FR2488448A1 - Photopile solaire - Google Patents
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Abstract
DANS UNE PHOTOPILE SOLAIRE, ENTRE DES COUCHES SEMI-CONDUCTRICES 2, 4 A BANDES INTERDITES DE HAUTEUR FAIBLE ET ELEVEE, EST PREVUE UNE COUCHE SEMI-CONDUCTRICE INTERMEDIAIRE 3 DE MEME TYPE DE CONDUCTIVITE QUE CELUI DE LA COUCHE 4. DES CONTACTS 8 DE PRISE DE COURANT, SITUES DANS DES RAINURES 7 DE LA SURFACE IRRADIEE 5 SONT PLUS PROFONDS QUE L'EPAISSEUR DE LA COUCHE 4 ET LA LARGEUR DE LA BANDE INTERDITE DU MATERIAU DE LA COUCHE 3 EST MINIMALE A L'INTERFACE DE CELLE-CI ET DE LA COUCHE 4 ET INFERIEURE A LA LARGEUR MAXIMALE DE LA BANDE INTERDITE DU MATERIAU DE LA COUCHE 4 D'UNE VALEUR EGALE A AU MOINS 3KT (K CONSTANTE DE BOLTZMANN ET T TEMPERATURE DE FONCTIONNEMENT DE LA PHOTOPILE) ET SUPERIEURE A LA LARGEUR DE LA BANDE INTERDITE DU MATERIAU DE LA COUCHE 3.
Description
Photopile solaire.
La présente invention a pour objet les dispositifs à semi-conducteur et, notamment, les photopiles solaires. L'invention peut être utilisée dans des centrales électriques solaires et surtout, de façon avantageuse, dans celles qui travaillent avec un rayonnement solaire concentré.
On connait une photopile solaire (voir la revue "Fizika i tekhnika polouprovodinkov", t. 4, fasc. 12, 1970, pp. 2378-2379) dans laquelle il est déposé, sur un substrat en arséniure de gallium qui est un semiconducteur à bande interdite de faible hauteur; une couche de semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée, à savoir une solution solide d'aluminium-gallium-arsenic. La photopile est éclairée à travers la couche de solution solide mentionnée. Sur la surface irradiée de la photopile sont disposés des contacts de prise de courant.
Dans cette photopile, grâce à la formation d'une "fenêtre" à bande interdite de hauteur élevée pour la lumière solaire, on obtient une photosensibilité élevée à la lumière ayant une énergie de photons comprise dans l'intervalle allant de la largeur de la bande interdite de l'arseniure de gallium (1,4 eV) jusqu'à la largeur de la bande interdite de la solution solide (2,1 à 2,2 eV). Cette photopile est cependant peu sensible aux ondes courtes (le vert et le bleu) du rayonnement solaire à cause de l'absorption desdites ondes courtes dans la couche semi-conductrice à bande interdite de hauteur élevée.Cela trouve son explication dans le fait que les paires électron-trou créées à la surface de la couche de semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée par la partie de courte longueur d'onde du rayonnement solaire ne participent pas à la création. d'un courant photo-électrique à cause d'une grande vitesse de recombinaison de surface, ce qui amène à une diminution-du rendement de la photopile.
On connait une autre photopile (voir la revue "Fizika i tekhnika polouprovodnikov", T. 12, fasc. 12, 1978, pp. 285-292) comportant des couches semi-conductrices à bande interdite de faible hauteur et à bande interdite de hauteur élevée de types de conductivité opposés, déposées sur la surface irradiée de la photopile. La couche de semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée est formée de sorte que la largeur de la bande interdite augmente graduellement en direction de la surface irradiée de la photopile.Dans cette photopile, grâce à la formation de champs électriques par le gradient de largeur de la bande interdite du semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée, on a obtenu une augmentation du taux de collection de porteurs de courant créés dans le volume et à la surface de la couche de semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée par la partie de courte longueur d'onde du rayonnement solaire si ladite couche est assez mince, ce qui augmente le rendement de la photopile lorsqu'elle travaille avec un rayonnement solaire non concentré. Cependant, cette photopile a un rendement peu élevé lorsqu'elle fonctionne avec un rayonnement solaire concentré, en raison d'une grande résistance longitudinale de la couche mince semi-conductrice à bande interdite de hauteur élevée.
Il est donc impossible dans cette photopile d'augmenter sa photosensibilité aux ondes courtes du rayonnement solaire et d'assurer en même temps une faible résistance longitudinale du fait que la couche de semiconducteur à bande interdite de hauteur élevée détermine, d'une part, la résistance longitudinale de la photopile et, d'autre part, sert de "fenêtre" à bande interdite de hauteur élevée pour laisser passer la lumière solaire vers la jonction p-n.Cela se traduit par une faible valeur du rendement en cas de conversion du rayonnement solaire concentré
L'invention a pour but de concevoir une photopile solaire ayant une structure telle que la couche semiconductrice à bande interdite de hauteur élevée n'influence pas la valeur de la résistance longitudinale, ce qui permet d'obtenir une faible résistance longitudinale de la photopile et en même temps une sensibilité élevée au spectre entier du rayonnement solaire et, par conséquent, d'augmenter le rendement lorsque la photopile travaille avec un rayonnement solaire concentré.
