FR2546665A1 - Cellules solaires multichromatiques ternaires iii-v - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE LES CELLULES SOLAIRES. UNE CELLULE SOLAIRE BICHROMATIQUE COMPREND NOTAMMENT UN SUBSTRAT CONDUCTEUR 12, UNE COUCHE DE GAASSB 14 CONTENANT DES REGIONS DE DIFFERENTES CONDUCTIVITES FORMANT UNE HOMOJONCTION A L'INTERIEUR DE LA COUCHE, UNE COUCHE DE JONCTION DE MISE EN COURT-CIRCUIT 16, UNE COUCHE DE GAASP 18 AYANT UNE PLUS GRANDE BANDE INTERDITE QUE LA COUCHE DE GAASSB, ET UNE COUCHE DE FENETRE DE PASSIVATION 19, EN ALGAASP, QUI EST TRANSPARENTE ET QUI REDUIT LA RECOMBINAISON A LA SURFACE DE LA COUCHE D'HOMOJONCTION D'INCIDENCE 18. APPLICATION A LA PRODUCTION D'ELECTRICITE D'ORIGINE SOLAIRE.
Description
La présente invention concerne les cellules
photovoltaïques L'invention concerne plus particulière-
ment des cellules solaires multichromatiques ternaires
III-V.
Les cellules photovoltaïques telles que les cellules solaires au silicium ou à base de composés III-V
sont capables de convertir le rayonnement solaire en éner-
gie électrique utilisable La conversion en énergie élec-
trique résulte de ce qu'on appelle l'effet photovoltaïque,
Jo dans le domaine des cellules solaires Le rayonnement so-
laire qui tombe sur une cellule solaire est absorbé par la couche de semiconducteur, qui produit des électrons et des trous Les électrons et les trous sont séparés par
un champ électrique qui apparaît de lui-même dans la cel-
1 S lule, comme par exemple celui d'une jonction redresseuse telle qu'une jonction PN dans la cellule solaire Les électrons circulent vers la région de type N et les trous circulent vers la région de type P La séparation des électrons et des trous de part et d'autre de la jonction
redresseuse conduit à la génération d'un courant électri-
que qu'on'appelle le photocourant et d'une tension élec-
trique qu'on appelle la phototension.
Les chercheurs dans le domaine des cellules
photovoltaïques ont étudié diverses voies pour la généra-
tion d'électricité à partir de la lumière solaire, d'une manière économique qui puisse être compétitive avec les
moyens classiques de génération d'électricité La recher-
che s'est concentrée essentiellement sur deux solutions pour fabriquer économiquement de l'électricité à partir de cellules solaires Dans le cas de la première solution, les chercheurs tentent de fabriquer des cellules solaires
non cristallines économiques, comme des cellules au sili-
cium amorphe, et ils mettent ensuite les cellules en oeu-
vre sous la forme de réseaux de plaques planes ayant une
aire élevée Dans la seconde solution, les chercheurs uti-
lisent une lentille en matière plastique en tant que col-
lecteur d'aire élevée, en combinaison avec des cellules
solaires plus petites mais ayant un rendement supérieur.
La lentille (ou le réseau de lentilles) concentre la lu-
mière solaire sur la cellule solaire monocristalline ayant
une aire faible (ou sur un réseau de cellules solaires).
L'invention porte essentiellement sur des cel-
lules solaires monocristallines à rendement élevé perfec-
tionnées pourla seconde solution, mais la cellule de l'in-
vention pourrait être utilisée dans la première solution si le coût des matières venait à être réduit Les cellules
solaires ayant les rendements de conversion les plus éle-
vés ont été fabriquées jusqu'à présent à partir d'une ma-
tière semiconductrice composéel TI-V qui est le Ga As.
Des cellules solaires multichromatiques, c'est-
à-dire des cellules qui absorbent la lumière à deux lon-
gueurs d'onde, ou plus, dans deux matières, ou plus, pro-
mettent des rendements de conversion encore plus élevés.
Des cellules solaires multichromatiques ont été décrites dans divers brevets des E U A, tels que les brevets
4 017 332, 4 179 702 et 4 128 733; et dans diverses pu-
blications techniques, comme celle intitulée n Fifteenth IEEE Photovoltaic Specialists Conferenc Xe",1981, pages
1289-1293.
Les cellules solaires multichromatiques sont formées à partir de divers semiconducteurs, chacun d'eux contenant une jonction photosensible, et chaque matière semiconductrice étant sensible à une partie différente du spectre solaire On forme la cellule multichromatique la
plus simple et la moins chère en faisant croître ces di-
verses couches en succession, sous la forme d'une pile de
pellicules monocristallines sur une tranche monocristal-
line. On a fabriqué des dispositifs avec les systèmes de matières Al X Gax Asy Sbl-Y, Al 1 _Xy Gax Iny As, ou Ga Inx As Ply, employant une adaptation verticale du i-x x yi 1-y réseau cristallin avec, par exemple Ga As _x Sbx, Ga x Inx As,
et All-X Gax Asl y Sby, Ga lx Inx P, respectivement.
Les systèmes de croissance utilisés pour fabri-
quer ces dispositifs ont employé une croissance de cou-
che rapide au moyen de systèmes d'épitaxie en phase liqui-
de (LPE) ou de systèmes de dépôt en phase vapeur (CVD) de composés organométalliques, fonctionnant sous une pression
totale de 105 Pa.
Lorsque des composés contenant de l'aluminium sont incorporés dans des couches actives de la cellule, ils présentent des problèmes de stabilité lorsqu'ils sont exposés aux conditions ambiantes L'aluminium présente une
affinité vis-à-vis de l'incorporation d'oxygène et de car-
bone Ceci fait que l'incorporation d'impuretés consistant en oxygène et en carbone constitue un problème pendant la croissance des couches, et les cellules finales contenant de l'aluminium dans les couches d'incidence actives sont ainsi moins stables dans la mise en oeuvre à l'extérieur,
dans de l'air humide.
La croissance du composé Ga x Inx As ly Py par
dépôt chimique en phase vapeur organométallique a fait ap-
paraître des problèmes chimiques résultant de l'agent de transport organométallique de l'indium, c'est-à-dire le triéthylindium (TE In) Un problème consiste en ce que le TE In a une très faible tension de vapeur, ce qui fait qu'il
est difficile de l'amener dans la zone de croissance Un se-
cond problème relatif au TE In consiste en ce qu'il réagit prématurément à la température ambiante avec As H 3 et PH 3 Le composé résultant, formé par élimination d'alcane, n'est pas
volatil Ces problèmes font qu'il est difficile de travail-
ler avec le système Ga In As P.
Le brevet des E U A 4 278 474 décrit l'utilisa-
tion de super-réseaux cristallins de Si, Ga As P et Ga Asi
Ga As P Ce système souffre cependant de deux problèmes Pre-
mièrement, une désadaptation importante des réseaux cris-
tallins et secondement une désadaptation très importante
des coefficients de dilatation thermique La désadapta-
tion des réseaux cristallins est d'environ 4 % On a fa-
briqué des super-réseaux cristallins destinés à résoudre-
le premier problème Cependant, le problème de la désa-
daptation thermique est plus difficile à résoudre La
couche de Ga As P qu'on fait croître sur Si est en équili-
bre thermique à la température de croissance Lorsqu'on la refroidit, elle se rétracte beaucoup plus que ne le fait le substrat de silicium Il en résulte une couche
de Ga As P craquelée qui rend la cellule solaire inutilisa-
ble.
Les demandes de brevet des E U A 352 680, dé-
posée le 26 février 1982, et 424 937, déposée le 25 sep-
tembre 1982, décrivent des cellules solaires multichroma-
tiques à deux et' trois bornes, utilisant des composés ter-
naires III-V, et un procédé de fabrication Bien qu'elles
représentent un progrès important dans les cellules solai-
res multichromatiques, ces cellules pourraient encore être améliorées si la couche d'incidence comportait une couche
de fenêtre réduisant les pertes de la cellule par recom-
binaison en surface Un perfectionnement supplémentaire comporterait également l'incorporation d'une couche de fenêtre et/ou de transition entre la couche de Ga As 1 Y Sby et la couche de Ga As XPX, pour diminuer encore davantage les pertes de recombinaison d'interface entre les couches
d'homojonction active et pour réduire les contraintes ré-
sultant de la désadaptation des réseaux cristallins.
