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[5][_]
Molecule
(42/ 99)
[6][_]
germanium
(19)
[7][_]
tin
(9)
[8][_]
gallium
(7)
[9][_]
indium oxide
(7)
[10][_]
indium
(5)
[11][_]
antimony oxide
(5)
[12][_]
SnO2
(3)
[13][_]
GaO
(2)
[14][_]
water
(2)
[15][_]
indium phosphide
(2)
[16][_]
In203
(2)
[17][_]
tin oxide
(2)
[18][_]
SbO2
(2)
[19][_]
arsine
(2)
[20][_]
C2H5
(2)
[21][_]
GaInAs
(2)
[22][_]
DES
(1)
[23][_]
OH
(1)
[24][_]
AlAs
(1)
[25][_]
GaAs
(1)
[26][_]
arsenic
(1)
[27][_]
phosphorus
(1)
[28][_]
In2O3
(1)
[29][_]
SnO
(1)
[30][_]
InGaAsP
(1)
[31][_]
silicon
(1)
[32][_]
phosphine
(1)
[33][_]
InGaAs
(1)
[34][_]
zinc
(1)
[35][_]
cadmium
(1)
[36][_]
beryllium
(1)
[37][_]
trimethylamine
(1)
[38][_]
hydrogen sulfide
(1)
[39][_]
silicon monoxide
(1)
[40][_]
tantalum oxide
(1)
[41][_]
titanium oxide
(1)
[42][_]
CdS
(1)
[43][_]
CdTe
(1)
[44][_]
CuInS
(1)
[45][_]
Se
(1)
[46][_]
IIB-
(1)
[47][_]
ZnSnP
(1)
[48][_]
Physical
(30/ 44)
[49][_]
-1 percent
(4)
[50][_]
less than 1 percent
(3)
[51][_]
1,0 percent
(3)
[52][_]
300 micrometres
(2)
[53][_]
250 micrometres
(2)
[54][_]
6 micrometres
(2)
[55][_]
4 micrometres
(2)
[56][_]
2,0 micrometres
(2)
[57][_]
1 micrometre
(2)
[58][_]
de 0,566 nm
(2)
[59][_]
25eV
(1)
[60][_]
5eV
(1)
[61][_]
85eV
(1)
[62][_]
50 percent
(1)
[63][_]
44 percent
(1)
[64][_]
1 percent de
(1)
[65][_]
90 moles
(1)
[66][_]
30 moles
(1)
[67][_]
de 50 percent
(1)
[68][_]
de 44 percent
(1)
[69][_]
de 1 percent
(1)
[70][_]
10 percent
(1)
[71][_]
de 1 ppm
(1)
[72][_]
de 1000 ppm
(1)
[73][_]
100 nm
(1)
[74][_]
10 nm
(1)
[75][_]
60 percent
(1)
[76][_]
40 percent
(1)
[77][_]
2,5 micrometres
(1)
[78][_]
0,45 micrometre
(1)
[79][_]
Gene Or Protein
(5/ 32)
[80][_]
ETRE
(24)
[81][_]
Gap 1
(3)
[82][_]
InGaP
(3)
[83][_]
LBC
(1)
[84][_]
Est-a
(1)
[85][_]
Generic
(5/ 10)
[86][_]
dialkyl
(4)
[87][_]
metal
(2)
[88][_]
trialkyl
(2)
[89][_]
telluride
(1)
[90][_]
hydrides
(1)
[91][_]
Disease
(1/ 3)
[92][_]
Dislocations
(3)
[93][_]
Chemical Role
(1/ 2)
[94][_]
dopant
(2)
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Images Mosaic View
Publication
_________________________________________________________________
Number FR2522443A1
Family ID 5943996
Probable Assignee Chevron Res
Publication Year 1983
Title
_________________________________________________________________
FR Title CELLULE SOLAIRE PHOTOVOLTAIQUE A JONCTIONS MULTIPLES ET HAUT
RENDEMENT
EN Title MULTILAYER PHOTOVOLTAIC SOLAR CELL - HAVING THREE LAYERS
CONTG. LIGHT SENSITIVE HOMO:JUNCTIONS WITH TUNNELLING SHORTING
JUNCTIONS BETWEEN THEM
Abstract
_________________________________________________________________
L'INVENTION CONCERNE UN ECELLULE SOLAIRE PHOTOVOLTAIQUE A JONCTIONS
MULTIPLES ET HAUT RENDEMENT, DESTINEE A ETRE UTILISEE AVEC UNE
LENTILLE DE CONCENTRATION DE LA LUMIERE.
CETTE CELLULE COMPREND UN SUBSTRAT 11 CONSTITUE D'UN ELEMENT
MONOCRISTALLIN UNIQUE, NE COMPORTANT PAS DE JONCTION INTERNE SENSIBLE
A LA LUMIERE ET SUR LEQUEL PLUSIEURS COUCHES HOMOGENES 31, 32, 33 DE
MATIERE CONDUCTRICE SONT DEPOSEES LES UNES A LA SUITE DES AUTRES,
CHAQUE COUCHE RENFERMANT UNE JONCTION PN PHOTOSENSIBLE ET AYANT UNE
MEME CONSTANTE DE RESEAU QUE CELLE DU SUBSTRAT MONOCRISTALLIN 11.
CHAQUE COUCHE REALISE UN CONTACT A JONCTION DE COURT-CIRCUIT AVEC LES
COUCHES SITUEES IMMEDIATEMENT AU-DESSUS ET AU-DESSOUS D'ELLES ET ELLE
POSSEDE UNE EPAISSEUR ET UNE COMPOSITION APPROPRIEES POUR PRODUIRE
SENSIBLEMENT LE MEME COURANT QUE LES AUTRES COUCHES.