L'invention a pour but de concevoir une photopile solaire ayant une structure telle que la couche semiconductrice à bande interdite de hauteur élevée n'influence pas la valeur de la résistance longitudinale, ce qui permet d'obtenir une faible résistance longitudinale de la photopile et en même temps une sensibilité élevée au spectre entier du rayonnement solaire et, par conséquent, d'augmenter le rendement lorsque la photopile travaille avec un rayonnement solaire concentré.
Le problème posé est résolu par le fait qu'une photopile solaire comportant des couches semi-conductrices à bande interdite de faible hauteur et à bande interdite de hauteur élevée, de types de conductivité opposés, déposées sur un substrat, et des contacts de prise de courant disposés sur la surface irradiée de ladite photopile, selon l'invention, comprend en outre une couche intermédiaire semi-conductrice de composition variable de même type de conductivité que celui du semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée, déposée entre la couche de semi-conducteur à bande interdite de faible hauteur et la couche de semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée, les contacts de prise de courant étant disposés dans des rainures ayant une profondeur plus grande que l'épaisseur de la couche de semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée, la largeur de la bande interdite du semi-conducteur de la couche intermédiaire étant minimale à l'interface entre celle-ci et la couche de semiconducteur à bande interdite de hauteur élevée, cette largeur minimale étant moindre que la largeur maximale de la bande interdite du semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée d'une valeur égale à au moins 3KT, où K est la constante de Boltzmann et T est la température de travail de la photopile, et plus grande que la largeur de la bande interdite du semi-conducteur à bande interdite de faible hauteur, la couche intermédiaire étant transparente au rayonnement ayant une énergie égale à la valeur minimale de la largeur de sa bande interdite et l'épaisseur de la couche semiconductrice à bande interdite de hauteur élevée ne dépassant pas la longueur du déplacement par diffusion des porteurs de courant minoritaires dans cette couche.
La photopile de l'invention comporte deux régions indépendantes d'un même type de-conductivité, constituées par la couche intermédiaire et la couche de. semiconducteur à bande interdite à hauteur élevée, la première étant destinée à garantir la valeur requise de la résistance longitudinale de la photopile et la seconde à assurer la sensibilité de cette dernière à la totalité du spectre du rayonnement solaire. La réalisation de la couche intermédiaire ayant une valeur minimale de la largeur de la bande interdite à l'interface avec le semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée diminue les pertes dues à l'absorption entre-bandes du rayonnement de recombinaison créé dans la couche intermédiaire par la lumière, ce qui permet d'augmenter l'é- paisseur de la couche intermédiaire et de diminuer ainsi la résistance longitudinale de la photopile.
Le rapport indiqué ci-dessus entre la largeur minimale de la bande interdite du semi-conducteur de la couche intermédiaire, d'une part, et les valeurs de bandes interdites des semi-conducteurs à bandes interdites de faible hauteur et de hauteur élevée, d'autre part, assure l'absorption totale du rayonnement de recombinaison, créé dans la couche intermédiaire, par la couche de semi-conducteur à bande interdite de faible hauteur et, par conséquent, un ramassage complet des paires électron-trou par le champ de la jonction p-n et l'exclusion des déperditions de lumière par recom binaison de surface.
De plus, la réalisation des contacts de prise de courant dans des rainures atteignant la couche intermédiaire permet d'affaiblir la résistance de contact de la photopile qui est, comme on le sait, une source supplémentaire de pertes de porteurs de courant lors de l'augmentation de l'intensité du rayonnement solaire.
Tout cela contribue à l'accroissement du rendement de la photopile lorsqu'elle fonctionne à partir d'un rayonnement solaire concentré.
Dans le cas où la couche de semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée est réalisée de telle sorte que la largeur de la bande interdite augmente graduellement en direction de la surface irradiée de la photopile, il est souhaitable que la couche intermédiaire soit réalisée de façon que la largeur de la bande interdite diminue graduellement à partir de la couche de semi-conducteur à bande interdite de faible hauteur de la bande interdite en direction de la couche de semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée et que la largeur minimale de la bande interdite du semiconducteur de la couche intermédiaire soit égale à la largeur minimale de la bande interdite du semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée.
Une telle répartition de la largeur de la bande interdite dans la couche intermédiaire et dans la couche de semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée assure l'obtention de paramètres réticulaires semblables des semi-conducteurs de ces couches à leur interface et une variation graduelle des paramètres réticulaires suivant l'épaisseur de chacune de ces couches, ce qui accroit encore le rendement de la photopile.
Selon une variante de réalisation de l'invention, la couche intermédiaire comporte des régions attenantes au substrat qui divisent la couche de semi-conducteur à bande interdite de faible hauteur en tronçons indépendants, alors que les rainures mentionnées sont disposées juste au-dessus des extrémités desdits tronçons de la couche de semi-conducteur à bande interdite de faible hauteur, lesquelles extrémités adhèrent d'un des côtés auxdites régions de la couche intermédiaire, la profondeur des rainures étant supérieure à la somme des épaisseurs de la couche de semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée et de la couche intermédiaire d'une valeur dépassant l'épaisseur des contacts et le substrat étant réalisé en un matériau à résisti vité excédant 105Q cm.cim.