Il serait donc très souhaitable de faire en sor-
te que les systèmes de matières semiconductrices à base de composés ternaires III-V des demandes de brevet précitées comportent en outre des couches de fenêtre pour réduire les pertes de recombinaison dans la couche d'incidence et les pertes entre les couches d'homojonction active Il serait en outre souhaitable que ces couches de fenêtre aient
des réseaux cristallins adaptés à ceux des couches acti-
ves, avec une tolérance de + 1 % En outre, une option sou-
haitable consisterait à avoir une cellule multichromati-
que qui puisse comporter des couches de transition pour
réduire les contraintes de désadaptation entre les cou-
ches actives.
Ces propriétés souhaitables, ainsi que d'au-
tres, sont incorporées dans la cellule solaire multichro-
matique et le procédé de fabrication qui correspondent à l'invention L'invention utilise l'alliage semiconducteur Al(z) Ga( 1 z)As x)P(x) en tant que couche de fenêtre pour
Ga As( 1-x) P(x) Ces alliages ont des énergies de bande in-
terdite qui correspondent à la transparence au rayonnement solaire pour des longueurs d'onde dans la gamme d'environ 0,4 pm à environ 1,5 pmn Cette matière à bande interdite
large forme une couche de fenêtre appropriée et elle di-
minue les pertes de recombinaison en surface de la couche de Ga As _x Px Du fait que la couche de fenêtre n'est pas
une région active, la dégradation de l'aluminium par oxy-
dation augmente seulement la bande interdite de la couche
et améliore ses performances.
On peut fabriquer des cellules bichromatiques et trichromatiques qui comportent la couche de fenêtre La cellule bichromatique comprend des couches d'homojonction en Ga As y Sby pour la cellule à bande interdite étroite et en Ga As _x Px pour la cellule à bande interdite large On peut fabriquer les cellules sur des substrats de Ga As ou Ge Des jonctions de mise en court-circuit séparent les cellules en Ga As 1 _x Px et en Ga Asly Sb On peut fabriquer des jonctions de mise en court-circuit appropriées avec des couches de Ga As ou de Ge d'environ 0,0075 pm, c'est- à-dire 7,5 nm,jusqu'à environ 0,1 jm d'épaisseur La jonction de mise en court-circuit peut facultativement consister en
Al Ga( z)As et/ou en Al(z)Ga( _z)AS(ly)Sb(y) fortement do-
pé, constituant une couche de transition et de fenêtre de passivation entre les couches de Ga As,l x)Px, et de
Ga As(( 1 y)Sbfy) On peut fabriquer les cellules bichromati-
ques avec deux ou trois bornes en contact avec les couches actives. On fabrique des cellules trichromatiques avec Ga As _y Sby pour la cellule à bande interdite étroite, Ga As pour la cellule à bande interdite intermédiaire, et Ga As 1 x P pour la cellule à bande interdite large Chaque couche d'homojonction est séparée par une jonction de mise
en court-circuit et facultativement par une couche de fe-
nêtre de passivation Cette structure limite à environ
+ 1 % la désadaptation des réseaux cristallins à chaque éta-
ge entre couches Les jonctions photosensibles sont situées
à l'intérieur des couches et sont donc éloignées d'inter-
faces ou existent des désadaptations La couche de fenêtre
supérieure et la couche de fenêtre intermédiaire ne con-
tiennent pas de jonctions photosensibles.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de
la description qui va suivre de modes de réalisation, et en
se référant aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 illustre les alliages semiconducteurs Ga A Slxy Sby Px;
la figure 2 montre une coupe d'une cellule photo-
voltaique bichromatique à base de composés III-V, compre-
nant une couche de passivation de fenêtre d'incidence en Al(z)Ga(lz) As(l_x)P(x), en contact avec une couche active d'incidence en Ga As (x) P(x);
la figure 3 montre une coupe partielle d'une cel-
lule photovoltaique trichromatique à base de composés III-V qui comprend des couches d'homojonction photosensibles en Ga As ly Sb, Ga As, et Ga As lx Px et-des couches de passivation de fenêtre en Al(z)Ga(l-z)As(lx)P(x), Al(s)Ga(ls)As et Al(t)Ga(lt)As(ly)Sb(y);
'la figure 4 montre une coupe partielle d'une cel-
lule photovoltaïque trichromatique à base de composés III-V qui comporte des couches de transition entre les couches d'homojonction active; la figure 5 montre une coupe partielle d'une cellule photovoltaique trichromatique à base de composés III-V qui comporte des couches de transition, des couches
de fenêtre et des couches de jonction de mise en court-
circuit; et la figure 6 montre une coupe partielle d'une cellule photovoltaïque bichromatique à trois bornes, à
base de composés III-V, qui comporte des couches de fe-
nêtre transparentes et des couches d'homojonction photo-
sensible en Ga As _y Sby et Ga As x PX-
La figure 1 illustre les alliages semiconduc-
teurs Ga As 1 _xy Sby Px qui sont décrits ici Le graphique
représente la constante de réseau en fonction de l'éner-
gie de la bande interdite pour des alliages semiconducteurs III-V et pour le germanium (Groupe IV) Les alliages Ga As _xy Sby Px sont mis en évidence par la ligne continue en trait gras Pour x et ye 024, les énergies de bande interdite des alliages semiconducteurs couvrent la plage d'environ 1,5 x 1019 J à 3 xl O-19 J o L'étendue de la plage
des énergies de bande interdite possibles fait que ces al-
liages semiconducteurs conviennent parfaitement pour la
fabrication de cellules solaires bichromatiques et trichro-
matiques à concentrateurs Les dérivés des alliages conte-
nant de l'aluminium qui sont utilisés dans les couches d'ho-
mojonction semiconductrices sont idéaux du fait que la cons-
tante de réseau (axe x) demeure constante alors que l'éner-
gie de bande interdite (axe y) est très supérieure à celle
de la couche active Ceci permet de réaliser avec les allia-
ges contenant de l'aluminium des couches de fenêtre transpa-
rentes qui diminuent les pertes par recombinaison de surface
des couches actives.
La figure 2 représente une cellule solaire 10 qui
est une cellule solaire bichromatique conforme à l'inven-
tion Le rayonnement solaire 100 fait fonction de point de référence pour le haut et le bas de chaque couche ou région La cellule solaire 10 comporte un substrat 12 en germanium ou en arséniure de gallium cristallin, ou en
une autre matière appropriée Cette matière est de préfé-
rence une matière monocristalline Le substrat peut avoir une conductivité de type N ou de type P Si le substrat a une conductivité de type N, les couches d'homojonction correspondent à des jonctions NP Selon une variante, ainsi que pour les figures 3 et 4, le substrat peut avoir une conductivité de type P, et les couches d'homojonction correspondent à des jonctions PN Le substrat 12 peut être
de conductivité de type P+, avec une concentration de do-
pant de l'ordre de 1 x 1018 atomes de dopant par centimè-
tre cube, avec un modificateur de conductivité approprié, de type P, comme le zinc, le cadmium, le magnésium, etc. On forme une première couche d'homojonction 14 en Ga As Y Sby sur le substrat 12 La couche de Ga As Y Sby possède un réseau cristallin adapté à celui du substrat avec une tolérance d'environ + 1 % On a découvert que lorsqu'on utilise le dépôt chimique en phase vapeur de type organométallique sous vide (MO-CVD) on peut tolérer une désadaptation des réseaux cristallins allant jusqu'à
environ + 1 % sans que cela affecte gravement les perfor-
mances globales de la cellule solaire, bien qu'il soit pré-
férable que le réseau cristallin soit adapté le mieux pos-
sible à la constante de réseau du substrat.
