqu’à des températures de 1000ºC.