Selon une autre variante de réalisation de l'invention, les rainures ont une profondeur moindre que la somme des épaisseurs de la couche de semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée et de la couche intermédiaire ; la photopile comporte des rainures supplémentaires réalisées sur la surface irradiée entre les rainures citées précédemment et ne se croisant pas avec celles-ci, la profondeur des rainures supplémentaires étant plus grande que la somme des épaisseurs de toutes les couches de semi-conducteurs de la photopile, ainsi que des contacts supplémentaires de prise de courant situés sur la couche de semi-conducteur à bande interdite de faible hauteur et disposés dans les rainures supplémentaires, chaque contact supplémentaire de prise de courant étant électriquement relié au plus proche des contacts de prise de courant disposés sur la surface irradiée et le substrat étant constitué par un 5 matériau à résistivité dépassant 1055t cm.
Ces deux solutions permettent d'accroltre la tension de fonctionnement de la photopile.
Dans ce qui suit, l'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation, dans laquelle on fait référence aux des sins annexés sur lesquels
- la figure 1 représente une photopile solaire réalisée selon l'invention ;
- la figure 2 illustre la répartition de la largeur de la bande interdite en fonction de l'épaisseur de la photopile montrée à la figure 1
- la figure 3 montre un autre mode de réalisation d'une photopile conforme à l'invention , et
- la figure 4 représente encore un autre mode de réalisation d'une photopile conforme à l'invention.
- la figure 1 représente une photopile solaire réalisée selon l'invention ;
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- la figure 3 montre un autre mode de réalisation d'une photopile conforme à l'invention , et
- la figure 4 représente encore un autre mode de réalisation d'une photopile conforme à l'invention.
La photopile solaire selon l'invention présente une structure semi-conductrice composée d'un substrat 1 (figure 1) sur lequel sont déposées une couche 2 de semi-conducteur à bande interdite de faible hauteur, une couche intermédiaire 3 de semi-conducteur et une couche 4 de semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée, le type de conductivité du semi-conducteur à bande interdite de faible hauteur étant opposé à celui du semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée. La surface de la couche 4 de semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée constitue la surface irradiée 5 de la photopile.La couche intermédiaire 3, de même type de conductivité que celui du semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée, est disposée entre lesdites couches 2 et 4 de semi-conducteur à bande interdite de faible hauteur et de hauteur élevée, respectivement, ce qui a pour effet que les résistances longitudinales de la couche 2 et de la couche 4 sont en parallèle et que la résistance longitudinale totale de la photopile est inférieure à la résistance longitudinale d'une quelconque de ces couches.
L'interface entre la couche 2 de semi-conducteur à bande interdite de faible hauteur et la couche intermédiaire 3 forme une jonction p-n 6.
La couche intermédiaire 3 est constituée par un matériau semi-conducteur de composition variable, par exemple des solutions solides à base de semi-conducteurs élémentaires ou de composés de semi-conducteurs.
De plus, le matériau de la couche intermédiaire 3, ainsi que son épaisseur, sont shoisis de telle sorte que ladite couche 3 soit transparente au rayonnement possédant une énergie égale à la valeur minimale de la largeur de sa bande interdite. Cela permet d'exclure les pertes du rayonnement de recombinaison engendré dans la couche intermédiaire 3 par la partie de courte longueur d'onde du rayonnement solaire, pertes qui sont dues à l'absorption par les porteurs de courant libres dans ladite couche 3.
Pour réduire la perte de porteurs de courant créés tant dans le volume de la couche 4 de semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée qu'au voisinage de la surface de cette dernière et pour localiser efficacement les paires électron-trou prenant naissance dans la couche intermédiaire 3, l'épaisseur de la couche 4 de semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée ne doit pas dépasser la longueur de déplacement par diffusion des porteurs de courant minoritaires dans le semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée.
Pour affaiblir la résistance de contact de la photopile, sa surface irradiée 5 est munie de rainures 7 dans lesquelles se trouvent des contacts 8 de prise de courant, la profondeur des rainures 7 étant plus grande que l'épaisseur de la couche 4 à bande interdite de hauteur élevée. Dans le mode de réalisation de l'invention illustrée à la figure 1, la profondeur des rainures 7 est telle que les contacts 8 de prise de courant qui se trouvent au fond de ces rainures 7 ne servent de contacts que pour la couche intermédiaire 3.
Le nombre de contacts 8 de prise de courant (et, par conséquent, celui de rainures 7) dans la photopile est déterminé par l'exigence d'obtenir une faible ré sistance longitudinale, l'espace entre les contacts étant choisi dans les limites de 0,2 à 1 mm.
Bien que sur la figure 1, les rainures 7 soient de section rectangulaire, cela n'est pas obligatoire, la section transversale des rainures 7 pouvant être de forme quelconque.