La valeur y de la couche de Ga As Y Sby 14 est réglée en fonction du spectre solaire de façon à maximiser la conversion d'énergie et à donner une bande interdite plus étroite que la bande interdite de toutes les couches à bande
interdite supérieure, comme la couche semiconductrice d'homo-
jonction du haut, 18 On choisit normalement la couche de Ga As Y Sby de façon que son absorption soit essentiellement du côté de la gamme infrarouge du spectre, tandis qu'on choisit la couche supérieure 18 de façon qu'elle présente une absorption dans la gamme visible et ultraviolette du spectre solaire Le paramètre y peut varier d'environ 0, 08 à environ 0,4, et de préférence d'environ 0,2 à environ 0,3. A titre d'exemple, une couche de Ga As Sb dans laquelle 1-y y y est égal à 0,2, c'est-à-dire une couche de Ga As O 85 b O 2 ' a une énergie de bande interdite d'environ 1,73 x 10-19 j,
et convient en tant que couche d'homojonction à bande in-
terdite étroite.
La couche 14 a une épaisseur d'environ 2,5 pm
à environ 3,5 pim et elle comporte des régions de conduc-
tivité différente, 14 a, 14 b, 14 c et 14 d, qui forment une homojonction PN dans cette couche La première région 14 a, de conductivité de type P+, a une concentration de dopant
d'environ 6 x 1018 atomes de dopant par cm 3, et une épais-
seur d'environ 0,1 à 0,3 Mm La seconde région 14 b de la
couche 14 a une conductivité de type P, avec une concen-
tration de dopant d'environ 3 x 1017 atomes de dopant par cm 3 et une épaisseur d'environ 2 à 2,5 pm La région 14 b
forme une homojonction avec la troisième région 14 c de con-
ductivité de type N La région 14 c a une concentration de
dopant d'environ 1 x 101 atomes de dopant par cm 3, corres-
pondant à des atomes de dopant de type N, et une épaisseur d'environ 0,2 à 0,7 pm Le sélénium, le tellure ou le soufre,
etc, sont des atomes de dopant de type N appropriés La ré-
gion 14 c a une conductivité qui varie progressivement jus-
qu'à une conductivité de type N+ dans une région 14 d La concentration de dopant de la région 14 d est d'environ 1 x 1019 atomes de dopant par cm 3 et l'épaisseur de cette région est d'environ 0,04 à 0,08 pm La région 14 d vient en
contact avec une jonction de mise en court-circuit 16, qui sé-
pare la couche d'homojonction à bande interdite supérieure,
18, et la couche 14.
Facultativement, la cellule 10 peut en outre com-
porter une couche de fenêtre de transition ayant une fonc-
tion de passivation, en Al(t)Ga(lt)AS(ly)Sby) dans la-
quelle t peut varier d'environ 0,1 à environ 0,9 et x est
tel que défini précédemment, entre la couche 14 et la jonc-
tion de mise en court-circuit 16. La jonction de mise en court-circuit 16 peut être une couche de germanium dopée avec une conductivité
de type N+ ou de type P+, conformément à la description
faite dans le brevet des E U A 4 255 211, ou bien une cou-
che 16 d'une matière telle que Ga As, ayant une région 16 a
en Ga As dopée avec une conductivité de type N+ et une cou-
che de contact 14, avec une seconde région 16 b en Ga As
dopée avec une conductivité de type P+ La couche de jonc-
tion de mise en court-circuit établit un contact ohmique entre les cellules et maintient la structure cristalline
des cellules Une jonction tunnel dans la couche 16 per-
met le transfert d'électrons entre la couche semiconductrice 14 et la couche semiconductrice 18 sans la formation d'une contre-jonction PN entre la région 14 d et la région 18 a,
ce qui abaisserait les performances du dispositif 10 glo-
bal La jonction de mise en court-circuit 16, de type Ga As N+/P+ aura une épaisseur de l'ordre de 0,04 pm Si on choisit du germanium de type N+ ou de type P+ pour la jonction de mise en court-circuit 16, la couche ne mesure
qu'environ,td 5 00 à environo,0075 pnm d'épaisseur.
Une couche 18 établit un contact avec la jonc-
tion de mise en court-circuit 16 et assure l'adaptation des
réseaux cristallins vis-à-vis de celle-ci, avec une toléran-
ce d'environ 1 %,et Cettecouche 18 est en une matière ayant
une bande interdite supérieure à celle de la couche 14, com-
me de l'arséniure-phosphure de gallium (Ga As( 1 x)Px) ayant des régions 18 a, 18 b, 18 c et 18 d qui ont des conductivités différentes La valeur x peut aller d'environ 0,1 à environ
0,3, et elle est de préférence d'environ 0,2, pour une éner-
gie de bande interdite d'environ 2,64 x 10 19 j L'arséniure-
il
phosphure de gallium est une couche active supérieure pré-
férée du fait qu'elle n'est pas affectée par les condi-
tions climatiques ambiantes Au contraire, l'arséniure d'aluminium-gallium est susceptible de se dégrader sous l'effet de l'air humide.
De plus, les composés du Groupe V qui sont uti-
lisés pour former les couches tendent à s'évaporer et ne font pas apparaître de problèmes relatifs à l'inclusion
de défauts d'une seconde phase Il n'est donc pas néces-
saire de contrôler avec une précision extrême le débit des
composés organométalliques pendant le processus de fabri-
cation. La région 18 a de conductivité de type P + mesure environ 0,1 à 0, 3 pm, et de préférence environ 0,2 pm,
* 15 d'épaisseur, et elle comprend des modificateurs de conduc-
tivité du type P mentionnés précédemment, avec une concen-
tration d'environ 6 x 101 atomes de dopant par cm 3 La ré-
gion 18 b, de conductivité de type P, mesure environ 2 à 3 Pm, et de préférence environ 2,2 pim, d'épaisseur, et elle a une concentration de dopant de type P d'environ
3 x 1017 atomes de dopant par cm 3 Une région 18 c de conduc-
tivité de type N forme la jonction PN avec la région 18 b, et cette région 18 c comprend des modificateurs de conductivité de type N mentionnés précédemment, avec une concentration de dopage d'environ 1 x 10 atomes de dopant par cm 3 La
région 18 c mesure environ 0,2 à 0,7 pim, et de préférence en-
viron 0,5 pm, d'épaisseur Enfin, la couche semiconductrice
18 comporte une région 18 d de conductivité de type N+, d'en-
viron 0,1 pm d'épaisseur, avec une concentration de dopant
19 3
d'environ 1 x 10 atomes de dopant par cm
Une couche de fenêtre de passivation transparen-
te 19 en Al Ga( z)As( x)P réduit la vitesse de recombi-
(z) ( 1 z 1 x)
naison de surface de la couche de contact du dispositif, 18.
Plus précisément, la couche de fenêtre réduit la recombinai-
son des porteurs correspondant à des états excités, sur la
surface d'incidence de la cellule supérieure Le paramè-
tre z peut varier sur la plage 0,1 i z 0,9, et le para-
mètre x est défini ci-dessus z est de préférence égal à 0,5 La couche 19 a une épaisseur comprise entre'environ 0,01 lim et environ 0,1 Mm, et de préférence une épaisseur
d'environ 0,05 Mm La couche de fenêtre améliore les per-
* formances globales de la cellule Un exemple d'une couche
de passivation appropriée consiste en une couche d'arsé-
niure-phosphure d'aluminium-gallium, dans laquelle x a la même valeur que dans la couche 18 Par exemple, si la couche 18 consiste en Ga Aso O s Po, 2 ' la couche 19 aurait la
composition suivante: Al,2 Ga As,8 A,8 P 02, ou une compo-
sition voisine La couche de passivation 19 a une épaisseur
d'environ 0,01 à environ 0,1 pm, et de préférence de 0,05 pm.
De façon similaire, on peut placer une couche de fenêtre de passivation en Al(t)Ga(lt)As( 1 _y)Sb(y) juste au-dessus de la couche active 14 en Ga As( 1 y)Sb(y) et au-dessous de la couche 16 de jonction de mise en courtcircuit en Ga As On peut réaliser des dispositifs utilisant la couche 19 ou la
couche de Al(t)Ga(,_t)As(î_y)Sb(y), ou les deux.
On achève une cellule solaire multijonction 10
avec un revêtement antireflet 20 (facultatif) et des con-
tacts électriques 22 et 26 respectivement formés sur le
substrat 12 et sur la couche 18 Des revêtements antire-
flets appropriés consistent en épaisseurs de 53 nm de
Ta 205 et de 76 nm de Si O 2, ou des structures similaires.