DOMAINE D'APPLICATION: PHOTOPILES, CAPTEURS D'ENERGIE SOLAIRE, ETC.
A cell for use with a light concn. element comprises (a) a single
crystal, single element substrate (11) without an internal light
sensitive junction, capable of lattice matching to within -1 percent
of GaO.88InO.12As; and (b) three superimposed homogeneous
semiconductor layers (31,32,33) each having the same lattice constant
as the substrate to within -1 percent, of, in order, GaO.88InO.12As,
band gap 1.25eV; Ge0.69InO.31As0.5PO.5, band gap 1.5eV; and
In0.5Ga0.5P, band gap 1.85eV; absorbing sunlight energy at three
different wavelengths. Each of the three layers contains a light
sensitive pn homojunction and a tunnelling, shorting heterojunction
with the layers immediately above and below it; and each layer
develops the same zero voltage light generated current as the other
layer. The single wafer stack is lighter, cheaper and simpler than
multiple wafer stacks. Theoretical efficiency is 50 percent at 1000
suns, compared with 44 percent for two layers, with good lattice
matching providing near theroretical efficiency.
Description
_________________________________________________________________
L'invention concerne la conversion de l'energie solaire en energie
electrique, et plus particulierement une cellule photovoltaique
multicouche effectuant cette conversion avec un rendement eleve.
Plusieurs formes de cellules photovoltaiques ont ete developpees pour
convertir l'energie solaire en energie electrique; cependant, le
rendement des systemes connus est faible et, lorsqu'on ameliore le
rendement par l'utilisation de convertisseurs plus efficaces, le cout
de ces convertisseurs s'eleve. Il a ete propose d'accroitre le
rendement de conversion en concentrant l'energie solaire sur les
convertisseurs au moyen de systemes optiques. Avec ces systemes, le
rendement de conversion peut etre encore augmente. Une consideration
du cout de chacun des elements d'un systeme de conversion montre que
l'utilisation d'elements de concentration de la lumiere permet la mise
en oeuvre de convertisseurs photovoltargues plus couteux, mais que des
limites economiques sont cependant imposees au. systeme de
concentration.En outre, lorsque la concentration de la lumiere
arrivant au convertisseur devient plus intense, il faut dissiper
l'echauffement resultant de la lumiere concentree, car le rendement de
certains convertisseurs chute lorsque leur temperature augmente.
Une etude des considerations indiquees ci-dessus permet de voir que,
avec l'utilisation de systemes de concentration permettant de diminuer
le cout de la conversion d'energie en augmentant le rendement de cette
conversion, il est possible de transferer le point important afin de
le faire passer du cout de la cellule du convertisseur au rendement de
la cellule. Par consequent, si le rendement de la cellule peut etre
eleve suffisamment, un systeme de concentration peut produire de
l'electricite a meilleur marche que la meme surface d'un reseau de
prix inferieur.
Ces observations conduisent a considerer des piles ou cellules
solaires a jonctions multiples empilees, a haut rendement, reagissant
chacune a une bande d'energie differente du rayonnement solaire et
equipees chacune d'un element destine a concentrer l'energie et a agir
sur la cellule afin qu'elle suive la source d'energie.
Des cellules photovoltaiques a couches multiples ont ete essayees
comme moyen de conversion de l'energie solaire en energie electrique.
Une forme d'une telle cellule est decrite dans le brevet des
Etats-Unis d'Amerique N0 4 017 332. Ce brevet suggere l'utilisation
d'une cellule multicouches composee d'empilages de cellules a
heterojonction. A la difference du brevet precite, la presente
invention a trait a une cellule photovoltalque multicouche composee
d'empilages de cellules a homojonction.
On a egalement suggere, pour les cellules photo voltalques a couches
multiples de l'art anterieur, de realiser des couches successives en
matieres semiconductrices reagissant a differentes bandes d'energie
interdites comme decrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amerique NO 4
017 332. Dans la cellule selon l'invention, on choisit plusieurs
couches de maniere qu'elles reagissent a des bandes d'energie
interdites differentes, toutes sensiblement au meme niveau de courant,
en evitant particulierement la bande interdite d'energie lumineuse
affectee par des variations d'humidite et de la masse d'air.
Des cellules photovoltaiques multicouches anterieures ont ete
realisees sur des substrats dont les reseaux ont ete accordes sur les
couches semiconductrices de la cellule et ces substrats ont ete
developpes avec des jonctions separees afin de participer a la
conversion de la cellule globale, comme decrit egalement dans le
brevet des Etats-Unis d'Am.erique N0 4 017 332. Dans la cellule
decrite dans le present memoire, il est propose un substrat
relativement bon marche dont le reseau est specifiquement accorde avec
les couches semiconductrices et est specifiquement concu sans jonction
interne afin d'eliminer toute sensibilite de la cellule a la
fluctuation dans l'absorption infrarouge dans le spectre solaire sous
l'effet des bandes de vibrations OH associees a la vapeur d'water.La
cellule solaire proposee par l'invention est donc moins sensible aux
variations d'humidite et de masse d'air.
Dans une publication anterieure de Lewis M.
Fraas et R. C. Knechtli, a l'occasion de la treizieme
Conference des specialistes des techniques photovoltaiques de
l'institut des ingenieurs electriciens et electroniciens ("IEEE", 5-8
juin 197Q, Washington, D. C.) il est decrit une cellule photovoltalque
multicouche ayant des rendements de l'ordre souhaite. La cellule
photovoltaique decrite dans la presente demande se distingue de celles
decrites jusqu'a present par l'absence particuliere d'une jonction
dans le substrat et par la production supplementaire de couches dont
le reseau est accorde sur le substrat et qui contiennent des
homojonctions pour produire la conversion electrique souhaitee avec le
rendement souhaite.