Des contacts 9 de prise de courant disposés sur la face arrière de la photopile assure le prélèvement du courant de l'autre côté de la jonction p-n 6.
La répartition de la largeur E de la bande interdite suivant l'épaisseur "d" de la photopile réalisée selon l'invention est illustrée à la figure 2, les traits continus et pointillés correspondant aux divers modes de réalisation de la structure semi-conductrice de la photopile. Pour qu'il soit plus facile d'établir la relation entre les figures 1 et 2, les épaisseurs des couches de la photopile et les différentes largeurs
E de bande interdite sont indiquées sur la figure 2 par les mêmes chiffres de référence 1, 2, 3, 4 qui désignent les couches respectives montrées à la figure 1.
E de bande interdite sont indiquées sur la figure 2 par les mêmes chiffres de référence 1, 2, 3, 4 qui désignent les couches respectives montrées à la figure 1.
Comme on le voit sur la figure 2, la largeur de la bande interdite du semi-conducteur de la couche intermédiaire 3 possède une valeur minimale E3 à l'interface entre celle-ci et la couche 4 de semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée, ladite valeur E3 étant plus grande que la largeur E2 de la bande interdite du semi-conducteur à bande interdite de faible hauteur (couche 2) et plus petite que la largeur maximale E4 de la bande interdite du semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée louche 4). La différence entre la largeur maximale E4 de la bande interdite du semiconducteur à bande interdite de hauteur élevée et la largeur minimale E3 de la bande interdite du semi-conducteur de la couche intermédiaire 3 est égale ou supérieure à la valeur de 3KT, où K est la constante de
Boltzmann et T la température de travail de la photo pile.Cela permet de réduire au minimum les pertes dues aux transitions thermiques des porteurs de courant de la couche intermédiaire 3 à la surface irradiée 5 (figure 1) de la photopile. En effet, du fait que, lors de l'augmentation de l'énergie des porteurs de courant, leur concentration décret selon un loi exponentielle, moins de 5 % seulement des porteurs de courant peuvent atteindre la surface irradiée 5 de la photopile lorsque la valeur de la barrière de poten- tiel dépasse 3KT.
Boltzmann et T la température de travail de la photo pile.Cela permet de réduire au minimum les pertes dues aux transitions thermiques des porteurs de courant de la couche intermédiaire 3 à la surface irradiée 5 (figure 1) de la photopile. En effet, du fait que, lors de l'augmentation de l'énergie des porteurs de courant, leur concentration décret selon un loi exponentielle, moins de 5 % seulement des porteurs de courant peuvent atteindre la surface irradiée 5 de la photopile lorsque la valeur de la barrière de poten- tiel dépasse 3KT.
Selon une des variantes de réalisation de l'invention, la couche intermédiaire 3 est réalisée de telle sorte que la largeur de sa bande interdite déchoit graduellement à partir de la couche 2 de semi-conducteur à bande interdite à faible hauteur en direction de la couche 4 de semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée, comme le montre le trait continu 10 sur la figure 2, tandis que la largeur de la bande interdite de la couche 4 de semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée augmente graduellement depuis la couche intermédiaire 3 vers la surface irradiée 5 (figure 1) comme le montre le trait continu 11 de la même figure 2, la largeur minimale E3 de la bande interdite de la couche intermédiaire 3 étant égale à la largeur minimale de la bande interdite de la couche 4 de semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée.Une telle répartition de la largeur de la bande interdite dans les couches 3 et 4 est optimale du point de vue d'obtention du rendement maximal de la photopile.
Dans cette structure, il n'y a pas de sauts brusques de la largeur de bande interdite et, donc, pas de changement brusque de composition. En conséquence, sont absents des défauts supplémentaires dûs à la différence entre les paramètres réticulaires des semi-conducteurs de différentes compositions et à la différence entre les coefficients de dilatation thermique de ces semi conducteurs. La variation graduelle de la largeur de la bande interdite dans la couche 4 de semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée assure un accroissement de la longueur efficace du déplacement par diffusion des porteurs de courant et diminue les deperditions de lumière par recombinaison de surface.
La variation de la largeur de la bande interdite dans les couches 3 et 4 peut être tout aussi bien telle que montrée par les traits pointillés de la figure 2.
La couche intermédiaire 3 est constituée par deux régions. La première, attenante à la couche 2 de semiconducteur à bande interdite de faible hauteur, pre- sente soit une largeur invariable, soit une largeur peu variable de la bande interdite, qui est désignée sur la figure 2 en 12, alors que la seconde région, adjacente à la couche 4 de semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée, a une largeur 13 de la bande interdite moindre que celle de la première région.
Quant à la largeur de la bande interdite du semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée, elle peut varier soit selon le trait continu 11, soit selon les traits pointillés 14 et 15, soit d'une façon intermédiaire quelconque, pourvu que la largeur maximale E4 de la bande interdite du semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée soit plus grande que la valeur minimale E3 de la bande interdite du semi-conducteur de la couche intermédiaire 3 d'une valeur égale à au moins 3KT.