Des matières de contact appropriées consistent en alliages Au:Ge et en matières similaires Des fils 23 et 27 extraient le courant électrique produit pendant l'éclairement de la cellule solaire par le rayonnement solaire 100 Les contacts
électriques 22 et 26 peuvent soit consister en une seule cou-
che de métal uniforme, soit en une électrode en grille De plus, on utilise normalement la cellule avec une lentille de concentration, comme il est représenté dans le brevet des E U A 4 255 211 Facultativement, la cellule solaire peut également comporter des revêtements antireflets et des
éléments analogues.
La figure 3 représente une cellule solaire tri-
chromatique 30 Le substrat 32 correspond au substrat 12 de la figure 2 La couche 34 est identique à la couche 14 de la figure 1 La couche 38 correspond à la couche 18 de la figure 1; cependant, la bande interdite de la couche 38 est réglée à environ 2,9 xl 109 J du fait que x est pris
égal à environ 0,73 Les couches 36 correspondent aux cou-
ches 16 de la figure 1 La couche 39 correspond à la cou-
che 19 de la figure 1.
L Ja cellule solaire 30 comporte en outre une couche d'homojonction en Ga As, 48, qui est séparée des couches 34 et 38 par des couches de jonction de mise en
court-circuit, 36 La couche 48 a une énergie de bande in-
terdite d'environ 2,32 x 10 19 J et une épaisseur d'environ 2,5 à environ 3,5 pm, et de préférence d'environ 3 pim La couche 48 comporte des régions 48 a, 48 b, 48 c et 48 d, qui ont respectivement des conductivités de type P+, de type P de type N et de type N Les régions ont des épaisseurs comparables à celles des couches 36 et 38 La cellule 30 comprend également des couches de fenêtre 35 et 49 qui se
trouvent respectivement sur la surface d'incidence des cou-
ches 34 et 48 La couche 35 consiste en Al (t)Ga( 1-t)
As(,)Sby) et dans cette formule y correspond à la défini-
tion donnée précédemment et t satisfait la relation: 0,1 l
t t 0,9 t est de préférence égal à 0,5 La couche 49 con-
siste en G Al( 5)G( 5 s)As, avec S dans la plage 0,1 s < 0,9.
s est de préférence égal à 0,5 Ces couches de fenêtre 35,
39 et 49 réduisent la recombinaison de porteurs correspon-
dant à des états excités pour les couches actives respectives 34, 38 et 48 Il n'est pas nécessaire que les valeurs de s, t et z soient égales On règle les valeurs pour obtenir les contraintes minimales entre les couches et l'énergie de bande interdite maximale pour la couche On règle l'épaisseur des
couches de façon à maximiser leur transparence.
La figure 4 représente une-cellule solaire tri-
chromatique 50 qui comporte en outre des couches de tran-
sition 70, 72 et 74 Ces couches de transition ont des s constantes de réseau qui sont intermédiaires entre celles
des couches actives et des couches de mise en court-cir-
cuit Les couches de transition réduisent les contraintes du réseau cristallin entre les couches Des couches 52, 54, 56 et 58 sont les mêmes que les couches 32, 34, 36 et
38 de la figure 3 La couche 68 correspond à la couche 48.
La couche 59 correspond aux couches 19 et 39 des figures 2 et 3, respectivement Des contacts et des fils 62, 63, 66 et 67 correspondent aux éléments 42, 43, 46 et 47 de la figure 3 Les couches 70 et 72 sont en Ga As 1 Y Sby, avec
le paramètre y inférieur à y dans la couche 54 Par exem-
ple, si la couche 54 consiste en Ga As 8 Sb 2 ' les couches
et 72 sont en Ga As O O Sb 1 Les couches 70 et 72 mesu- rent environ 0,02 pm d'épaisseur Les couches 70 et 72 ont respectivement
des conductivités de type P + et de type N La couche 74 est en Ga As 1 îXPX, avec pour x une valeur inférieure à celle de ce paramètre dans la couche 58 Par exemple, si la couche 58 consiste en Ga As 8 P 0,2 ' la couche 74 consiste en Ga As OP 1 La couche 74 mesure environ
0,02 pm d'épaisseur et elle a une conductivité de type P 4.
On ajuste les compositions exactes des couches 70, 72 et
74 de façon à minimiser les défauts lorsque les composi-
tions changent de Ga As Y Sby jusqu'à Ga As 1 x Px, en passant
par Ga As.
La figure 5 représente une cellule solaire 50 A qui est similaire à la cellule solaire 50 mais qui comporte
en outre des couches de fenêtre 55 et 69 contenant de l'alu-
minium Les couches 55 et 69 correspondent aux couches 35 et 49 de la figure 3 La cellule solaire 50 A présente le plus faible niveau de contraintes entre les couches actives 54, 58 et 68 du fait que les couches de transition 70, 72 et 74 et les couches de fenêtre 55 et 69 ont des constantes
de réseau intermédiaires entre celles des régions actives.
La figure 6 représente une coupe partielle d'une cellule solaire bichromatique à trois bornes, 80 Le rayonnement solaire 100 fait fonction de point de référence
pour le haut et le bas de chaque couche ou région La cel-
lule solaire 80 comporte un substrat 82 en germanium ou de préférence en arséniure de gallium Le substrat peut avoir une conductivité de type N ou de type P Avec un substrat 82 de type P, on fabrique une cellule solaire PNP Avec un substrat 82 de type N, on fabrique une cellule solaire
NPN On peut connecter ensemble en série des cellules so-
laires PNP et des cellules solaires NPN, pour résoudre les problèmes d'adaptation de charge indépendante, comme il est indiqué dans l'article de Sakai et col, J Appl Phys,
51 ( 9), pages 5018-5024 ( 1980) En ce qui concerne la des-
cription faite ici, on considère que le substrat 82 est
en Ga As dopé avec une conductivité de type N+ et, par con-
séquent, la cellule solaire 80 est une cellule solaire NPN.
La première couche d'homojonction 84 en Ga As ly Sby est fa-
briquée sur le substrat 82 Les valeurs possibles pour y sont les mêmes que les valeurs de y dans la cellule solaire
bichromatique 10.
La couche 84 comporte des régions de conductivité
de type N, 84 a, de conductivité de type N, 84 b, et de con-
ductivité de type P+, 84 c Les régions sont dopées avec des
dopants appropriés de type N et de type P, et avec les con-
centrations mentionnées précédemment La région de type N+, 84 a, mesure d'environ 0,5 à environ 1,5 pm d'épaisseur, et de préférence environ 1 um d'épaisseur La région de type N 84 b mesure d'environ 1,5 à environ 3,0 um d'épaisseur, et de préférence environ 2,0 pm d'épaisseur La région de type P 84 c mesure d'environ 0,1 à environ 0,3 Jpm d'épaisseur, et de préférence environ 0,2 Mm d'épaisseur L'homojonction NP
dans la couche 84 est formée entre les régions 84 b et 84 c.
Une couche de transition 86 est fabriquée sur la couche 84 en Ga As(l y) Sby) Une cellule solaire à trois bornes ne nécessite pas une jonction de mise en court-circuit entre les homojonctions, mais seulement une simple transition 86 La couche 86 a une épaisseur d'envi- ron 0,05 à environ 0, 15 um, et de préférence d'environ
0,i pm La couche 86 est de préférence une couche de tran-
sition comportant deux régions 86 a et 86 b La région 86 a
consiste en Al(t)Ga( 1 _t)As(l_y)Sb(y) d'une épaisseur d'en-
viron 0,05 pm La région 86 fait fonction de fenêtre trans-
parente s'opposant à la recombinaison à l'interface infé-
rieure pour la couche 84 La région 86 b est un alliage consistant en Al (s)Ga(l s)As, dans lequel S est dans la plage de 0,1 _ si 0,9 Il n'est pas obligatoire que S soit égal à z ou à t, bien que ceci puisse être préférable dans certaines applications La région 86 b achève la couche de
transition entre les couches 84 et 88.
Une couche d'homojonction d'incidence 88 en Ga Asl x PX est formée sur la couche de transition 86 La couche 88 a les mêmes valeurs possibles de x que dans la
cellule bichromatique qui est représentée sur la figure 2.
