FR2491261A1 - Pile solaire et son procede de fabrication - Google Patents

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Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN NOUVEAU TYPE DE STRUCTURE DE PILE SOLAIRE, ET SON PROCEDE DE FABRICATION. LA PILE SOLAIRE EST DESIGNEE COMME ETANT UNE PILE MINP (PILE SOLAIRE METAL-ISOLANT-JONCTION NP). CETTE PILE EST FORMEE D'UNE PILE A JONCTION N-P EXTREMEMENT MINCE 1, 3 ASSOCIEE A UN CONTACT 3, 4, 5 DU TYPE MIS (METAL-ISOLANT-SEMI-CONDUCTEUR) ETABLI SUR LE DESSUS DE LA PILE. LE PROCEDE DE L'INVENTION N'IMPLIQUE PAS D'OPERATIONS DE TRAITEMENT SUPPLEMENTAIRES PAR RAPPORT A UNE PILE A JONCTION P-N CLASSIQUE.

Description

2 4 9.1 2 6 1
La présente invention concerne un procédé de for-
Nation d'une structure de pile solaire à rendement élevé. L'inven-
tion concerne également la structure de pile solaire elle-même.
Une pile solaire transforme directement la lumière solaire en électricité au moyen de l'effet photovoltaique dans un semi-conducteur. Lorsqu'elle est éclairée, une pile solaire peut fournir un courant à une charge électrique connectée entre ses bornes. Lorsque la pile est courtcircuitée, on obtient un courant
de sortie maximal, qui est appelé le courant de court-circuit (I c).
Lorsque la pile est en circuit ouvert, on obtient une tension de
sortie maximale. Celle-ci est appelée tension de circuit ouvert (V CO).
La puissance électrique de sortie maximale est toujours inférieure au produit de VCo et 1CC' On exprime souvent la puissance de sortie maximale comme le produit de ces deux paramètres par un facteur inférieur à l'unité, appelé facteur de saturation ("fill factor", soit FF). Le facteur de saturation d'une pile solaire bien conçue est relativement indépendant'du matériau et de la structure de la pile, et se situe généralement entre 0,7 et 0,82. Le rendement de la pile est le rapport de la puissance électrique de sortie à la
puissance de la lumière solaire incidente.
Un but de l'invention est de proposer une structure
de pile solaire qui montre un rendement élevé pour la transforma-
tion de la lumière solaire, ou d'une autre source de rayonnement
ionisant, en énergie électrique.
Selon un aspect de l'invention, il est proposé une
pile solaire comprenant une pastille de matériau de substrat semi-
conducteur possédant des couches de contact métalliques supérieure et inférieure, qui présentent au moins un certain contact avec ledit substrat, soit directement, soit indirectement par l'intermédiaire
d'une couche isolante, le substrat possédant deux régions de maté-
riaux dopants de types différents qui sont une région inférieure d'un premier type de matériau dopant en contact avec la couche de contact métallique inférieure et une région supérieure d'un type de matériau dopant différent de celui de la région inférieure et séparée de ladite couche de contact métallique supérieure par une
mince couche isolante.
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Selon un autre aspect de l'invention,il est pro-
posé un procédé de fabrication d'une pile solaire, selon lequel on applique une couche d'un matériau dopant d'un premier type à un
substrat semi-conducteur fait d'un matériau dopant d'un type diffé-
rent afin de former entre eux une jonction, on dépose sur ladite pile une couche de contact métallique inférieure, on forme sur le dessus de ladite pile une couche d'oxyde mince, et on dépose
sur ladite couche d'oxyde une couche de contact métallique supé-
rieure.
La description suivante, conçue à titre d'illus-
tration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: - la figure lillustre schématiquement une structure de pile à jonction P-N typique;
- la figure 2 illustre schématiquement une struc-
ture de pile de type MIS (métal-isolant-semi-conducteur) typique; - la figure 3 illustré schématiquement la structure de pile de type MINP (métal-isolant-jonction N-P) selon l'invention; et - la figure 4 illustre graphiquement les tensions de circuit ouvert mesurées maximales en fonction de la résistivité
du substrat pour des piles solaires au silicium de types 1MINP et MIS.
Est également représentée la courbe correspondante de piles N P
diffusées classiques obtenue de diverses sources.
Comme on peut le voir sur les figures 1 à 3, les structures de pile comprennent un substrat de silicium d'un premier
type de matériau dopant 1 comportant une couche 3 d'un type diffé-
rent de matériau dopant (sauf sur la figure 2), une couche isolante mince 4 (sauf sur la figure 1), une couche de contact métallique
inférieure 2 et des contacts en grille métalliques supérieurs 5.
