FR2471613A1 - Revetement anti-reflechissant d'oxyde d'yttrium pour cellules solaires - Google Patents
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Abstract
CELLULE PHOTOVOLTAIQUE CARACTERISEE PAR LE FAIT QU'ELLE COMPREND UN CORPS DE MATERIAU HOTE OU SUBSTRAT POSSEDANT UNE SURFACE PRINCIPALE CONCUE POUR RECEVOIR L'IMPACT DE LA LUMIERE SUR ELLE ET CONVERTIR L'ENERGIE LUMINEUSE EN ENERGIE ELECTRIQUE, ET UN REVETEMENT ANTI-REFLECHISSANT SUR LADITE SURFACE, LEDIT REVETEMENT CONTENANT DE L'OXYDE D'YTTRIUM.
Description
-l- 2471613 La présente invention concerne de manière générale la
technique des cellules solaires ou photovoltalques.Elle concerne plus particulièrement des revêtements anti-réfléchissants pour de
telles cellules.
Les cellules photovoltaïques sont des dispositifs semi- conducteurs bien connus pour transformer l'énergie lumineuse en énergie électrique utile. Bien que les structures particulières des cellules et les compositions chimiques du matériau hôte ou substrat puissent varier, on utilise actuellement par exemple une cellule solaire comprenant une plaquette ou tranche relativement mince de silicium monocristallin possédant des surfaces principales opposées qui sont habituellement sensiblement planes. La plaquette a été dopée ou imprégnée dans tout son volume d'une impureté d'un type de conductivité, par exemple d'une impureté de type n ou de type p. Une jonction est formée en diffusant dans la plaquette une impureté de type de conductivité opposé à celui de l'impureté à l'aide de
laquelle la plaquette a été précedemment dopée.
A titre d'exemple, si la plaquette a été dopée au bore, la plaquette de silicium est de type p.La diffusion ultérieure réalise une plaquette possédant une jonction pn près de l'une de
ses surfaces.Avec une telle jonction, l'énergie rayonnante, habi-
tuellement sous forme de lumière, est absorbée par le silicium et -
génère des paires electron-trou qui comprennent des electrons char-
gés négativement et-des trous chargés positivement.Les electrons
sont attirés vers le silicium de typen.Les trous chargés positive-
ment vont vers le silicium de type p.Des conducteurs sont placés
sur des cotés opposés de la plaquette, ces conducteurs ayant géné-
ralement la forme de grilles métalliques placées sur la surface de
la cellule exposée à la lumière, et un contact métallique est réa-
lisé sur l'autre surface, arrière, de la plaquette.En conséquence, on engendre une tension, et du courant électrique circule, de telle
sorte que l'on a créé un dispositif photovoltaïque.
Le rendement des dispositifs photovoltaïques ainsi formés,
c'est-à-dire l'énergie de sortie du dispositif, mesurée en pourcen-
tage de l'énergie d'entrée dépend de nombreux facteurs.Un critère important pour l'obtention d'une énergie de sortie maximale est qu'il y ait une.absorbtion maximale de l'énergie lumineuse quelle soient les conditions d'éclairement disponibles.En d'autres termes il n'est pas possible d'obtenir une sortie d'énergie électrique satisfaisante si une partie importante de la lumière disponible ne pénètre pas dans la cellule solaire mais au contraire est réfléchie depuis la
surface de réception de la lumière de la cellule.
L'entrée de lumière dans un dispositif semi-conducteur est limitée par la différence entre les indices de réfraction du
milieu depuis lequel la lumière pénètre dans la cellule et du ma-
tériau de silicium semi-cristallin lui-même.L'indice de réfraction d'une plaquette de silicium est d'environ 4,0.Lorsque la lumière pénètre dans la plaquette de silicium directement depuis l'air elle
circule dans un milieu dont l'indice de réfraction est 1.En consé-
quence, du fait de la différence entre les indices, environ 35% de
lalumière incidente est réfléchie à l'écart de la cellule de sili-
cium plutôt que d'être absorbée par elle.
Généralement une cellule solaire n'est pas utilisée sans revêtement d'une surface principale conçue pour recevoir l'impact de la lumière sur elle. La cellule est habituellement recouverte par une lame de quartz pour minimiser l'endommagement protonique;
lorsque la cellule est utilisée sur terre on lui applique habituel-
lement un revêtement, sur la surface de réception de lumière, pour
protéger la cellule de l'environnement terrestre.L'indice de ré-
fraction des verres, et autres matériaux d'encapsulation convention-
nels tels que le caoutchouc au silicone est d'ordinaire d'environ 1,3 à 1, 5.Lorsqu'une cellule solaire au silicium nue est revêtue de verre ou d'un adhésif possédant un indice-de réfraction compris
entre environ 1,3 et 1,5 la réflexion de la lumière depuis la cel-
lule est réduite du fait qu'un tel revêtement fournit un indice de
réfraction intermédiaire entre l'indice élevé du silicium et l'in-
dice égal à l'unité de l'air.Cependant il est hautement souhaitable de réaliser un revêtement anti-réfléchissant sur la surface de la
cellule qui doit être exposée à la lumière.