L'idee d'obtenir des rendements de conversion d'energie tres eleves
par l'empilage optique de cellules solaires ayant des bandes d'energie
differentes est connue. il existe cependant une motivation croissante
pour prendre en consideration la fabrication d'un tel empilage de
cellules solaires de facon monolithique sur une tranche unique. Cette
motivation resulte des applications spatiales, car une tranche ou un
support unique est plus leger qu'un empilage de plusieurs supports,
ainsi que d'applications terrestres utilisant des systemes de
concentration, car un seul support est susceptible d'etre moins
couteux, plus simple et plus facile a refroidir qu'un empilage de
plusieurs supports. Cependant, des limitations importantes
s'appliquent a la conception et a la fabrication d'une telle cellule
solaire a jonctions multiples, empilage monolithique et haut
rendement.Deux des limitations affectant la conception sont qu'il
faut, en premier lieu, que les matieres semi-conductrices differentes
constituant l'empilage aient leurs reseaux pratiquement accordes afin
que l'integrite cristalline puisse etre maintenue et, en second lieu,
si les jonctions photo sensibles doivent etre connectees en serie, que
les bandes interdites soient telles que le courant resultant de la
lumiere soit reparti a peu pres egalement entre les jonctions
multiples. Un probleme corollaire se pose pour la realisation de la
connexion en serie souhaitee entre les jonctions actives sans pertes
de tensions inacceptables aux jonctions inactives dans les structures
empilees a considerer.
Conformement a ce qui precede, l'invention concerne une cellule
photovoltaique a jonctions multiples comprenant des couches de indium
phosphide et de gallium et d'anyiiUre d'indium et de gallium portees
par un substrat de germanium. Les couches successives comprennent des
jonctions situees dans des bandes d'adsorption differentes, alors que
le substrat et les couches successives ont leurs reseaux accordes a
moins de + 1 percent de variation.
Avec un element de concentration et des contacts, la cellule constitue
un moyen efficace pour convertir l'energie solaire en energie
electrique.
L'invention a pour objet principal une cellule photovoltalque efficace
a jonctions multiples destinee a convertir l'energie solaire en
energie electrique.
L'invention a egalement pour objet une cellule photovoltalque
multicouche pouvant etre produite a partir de materiaux disponibles.
L'invention sera decrite plus en detail en regard des dessins annexes
a titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels
- la figure 1 est une elevation schematique partielle d'une cellule a
deux jonctions selon l'invention en regard de laquelle sont indiquees
les limites des bandes de conduction LBC ' et de valence LBV;
- la figure 2 est une elevation schematique partielle d'une cellule a
trois jonctions selon l'invention en regard de laquelle sont egalement
indiquees les limites des bandes de conduction et de valence;
- la figure 3 est un graphique donnant le courant en fonction de la
tension de plusieurs cellules photovoltafques;;
- la figure 4 est un graphique donnant le rendement des cellules
solaires en fonction du nombre de cellules empilees
- la figure 5 est un graphique donnant l'dclaire- ment energetique
spectral du soleil en fonction de la longueur d'onde et de l'energie
des photons; et
- la figure 6 est un schema d'une chambre de croissance pour la
fabrication des cellules photovoltaiques selon l'invention.
Quelques definitions de termes utilises dans le present memoire seront
a present donnees.
Dope
Un semiconducteur peut transporter un courant au moyen de porteurs
charges positivement ou de porteurs charges negativement. Ces porteurs
sont introduits dans le semiconducteur au moyen de traces d'impuretes
chimiques appelees dopes. Si les dopes apportent au semiconducteur des
porteurs de charges negatives, ils sont consideres comme dopant le
semiconducteur au type n. Si les dopes introduisent des porteurs de
charges positives, ils sont consideres comme dopant le semiconducteur
au type p. Lorsque le semiconducteur est fortement dope avec des
concentrations elevees de charges negatives, rendant le semiconducteur
semimetallique, il est dope n+.
De facon similaire, des densites elevees de porteurs de charges
positives dopent un semiconducteur p+. Un dope se distingue d'un
element chimique principal formant le semiconducteur par le fait qu'il
est present a less than 1 percent dans la composition atomique et par
le fait qu'il ajoute des porteurs de charges au semiconducteur.
Jonction
Une jonction dans un dispositif semiconducteur est une region plane
sur un premier cote de laquelle les porteurs sont charges positivement
et sur l'autre cote de laquelle les porteurs sont charges
negativement.
Homojonction
Une homojonction est une jonction pour laquelle la matiere
semiconductrice est la meme ou homogene de part et d'autre de cette
jonction. En d'autres termes, la seule difference chimique entre les
deux cotes de la jonction est le choix des dopes presents a l'etat de
traces. Les elements chimiques principaux formant le semiconducteur de
chaque cote de la jonction sont identiques.
Heterojonction
Une heterojonction est une jonction pour laquelle les matieres
semiconductrices situees de part et d'autre de la jonction different
non seulement par le type des porteurs, mais egalement par les
compositions des elements principaux. La composition chimique de part
et d'autre de la jonction est heterogene. En d'autres termes, le
semiconducteur a porteurs charges positivement est sensiblement
different, du point de vue chimique, du semiconducteur a porteurs
charges negativement. Parfois, il peut se produire un certain
processus d'alliage lors de la formation d'une heterojonction, de
sorte que le changement de type de porteurs ne coincide pas exactement
avec l'interface heterogene. Cependant, dans le present memoire, une
telle jonction reste consideree comme une heterojonction.
Energie de bande interdite
Un semiconducteur absorbe de la lumiere avec des energies de photons
superieures a une certaine energie et il transmet la lumiere avec des
energies de photons inferieures a cette energie.
L'energie pour declencher l'absorption est appelee l'energie de bande
interdite du semiconducteur. Des modifications de la composition
chimique du semiconducteur conduisent a des modifications de cette
energie de bande interdite.