La figure 4 compare les tensions de circuit ouvert observées-maximales de piles de types MINP et MIS, ainsi que les valeurs relatives à des piles à jonction P-N diffusée "classiques", et la limite idéale de tous ces types de piles, sur la base d'une
théorie simple de la diffusion.
Les piles MINP et les piles MIS donnent des tensions plus proches de la limite que les piles à jonction P-N diffusée, tandis que la pile MINP donne une tension enregistrée de 678 mV, ce qui, à ce jour, semble être la valeur peut-être la plus élevée mesurée pour n'importe quelle pile au silicium, et cela avec un écart importante. Les tensions enregistrées par l'inventeur ont été établies par le "Solar Energy Research Institute (SERI)", Colorado,
Etats-Unis d'Amérique.
La structure de pile solaire la plus couramment
utilisée à ce jour emploie une jonction entre deux régions semi-
conductrices. Ces deux régions diffèrent en ce que chacune contient une impureté de dopage dominante d'une classe différente. L'impureté de dopage dominante confère des propriétés électriques couramment désignées comme étant du type P ou du type N. Ce type de pile est couramment appelé une pile à jonction P-N, et un exemple typique en est donné sur la figure 1. Un contact métallique est établi avec chacune des régions de type N et de type P. Pour l'exemple typique de la figure 1, le contact avec le côté de la pile dustiné à être
exposé à la lumière solaire présente une structure de grille inter-
mittente permettant de laisser la lumière passer dans la masse de
la pile.
Un deuxième type de pile plus récent s'est révélé présenter des performances quelque peu plus avantageuses par rapport à la pile à jonction P-N: il s'agit de la pile en réseau du type métal-isolant-semiconducteur,(soit MIS). Dans ce dispositif, une couche isolante mince (d'épaisseur inférieure à 30 A) est formée
par croissance ou déposée sur le dessus du substrat semi-conducteur.
Tandis qu'un contact électrique est établi avec la partie inférieure du substrat de la même manière que pour la pile à jonction P-N, ainsi que cela est montré sur la figure 2, la situation relative au contact supérieur est différente. Dans la configuration présentée sur la figure 2, le contact métallique supérieur possède de nouveau une structure en grille comme les piles à jonction P-N, mais, dans
le cas de la pile MIS, ce contact est destiné à avoir deux fonc-
tions. Non seulement il sert de contact électrique, mais il sert en
outre de jonction rectificatrice éliminant la nécessité d'une jonc-
tion P-N. Toutefois, il se voit imposer des conditions plus sévères.
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Il doit posséder une valeur efficace extrême pour sa fonction de sortie. Une fonction de sortie efficace basse est nécessaire pour les substrats de type P et une fonction de sortie efficace élevée est nécessaire pour les substrats de type N. De plus, dans la configuration de la figure 2, l'écartement entre les contacts en grille supérieurs doit être beaucoup plus petit que dans le cas de
la jonction P-N. Cette structure s'est révélée beaucoup plus sen-
sible à l'environnement électrostatique que les piles à jonction P-N, ce qui est un inconvénient. Toutefois, elle a fait preuve de
performances notablement avantageuses.
On va maintenant décrire l'invention en relation avec chacune des deux précédentes structures. Elle comporte des éléments de l'une et de-l'autre, produisant un dispositif ayant des performances supérieures aux deux. La structure est présentée sur la figure 3. Elle incorpore une jonction P-N de la même façon qu'une pile à jonction P-N. Toutefois, l'utilisation de cette structure
nouvelle demande des conditions moins strictes concernant la jonc-
tion P-N, en particulier pour le nombre minimal d'impuretés de
dopage nécessaire dans la plus mince des régions de la jonction.
Sur le dessus de la plus mince de ces régions, est incorporé un dispositif du type métal-isolant-semi-conducteur. La fonction de sortie efficace du métal utilisé doit être basse si la plus mince des régions de la jonction présente des propriétés de type N et elle doit être élevée si elle a des propriétés de type P. Toutefois, la fonction de sortie de cette couche ne doit pas avoir une valeur extrême, comme c'était le cas de la pile MIS, et les lignes de la -grille ne doivent pas être aussi fines. Le dispositif, qui
sera appelé pile solaire MINP (métal-isolant-jonction NP), ne pré-
sente pas la.même sensibilité électrostatique que la pile en réseau
MIS, tandis qu'elle montre des performances avantageuses par rap-
port à ce type de pile, ainsi qu'aux piles du type à jonction P-N
dans des modes de réalisation spécifiques.