Des recherches ont été menées, en particulier dans le domaine des cellules solaires destinées à être utilisées dans des applications de technologie spatiale.Ainsi le brevet U.S 3.533.850
décrit des cellules solaires destinées à être utilisées dans l'es-
pace, et dans lesquelles un couvercle de quartz est normalement
placé sur le revêtement anti-réfléchissant pour protéger la cellu-
le des rayonnements dangereux, ce document décrivant des matériaux spécifiques pour réaliser un tel revêtement.Il indique ainsi de manière particulière, dans l'ordre, le dioxyde de titane, l'oxyde de tantale, l'oxyde de cerium, le sulfure de zinc et l'oxyde d'étain
comme étant des matériaux susceptibles de fournir l'indice de ré-
-3-
fraction nécessaire sans nuire au fonctionnement de la cellule so-
laire. Des recherches récentes dans les domaines des revêtements
anti-réfléchissants ont tout d'abord été orientées vers l'utilisa-
tion comme revêtement anti-réfléchissant d'oxyde de tantale, comme
décrit par exemple dans les brevets U.S. 3.922.774 et 4.156.522.
Des travaux ont été également conduits eh ce qui concerne l'utili-
sation pour cet usage d'oxyde de niobium, comme indiqué dans le
brevet U.S3.977.905.Toutefois il ne semble pas qu'il y ait de mo-
yen directeur grâce auquel on puisse déterminer si un oxyde spéci-
fique d'un métal spécifique ou un autre matériau est un bon revête-
ment anti-réfléchissant pour une cellule solaire.Ainsi, alors que
le tantale et le niobium sont dans le groupe V du tableau périodi--
que des éléments, le titane et l'étain sont des métaux du groupe
IV et le zinc est un métal du groupe II.
La présente invention repose sur la découverte qu'un com-
posé totalement différent, l'oxyde d'yttrium, est un bon revêtement antiréfléchissant pour une cellule solaire.L'élément-yttrium est un métal du groupe III possédant le numéro atomique 39 et une masse
20. atomique de 88,905.L'oxyde d'yttrium Y2 %3 est actuellement disponi-
ble dans le commerce.Bien que la disponibilité de l'yttrium se soit
accrue dans une large mesure du fait de son utilisation comme ma-
trice pour des phosphores yttrium activé à l'europium utilisés pour
l'industrie de la télévision, Y2 03 est disponible en quantité suf-
fisante pour rendre son prix compétitif et son utilisation comme revêtement anti-réfléchissant pour des cellules photovoltaiques à
la fois efficace et pratique.
L'oxyde d'yttrium peut être déposé sur la surface de ré-
ception de lumière d'une cellule photovoltalque, c'est-à-dire la
surface de la cellule qui est proche de la jonction pn de la cellu-
le par l'un quelconque parmi plusieurs procédés possibles.Le procé-
dé actuellement préféré est le-dépôt par l'intermédiaire de l'éva-
poration d'un faisceau d'électrons à l'aide d'un dispositif conven-
tionnel et par des techniques bien connues des spécialistes.
Bien que l'épaisseur de la couche de Y2 03 déposée puisse varier, l'épaisseur préférée est égale à un quart de la longueur d'onde de la lumière la plus utile, soit entre 550 et 650 A, de
préférence d'environ 600 A.Ainsi déposé le Y2 03 généralement stoe-
chiométrique est transparent à la lumière visible, particulièrement à ses courtes longueurs d'ondes et possède un indice de réfraction
-4- -72471613
d'environ 2,2 à-2,3.
Le matériau hôte ou substrat préféré pour une cellule photovoltalque est le silicium monocristallin, bien que ce que l'on a désigné sous le terme de silicium semi-cristallin, c'est-à-dire un corps de silicium formé de grains de silicium d'au moins envi- ron 1 mm de diamètre et possédant des impuretés concentrées aux limites de grains, devienne rapidement non seulement aussi utile mais bien plus économique en terme de coût par unité énergétique produite.On préfère également utiliser une cellule np dans laquelle la jonction photovoltalque sépare une couche relativement mince de silicium de type n et une couche relativement épaisse de silicium
de type p, la couche de silicium de type n se terminant à une sur-
face principale frontale de la plaquette, cette surface étant adap-
tée à recevoir l'impact de la lumière sur elle.