La couche 88 comporte des régions 88 a, 88 b et 88 c ayant
respectivement une conductivité de type P+, une conducti-
vité de type P et une conductivité de type N+ L'homojonc-
tion de la couche 88 est formée entre les régions 88 b et 88 c La région 88 a a une épaisseur d'environ 2,0 à environ 4,0 pm, et de préférence d'environ 3,0 pm La région 88 b
a une épaisseur d'environ 1,5 à environ 3,0 jm, et de pré-
férence d'environ 2,0 pm La région 88 c a une épaisseur d'environ 0,05 à environ 0,3 pm, et de préférence d'environ 0,1 Pm On pourrait utiliser une couche de fenêtre 89 en Al Ga As P, similaire à la couche 19 de la figure 2, et une
telle couche est avantageuse pour réduire les pertes par re-
combinaison en surface.
Des contacts électriques 92, 96 et 98 terminent la cellule solaire 80 On pourrait fabriquer les contacts
92 et 96 à partir de matières qui donnent un contact ohmi-
que avec des matières de type N, comme Au:Ge, Ag:Sn, et
des matières analogues Le contact 98 doit établir un con-
tact ohmique avec la région de type P 88 b La profondeur de l'électrode 98 au-dessous de la surface d'incidence est de l'ordre d'environ 2,0 à environ 4,C Pm On utilise la photolithographie classique et des solutions d'attaque
pour placer l'électrode 98 dans la région 88 b Des matiè-
res appropriées comprennent Au:Zn, Au:Be, Ag:Mn, et des ma-
tières analogues Des fils 93, 97 et 99 extraient le cou-
rant produit par la cellule solaire 80 lorsqu'elle est
éclairée par le rayonnement solaire 100.
Les électrodes 96 et 98 sont espacées de façon
à maintenir les pertes dues à la résistance carrée infé-
rieures ou égales à celles correspondant à la résistance de contact Par conséquent, plus la résistance de contact est faible, plus le pas de la grille peut être élevé Des pas d'électrode appropriés pour une électrode en forme de grille vont d'environ 150 Dm à environ 400 um, avec une largeur d'électrode d'environ 15 p m On peut réduire les pertes dues à l'ombre portée par la grille en utilisant un élément de recouvrement en verre rainuré, comme il est indiqué par P Borden, Sandria Laboratories Technical Report, SAND-81-1240, page 209 ( juin 1981) Facultativement,
la cellule solaire 80 peut comporter des couches de passiva-
tion ou des revêtements antireflets, non représentés, sur la
surface d'incidence de la région 88 c.
Le fait de fabriquer les cellules solaires mul-
tichromatiques 10, 30, 50, 50 A et 80 à partir des alliages Ga As xy Sby Px offre de nombreux avantages de traitement supplémentaires, qui ne ressortent pas de façon évidente des
structures Par exemple, les composés organométalliques dis-
ponibles dans le commerce qui contiennent de l'antimoine ont
des tensions de vapeur qui sont supérieures de plusieurs or-
dres de grandeur à celles de composés organométalliques
contenant de l'indium Plus précisément, le triéthylin-
dium (TE In) a une tension de vapeur d'environ 27 Pa, tan-
dis que le triméthylantimoine (TM Sb) a une tension de va-
peur d'environ 14600 Pa La tension de vapeur plus élevée
facilite l'introduction de Sb dans la zone de croissance.
tue composé organométallique de Al, c'est-à-dire le
triméthylaluminium (TM Al) a une tension de vapeur d'envi-
ron 1300 Pa Ceci est suffisamment élevé pour éviter les problèmes qu'on rencontre avec TE In De plus, bien que l'aluminium fasse fonction de piège pour le carbone et l'oxygène et rende ainsi plus difficile la formation de couches pures, ceci ne constitue pas un problème, du fait
que l'aluminium n'est utilisé dans aucune des couches ac-
tives de la cellule photovoltalque De plus, la volatilité accrue des éléments de la Colonne V (c'est-à-dire Sb et P)
du Tableau Périodique, par rapport au, éléments de la Co-
lonne III (c'est-à-dire In), réduit la possibilité que des gouttelettes ou d'autres dépôts de métal se forment sur la couche pendant sa croissance, ce qui réduit ou élimine les
inclusions ou d'autres détériorations de la structure cris-
talline des couches En outre, des composés organométalli-
ques à base d'indium de la colonne III tendent à subir des
réactions d'élimination d'alcane avec l'arsine à la tempéra-
ture ambiante Ceci signifie qu'on doit utiliser une plus grande quantité des matières pour faire croître une couche
donnée, ce qui augmente également la possibilité de contami-
nation de la couche Le procédé employé par l'invention est également plus direct, du fait que toutes les couches de la cellule solaire contiennent du gallium et de l'arsenic, ce qui permet de faire croître des couches plus uniformes, du fait qu'il faut changer un plus petit nombre de gaz pendant le processus de croissance Avec les cellules multijonctions de l'invention, on peut changer les composés organométalliques d'antimoine ou d'autres matières du Groupe V, ou des composés de phosphore, par un changement séquentiel des gaz, in
situ, pour faire croître une cellule solaire multijonc-
tion et multichromatique Ceci diminue le coût et raccour-
cit le temps de traitement de la cellule solaire fabriquée, en comparaison avec d'autres systèmes de croissance qui
exigent l'achèvement du processus de croissance après cha-
que couche, avec un refroidissement du substrat, une ex-
position à l'atmosphère et un transport vers une seconde ou une troisième chambre de croissance pour le traitement
des couches suivantes.
On peut fabriquer la cellule par le processus qui est décrit dans les brevets des E U A 4 171-235 ou 4 290 385 Plus précisément, on place un substrat dans un appareil de dépôt chimique en phase vapeur et on fait le vide dans la chambre jusqu'à une pression d'environ 13 x 6 Pa On chauffe le substrat jusqu'à une température allant d'environ 500 QC à environ 6500 C, et de préférence d'environ 5700 C On ouvre ensuite des sources de gallium,
d'arsenic et d'antimoine, avec des débits normalisés respec-
3/ 3 3/
tifs d'environ 1 cm 1 min,3 cm /iminfet 3 cm /min, pour chacu-
3. ne des sources On entend par débit normalisé, en cm /min,
la quantité de gaz occupant un volume d'un centimètre cu-
be dans les conditions normales ( 105 Pa, 200 C) qui passe à un point en une minute On fait fonctionner une source
d'aluminium pendant la croissance des couches qui contien-
nent cette matière Pendant la croissance de la couche con-
tenant de l'aluminium, on doit régler de façon appropriée les débits des autres matières De façon générale, on réduit la concentration de la source de gallium lorsque la source
d'aluminium est en fonction Des débits normalisés d'alumi-
nium pour le TM Al vont d'environ 0,1 cm 3/min a environ 0,5 cm /min Une source de dopant tel que le diéthylzinc débite dans la chambre avec un débit normalisé d'environ
0,3 cm 3,min,pour créer la couche P+ initiale, et cette sour-
ce est ensuite ralentie jusqu'à un débit normalisé d'environ 0,01 cm /minpour créer la région de type P Après la croissance de la région de type P, on arrête la source de dopant de type P et on met en fonction une source de
dopant de type N qu'on règle à un débit normalisé appro-
prié, par exemple environ 0,1 cm,min, pour faire croître la région de type N de la couche, ceci étant suivi par
une valeur accrue du débit normalisé, par exemple d'envi-
ron 0,3 cm /min, pendant environ lmin, pour créer une ré-
gion N+ On fait croître une jonction de mise en court-
circuit, en germanium ou en une autre matière appropriée,
au sommet de la couche de Ga As y Sby, en arrêtant les sour-
ces de gallium, d'arsenic et d'antimoine, et en faisant dé-
biter sur la couche 14 une source de germanium, pendant environ 3 minutes, avec un débit normalisé d'environ 5 cm 3/min On fabrique une couche supérieure de matière semiconductrice ayant une bande interdite supérieure à celle de la couche 14, par exemple une couche de Ga As 1 x P par des procédés analogues à ceux utilisés pour fabriquer la couche 14, ou à ceux décrits dans les brevets des E U A.
4 255 211 et 4 332 974.