La largeur de la bande interdite du substrat 1 peut être absolument quelconque et être répartie de n'importe quelle façon, par exemple etre-égale à la largeur E2 de la bande interdite du semi-conducteur à bande interdite de faible hauteur comme le montre le trait continu 16 sur la figure 2, plus grande que E2 (le trait pointillé 17) ou plus petite que E2 (le trait pointillé 18).
La largeur de la bande interdite du semi-conducteur à bande interdite de faible hauteur (couche 2) est choisie de façon à obtenir le plus haut coefficient de conversion du rayonnement solaire et va de 1,0 à 1,8 eV.
La figure 3 illustre une autre variante de réalisation de la photopile selon l'invention. Dans cette variante, la couche intérmédiaire 3 comporte des régions 19 qui traversent la couche de semi-conducteur à bande interdite de faible hauteur et sont en contact avec le substrat 1. Lesdites régions 19 divisent la couche 2 de semi-conducteur à bande interdite de faible hauteur en tronçons isolés 20. Pour atteindre le plus haut rendement de la photopile, la largeur de toutes les régions 19 est la même, tout comme les tronçons 20 ont tous une meme largeur.Pour isoler électriquement lesdits tronçons 20 l'un de l'autre, le substrat-l est réalisé en un matériau possédant une résistivité supérieure à 105SLcm. Les rainures 7, dont le nombre est égal à celui de régions 19 de la couche intermédiaire 3 attenantes au substrat 1 et, donc, au nombre de tron çons 20 du semi-conducteur à bande interdite de faible hauteur, sont disposées juste au-dessus des interfaces 21 entre les tronçons 20 du semi-conducteur à bande interdite de faible hauteur et les régions 19 de la couche intermédiaire 3 adjacentes de l'un des côtés auxdits tronçons 20, par exemple du côté gauche, comme le montre la figure 3. La profondeur des rainures 7 dépasse ici la somme des épaisseurs de la couche 4 de semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée et de la couche intermédiaire 3 d'une valeur plus grande que l'épaisseur des contacts 8 de prise de courant.
La couche intermédiaire 3, qui est coupée par les rainures 7, n'est donc plus une couche ininterrompue, de même que ne l'est tas la couche de semi-conducteur à bande interdite de faible hauteur.
Les contacts 8 disposés au fond des rainures 7 re lient électriquement les tronçons 20 de couche de semiconducteur à bande interdite à faible hauteur à la couche intermédiaire 3 à travers les régions 19 de cette dernière en assurant la connexion en série des cellules 22 de la photopile séparées par les régions 19 de la couche intermédiaire 3 et par les rainures 7. La tension prélevée sur la photopile est déterminée dans ce cas par le nombre de cellules 22 raccordées à une charge extérieure A l'opposé de la variante représentée à la figure 1, l'extraction du courant produit par la photopile représentée sur la figure 3 s'effectue seulement à partir des contacts 8.
Selon la variante de réalisation de l'invention représentée à la figure 4, il est prévu à la surface irradiée 5 de la photopile, outre les rainures 7, des rainures 23 qui ne se croisent pas avec les rainures 7, chaque rainure 23 étant disposée entre deux rainures 7 voisines. De même que les rainures 7, les rainures 23 peuvent avoir une section transversale autre que rectangulaire. La profondeur des rainures 7 est inférieure à la somme des épaisseurs de la couche 4 de semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée et de la couche intermédiaire 3, c'est-à-dire que les contacts 8, tout comme dans la photopile représentée à la figure 1, ne servent de contact que pour la couche intermédiaire 3.Quant à la profondeur des rainures 23, elle est plus grande que la somme des épaisseurs de toutes les couches 2, 3 et 4 de la photopile, de sorte que la structure de celle-ci se trouve divisée par les rainures 23 en cellules 22 indépendantes.
Sur les parois latérales des rainures 23 sont disposés des contacts 24 de prise de courant pour la couche semi-conductrice 2 à bande interdite de faible hauteur. Chaque contact 24 de prise de courant est relié électriquement au contact 8 situé au voisinage à l'aide d'un moyen de connexion 25, grâce à quoi toutes les cellules 22 séparées par les rainures 23 sont reliées électriquement en série.
Tout comme dans la variante précédente de réalisation de l'invention, le substrat 1 de la photopile réalisée selon la figure 4 est constitué par un matériau à résistivité supérieure à 105Jtem, ce qui assure l'isolement électrique des régions de la couche 2 de semiconducteur à bande interdite de faible hauteur qui forment les cellules 22. De plus, tout comme dans la variante précédente de réalisation de l'invention, on peut faire varier par bonds la tension de fonctionnement de la photopile illustrée à la figure 4 en branchant sur une charge un nombre différent de cellules 22. La différence entre les variantes représentées figure 3 et figure 4 consiste en ce que la technique de fabrication de la photopile représentée à la figure 4 est plus simple, bien qu'elle nécessite la soudure des moyens de connexion 25.
La photopile solaire selon l'invention fonctionne de la façon suivante.
La lumière solaire avec des photons à énergie comprise entre E2 et E3 (figure 2), parvenant sur la surface irradiée 5 (figure 1) de la photopile, atteint la couche 2 de semi-conducteur à bande conductrice de faible hauteur sans être absorbée et donne naissance dans ladite couche 2 à des paires électron-trou qui sont divisées par le champ de la jonction p-n 6 et créent un courant photo-électrique.
