FR2602913A1 - Dispositif photovoltaique - Google Patents
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Abstract
LE DISPOSITIF SELON L'INVENTION COMPREND PLUSIEURS CELLULES PHOTOVOLTAIQUES UNITAIRES 3, 4 EMPILEES EN SERIE SUIVANT LA DIRECTION DE PROPAGATION DE LA LUMIERE, CHAQUE CELLULE COMPORTANT UNE COUCHE OPTIQUEMENT ACTIVE 31; 41 FAITE DE SILICIUM AMORPHE ET DEUX COUCHES D'IMPURETES 32, 33; 42, 43 AYANT DES TYPES DE CONDUCTIVITE MUTUELLEMENT DIFFERENTS QUI SONT PLACEES DE PART ET D'AUTRE DE LA COUCHE ACTIVE, OU UNE PREMIERE COUCHE D'IMPURETES D'UNE CELLULE PLACEE DU COTE DE L'INTERFACE DE CONTACT AVEC UNE CELLULE ADJACENTE EST FAITE EN UN ALLIAGE DE SILICIUM AMORPHE DE L'UN DES DEUX TYPES DE CONDUCTIVITE, AYANT UNE LARGEUR DE BANDE INTERDITE OPTIQUE PLUS GRANDE QUE LE SILICIUM AMORPHE, ET UNE DEUXIEME COUCHE D'IMPURETES DE LA CELLULE ADJACENTE PLACEE DU COTE DE L'INTERFACE EST FAITE D'UN AUTRE ALLIAGE DE SILICIUM AMORPHE AYANT L'AUTRE TYPE DE CONDUCTIVITE, QUI POSSEDE UNE LARGEUR DE BANDE INTERDITE OPTIQUE PLUS GRANDE QUE LE SILICIUM AMORPHE.
Description
La présente invention concerne un dispositif photovoltaîque dans lequel
plusieurs cellules photovoltalques unitaires sont
empilées en série.
Comme cela est décrit par exemple dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 271 328, on connaît des dispositifs photovoltaiques ayant une structure dite en tandem dans laquelle deux, trois ou plus de trois cellules photovoltaiques unitaires comportant chacune une jonction semiconductrice telle que p-i-n ou p-n--n+ sont empilées en série. Dans un tel dispositif photovoltaique à structure en tan10 dem, la lumière qui quitte une cellule photovoltaîque unitaire précédente venant du côté incident du dispositif photovoltaique sans contribuer à l'action photovoltaique peut être absorbée dans une cellule photovoltalque unitaire suivante, si bien que l'on peut améliorer le rendement photovoltaîque total. De plus, en ajus15 tant la largeur Egopt de la bande interdite optique d'une couche optiquement active, par exemple La couche de type i d'une jonction p-i-n ou la couche de type n- d'une jonction p-n--n+ d'une cellule photovoltaique unitaire qui produit des photoporteurs principalement à la réception d'une lumière incidente, on peut décaler la longueur 20 d'onde de crête de sa photosensibilité, si bien qu'on peut encore
améliorer le rendement photovoltaique.
Les photoporteurs d'électrons et de trous crées dans une couche optiquement active sont attirés par le champ électrique de jonction existant entre les couches de type p et de type n 25 qui encadrent la couche optiquement active. Ainsi, Les électrons se déplacent vers la couche de type n tandis que les trous se déplacent vers la couche de type ppuis ils sont recueillis et évacués vers l'extérieur. Ainsi, dans une cellule photovoltaique unitaire, il faut non seulement une couche optiquement active, 30 comme la couche de type i ou la couche de type ncontribuant réellement à la création de l'énergie électrique, o il n'est existe aucune impureté de dopage, ou alors seulement une faible quantité, mais il faut également des couches d'impuretés pour créer un champ
électrique de jonction.