Enfin, on peut fabriquer une couche de fenêtre transparente en Al 05 Ga O 5 As 08 P 0,2 ' en maintenant les concentrations de As et de P aux valeurs fixées pour la croissance de la couche de Ga As( _x)P(x) et en ajustant
le débit normalisé de la source de Ga à 0,25 cm,iun et ce-
3. lui de la source de Al à 0,25 cm /min On peut fabriquer d'autres couches appropriées contenant de l'aluminium en effectuant des réglages comparables De façon générale, le débit d'aluminium peut aller de 50 % à 200 % du débit de gallium Dans une cellule trichromatique, on peut fabriquer
la couche de Ga As par une procédure comparable.
On fabrique de préférence la couche de jonction de mise en court-circuit et la couche supérieure à partir de matières qui peuvent également contenir du gallium et de
l'arsenic, ce qui permet de réaliser un processus plus uni-
forme, avec seulement la nécessité d'ajuster le débit de l'arsenic, c'està-dire le troisième élément du composé
ternaire, pour créer la couche supérieure 18 à bande inter-
dite plus large, et la jonction de mise en court-circuit 16 Avec une jonction de mise en court-circuit en Ga As,on peut fixer un débit constant pour la source de gallium et il suffit de faire varier les débits de l'arsenic et des autres éléments du Groupe V pour faire croître la cellule bichromatique On fabrique la cellule trichromatique en faisant croître une couche d'homojonction intermédiaire en Ga As Bien entendu, on peut régler les valeurs de x et y en réglant les débits des composés contenant les éléments, afin d'obtenir n'importe quelle énergie de bande interdite désirée pour les couches, entre environ 1,45 x 10 J et 3,12 x 10 19 J. On fabrique la cellule bichromatique à trois
bornes selon une procédure similaire aux opérations indi-
quées pour des cellules bichromatiques et trichromatiques.
Cependant, on forme la troisième électrode par des techni-
ques photolithographiques classiques, en utilisant des mas-
ques de photolithographie et des matières de réserve photo-
graphiques; on expose la matière de réserve photographique et on la développe, après quoi on attaque le Ga As P avec des avants d'attaque classiques pour former le sillon pour
l'électrode.
On décrira l'invention de façon plus spécifique en considérant l'exemple suivant Il faut cependant noter
que l'invention n'est en rien limitée par l'exemple spéci-
fique suivant On considère que le cadre de l'invention en-
globe des modifications qui seraient évidentes pour l'homme de l'art, comme la fabrication de la cellule solaire avec seulement des régions PN pour chaque couche, ou l'inversion
des jonctions pour donner la configuration NP, etc On pour-
rait également accomplir la fabrication en employant le dé-
pet chimique en phase vapeur (CVD) ou l'épitaxie en phase liquide (LPE), etc.
EXEMPLE
On a acheté à la firme Crystal Specialties une tranche de Ga As de type P, dopée avec Zn, à 2 x 1018 atomes/cmr La tranche était orientée à 2 par rapport à la facette 100, vers la directicn 110, et elle a été reçue brute de coupe, sans polissage On a rayé la tranche et on l'a coupée de façon à obtenir plusieurs
substrats carrés ( 1,1 cm x 1,1 cm) On a monté les subs-
trats sur des blocs de molybdène avec de la soudure à l'indium, et on les a polis par des procédés connus, par exemple avec une solution de Brméthanol, de la manière
décrite dans J Appl Phys, 52, page 6939 ( 1981).
" On a ensuite soumis un substrat de Ga As à une brève attaque dans une solution de Br-méthanol, pour faire disparaître les contaminants de surface, juste avant le
chargement dans une machine de dépôt chimique en phase va-
peur organométallique sous vide (MO-CVD), prévue pour les croissances de couches épitaxiales L'équipement de MO-CVD a été décrit précédemment dans l'article précité ainsi que dans l'article de Fraas, SPIE Conf Proc,( 27 janvier 1982) Les sources de gaz ou de vapeur pour Ga, Zn, Sb, As, P Se, et Al étaient respectivement du triéthyl-Ga (TE Ga) pur (Alfa-Ventron), du diéthyl-Zn (DE Zn) pur (Alfa-Ventron), du triméthyl-Sb (TM Sb) pur (Alfa-Ventron), un mélange de 50 % d'arsine et le reste en hydrogène (Phoenix), un mélange de 50 % de phosphine et le
reste en hydrogène (Phoenix), 500 ppm de séléniure d'hydro-
gène et le reste en hydrogène (Scientific Gas Products), et du triméthylAl (TMA 1) pur (Alfa-Ventron) Après chargement
du substrat, on a fait le vide dans la chambre de dépôt jus-
qu'à 13 x 106 Pa et on a mis en marche les éléments chauf-
fants de substrat On a élevé la température du substrat
jusqu'à 610 C pendant 15 minutes pour éliminer les oxydes.
On a introduit le mélange As H 3:H 2 ( 1:1) pendant cet étuvage, avec un débit normalisé de 10 cm 3/min On a ensuite réduit la température du substrat jusqu'à la température de croissance de 580 C et on a fait démarrer la croissance des couches On a introduit simultanément TE Ga et DE Zn pour faire croître une couche tampon de Ga As de type P+, d'environ 0,3 um d'épaisseur Les débits normalisés de
TE Ga et DE Zn étaient tous deux de 0,8 cm 3/min On a intro-
duit TM Sb avec un débit normalisé de 1 cm /nlin,pour faire croître une couche de transition en Ga Aso 9 Sbo 1 de type P, de 0,3 pm d'épaisseur La durée de croissance a été
d'environ 15 min On a ensuite augmenté le débit normali-
sé de TM Sb jusqu'à 2 cm 3/Iin, pour faire croître une autre couche de type P, de 0,3 jm d'épaisseur On a ensuite
diminué de 0,3 cm /minle débit de DE Zn, pour faire croî-
tre une couche active de Ga As,8 Sb 0,2 de type P, de 2 pm
d'épaisseur La durée de croissance a été d'environ 2 heu-
res A ce point, on a arrêté le débit de DE Zn et, peu de temps après, on a introduit H 2 Se ( 500 ppm dans H 2) avec un débit normalisé de 0,2 cm 3/min, pour former une couche de Ga Aso,8 Sbo,2 de type N, et donc pour former la jonction NP de la cellule inférieure L'épaisseur de la couche de
type N était de 0,5 Mm La durée de croissance a été d'en-
viron 30 min On a ensuite réduit le débit normalisé de TM Sb pour le ramener à 1 cm 3/min, et on a fait croître une
couche de transition de Ga As, 9 Sbo 1 de 0,1 pm d'épaisseur.
On a arrêté le débit de TM Sb et on a fait croître sur la
couche de transition de Ga As,Sb 01 une couche de transi-
tion en Ga As de type N, de 0,1 pm d'épaisseur On a ensuite introduit H 2:PH 3 (l:l) avec un débit normalisé de 8 cm 3 /min, et on a réduit le débit de As H 3 à 6 cm 3 /min, pour faire croître une couche de transition de Ga As 9 P 01 de 0,1 jm d'épaisseur La croissance des trois couches de transition a pris environ 15 min Finalement, on a réduit à nouveau le débit normalisé de As H 3 pour le ramener à 5 cm 3/min,et on a augment le débit normalis de PH 3 jusqu' 9 cm /min On a augmenté le débit normalisé de PH 3 jusqu'à 9 cm /'min On a fait croître une couche de Ga As O P 0,2 de type N, de 3 pm d'épaisseur La durée de croissance a été d'environ 2 heures On a ensuite interrompu le débit de H 25 e et, peu de temps après, on a introduit du DE Zn avec un débit normalisé de 1 cm 3, min On a fait croître une couche de
Ga AS 8 Po 0,2 de type P+ de 0,5 pm d'épaisseur La crois-
sance de la couche a pris environ 20 min Cette couche a achevé l'homcjcnction NP de la cellule supérieure On a achevé la croissance de la cellule complète au moyen d'une couche de fenêtre finale en Al 5 Ga 5 As PO 2 qu'on a fait croître en réduisant le débit normalisé de TE Ga à 0, 25 cm 3/min,et en introduisant le TMA 1 avec un débit normalisé de 0,25 cm /minpour faire croître une couche de fenêtre d'environ 0,04 pm d'épaisseur La-durée de
croissance a été d'environ 4 min On a arrêté les circula-
tions de gaz et on a laissé les substrats se refroidir jusqu'à la température ambiante Il est intéressant de
noter que les gaz TE Ga et As H 3 ont circulé sans interrup-
tion pendant toute la séquence de dépât ci-dessus et
que tous les débits de gaz étaient commandés par un micro-
processeur.