La lumière qui possède une énergie supérieure à
E3 (figure 2) est soit absorbée immédiatement à l'interface entre la couche intermédiaire 3 et la couche 4 de semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée, si ladite couche 4 est transparente à la totalité du spectre du rayonnement solaire, soit absorbée d'abord dans la couche 4, après quoi les paires électron-trou créées se diffusent ensuite vers l'interface entre les couches 3 et 4 qui se caractérise, comme le montre la figure 2, par la largeur minimale de la bande interite.Du fait que l'épaisseur de la couche 4 de semiconducteur à bande interdite de hauteur élevée est moindre que la longueur du déplacement par diffusion des porteurs de courant minoritaires, les porteurs de courant, créés dans la couche 4 de semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée par la lumière à énergie supérieure à sa largeur de bande interdite, réussissent à gagner l'interface entre les couches 3 et 4 sans recombinaison sensible, ce qui évite toute perte des porteurs de courant dans la couche 4.
E3 (figure 2) est soit absorbée immédiatement à l'interface entre la couche intermédiaire 3 et la couche 4 de semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée, si ladite couche 4 est transparente à la totalité du spectre du rayonnement solaire, soit absorbée d'abord dans la couche 4, après quoi les paires électron-trou créées se diffusent ensuite vers l'interface entre les couches 3 et 4 qui se caractérise, comme le montre la figure 2, par la largeur minimale de la bande interite.Du fait que l'épaisseur de la couche 4 de semiconducteur à bande interdite de hauteur élevée est moindre que la longueur du déplacement par diffusion des porteurs de courant minoritaires, les porteurs de courant, créés dans la couche 4 de semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée par la lumière à énergie supérieure à sa largeur de bande interdite, réussissent à gagner l'interface entre les couches 3 et 4 sans recombinaison sensible, ce qui évite toute perte des porteurs de courant dans la couche 4.
Les paires électron-trou, créées à l'interface entre la couche intermédiaire 3 et la couche 4 à bande interdite de hauteur élevée, se recombinent en émettant des photons ayant une énergie égale à E3 (figure 2). La distribution par direction des photons émis spontanément est isotrope et l'angle de réflexion totale à l'interface cristal/air est situé entre 150 et 200 pour tous les semi-conducteurs auxquels on prête de l'importance dans ce cas, c'est pourquoi plus de 98 % de photons réémis par la couche intermédiaire 3 sont absorbés dans la couche semi-conductrice 2 à bande interdite de faible hauteur et créent un courant photo-électrique.La perte de rayonnement de recombinaison est ici très faible du fait que l'épaisseur et le degré de dopage de la couche intermédiaire 3 sont choisis en partant de la condition d'obtention de la transparence de ladite couche 3 au rayonnement ayant une énergie égale à E3. Le seul type de perte de rayonnement de recombinaison à énergie E3 dans la couche intermédiaire 3 sont les pertes par absorption dues aux porteurs libres et, lorsque le coefficient de ces pertes est inférieur à 10 cl 1, l'épaisseur de la couche intermédiaire 3 peut être plus grande que AO 1 cm.
Le courant photo-électrique créé dans la zone de la jonction p-n 6 chemine de ladite jonction p-n 6 (figure 1) vers les contacts 8 de prise de courant à travers la couche intermédiaire 3 et est débité sur la charge utile (non représentée). Comme la couche intermédiaire 3 est constituée par un semi-conducteur, dont la largeur minimale de la bande interdite est moindre que la largeur de la bande interdite du semiconducteur à bande interdite de hauteur élevée et étant donné que la seule limitation en-ce qui concerne le dopage de la couche 3 et son- épaisseur est sa transparence à la lumière possédant une énergie égale à E3 (figure 2), la résistance électrique de ladite couche 3 peut être rendue suffisamment faible, ce qui permet d'abaisser la résistance longitudinale de la photopile et assure la conservation du facteur de remplissage de sa caractéristique en charge lorsque l'intensité de la lumière solaire se trouve entre 200 et 500 W/cm2, ce qui équivaut à un taux de concentration de la lumière solaire de 2 à 5 mille fois.
Ainsi, dans la structure de la photopile de l'invention a été réalisé un nouveau principe de conversion intermédiaire du rayonnement solaire en rayonnement luminescent (rayonnement de recombinaison). Cela permet d'assurer une faible résistance longitudinale en réalisant la couche intermédiaire 3 assez épaisse et fortement dopée. On peut obtenir en même temps une photosensibilité élevée au spectre entier du rayonnement solaire du fait que la couche semi-conductrice 4 à bande interdite de hauteur élevée peut être réalisée suffisamment mince pour diminuer dans ladite couche 4 tant les déperditions de lumière solaire que la perte des paires électron-trou créées. C'est ainsi que dans la photopile proposée, les fonctions de diminution de la résistance longitudinale et de formation de la fe nêtre à bande interdite de hauteur élevée sont divisées, si bien que la première fonction est accomplie par la couche intermédiaire 3 et la seconde par la couche semi conductrice 4 à bande interdite de hauteur élevée.