Accord de reseau
Les atomes d'un cristal sont separes par certains intervalles et des
angles relatifs. Les sites sur lesquels se trouvent les atomes forment
un reseau cristallin. Il est possible, dans certains cas, de modifier
les atomes en passant d'une matiere a une autre sans changer
notablement le reseau cristallin. Par exemple, un cristal AlAs possede
le meme reseau cristallin qu'un cristal GaAs.
On remplace simplement un atome Al par un atome Ga. Lorsque deux
cristaux possedent le mem#e reseau et lorsque les intervalles
atomiques sont les memes, il existe un bon accord de reseaux et on
peut faire croitre un cristal en prolongement de l'autre.
La figure 1 est une representation schematique en coupe d'une cellule
solaire photovoltaique multicouche selon l'invention. Les couches de
la cellule ne sont pas representees a l'echelle dans les directions
verticale et horizontale, hormis que, dans la dimension verticale, les
couches sont representees a leurs epaisseurs relatives a peu pres
exactes. Comme represente, un substrat il de germanium recoit une
surface 12 de contact sur un premier cote et est relie, par son autre
cote, a une premiere cellule semiconductrice 13. Le substrat de
germanium est de preference un substrat a un seul element, monocris-
tallin, ayant une structure cristalline dont le reseau est capable
d'etre accorde sur celui d'une matiere semiconductrice Ga0188In0,12As
sensible a la bande de la lumiere visible ou proche visible.Le
substrat ne contient pas de jonction photosensible, mais on le fait
croitre volontairement sous la forme d'un cristal de germanium en
raison de la structure du reseau qui permet l'accord avec la premiere
couche d'une cellule multicouche capable de produire un courant
engendre par la lumiere, dans une plage pouvant etre distribuee de
maniere souhaitable parmi d'autres couches d'une cellule multicouche.
La cellule 13 est de preference realisee en gallium, indium, et
arsenic, ayant la composition Ga0,88In0112As et une bande interdite de
0,2 aJ. Une jonction 14 est representee dans la-premiere couche 13.
Le reseau de la premiere cellule 13 est accorde sur celui du substrat
et est capable d'absorber la lumiere visible ou proche visible, avec
des energies de photons superieures a la valeur preferee de 0,196 aJ,
et capables de generer un courant compatible avec la distribution
souhaitee a l'interieur de la cellule multicouche.
Une seconde cellule 15 est representee en contact avec la premiere
cellule 13. La cellule 15 est de preference realisee en gallium,
indium et phosphorus, avec la composition Ga0,43In0,57P et une bande
interdite de 0,28 aJ.
Le reseau de la seconde cellule 15 est accorde sur celui de la
premiere cellule et est capable d'absorber la lumiere visible ou
proche visible avec des energies de photons superieures a la valeur
preferee de 0,28 aJ, et il est egalement capable de generer un courant
compatible avec la distribution souhaitee a l'interieur de la cellule
multicouche.
Une couche conductrice et transparente 16 d'indium oxide et d'tin ou
d'antimony oxide et d'tin est deposee sur l'autre surface de la
seconde cellule 15. Les compositions d'indium oxide et d'tin et
d'antimony oxide et d'tin sont des melanges de deux oxydes, a savoir
l'indium oxide (In203) et l'tin oxide (SnO2) dans la premiere
composition, et l'antimony oxide (SbO2) et l'tin oxide dans la seconde
composition. Ces melanges peuvent etre constitues de toute proportion
des deux oxydes, mais ils comprennent en general de 80 a 90 moles
percent d'indium oxide dans la premiere composition et de 10 a 30
moles percent d'antimony oxide dans la seconde composition. Ces
compositions sont indiquees classiquement par les formules chimiques
In2O3/SnO2 ou SnO/SbO2.
Un ou plusieurs contacts 17 sont fixes a la surface exterieure de la
couche 16. Des fils 18 et 19 conducteurs du courant electrique sont
relies aux contacts 12 et 17, respectivement. Un revetement
superficiel exterieur antireflechissant et transparent 20 est applique
sur la couche 16 de surface et sur les contacts 17.
Comme represente sur la figure 1, un element 21 de concentration,
montre sous la forme d'une lentille convergente, est place au-dessus
de la cellule dans une position telle qu'il concentre la lumiere
provenant d'une source 22, representee dans ce cas sous la forme du
soleil.
La figure 2 represente une cellule multicouche similaire dans laquelle
trois couches 31, 32 et 33 sont assemblees entre le substrat 11 et la
couche conductrice 16. Ces trois couches ont, dans leurs formes
preferees, les compositions suivantes couche 31: Ga0,88In0,12As avec
bande interdite de 0,2 aJ, couche 32: Ga0,69 In0,31As0,5P0,5 avec
bande interdite de 0,24 aJ couche 33: Tn0,5Ga0,5P avec bande interdite
de 0,296 aJ.
Dans la cellule multicouche de la figure 2, le substrat est de
preference un element unique de germanium monocristallin ayant une
structure de reseau capable d'etre accordee sur le reseau
Ga0,8-8In0112As, mais il ne contient pas de jonction et il ne reagit
donc pas aux photons l'atteignant ou le traversant. La structure en
reseau du substrat de germanium le rend particulierement adapte a la
realisation de la cellule a trois couches ayant les compositions
indiquees ci-dessus, par le fait, a la fois, que l'accord souhaite des
reseaux cristallins peut etre obtenu au moyen de la cellule a trois
couches et que le courant photo-electrique souhaite se repartit de
facon a peu pres egale entre les jonctions multiples, permettant une
connexion en serie de ces jonctions.
Les couches sont de preference deposees sur le substrat 11 par des
procedes de depot en phase vapeur d'une matiere chimique organique sur
metal de maniere a former une couche ayant l'epaisseur et la
composition souhaitees.