Ces performances avantageuses par rapport aux piles à jonction P-N sont attribuées à une meilleure commande des propriétés électriques de la plus mince des régions de la jonction, du fait des limites moins sévères imposées à cette région, comme cela a été mentionné ci-dessus. Pour cette même raison, les vitesses
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de recombinaison superficielle le long de la surface formée entre
les lignes de contact supérieures peuvent être mieux commandées.
De plus, puisqu'on utilise un contact supérieur de type MIS, la vitesse de recombinaison effective au-dessous du contact supérieur peut être maintenue à une valeur beaucoup plus basse que dans les jonctions P-N normales. Les performances avantageuses par rapport aux piles en réseau MIS résultent d'une meilleure commande des vitesses de recombinaison effectives tout au long de la surface, ce qui est rendu possible par la présence de la région dopée mince
au voisinage de la surface. Dans les deux cas ci-dessus, l'amélio-
ration des performances se traduit principalement par une augmen-
tation de la tension de circuit ouvert des piles. En raison de
leurs tensions élevées, ces piles ont des performances bien meil-
leures que celles des piles au silicium classiques et, dans certains cas, leurs performances approchent celles des piles à l'arséniure
de gallium plus sophistiquées.
Bien que la'structure MINP semble plus complexe que celle d'une pile à jonction P-N, elle n'implique'en fait pas plus d'effort de fabrication. En réalité, il y a réduction des
durées de traitement dans certaines parties de la séquence de trai-
tement.
Les p iles solaires à jonction P-N sont normale-
ment fabriquées à partir d'un substrat semi-conducteur précédemment dopé au moyen d'une impureté dopante d'un premier type, soit un matériau dopant de type N, soit un matériau dopant de type P. Le deuxième type de matériau dopant est ensuite introduit dans une
couche mince voisine de la surface par diffusion à haute tempéra-
ture ou par implantation d'ions très énergétiques de l'espèce
voulue et recuit à température modérée. Ceci forme la jonction P-N.
Une autre approche possible consiste à faire croître de manière épitaxiale une couche mince de semi-conducteur sur le substrat, en s'assurant qu'il incorpore l'impureté voulue. D'autres étapes principales de traitement sont le dépôt de contacts métalliques sur les deux sections de la jonction et, dans certains cas, le dépôt d'une couche anti-reflet destinée à réduire les pertes par
réflexion sur le dessus de la pile.
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Un procédé préféré de fabrication d'une pile solaire
de type MINP consiste à employer la même séquence que celle normale-
ment utilisée pour former la jonction P-N. Toutefois, la couche mince
voisine de la surface ne doit pas être aussi épaisse ou aussi forte-
ment dopée que cela est nécessaire pour les piles à jonction P-N. Ceci peut réduire le temps de traitement de cette étape de façon notablement importante lorsqu'on fait appel à une implantation d'ions. Après la formation de la jonction, on peut nettoyer les piles si cela est nécessaire et déposer un contact postérieur. On
fait ensuite croître une couche mince d'oxyde thermique (d'une épais-
seur d'environ 20 ) sur le dessus de la pile-pendant une opération
de traitement durant laquelle ce contact postérieur subit un frit-
tage. On dépose ensuite le contact supérieur. Un dépôt sous vide
à travers un masque métallique s'est révélé être un processus appro-
prié pour ce dépôt, bien que d'autres techniques soient possibles.
On dépose ensuite un revêtement anti-reflet, après quoi on peut
effectuer le frittage du dispositif à basse température.