Toutefois, puisque chaque couche optiquement active est formée pour s'interposer dans le trajet de la lumière incidente entre des couches d'impuretés qui sont indispensables à la création d'un champ électrique de jonction, le taux d'arrivée de la lumière sur la couche optiquement active diminue si l'absorption de lumière augmente dans les couches d'impuretés et, par conséquent, ceci produit une sérieuse diminution du rendement photovoltaique. Dans un dispositif photovoltalque décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 385 199 ou n 4 388 482, qui comprend une cellule photovoltaîque unitaire et des couches d'impuretés, une couche dite de fenêtre, placée en avant de la couche 10 optiquement active du c8té o arrive la lumière est faite en un matériau à bande interdite large, par exemple du carbure de silicium amorphe ou'du nitrure de silicium amorphe, possédant une largeur Egopt de bande interdite optique qui est plus grande que
celle de la couche optiquement active afin de réduire l'absorption 15 de la lumière dans la couche de fenêtre.
Ainsi, si un matériau à bande interdite large qui permet de réduire efficacement l'absorption de la lumière comme ci-dessus mentionné est appliqué aux couches d'impuretés pour créer un champ électrique de jonction, lesquelles couches contribuent peu à la 20 création d'énergie électrique dans un dispositif photovoltafque à structure en tandem, l'absorption de la lumière dans les couches
d'impuretéspeut diminuer et, par conséquent, le rendement photovolta; quepeut être amélioré.
Inversement, on sait que le rendement photovoltaique d'un dispositif photovoltalque fait au moyen de silicium amorphe s'abaisse dans une mesure primordiale lorsqu'on le soumet à un rayonnement de lumière intense pendant une longue durée. Même si on peut améliorer le rendement photovoltaique initial de celui-ci en utilisant un matériau à bande interdite large comme ci-dessus mentionné, l'augmenta30 tion du rendement photovoltalque peut s'annuler après de sérieuses variations dues au vieillissement du matériau (variations séculaires) et il peut arriver en outre que le rendement photovoltaique devienne inférieur à celui d'un dispositif photovoltaique selon la technique antérieure après une longue durée., Par conséquent ont été récemment 35 menés, parallèlement, des recherches visant à améliorer le rendement photovoltaique et des recherches visant à diminuer les variations
dues au vieillissement.
Un but essentiel de l'invention est de proposer un dispositif photovoltaique à structure dite en tandem, qui comprend plusieurs cellules photovoltaiques unitaires empilées, o le rendement photovoltaîque est fortement amélioré par l'utilisation de matériaux à large bande interdite pour les couches d'impuretés servant à produire le champ électrique de jonction et o la variation due
au vieillissement peut être minimisée.
Pour réaliser le but de l'invention, on fournit un dispositif photovoltaiqueselon l'invention qui comprend plusieurs cellules photovoltaiques unitaires empilées en série suivant la direction de propagation de la lumière, chaque cellule photovoltaîque unitaire comportant une couche optiquement active faite de silicium amorphe 15 et deux couches d'impuretés de types de conductivité mutuellement différents placées de part et d'autre de la touche optiquement active; o une première couche d'impuretés d'une cellule photovoltaique unitaire située du côté de l'interface de contact avec une autre cellule photovoltaique unitaire est faite d'un alliage 20 de silicium amorphe de l'un des deux types de conductivité, qui possède une largeur de bande interdite optique plus grande que celle du silicium amorphe, et une deuxième couche d'impuretés d'une autre cellule photovoltaîque située du côté de ladite interface de contact est faite d'un autre alliage de 25 silicium amorphe, différent dudit alliage de silicium amorphe, de l'autre type de conductivité que ledit type de conductivité, qui possède une largeur de bande interdite optique plus grande
que le silicium amorphe.