Les photopiles représentées sur les figures 3 et 4 fonctionnent de façon analogue, sauf que le courant photo-électrique traverse ici successivement les cellules 22. Plus précisément, dans la photopile réalisée selon la figure 3, le courant photo-électrique se propage à partir de la jonction p-n 6 à travers un tron çon 20 de semi-conducteur à bande interdite de faible hauteur et à travers le contact 8 de prise de courant adjacent à ce tronçon 20 vers la région 19 de la couche intermédiaire 3 de la cellule 22 voisine et ensuite à travers la jonction p-n 6 dans le tronçon 20 de semi-conducteur à bande interdite de faible hauteur de cette cellule vers le contact 8 suivant de prise de courant, et ainsi de suite.
Dans la photopile réalisée selon la figure 4, le courant photo-électrique circule de la jonction p-n 6 à travers la couche 3 de l'une des cellules 22 vers le contact 8 contigu et ensuite, en passant dans l'organe de connexion 25 et le contact 24, se propage dans les couches 2 et 3 de la cellule 22 suivant vers le contact 8 de prise de courant de ladite cellule 22, et ainsi de suite.
La photopile proposée a été réalisée à l'aide des matériaux suivants et possède les caractéristiques suivantes.
La couche intermédiaire et la couche de semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée sont constituées par des solutions solides d'aluminium-galliumarsenic, tandis que la couche de semi-conducteur à bande interdite de faible hauteur et le substrat sont réalisés en arséniure de gallium. La concentration en aluminium dans la couche de semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée est de l'ordre de 40 à 47 pourcentages atomiques
L'utilisation de ces matériaux a permis de réduire au minimum le nombre de défauts dans la structure de la photopile grâce à la coincidence des paramètres réticulaires de l'arséniure de gallium et des solutions solides d'aluminium-gallium-arsenic.De plus, l'utilisation de l'arséniure de gallium en tant que semi-conducteur à bande interdite de faible hauteur a assuré le rendement théorique maximal et un rendement expérimental record de la photopile.
L'utilisation de ces matériaux a permis de réduire au minimum le nombre de défauts dans la structure de la photopile grâce à la coincidence des paramètres réticulaires de l'arséniure de gallium et des solutions solides d'aluminium-gallium-arsenic.De plus, l'utilisation de l'arséniure de gallium en tant que semi-conducteur à bande interdite de faible hauteur a assuré le rendement théorique maximal et un rendement expérimental record de la photopile.
Grâce à la concentration indiquée en aluminium dans le semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée, on a atteint la transparence de cette couche pour la partie de courte longueur d'onde du rayonnement solaire pour une épaisseur de ladite couche comprise entre 0,1 et 0,3 microns. Une telle couche peut etre facilement élaborée par la technique actuelle de la croissance épitaxique. La limite supérieure de concentration d'aluminium dans le semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée, de l'ordre de 47 pour cent atomique, est nécessaire pour assurer la stabilité du matériau utilisé en milieu humide lorsque ladite couche est protégée par une pellicule d'oxyde anodique.
La partie de la couche intermédiaire ayant la largeur minimale de la bande interdite est constituée par la solution solide indiquée plus haut à structure de bandes directe avec un rendement quantique interne de recombinaison radiative allant de 90 à 99 %, grâce à quoi les pertes par recombinaison non radiative ont été réduites à moins de 10 %.
D'une façon typique, une photopile solaire réalisée à base de matériaux mentionnés avait un rendement de 20 à 25 % pour un rayonnement solaire à concentration de plus de 1000-fois. Le courant utile maximal 2 produit par une photopile de 1,0 cm de superficie était de l'ordre de 22 A pour une densité de la lumière solaire concentrée de 100 W/cm2 et une tension de fonctionnement comprise entre 0,97 et 1,02 V.
Dans un autre cas, la couche intermédiaire d'une photopile réaliséé à partir de matériaux indiqués cidessus avait une teneur en arséniure d'aluminium de 70 à 80 pour cent moléculaire et une épaisseur comprise entre 10 et 30 microns. Cela a permis d'obtenir la transparence de cette couche pour la lumière possédant une énergie de moins de 2,2 eV et une réduction des pertes par conversion intermédiaire du rayonnement solaire en radiation luminescente dans la partie spectrale en question. Cette photopile avait les mêmes paramètres que la photopile décrite précédemment et elle a conservé ces paramètres pour une augmentation de la température de fonctionnement jusqu'à 1000C, ce qui correspond au régime de travail des photopiles avec un rayonnement solaire concentré.