La cellule a trois jonctions de la figure 2 presente un rendement de
conversion de l'energie solaire superieur a celui de la cellule a deux
jonctions de la figure 1 (voir figure 4). Une cellule a trois couches
presente un rendement theorique de conversion de 50 percent a une
concentration de 1000 soleils, tandis que la cellule a deux couches
presente un rendement theorique de 44 percent a une concentration de
1000 soleils.
Bien que la cellule a trois jonctions ressemble a la cellule de la
figure 1, elle en differe par le fait que les compositions de la
deuxieme couche 32 de jonction et de la troisieme couche 33 de
jonction sont inedites.
Ces couches sont choisies de maniere a contenir In, Ga,
As et P afin que le meme dispositif de depot en phase vapeur de
matiere chimique organique sur metal puisse etre utilise dans une
sequence a une seule operation pour la preparation soit du dispositif
de la figure 1, soit du dispositif de la figure 2. Les compositions
sont choisies de facon specifique afin que l'on observe un accord de
reseaux dans la tolerance de 1 percent pour les trois couches. En
outre, les positions des bandes interdites determinees par les
compositions permettent la generation de courants egaux dans les trois
couches.Cette exigence de courants egaux entraine le decalage
apparemment faible, mais tres sensible, des compositions pour passer
de In0,57Ga0,43P dans la couche 15 (figure 1) a In0,5Ga0,5P dans la
couche 33 (figure 2). Si ce decalage n'est pas respecte, une chute
d'environ 10 percent affecte le rendement de la cellule a trois
couches.
La composition de la deuxieme couche 32 montree sur la figure 2, a
savoir Ga016gIn0131As015POIgr ne resulte pas d'une modification de
l'une ou l'autre des couches de la figure 1 et elle est donc inedite
par rapport aux compositions de la cellule de la figure 1. Cette
composition resulte d'une prise en consideration de donnees concernant
les bandes interdites et l'espacement des reseaux cristallins pour le
systeme metallurgique quaternaire InGaAsP, ainsi que de la prise en
consideration des demandes en courant des cellules solaires, comme
decrit precedemment.
Un procede prefere pour realiser la cellule a deux ou trois couches
selon l'invention consiste a partir d'un substrat monocristallin, par
exemple une tranche de germanium. Le substrat constitue par la tranche
de germanium ne contient pas, de preference, de jonction
photosensible, tout d'abord parce qu'un substrat possedant une
jonction est beaucoup plus couteux a realiser, car la purete de la
tranche de germanium comportant une jonction photosensible
fonctionnelle est de l'ordre de 1 ppm ou moins, tandis que la tranche
ne comportant pas de jonction n'exige un controle de purete que de
1000 ppm ou moins, et ensuite parce qu'une jonction se trouvant dans
la tranche de germanium reagirait a la bande de longueurs d'onde de la
lumiere la plus affectee par les fluctuations de l'humidite et de la
masse d'air.Un autre avantage du substrat de germanium est qu'il
constitue un semiconducteur elementaire, comme le silicon, et qu'il
est possible de le faire croitre sous la forme d'un ruban, ce qui
contribue a en diminuer le cout. En outre, le reseau du germanium est
accorde avec les reseaux des couches 13 et 15 ou 31, 32 et 33
indiquees ci-dessus, a less than 1 percent, et il doit donc permettre
au rendement de la cellule selon l'invention d'approcher davantage de
la limite theorique.
Dans la forme preferee de la cellule decrite dans le present memoire,
la couche de germanium constituant le substrat a une epaisseur
comprise entre 200 et 300 micrometres, et de preference egale a 250
micrometres.
La limite inferieure de l'epaisseur est determinee a la fois par les
conditions de fonctionnement qui etablissent les caracteristiques de
conduction du substrat et par la resistance physique du substrat dans
sa fonction de base de la cellule multicouche. La limite superieure de
la dimension du substrat depend principalement de raisons economiques,
car la fabrication de substrats plus epais est plus couteuse et
demande un plus grand volume de materiau couteux.
Il est propose une methode de croissance qui permet des depositions
successives de couches d'alliage III-V sur de grandes surfaces de
substrats. Ce type de deposition est connu et decrit dans le brevet
des Etats
Unis d'Amerique NO 4 128 733. La figure 6 montre une chambre de
croissance mettant en oeuvre une telle methode appelee
depoten#iasevapeursous basse pression d'une matiere chimique organique
sur mutai (MO-CVD). Selon cite methode, on introduit du
gallium-trialkyl ou de l'indium-trialkyl ou un melange de ces
substances ainsi que de la phosphine ou de l'arsine ou un melange de
ces substances, dans une chambre a pyrolyse. Ces composes reagissent
sur le substrat de germanium pour former les alliages demandes
InGaAs ou InGaP.Un exemple de la reaction est
(l-x) Ga(C2H5)3 + x In(C2H5)3 + AsH3
600 C Ga (1-x) InxAs + sous-produits dan#s laquelle x a une valeur
superieure a O et inferieure a 1.
Le produit est un film semiconducteur depose sur le substrat de
germanium.
Le semiconducteur est dope au type p par addition de vapeurs de
zinc-dialkyl, de cadmium-dialkyl ou de beryllium -dialkyl et de
trimethylamine, et au type n par l'addition de vapeurs d'hydrogen
sulfide, d'tin tetralkyle ou de tellurure d'utelluride dialkyl. On
fait croitre les unes d la suite des autres toutes les couches
d'alliage III-V ayant la composition predeterminee, au moyen d'un
regulateur de debit de gaz programmable.