En outre, selon l'invention, il est proposé un autre dispo30 sitif photovoltaique, comprenant plusieurs cellules photovoltaiques unitaires empilées en série suivant la direction de propagation de la lumière, chaque cellule photovoltaique unitaire comportant une couche optiquement active faite de silicium amorphe et deux couches d'impuretés de types de conductivité mutuellement différents 35 placées de part et d'autre de la couche optiquement active; o une première couche d'impuretés d'une cellule photovoLtaîque unitaire située du côté d'une interface de contact avec une autre cellule photovoltaique unitaire est faite d'un alliage de silicium amorphe de l'un des deux types de conductivité, ayant une largeur de bande interdite optique plus grande que le silicium amorphe, une deuxième couche d'impuretés d'une autre cellule photovoltaique située du c8té de ladite interface de contact est faite d'un autre alliage de silicium amorphe, différent dudit alliage de silicium amorphe, du type de conductivité autre que ledit type de 10 conductivité, possédant une largeur de bande interdite optique plus grande que le silicium amorphe, et une troisième couche d'impuretés de l'un ou l'autre des deux types de conductivité Faite de silicium non monocristallin s'interpose entre lesdites première et deuxième
couches d'impuretés.
Dans un dispositif photovoltaîque selon l'invention, deux couches d'impuretés sont placées de manière à former un contact entre elles relativement à des cellules photovoltaiques unitaires adjacentes qui sont faites de matériaux différents ayant des bandes
interdites respectives plus grandes que celle de la couche optiquement 20 active et ayant des types de conductivité mutuellement différents.
Ainsi, les deux couches d'impuretés servent à transmettre la lumière incidente qui n'a pas été absorbée dans la couche optiquement active d'une cellule photovoltaique unitaire précédente en direction de la cellule photovoltaique unitaire suivante. Par conséquent, il est 25 possible de diminuer l'absorption par les couches d'impuretés qui produisent un champ électrique de jonction, mais contribuent à peine à la création de L'énergie électrique. De plus, elles servent efficacement à supprimer les variations dues au vieillissement. On peut
donc améliorer le rendement photovoltaique en coopération avec la 30 suppression des variations dues au vieillissement.
Dans un autre dispositif photovoltaique selon l'invention, une couche de silicium non monocristallin est disposée sur une interface de contact définie entre cellules photovoltalques unitaires adjacentes. Ainsi, l'absorption de la lumière dans les couches d'im35 puretés diminue en même temps que les propriétés de jonction entre cellules photovoltaiques unitaires adjacentes s'améliorent. Ainsi,
on peut augmenter l'intensité du courant électrique sans abaisser la tension électrique tout en accroissant le rendement photovoltaique.
C'est un avantage de l'invention de fournir un dispositif photovoltaique dans lequel on peut améliorer le rendement photovoltaique en même temps qu'on supprime les variations dues au
vieillissement (dites variations séculaires).
La description suivante, conçue à titre d'illustration de 10 l'invention, vise à permettre une meilleure compréhension de ses
caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmis lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe simplifiée d'un mode de réalisation d'un dispositif photovoltaique selon l'invention; - les figures 2, 3, 4 et 5 sont des graphes montrant respectivement les variations du rendement photovoltaique (n) en fonction de la quantité d'impuretés (x) conenue dans une couche frontière d'impuretés de type n de la première cellule photovoltaique unitaire d'un dispositif photovoltaique selon des modes de réali20 sation préférés de l'invention et d'un dispositif photovoltaique de la technique antérieure; - les figures 6, 7, 8 et 9 sont des graphes montrant respectivement les variations du rendement photovoltaique (n) en fonction de la quantité d'impuretés (x) dans une couche frontière d'impuretés 25 de type p de la deuxième cellule photovoltaique unitaire d'un dispositif photovoltaique selon les modes de réalisation préférés de l'invention et d'un dispositif photovoltaique de la technique antérieure; et - les figures 10, 11 et 12 sont respectivement des vues en 30 coupe simplifiées de dispositifs photovoltaiques selon d'autres
modes de réalisation de l'invention.