Claims (4)
1. Photopile solaire comportant un substrat (1) sur lequel sont déposées des couches (2) et (4) de semi-conducteurs à bandes interdites de faible hauteur et de hauteur élevée, respectivement, de types de conductivité opposés, et des contacts (8) de prise de courant disposés sur la surface irradiée (5) de ladite photopile, caractérisée en ce qu'elle comporte une couche intermédiaire (3) de semi-conducteur de composition variable disposée entre la couche (2) de semiconducteur à bande interdite de faible hauteur et la couche (4) de semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée et ayant le même type de conductivité que celui du semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée et que les contacts (8) de prise de courant sont disposés dans des rainures (7) plus profondes que l'épaisseur de la couche (4) de semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée, la largeur de la bande interdite du semi-conducteur de la couche intermédiaire (3) étant minimale à l'interface entre celle-ci et la couche (4) de semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée, laquelle largeur minimale est moindre que la largeur maximale de la bande interdite du semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée d'une valeur égale à au moins 3KT, où K est la constante de
Boltzmann et T la température de fonctionnement de la photopile, et plus grande que la largeur de la bande interdite du semi-conducteur à bande interdite de faible hauteur, la couche intermédiaire (3) étant transparente au rayonnement ayant une énergie égale à la valeur minimale de sa largeur de bande interdite et l'épaisseur de la couche (4) de semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée ne dépassant pas la longueur du déplacement par diffusion des porteurs de courant minoritaires dans cette couche (4).
2. Photopile solaire selon la revendication 1, dans laquelle la couche (4) de semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée est réalisée avec augmentation graduelle de la largeur de la bande interdite en direction de la surface irradiée (5) de ladite photopile, caractérisée en ce que la largeur de la bande interdite de la couche intermédiaire (3) diminue graduellement à partir de la couche (2) de semi-conducteur à bande interdite de faible hauteur en direction de la couche (4) de semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée, la largeur minimale de la bande interdite du semi-conducteur de la couche intermédiaire (3) étant égale à la largeur minimale de la bande interdite du semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée.
3. Photopile solaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche intermédiaire (3) possède des régions (19) attenantes au substrat (1), lesquelles régions (19) divisent la couche (2) de semiconducteur à bande interdite de faible hauteur en tron çons indépendants (20), et en ce que lesdites rainures (7) sont disposées juste au-dessus des interfaces (21) entre lesdits tronçons (20) de la couche (2) de semiconducteur à bande interdite de faible hauteur et lesdites régions (19) de la couche intermédiaire (3) adjacentes d'un des côtés auxdits tronçons (20), les rainures (7) étant plus profondes que la somme des épaisseurs de la couche (4) de semi-conducteurs à bande interdite de hauteur élevée et de la couche intermédiaire (3) d'une valeur dépassant l'épaisseur des contacts (8) et le substrat (1) étant réalisé en un matériau possédant une résistivité supérieure à 105gLcm.
4. Photopile solaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdites rainures (7) sont moins profondes que la somme des épaisseurs de la couche (4) de semi-conducteur à bande interdite de hauteur élevée et de la couche intermédiaire (3) et qu'elle comporte des rainures supplémentaires (23) réalisées sur la surface irradiée (5) entre lesdites rainures (7) et ne croisant pas avec ces dernières, la profondeur des rainures supplémentaires (23) étant plus grande que la somme des épaisseurs de toutes les couches (2, 3 et 4) semi-conductrices de la photopile, ainsi que des contacts supplémentaires (24) de prise de courant situées sur la couche (2) de semi-conducteur à bande interdite de faible hauteur et disposés dans les rainures supplémentaires (23), chaque contact supplémentaire (24) de prise de courant étant électriquement relié au plus proche des contacts (8) de prise de courant disposés sur la surface irradiée (5) et le substrat (1) étant constitué en un matériau dont la résistivité dépasse 105J cm.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU2958819 | 1980-07-11 | ||
| SU2945452 | 1980-07-15 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2488448A1 true FR2488448A1 (fr) | 1982-02-12 |
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ID=26665863
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR8113705A Withdrawn FR2488448A1 (fr) | 1980-07-11 | 1981-07-10 | Photopile solaire |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE3127405A1 (fr) |
| FR (1) | FR2488448A1 (fr) |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3306725A1 (de) * | 1982-02-26 | 1983-09-22 | Chevron Research Co., 94105 San Francisco, Calif. | Ternaere iii-v-multicolor-solarzellen mit drei anschluessen und verfahren zu deren herstellung |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3151379A (en) * | 1959-03-23 | 1964-10-06 | Int Rectifier Corp | Solar battery and method of making it |
-
1981
- 1981-07-06 IT IT8122768A patent/IT8122768A0/it unknown
- 1981-07-10 DE DE19813127405 patent/DE3127405A1/de not_active Withdrawn
- 1981-07-10 FR FR8113705A patent/FR2488448A1/fr not_active Withdrawn
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3151379A (en) * | 1959-03-23 | 1964-10-06 | Int Rectifier Corp | Solar battery and method of making it |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| APPLIED PHYSICS LETTERS, vol. 35, no. 7, 1 octobre 1979, pages 553-554, New York (USA); * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3306725A1 (de) * | 1982-02-26 | 1983-09-22 | Chevron Research Co., 94105 San Francisco, Calif. | Ternaere iii-v-multicolor-solarzellen mit drei anschluessen und verfahren zu deren herstellung |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE3127405A1 (de) | 1982-06-24 |
| IT8122768A0 (it) | 1981-07-06 |
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