De préférence on utilise un revêtement anti-réfléchissant
constitué entièrement de Y2 O3, bien qu'il apparaisse que des re-
vêtements formés en partie de Y2 O3 et comprenant également par ex-
emple du Ta2 O5 soient également utilisables.Ainsi des revêtements peuvent comprendre un mélange de pentoxyde de tantale et d'oxyde d'yttrium et ils peuvent également être constitués de couches de
différents oxydes, par exemple une couche d'oxyde d'yttrium recou-
vrant directement la surface de la cellule et une couche de pento-
xyde de tantale recouvrant la couche d'oxyde d'yttrium.Une couche de dioxyde de titane peut être substituée à la couche de pentoxyde
de tantale.
Bien que comme on l'a actuellement déterminé, le meilleur
mode pour appliquer de l'oxyde d'yttrium comme revêtement anti-ré-
fléchissant sur la surface de réception de la lumière d'une cellu-
le photovoltaique soit de déposer directement, par exemple au moyen de l'évaporation d'un faisceau d'électrons, l'oxyde peut être formé après dépôt d'une autre forme d'yttrium sur la surface de réception de lumière de la cellule.Ainsi de l'yttrium élémentaire peut être déposé sur la surface et, après dépôt, être oxydé en Y2 031 ou bien
un mélange d'yttrium et d'oxyde d'yttrium peut être déposé puis o-
xydé.pour former de l'oxyde d'yttrium dans sa totalité.Pour ce der-
nier type de formation on peut se référer au brevet U.S. 4.156.622 qui décrit un exemple d'une telle oxydation ultérieure à l'aide d'un
mélange de tantale élémentaire et de pentoxydé de tantale, ce docu-
ment décrivant les avantages d'un tel procédé de dépôt-oxydation.
Il doit être clair pour l'homme de l'art que des variantes -5- et des modifications peuvent être apportées au mode de réalisation préféré décrit ci-dessus sans sortir du cadre ni de l'esprit de l'invention.Ainsi d'autres techniques peuvent être utilisées pour appliquer Y2 03 et différentes profondeurs de couches peuvent être
réalisées en fonction des conditions d'utilisation spécifique.Tou-
tefois Y2 03 représente une alternative nouvelle et non évidente
aux revêtements anti-réfléchissants antérieurement connus.
-6-
Claims (10)
1. Cellule photovoltaique caractérisée par le fait qu'elle comprend un corps de matériau hôte ou substrat possédant une surface principale conçue pour recevoir l'impact de la lumière sur elle et
convertir l'énergie lumineuse en énergie électrique, et un revête-
ment anti-réfléchissant sur ladite surface, ledit revêtement conte-
nant de l'oxyde d'yttrium.
2. Cellule photovoltalque selon la revendication 1 carac-
térisée par le fait que l'épaisseur dudit revêtement anti-réfléchisr-
sant est comprise entre environ 550 et 650 A.
3. Cellule photovoltaique selon l'une quelconque des re-
vendications 1 et 2 caractérisée par le fait que l'épaisseur dudit revêtement anti-réfléchissant est d'environ 600 A.
4. Cellule photovoltaique selon l'une quelconque des re-
vendications précédentes caractérisée par le fait que ledit revête-
ment anti-réfléchissant est entièrement constitué d'oxyde d'yttrium.
5. Cellule photovoltalque selon l'une quelconque des re-
vendications précédentes caractérisée par le fait que le matériau substrat est du silicium monocristallin
6. Cellule photovoltalque selon l'une quelconque des re-
vendications 1 à 4 caractérisée par le fait que ledit matériau substrat est du silicium semi-cristallin
7. Cellule photovoltaique selon l'une quelconque des re-
vendications 1 à 3 caractérisée par le fait que ledit revêtement
contient également du pentoxyde de tantale.
8. Cellule photovoltaique selon l'une quelconque des re-
vendications précédentes caractérisée par le fait que ledit revête-
ment est recouvert par un autre revêtement anti-réfléchissant con-
tenant du pentoxyde de tantale.
9. Cellule photovoltaique selon l'une quelconque des re-
vendications précédentes caractérisée par le fait que ledit revête-
ment est formé par dépôt d'yttrium élémentaire sur ladite surface
et oxydation ultérieure dudit yttrium.
10. Cellule photovoltaique selon l'une quelconque des re-
vendications 1 à 8 caractérisée par le fait que ledit revêtement est formé par dépôt d'un mélange d'yttrlum élémentaire et d'oxyde
d'yttrium sur ladite surface et par oxydation ultérieure dudit mé-
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