On a utilisé ensuite des techniques de photo-
lithographie classiques pour définir la grille de doigts pour l'électrode supérieure et la troisième électrode On a utilisé une matière de réserve Shippley AS 1350 J et les modes opératoires de Shippley pour former le motif de
grille supérieure sur la surface d'incidence de la tran-
che L'épaisseur de la matière de réserve photographique était d'environ 2 pm On a exposé la matière de réserve photographique et on l'a ensuite développée La solution de développement enlève la matière de réserve photographique
dans les zones exposées, c'est-à-dire les lignes de la gril-
le supérieure On a ensuite attaqué les parties à nu de la
tranche pour enlever la couche de Al Ga As P dans ces régions.
On a effectué l'attaque avec un mélange HF:H 20 dans un rap-
port d'environ 1:20 pendant 1 min Orn a ensuite plongé la tranche dans un agent d'attaque du type acide citrique/ peroxyde d'hydrogène pendant environ 30 s On a fabriqué
le mélange d'attaque avec 5 parties d'une solution A con-
sistant en un mélange 1:1 d'acide citrique et de H 20, et 1 partie d'une solution B consistant en un mélange 3:7 de
H 202 et H 20 Enfin, on a effectué sur la tranche une atta-
que de 1 min dans du Hcl concentré à 37 % On a ensuite éva-
poré au moyen d'un faisceau d'électrons sur la totalité de la tranche, 95 % d'argent (Ag) et 5 % de manganèse (Mn),
jusqu'à une épaisseur d'environ 0,15 pm On a ensuite rin-
cé la tranche dans de l'acétone jusqu'à ce qu'il ne reste
plus de matière de réserve sur la tranche L'acétone a dé-
collé la métallisation dans les zones dans lesquelles celle-
ci n'était pas en contact avec la couche de Ga As P Ceci a laissé les grilles d'alliage sur la couche de Ga As P On a ensuite placé la tranche dans un four tubulaire et on l'a chauffée à 4500 C et maintenue à cette température pendant 1 min L'atmosphère du four tubulaire consistait en un gaz de formation On a ensuite soumis la cellule à de nouvelles
opérations d'application de matière de réserve photographi-
que, d'exposition et de développement, pour enlever la ma-
tière de réserve photographique se trouvant sur les grilles.
* On a ensuite plaqué les grilles avec une épaisseur de 2 pum d'argent, dans un bain de placage classique fourni-par
Sel-Rex On a à nouveau revêtu la tranche de matière de ré-
serve photographique et on l'a exposée pour former un sil-
lon pour la troisième borne et pour définir toutes les cel-
lules individuelles sur la tranche On a ensuite attaqué la tranche dans un agent d'attaque de type HF décrit ci-dessus, ceci étant suivi par une attaque dans H Br:Br:H 20 dans un rapport d'environ 17:1:300, pendant une durée suffisante pour que l'attaque descende au-dessous de la jonction dans
la couche de Ga As P Celle-ci était à une profondeur d'envi-
ron 1,5 à 2 Mm On a ensuite appliqué une nouvelle couche de matière de réserve photographique sur la cellule et on l'a exposéeà une structure de grille plus fine que la
largeur des sillons formés précédemment dans la cellule.
On a ensuite plaqué la totalité de la cellule, au moyen d'un faisceau d'électrons, avec 0,05 Vm de Au:Ge, dans un rapport de 88 % en poids de Au et 12 % en poids de Ge, ceci étant suivi par le dépot de 0,05 pm de nickel (Ni)
et ensuite 0,05 pm de Au On a décapé la matière de réser-
ve avec de l'acétone On a ensuite chauffé la tranche 'dans
le four tubulaire pour allier les grilles à 400 C, pen-
dant 1 min, dans une atmosphère consistant en un gaz de formation On a revêtu la tranche pour la cinquième fois avec une matière de réserve photographique et on a plaqué de
l'argent sur la grille en Au:Ge/Nij Au, jusqu'à une épais-
seur de 2 pm On a décapé la matière de réserve photogra-
phique et on a attaqué la cellule avec la solution d'at-
taque à base de H Br, en descendant jusqu'à traverser la jonction inférieure de la couche active inférieure de Ga As Sb, afin de définir les cellules individuelles On a
appliqué un revêtement final de matière de réserve photo-
graphique dans lequel on a défini un motif pour permet-
tre l'application d'un revêtement antireflet en Ta 2 05/Si O 2,
par des techniques classiques utilisant un faisceau d'élec-
trons On a appliqué le revêtement antireflet sur la tota-
lité de la cellule, à l'exception des plots sur lesquels sont fixées des électrodes en forme de fils Les épaisseurs de-Ta 205/Si O 2 étaient respectivement d'environ 0,053}im et
0,076 pm On a connecté des fils aux trois électrodes et-
aux cellules solaires On a éclairé les cellules avec une intensité de 40 soleils La meilleure des quatre cellules a présenté les propriétés suivantes: la cellule en Ga As P avait une tension en circuit ouvert (Voc) d'environ
1,1 volt, un facteur de remplissage d'environ 0,80, un cou-
rant de court-circuit (I Sc) d'environ 16,4 m Acm, corrigé à 1 soleil, et un rendement de 14,4 % La cellule en Ga As Sb avait une tension en circuit ouvert de 0,80 volt, un courant de court-circuit de 11,0 m A/cm, un facteur de remplissage de 0,75 et un rendement d'environ 6,6 % Le rendement total du dispositif était de 21,0 % Les trois autres cellules étaient comparables, mais avec des per-
formances légèrement inférieures.
Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté,
sans sortir du cadre de l'invention.
Claims (13)
1 Cellule solaire, caractérisée en ce qu'elle comprend: un substrat conducteur ( 12); une couche de
Ga As _y Sby ayant des régions ( 14 a, 14 b, 14 c, 14 d) de dif-
férentes conductivités, formant une homojonction à l'inté- rieur de cette couche, venant en contact avec le substrat
( 12) et ayant un réseau cristallin adapté à celui du sub-
strat avec une tolérance de -%; une couche de jonction de
mise en court-circuit ( 16) venant en contact avec la sur-
face de la couche de Ga As Sb qui est opposée à la surface en contact avec le substrat ( 12); une couche de Ga As _x PX ( 18) ayant une plus grande bande interdite que la couche de Ga As Sb, cette couche semiconductrice venant en contact avec la surface de la couche de jonction de mise en court-circuit ( 16) qui est opposée à la surface en contact avec la couche de Ga As Sb ( 14); une couche de Al(z)Ga(lz)As(l-x) P(x) ( 19) venant en contact avec la couche de Ga Aslx Px ( 18), cette couche de Al (z)Ga(lz) As(l x)P(x) formant une couche de fenêtre transparente sur le Ga As(l x)P(x); et des moyens ( 22, 26) pour former
un contact électrique avec ces couches, de façon à en ex-
traire le photocourant.
2 Cellule solaire selon la revendication 1,
caractérisée en ce que y a une valeur comprise entre envi-
ron 0,1 et environ 0,4, x a une valeur comprise entre en-
viron 0,1 et environ 0,3 et z a une valeur comprise entre
environ 0,1 et environ 0,9.
3 Cellule solaire selon la revendication 2, caractérisée en ce que x et y sont égaux à environ 0,2 et
z est égal à 0,5.
4 Cellule solaire selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche de jonction de mise en court-circuit ( 16) consiste en une couche de germanium de
type N+.
Cellule solaire selon la revendication 1, ca- ractérisée en ce que la couche de jonction de mise en
court-circuit '16) est une couche de germanium de type P+.
6 Cellule solaire selon la revendication 2, caractérisée en ce que la couche de jonction de mise en court-circuit ( 16) est unecouche de Ga As comportant une ré-
gion ( 16 a) de Ga As dopée de façon à avoir une conductivi-
té de type N+, suivie par une région ( 16 b) de Ga As dopée
de façon à avoir une conductivité de type P+.