Dans la fabrication de la cellule de la figure 1, il est propose
d'empiler des cellules a homojonctions et reseaux accordes en placant
des jonctions tunnel de court-circuit aux interfaces. A partir d'un
substrat de germanium contenant un dope de type p+, la couche suivante
de la cellule est formee par depot epitaxial d'une couche de type p+
d'arseniure de gallium et d'indium ayant de preference une composition
d'alliage Ga0,881n0,12As.
Pendant le deroulement du depot de cette couche semiconductrice, la
concentration du dope est reduite pour produire une couche de type p-
et le dope est finalement change pour produire une jonction p/n et une
transition vers une couche de type n-. La poursuite de l'operation de
deposition accroit l'epaisseur de la premiere couche et une partie de
finition est deposee avec une concentration de dope telle que l'on
obtient une couche n+ a la limite de la premiere couche.
Une seconde couche semiconductrice est ensuite appliquee par depot
epitaxial sur la surface exterieure de la premiere couche,
initialement avec un dope et a une concentration de dope tels que l'on
obtient une couche p+ a l'interface. La seconde couche semiconductrice
est constituee de indium phosphide et de gallium ayant une composition
d'alliage preferee In Ga P Pendant la deposition de cette couche
semiconductrice, la concentration du dope est reduite pour produire
une couche de type p- et, finalement, le dope est change pour que l'on
obtienne une jonction p/n et une transition vers une couche de type
n-.La poursuite de la deposition accrolt l'epaisseur de la seconde
couche avec une transition de la composition de dopage telle que l'on
obtient une couche n+ a la limite de la seconde couche.
Une couche conductrice exterieure est ensuite deposee sur la surface
exterieure de la seconde couche pour achever la cellule photovoltalque
a deux couches.
La couche conductrice peut egalement etre un revetement
antireflechissant. La couche conductrice est constituee de preference
d'une composition d'alliage d'indium oxide et d'tin (In203/SnO2),
designee classiquement par l'abreviation ITO.
Pour achever la cellule photovoltaique, deux conducteurs sont fixes
chacun a une surface exterieure du substrat et aux couches ITO.
Lors de la fabrication de la cellule de la figure 2, le substrat est
produit comme decrit pour la cellule de la figure 1, puis la premiere
couche de la composition Ga0,88In0112As a reseau accorde est appliquee
par depot epitaxial, suivie de la deuxieme couche de
Ga01691n0,31As015P015, puis de la troisieme couche de
In 015Ga0,5P et enfin de la couche conductrice exterieure avec
revetement antireflechissant. Dans cette cellule a trois couches, la
composition de chacune des couches est dosee afin que l'on obtienne
l'accord de reseaux souhaite tout en developpant sensiblement le meme
courant photo-electrique sous tension nulle pour produire une cellule
solaire photovoltaTque a jonctions multiples et haut rendement.Chaque
couche contient une homojonction p/n photosensible et une
heterojonction tunnel de courtcircuit, ces jonctions etant formees
avec les couches situees immediatement au-dessus et au-dessous de
ladite couche.
Il convient de noter que les jonctions formees dans la cellule
photovoltaique sont des homojonctions et que les couches empilees ont
leurs reseaux accordes.
En outre, des jonctions tunnel sont formees aux interfaces entre les
cellules. Ce procede de fabrication permet d'obtenir des jonctions
tunnel plus efficaces. Etant donne que l'amplitude des courants de
tunnel a travers une barriere depend de la hauteur de la barriere
ainsi que de la largeur de la barriere, la mise en place d'une
jonction tunnel a une interface ou heteroface donne une hauteur de
barriere egale a celle de la matiere ayant la bande interdite la plus
basse et constituant l'interface.
Dans la cellule voltaique multicouche decrite ci-dessus, la premiere
couche presente une bande interdite de 0,2 aJ et la seconde couche
presente une bande interdite de 0,28 aJ. Dans la forme de realisation
a homojonction decrite dans le present memoire, la hauteur de la
barriere tunnel est de 0,2 aJ.
Dans la forme preferee de realisation decrite dans le present memoire,
l'epaisseur de chacune des couches semiconductrices deposees est
comprise entre 2 et 6 micrometres et elle est de preference egale a
environ 4 micrometres. La couche de jonction tunnel fortement dopee,
situee sur le cote a bande interdite basse de la cellule a
homojonction, doit etre assez mince pour ne pas absorber une quantite
appreciable de lumiere, c'est-a-dire doit avoir une epaisseur
inferieure a 100 nm. Ce critere n'est pas difficile a satisfaire, car
la longueur d'absorption est juste superieure, mais proche de la bande
interdite d'un semiconducteur, c'est h-dire la zone interessante pour
une cellule a jonctions multiples. Cette couche doit egalement avoir
une epaisseur suffisante pour ne pas s'appauvrir completement,
c'est-adire une epaisseur superieure a 10 nm.
La figure 6 represente une forme d'appareil permettant de deposer les
couches de la cellule photovoltalque selon l'invention. L'appareil est
represente sous la forme schematique d'un systeme de depot pyrolytique
en phase vapeur d'une matiere chimique. Le systeme comprend une
chambre 61 delimitee globalement par des lignes pointillees 60. Le
vide est fait dans la chambre par une pompe 62. Une plaque 63 de
support de substrat est montee a l'interieur de la chambre, a
proximite d'un element chauffant 64.
Ce dernier est alimente par une source 65 d'energie et par
l'intermediaire d'un dispositif 66 de commande. Un thermocouple 67
detecte la temperature regnant a l'interieur de la chambre 61.
Des matieres organiques metalliques sous forme gazeuse arrivent a la
chambre 61 par un conduit 68 d'entree. Un second conduit 69 d'entree
introduit dans la chambre 61 des hydrides sous forme gazeuse. Les
divers gaz reagissent a la temperature et a la pression regnant dans
la chambre pour deposer la composition d'alliage semiconducteur
souhaite, avec le type de dope souhaite, afin de produire la
croissance epitaxiale d'une cellule photovoltarque a reseaux accordes.