Des prototypes ont té fabriqués à l'aide de cette séquence de traitement préférée, et le semi-conducteur le plus couramment utilisé pour les piles solaires a été le silicium. A partir de substrats de silicium monocristallin de type P dopé avec du bore, on a formé à la surface du silicium une couche mince ayant des propriétés de type N soit par diffusion de phosphore à
température élevée au moyen d'une source de POC3l soit par implan-
tation d'ions de phosphore. Le nombre total d'éléments dopants de phosphore introduits a été maintenu à un niveau inférieur à celui utilisant le traitement de piles à jonction P-N classiques. On a soumis les piles implantées à des traitements thermiques visant à éliminer les effets négatifs dus au rayonnement et à activer les ions implantés. Après un nettoyage chimique, on a déposé un contact - postérieur en aluminium par évaporation sous.*vide,,et on a fritté
le dispositif à 550C. Cette opération améliore le contact élec-
trique et permet également de donner à la couche d'oxyde mince les propriétés voulues. On a ensuite déposé une couche d'un métal ayant une fonction de sortie faible (par exemple AI, Ti, Mg) sur le dessus de la pile à travers un masque métallique, afin de définir la grille de contact supérieure. Enfin, on a déposé un
revêtement anti-reflet de mono-oxyde de silicium. Après une fabri-
cation effectuée de cette manière, on a pu mesurer, en microscopie électronique de résolution élevée une couche mince d'oxyde d'une épaisseur d'environ 20 entre le contact métallique supérieur et le silicium.
D'autres métaux à faible fonction de sortie pou-
vant commodément être utilisés pour former le contact supérieur comprennent Rf, Zr, In, Y, Mn, Sc, Ca, de nombreux métaux de terres rares et quelques transuraniens. Le contact métallique supérieur pourrait également être un matériau ayant des propriétés métalliques
telles que celles de semi-conducteurs dégénérés.
Les dispositifs fabriqués de cette manière ont présenté des performances exceptionnellement bonnes. Bien qu'une plus grande optimisation soit possible et que des améliorations supplémentaires des performances soient attendues, des modes de réalisation récents de dispositifs MINP ont fourni des tensions de
circuit ouvert atteignant 678 mV dans des conditions d'essai norma-
lisées (lumière solaire avec masse d'air zéro, 250C; norme 307 de L'IEEE). Ceci constitue la valeur la plus élevée jamais donnée pour
une pile solaire au silicium monocristallin ou polycristallin.
Cette caractéristique avantageuse de la tension de circuit ouvert se transmet directement au rendement de conversion énergétique,
ainsi que cela a été décrit. Des rendements de conversion énergé-
tique de 16Z ont été mesurés de façon indépendante pour les piles de l'invention, dans des conditions normalisées d'éclairement avec
masse d'air un (norme 307 de V'IEEE).
Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'ima-
giner, à partir du procédé et du dispositif dont la description
vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du
cadre de l'invention.

Claims (6)

R E V E N D I C A T IO N S
1 - Pile solaire, caractérisée en ce qu'elle com-
prend une pastille de matériau de substrat semi-conducteur possé-
dant des couches de contact métalliques supérieure (5) et infé-
rieure (2) qui ont au moins un certain contact avec le substrat, soit directement, soit indirectement par l'intermédiaire d'une couche isolante (4), le substrat possédant deux régions de matériaux dopants detypes différents qui sont une régions inférieure (1) d'un premier type de matériau dopant en contact avec la couche de contact métallique inférieure et une région supérieure (3) d'un type de matériau dopant différent de celui de'la région inférieure et séparée de la couche de contact métallique supérieure par une
couche isolante mince (4).
2 - Pile solaire selon la revendication 1, carac-
térisée en ce que la région inférieure du substrat est dopée à l'aide d'une impureté de type P et la région supérieure est dopée à l'aide d'une impureté de type N.
3 - Pile solaire selon la revendication 1, caracté-
risée en ce que la région inférieure du substrat est dopée à l'aide d'une impureté de type N et la région supérieure est dopée à l'aide d'une impureté de type P.
4 - Pile solaire selon la revendication 1, caracté-
risée en ce que la couche de contact métallique supérieure est formée d'un métal choisi dans le groupe constitué de Al, Ti, Mg, Hf, Zr, In,
Y, Mn, Se et Ca.
- Pile solaire selon la revendication 1, caracté-
risée en ce qu'elle comprend en outre un revêtement anti-reflet supé-
rieur. 6 - Procédé de fabrication d'une pile solaire, caractérisé en ce que l'on applique une couche (3) d'un certain type de matériau dopant à un substrat (1) semi-conducteur d'un matériau dopant de type différent afin de former entre eux une jonction, on dépose une couche de contact métallique inférieure (2) sur ladite pile, on forme une couche mince d'oxyde (4) sur le dessus de la pile, et on dépose une couche de contact métallique supérieure (5) sur
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la couche d'oxyde.
7 - Procédé selon la revendication 6, caractérisé
en ce qu'il comprend en outre l'adjonction d'un revêtement anti-
reflet sur le dessus de la pile.
8 - Pile solaire, caractérisée en ce qu'elle est
préparée par le procédé de la revendication 6.
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