Sur la figure 1, est présentée une vue en coupe simplifiée qui montre la structure fondamentale d'un dispositif photovoltalque selon des modes de réalisation préférés de l'invention. Dans cette 35 structure, une électrode 2 de réception de lumière, faite d'un matériau à base d'oxyde transparent et électriquement conducteur (TCO), par exemple oxyde d'indium-étain (ITO) ou oxyde d'étain (SnO2) est formée sur un plan principal d'un substrat transparent et électriquement isolant 1, fait par exemple de verre. Ensuite, les première et deuxième cellules photovoltaiques unitaires 3 et 4, qui peuvent chacune faire fonction de dispositif photovoltaîque indépendant, sont empilées sur l'électrode de réception de lumière 2 l'une après l'autre de manière qu'il y ait contact avec la première cellule du côté de la surface de réception de lumière. Ensuite, une contre-électrode 5, possédant une, deux ou trois couches faites chacune de Al, Ag, Al/Ti, AL/TiAg, TCO/Ag, TCO/AI/Ti, ou une substance analogue, est appliquée sur le plan dorsal de la deuxième
cellule photovoltaique unitaire 4.
Chacune des première et deuxième cellules photovoltaîques 15 unitaires 3 et 4 possèdent un corps principal fait de silicium amorphe (a-Si). Ce corps principal (a-Si) est traité selon un processus de type décomposition par plasma ou décomposition optique par une lampe au mercure à basse pression utilisant un matériau gazeux qui contient comme matériau gazeux principal une substance 20 choisie parmi les composés gazeux de silicium tels que SiH4, SiF4, SiH4 + SiF4, Si2H6, etc, en mélange avec une impureté gazeuse servant à ajuster les électrons de valence de type p ou de type n, telle que B2H6, PH3, etc, et avec un gaz destiné à former une large bande interdite, telle que CH4, C2H6, C2H2, NH3, NO, etc. Chaque 25 cellule photovoltaîque unitaire 3 ou 4 est constituée d'une couche optiquement active 31 ou 41 faite d'une couche de type i non dopée qui est formée à l'aide d'un matériau gazeux ne contenant aucune impureté gazeuse permettant d'ajuster les électrons de valence ou d'une couche légèrement dopée contenant une petite quantité d'im30 puretés, d'une couche d'impuretés de type p 32 ou 42 et d'une couche d'impuretés de type n 33 ou 43, o les couches d'impuretés de type p et de type n sont formées de façon à prendre la couche optiquement active 31 ou 41 entre elles afin de produire une tension électrique de jonction destinée à précipiter le mouvement des photoporteurs ayant été produitsdans la couche optiquement active 31 ou 41. Ainsi, les deux cellules photovoltaîques unitaires 3 et 4 forment une structure en tandem p-i-n/p-i-n lorsqu'on l'observe depuis le c8té d'entrée de lumière du dispositif photovoltalque. On peut également utiliser une structure en tandem n-i-p/n-i-p (ainsi qu'on l'observe depuis le c6té d'entrée de lumière du dispositif photovoltaique). De la même façon, on pourra utiliser également une structure en
tandem p-n--n+/p-n--n+, ou une structure analogue.
Une des particularités essentielles de l'invention est qu'on emploie une combinaison de deux espèces de matériaux à large bande 10 interdite, ou plus, pour former les couches d'impuretés 33, 42 définissant une interface de contact n/p Cou p/n) entre les première et deuxième cellules photovoltaiques unitaires 3 et 4. Les matériaux suivants constituent des matériaux souhaitables pour l'obtention d'une large bande interdite: des alliages de sicilium tels que carbure de silicium amorphe (a-Si 1_xCx), nitrure de silicium amorphe (a-Si xNx), oxyde de silicium amorphe (a-SiOx) et oxynitrure de silicium amorphe (a-Sil_2xNxOx), qui ont chacun une bande interdite optique de largeur supérieure à la valeur d'environ 1,8 eV de la
première couche optiquement active 31. On choisit, parmi ces sub20 stances, deux d'entre elles pour les matériaux à large bande interdite formant les couches d'impuretés 33 et 42.