Un procede de depot en phase vapeur d'une matiere chimique est decrit
dans le brevet des
Etats-Unis d'Amerique NO 4 128 733 precite ainsi que dans l'ouvrage
"Journal of Vacuum Science Technology", vol. 15, NO 1, janvier/fevrier
1978, pages 119-122.
Apres que les couches successives de la cellule photovoltalque
multicouche ont ete deposees, une couche transparente de matiere
conductrice est deposee. Une forme preferee de matiere pour la couche
conductrice transparente est l'indium oxide et d'tin, bien que
d'autres matieres en combinaison telles que de l'antimony oxide et
d'tin peuvent etre deposees pourvu que soient satisfaites les
conditions de conductivite et de transparence de la couche a l'energie
lumineuse arrivant aux couches actives de la cellule.
La couche conductrice transparente de la cellule multicouche a une
epaisseur comprise de preference entre 0,2 et 2,0 micrometres, une
epaisseur d'environ 1 micrometre etant tres souhaitable. La limite
inferieure de l'epaisseur de la couche conductrice exterieure est
determinee par ses caracteristiques de fonctionnement, tandis que la
limite superieure est basee sur les questions des couts des matieres
et du depot.
Dans une forme preferee, un revetement superficiel exterieur
transparent et antireflechissant 20 est applique sur la couche
conductrice. Cette couche antireflechissante reduit les pertes dues a
la reflexion de l'energie lumineuse et elle accroit donc le rendement
de la cellule. La matiere utilisee pour ce revetement est choisie
parmi les composes tels que le silicon monoxide, l'tantalum oxide ou
l'titanium oxide.
Le reseau de chaque couche de la cellule multicouche est accorde avec
celui de la couche voisine, avec une variation constante maximale de
reseau de + 1,0 percent.
Cet accord ou adaptation est important, car une adaptation faible ou
inexistante des reseaux entraine une degradation de la cristallinite
du systeme de la cellule et conduit a la formation d'une structure
ayant une forte dislocations de cristaux et, dans le pire des cas,
conduit meme a la formation de limites de grains.
Ces dislocations deviennent ensuite des sites pour une recombinaison
des porteurs de charges engendres par la lumiere, ce qui reduit
l'amplitude du courant produit.
Ces dislocations etablissent egalement des circuits de derivation du
courant qui reduisent davantage les tensions a circuit ouvert.
L'adaptation ou accord des reseaux est obtenue par le choix approprie
de la composition et des quantites relatives des matieres entrant dans
les differentes couches. Le procede de croissance, avec un reglage
special de la temperature, est egalement important pour la formation
de couches monocristallines de haute qualite.
Les couches de la cellule multicouche preferee deposees sur le
substrat de germanium, ont toutes leurs reseaux accordes sur la
constante de reseau du germanium de 0,566 nm, a + 1,0 percent.
Le graphique de la figure 3, qui donne le courant en fonction de la
tension, illustre le comportement de plusieurs cellules
photovoltaiques differentes. Les courbes indiquent a une extremite la
tension maximale produite pour un courant sensiblement nul et, a
l'autre extremite, le courant maximal sous une tension sensiblement
nulle ou en "court-circuit". Le point de fonctionnement prefere d'une
cellule unique telle que la cellule A est le point de puissance
maximale ou le point de la courbe caracteristique ou la droite 41 du
courant et la droite 42 de la tension ont leurs valeurs maximales,
comme c'est le cas au point 43. Dans la cellule multicouche decrite
dans le present memoire, l'interconnexion en serie exige que chacune
des couches separees produise sensiblement le meme courant.Il resulte
de cette contrainte que la conception optimale d'une cellule a
jonctions multiples, ayant un rendement maximal, exige que les
cellules de l'empilage produisent sensiblement les memes courants de
court-circuit. La figure 3 illustre ce point a l'aide des courbes
caracteristiques des cellules A, B et C.
Conformement a ce qui precede, une cellule multicouche, comprenant une
cellule ayant la courbe caracteristique A et une cellule ayant la
courbe caracteristique B, travaille en serie, de facon additive, a un
niveau de courant auquel les deux courbes se coupent en 44. De la meme
facon, des cellules ayant les courbes caracteristiques B et C sont le
plus efficaces au niveau de courant auquel les courbes sont a la meme
valeur de courant, comme c'est le cas au point 45. Sur cette figure,
la cellule a jonctions multiples, composee des cellules B et C,
depasse sensiblement une cellule composee des cellules A et B / voir
"Solar Energy", vol. 22, page 383 (1979)/.
La figure 4 montre les limites de l1accroisse- ment du nombre de
cellules d'une cellule multicouche pour augmenter le rendement. Sur
cette figure, le rendement est indique en ordonnees et le nombre de
cellules en abscisses. Dans l'ouvrage "Thirteenth IEEE Photovoltaic
Specialists Conference - 1978", page 868 A. Bennett et
L. L. Olsen decrivent une methode de calcul indiquant un rendement
maximal d'environ 60 percent pour 1000 soleils avec 6 jonctions
actives dans la cellule multicouche.
Avec la cellule multicouche selon l'invention, il est prevu qu'une
structure multicouche, renfermant deux jonctions, l'une a 0,288 aJ
dans InGaP et l'autre a 0,192 aJ dans GaInAs, possede un rendement
theorique d'environ 40 percent et, du fait que les couches de Ge,
GaInAs et InGaP ont leurs reseaux accordes a less than 1 percent, il
est possible de prevoir un rendement approchant, en pratique, la
limite theorique.