7 Cellule solaire selon l'une quelconque des
revendications 1, 3, 4, 5 ou 6, caractérisée en ce que la
couche de Ga As Sb ( 14) a une bande interdite d'environ -19
1,76 x 10 J, et la couche de Ga As P ( 18) a une bande in-
terdite d'environ 2,64 x 10 19 J. 8 Cellule solaire selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des moyens ( 98) destinés à établir un contact avec la région de
Ga As P ( 88) au-dessous de l'homojonction dans ladite cou-
che. 9 Cellule solaire selon la revendication 8, caractérisée en ce que la couche de jonction de mise en court-circuit ( 16) cçnprad une région de Al(s)Ga(l s)As venant en contact avec la couche de Ga As P ( 18) et une région de Al(t)Ga( 1-t)As(l-y)Sb(y) venant en contact avec la couche
de Ga As Sb ( 14).
10 Cellule solaire selon l'une quelconque des
revendications 1, 2, 3 ou 6, caractérisée en ce qu'elle
comprend en outre une couche d'homojonction ( 48) en Ga As entre les couches de Ga As y Sby ( 34) et de Ga Asl X Px ( 38), et cette couche de Ga As a une largeur de bande supérieure à celle de la couche de Ga Asly Sby ( 34), mais inférieure à celle de la couche de Ga As _x P ( 38), et elle est séparée des couches de Ga As 1 x Px et de Ga Asly Sby par des couches
de jonction de mise en court-circuit ( 36).
11 Cellule solaire selon la revendication 10, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des couches de transition ( 72, 74) entre les couches d'homcjonction ( 54, 68) et les couches de jonction de mise en courtcircuit
( 56 '
12 Cellule sclaire,caractérisée en ce qu'elle anprend: iun substrat conducteur ( 32); une couche de Cals Sb ( 34) ayanz des régions de différentes conducti
vités formant une homcjcnczicn à l'intérieur de cette cou-
che, qui est en contact ohmique avec le substrat ( 32) et dont le réseau cristallin est adapté à celui du substrat avec une tolérance d'environ -1 %; une première couche de jonction de mise en court-circuit ( 36) venant en contact avec la surface de la couche de Ga 4 s Sb qui est opposée au côté en contact avec le substrat ( 32); une couche de
Ga As ( 48) à l'intérieur de laquelle se trouve une homojonc-
tion, en contact avec la couche de jonction de mise en court-circuit ( 36) , sur la surface opposée à la surface qui est en contact avec la couche de Ga As Sb ( 34), cette couche de Ga As ( 48) ayant une énergie de bande interdite supérieure à celle de la couche de Ga As _y Sby ( 34); une seconde couche de jonction de mise en court-circuit ( 36) venant en contact avec la couche de Ga As ( 48) du côté opposé à la surface qui est en contact avec la première couche de jonction de mise en court-circuit ( 36); une couche de Ga As _x Px ( 38) venant en contact avec la surface de la seconde couche de jonction de mise en court-circuit
( 36) qui est opposée à la surface en contact avec la cou-
che de Ga As ( 48), cette couche de Ga As _x Px ( 38) ayant une énergie de bande interdite supérieure à celle de la couche
de Ga As Sb ( 34), ou de la couche de Ga As ( 48); une cou-
che de Al(z)Ga(l, z)As( x)P() ( 39) venant en contact avec (z) klz (-)(x) la surface de la couche de Ga As 1 _x PX ( 38) qui est opposée à la surface en contact avec la seconde couche de jonction de mise en courtcircuit ( 36); et des moyens ( 42, 46) destinés
à former un contact électrique avec les couches pour en ex-
traire le courant et la tension produits par effet photcélec-
trique. 13 Cellule solaire selon la revendication 12, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre des couches de transition ( 72, 74) entre les couches d'homojonction ( 54, 68) et les couches de mise en court-circuit ( 56). 14 Cellule solaire selon la revendication 13,
caractérisée en ce que les couches de transition consis-
tent en Alt Gal t As _y Sby entre le Ga As y Sby et le Ga As,
et en Als Ga s As entre le Ga As et le Alz Ga z As x Px.
15 Cellule solaire selon la revendication 14, caractérisée en ce que z, S et t sont dans la plage de
0,1 à 0,9.
16 Cellule solaire selon la revendication 15,
caractérisée en ce que z, S et t sont égaux.
17 Cellule solaire selon la revendication 16,
caractérisée en ce que la couche de Ga As Sb ( 34) a une éner-
gie de bande interdite d'environ 1,76 x 10 19 J, la couche de Ga As ( 48) a une énergie de bande interdite d'environ 2,30 x 10 19 J et la couche de Ga As P ( 38) a une énergie de bande interdite d'environ 2,96 x 10 19 J. 18 Procédé de fabrication d'une cellule solaire
multichromatique, caractérisé en ce que: on monte un subs-
trat conducteur ( 32) dans un appareil de dépôt chimique en phase vapeur; on fait le vide dans cet appareil jusqu'à une pression comprise entre environ 130 e Pa et environ 1,3 p Pa; on chauffe le substrat ( 32) jusqu'à une température comprise entre environ 5000 C et environ 650 C; on établit un
débit d'un composé contenant de l'arsenic; on établit un dé-
bit d'un composé contenant du gallium; on règle les débits du composé contenant l'arsenic, d'un composé contenant de l'antimoine et de modificateurs de conductivité de type N et de type P, de façon à faire croître sur le substrat ( 32) une couche de Ga As y Sby ( 34), cette couche contenant une
homojonction PN; on arrête la circulation du composé conte-
nant de l'antimoine; on règle le débit des composés conte-
nant de l'arsenic et des modificateurs de conductivité
de type N et de type P, de façon à faire croître une pre-
mière couche de jonction de mise en court-circuit ( 36) sur la couche de Ga As y Sby ( 34); on augmente le débit du composé contenant de l'arsenic en faisant varier les dé- bits des dopants de type N et de type P, afin de faire
croître sur la couche de jonction de mise en court-cir-
cuit une couche d'homojonction ( 48) en Ga As; on règle les
débits des dopants de type N et de type P de façon à fai-
re croître une seconde couche de jonction de mise en court-circuit ( 36) sur la couche de Ga As ( 48); on diminue
le débit du composé contenant de l'arsenic et on intro-
duit un composé contenant du phosphore, en faisant varier les débits des dopants de type N et de type P, de façon à faire croître une couche d'homojonction ( 38) en Ga As _x PX sur la seconde couche de jonction de mise en
court-circuit ( 36); on diminue le débit du composé conte-
nant du gallium et on établit un débit d'un composé conte-
nant de l'aluminium, de façon à faire croître une couche de fenêtre ( 39) en Al(z) Ga(z)AS(lx)P(x) sur la surface (Z) ( 1-z) _ 1 x)P(x) srl ufc d'incidence de la couche de Ga As(l_x)P(x) ( 38); on arrête la circulation du composé contenant du gallium, du composé contenant de l'arsenic, du composé contenant du phosphore, du composé contenant de l'aluminium et des dopants de type
N et de type P; et on retire le substrat ( 32) de l'appa-
reil et on forme un contact électrique ( 42, 46) sur le subs-
trat.
19 Procédé selon la revendication 18, caractéri-
sé en ce que: on règle les débits du composé contenant de l'antimoine de façon à fabriquer des couches de transition en Ga As _y Sby ( 70, 72) entre le substrat ( 52) et la couche
d'homojonction ( 54) en Ga As Sb et entre la couche d'homo-
1-y y jonction ( 54) et la première couche de jonction de mise en
court-circuit ( 56); et on règle le débit du composé conte-
nant du phosphore de façon à faire croître une couche de transition ( 74) en Ga As lx Px entre la seconde couche de jonction de mise en courtcircuit ( 56) et la couche de
Ga As_ P ( 58).
x x
Procédé selon la revendication 19, caracté-
risé en ce qu'on règle en outre le débit du composé conte- nant de l'aluminium de façon à fabriquer une couche de fenêtre de passivation 155, 69) contenant de l'aluminium, entre chacune des couches actives ( 54 68) et chacune des
couches de transition ( 72, 74).
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