Dans les modes de réalisation suivants (Exemples 1 à 4), on sélectionne les combinaisons suivantes pour former les couches d'impuretés 33 et 42. Dans l'Exemple 1, on choisit une combinaison 25 de nitrure de silicium amorphe (a-Si1_xNx) de type net de carbure de silicium amorphe (a-SilxCx) de type p. Dans l'Exemple 2, on choisit une combinaison de carbure de silicium amorphe (a-Si1 xC) de type n et de nitrure de silicium amorphe (a-Si 1_xNx) de type p. Dans l'Exemple 3, on choisit une combinaison de nitrure de silicium 30 amorphe (a-SilxNx) de type n et d'oxynitrure de silicium amorphe (a-Si 2xNxO) de type p. Dans L'Exemple 4, on choisit une combinaison de carbure de silicium amorphe (a-Si1_xCx) et d'oxynitrure de silicium amorphe (a-Si _2xNxOx) de type p. Les dispositifs photovoltaiques selon les modes de réalisation 35 des Exemples 1 à 4 et selon les Exemples de comparaison 1 et 2 possèdent tous une structure en tandem qui est constituée du substrat de verre 1, de l'électrode de réception de lumière en TCO 2, de la première cellule photovoLtaîque unitaire 3 du type à jonction p-i-n, de la deuxième cellule photovoltaique unitaire 4 du type à jonction p-i-n, et de la contre- électrode en Al 5.
Le tableau 1 montre les compositions des exemples 1 à 4.
Tableau 1
Composition du dispositif photovoltaique première cellule photovoltaîque deuxième cellule photovoltaique
32 31 33 42 41 43
P i r P i n a;0901a-Si a 0C9 a-Si a-Si a-Si a-.o9Co,1 ___.9 0.. . -i aSio9ol tCt a-Si 9Co1 a- a-Si 0C1 a-Si 09N0, -Si a-Sio9 o a-Si O,9C0,1 aSi a-Si OC0,1 a-SiO.No 05 0,05 Na-Si a-Si a-SioCo a-i1 a-Si aS a-Sio,9C0, 1 a-Si09N0 a-Si,9 N0o,05 0,05 a-Si a-Si
80 10 10 400 30
0% c> o o Comme représenté sur le tableau 1, dans la première cellule photovoltaique unitaire 3, la couche de type p 32 est une couche de a-Si 9Co,1 d'une épaisseur de 80 nm dans les Exemples, tandis que la couche de type n 33 est une couche d'épaisseur 10 nm faite d'un matériau différent dans chacun des Exemples. D'autre part, dans la deuxième cellule photovoltaique unitaire 4, la couche de type p 42 est une couche d'épaisseur 10 nm faite d'un matériau différent dans chacun des Exemples, la couche de type i 41 est une couche de a-Si d'une épaisseur de 400 nm, tandis que la couche 10 de type n 43 est une couche de a-Si d'épaisseur 30 nm. Seules les compositions de la couche d'impuretés (couche de type n) 33 de la première cellule photovoltaique unitaire 3 et de la couche d'impureté (couche de type p) 42 de la deuxième cellule photovoltaîque unitaire 4 sont différentes dans les Exemples présentés sur le tableau 2, alors que les compositions de tous les autres éléments constitutifs sont communs au mode de réalisation préféré (Exemples 1-à 4) et aux Exemples comparatifs 1 et 2. La couche de type p 32, la couche de type n 33 et la couche de type p 42 sont faites de matériaux de large bande interdite afin d'augmenter le rendement 20 photovoltaique, tandis que la couche de type n 43 est faite en a-Si, puisque l'absorption de la lumière dans cette couche ne
diminue pas le rendement photovoltaique.
Tableau 2
Composition des couches 33 et 42 couche 33 42 Ex 1 a-Si oNo,1 a-Si C,9C,1 Ex 1 0,9 0,1 0,9 0,1 Ex 2 a-Si C a-Si N a-Si0,9 0,1 0,9 0,1 Ex 3 aSi0, 9No0,1 a-SiO N,05 0,05 Ex 4 a-SiO,9C0,1 a-Si 9No,0500,05
0,9. 01 00,,050 0, 05
Comp. 1 a-si0C 1 a-si0,9 C aq 1 -Sio,90,1 Comp. 2 a-Sio0,9No0,1 a-Si0,9N0, 1 Dans les Exemples de comparaison 1 et 2, on utilise, comme couches d'impuretés 33 et 42,définissant la surface frontière de contact,des matériaux ayant la même composition a-Si 9C0,1 ou a-Sio 09No,1 mais ayant des types de conductivité mutuellement différents. On ajuste la quantité x de a-Si1_xNx, a-Si1-xCx et a-Si _2xNxOx des modes de réalisation et des Exemples de comparaison de façon qu'elle vaille 0,1, si bien que la largeur de bande interdite optique
Egopt devient plus large d'environ 2,0 eV que celle de a-Si.