La figure 5 est un graphique donnant l'eclairement energetique
spectral du soleil, en ordonnees, en fonction de la longueur d'onde et
de l'energie des photons, indiquees en abscisses, la bande spectrale
solaire englobant les longueurs d'onde de la bande visible jusqu'a la
bande infrarouge. Dans la cellule photovoltalque selon l'invention, il
est preferable de faire fonctionner les cellules individuelles aux
longueurs d'onde ou le spectre de la lumiere du soleil offre l'energie
maximale. Le spectre des longueurs d'onde du rayonnement solaire
s'etend d'environ 0,3 a environ 2,5 micrometres, avec un maximum a
environ 0,45 micrometre. L'energie des photons de la lumiere du soleil
est comprise entre 0,64 et 0,104 aJ, avec une energie maximale a 0,4
aJ. Le graphique de la figure 5 correspond a une masse d'air de 1
representant l'eclairement energetique spectral avec le soleil au
zenith.
Les elements entrant dans les diverses couches des figures 1 et 2 se
trouvent tous dans les colonnes
IIIA et VA du Tableau Periodique et sont d'une utilisation preferee
selon l'invention. Cependant, d'autres matieres semiconductrices
peuvent etre utilisees selon l'invention.
Par exemple, des composes formes d'elements des colonnes
IIB et VIA tels que CdS et CdTe peuvent etre utilises des composes
IB-IIIA-VIA tels que CuInS ou des variantes de ces composes, dans
lesquelles, par exemple, Se est substitue a S ou Ga a In, peuvent
egalement etre utilises des composes IIB--IVA-VA tels que ZnSnP
peuvent egalement etre utilises. De plus, d'autres composes IIIA-VA
peuvent etre utilises a la place des composes IIIA-VA preferes et
decrits precedemment.
Sur la figure 6, on indique en ArE des ailettes refroidies par water,
en BT des boucliers thermiques, en
AGR un analyseur de gaz residuel, en T.M. une liaison avec un
thermocouple et un manometre et en JI une jauge a ionisation.
Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent etre apportees a
la cellule decrite et representee sans sortir du cadre de l'invention.
Claims
_________________________________________________________________
REVENDICATIONS
1. Cellule solaire photovoitaique a jonctions multiples et haut
rendement, destinee a etre utilisee avec un element (21) de
concentration de la lumiere et caracterisee en ce qu'elle comporte un
substrat (11) constitue d'un seul element monocristallin ne comportant
pas de jonction interieure sensible a l'energie solaire, le reseau de
ce substrat pouvant etre accorde, a moins de + 1 percent, sur celui
d'une matiere semiconductrice Ga0,881n0,12As qui est sensible a la
bande spectrale solaire, la cellule comportant egalement une premiere
couche homogene (31) de matiere semiconductrice deposee sur le
substrat, dont le reseau est accorde sur celui de ce dernier et ayant
sensiblement la composition Ga0,881n0,12As avec une bande interdite de
0,2 aJ, cette couche absorbant l'energie du spectre solaire a une
premiere longueur d'onde, une deuxieme couche homogene (32 greater
than de matiere semiconductrice deposee sur la premiere couche, dont
le reseau est accorde sur celui de cette premiere couche homogene et
ayant sensiblement la composition Ga0,691n0,31As0,5P0,5 avec une bande
interdite de 0,24 aJ, cette deuxieme couche absorbant l'energie du
spectre solaire a une deuxieme longueur d'onde, une troisieme couche
homogene (33) de matiere semiconductrice deposee sur la deuxieme
couche, dont le reseau est accorde sur celui de cette deuxieme couche
et ayant sensiblement la composition 1n0,5Ga0,5P, avec une bande
interdite de 0,296 aJ, cette troisieme couche absorbant l'energie du
spectre solaire a une troisieme longueur d'onde, les premiere,
deuxieme et troisieme couches ayant chacune la meme constante de
reseau que le substrat monocristallin, a moins de + 1 percent, les
premiere, deuxieme et troisieme couches contenant chacune une
homojonction p/n sensible a l'energie solaire et chaque couche
realisant une heterojonction de court-circuit a effet tunnel avec la
couche situee immediatement au-dessus d'elle et avec la couche situee
au-dessous d'elle, les premiere, deuxieme et troisieme couches
produisant sensiblement le meme courant, sous tension nulle, engendre
par l'energie solaire, que les autres couches.
2. Cellule solaire photovoltaique selon la revendication 1,
caracterisee en ce que la couche du substrat est en germanium.
3. Cellule solaire photovoltaique selon la revendication 1,
caracterisee en ce qu'elle comporte en outre une couche superficielle
exterieure (16) en indium oxide et d'tin, deposee sur la derniere
couche semiconductrice deposee.
4. Cellule solaire photovoltaique selon la revendication 1,
caracterisee en ce que la couche de substrat a une epaisseur comprise
entre 200 et 300 micrometres.
5. Cellule solaire photovoltalque selon la revendication 1,
caracterisee en ce que la couche du substrat a une epaisseur d'environ
250 micrometres.
6. Cellule solaire photovoltafque selon la revendication 1,
caracterisee en ce que chacune des couches semiconductrices deposees a
une epaisseur comprise entre 2 et 6 micrometres.
7. Cellule solaire photovoltaique selon la revendication 1,
caracterisee en ce que chacune des couches semiconductrices deposees a
une epaisseur d'environ 4 micrometres.
8. Cellule solaire photovoltalque selon la revendication 3,
caracterisee en ce que la couche superficielle exterieure a une
epaisseur comprise entre 0,2 et 2,0 micrometres.
9. Cellule solaire photovoltarque selon la revendication 3,
caracterisee en ce que la couche superfidielle exterieure a une
epaisseur d'environ 1 micrometre.
10. Cellule solaire photovoltalque selon la revendication 1,
caracterisee en ce que la variation maximale constante de reseau entre
couches, a partir de 0,566 nm, est de + 1,0 percent.
? ?
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