gopt Les cellules photovoltaiques unitaires 3 et 4 du dispositif 20 photovoltaique utilisé dans les Exemples et les Exemples de comparaison sont fabriquées à l'aide d'un procédé de dép8t chimique sous forme vapeur (CVD) par plasma classique du type à trois chambres séparées, comme décrit par exemple dans Solar Cell, 9, 1983, p. 25 - 36, qui est un procédé de fabrication classique pour une 25 cellule photovoltaique unitaire principalement constituée de silicium amorphe. Le tableau 3 montre les conditions du procédé CVD par plasma utilisées pour la préparation des couches 31 à 33 et 41 à 43 des dispositifs photovoltaiques des Exemples et des Exemples de comparaison. On ajuste la composition de chaque couche en faisant varier l'espèce et le rapport des matériaux gazeux (CH4, SiH4, B2H6, PH3 ou NO). Les conditions suivantes sont communes. La fréquence de la source d'énergie électrique est 13, 56 MHz, le débit du gaz SiH4 est de 5 à 10 SCCM et la
pression du gaz est de 40 à 65 Pa.
Tableau 3
Conditions de fabrication pour le procédé CVD par plasma couche puissance HF température du composition du matériel (W) substrat ( C) gazeux 32 30 180 CH4/SiH4=1 ___ _ _B2H6/SiH4=0,01 31 20 180 SiH4=1 0 % 33 30 180 Ex 1 NH3/SiH4=0,1 PH3/SiH4=0,03 Ex 2 CH4 /SiH4=0,1 PH3/Si H4=0,04 Ex 3 NH3/SiH4=0,1 PH3/SiH4=0,03 Ex 4 CH4/SiH4=1 _ PH3/SiH4=0,04 Comp 1 CH4/SiH4=1 PH3/SiH4=0,04 Comp 2 NH3/SiH4=0,1 PH3/SiH 4=0,03 2 30 220 Ex 1 CH4/SiH4=1 B2H6/SiH4=0,01 Ex 2 NH3/SiH4=0,1 B2H6/SiH4=0,01 Ex 3 NO/SiH 4=0,05 B2H6/SiH 4=0,01 Ex 4 NO/SiH4=O,05 B2H6/SH4=0,01 Comp 1 CH4/SiH1 B2H6/S i H4=0,01 Comp 2 NH3/SiH4=0,1 B2H6/SiH4=0O,01 41 20 220 SiH4100 % 43 30 200 PH3/SiH4=0,03
Tableau 4
Propriétés fondamentales (valeurs initiales) V (V) I (mA) FF (%) p (%)
oc sc....
Ex 1 1,65 6,7 70 7,74 Ex 2 1,70 6,4 69 7,51 Ex 3 1,65 6,6 70 7,62 Ex 4 1, 70 6,6 68 7,63 Comp I 1,65 6,3 65 6,76 Comp 2 1,63 6,5 63 6,67 Le tableau 4 rassemble les données initiales se rapportant aux propriétés fondamentales d'une cellule photovoltaîque, à savoir la tension en circuit ouvert Voc (V), le courant de court-circuit Isc (mA), le facteur de remplissage FF (%) et le rendement photovoltaique T (%), pour la comparaison des Exemples selon l'invention 20 avec les Exemples de comparaison ayant la structure de la technique antérieure. Ces valeurs ont été mesurées à l'aide d'un simulateur solaire qui peut éclairer un échantillon avec de la lumière présentant un éclairement de 100 mW/cm sensiblement égal à celui de la lumière solaire (AM-1) au niveau de l'équateur. Il résulte de 25 l'examen du tableau que les valeurs du rendement photovoltaîque r
et du facteur de remplissage FF sont améliorées.
Dans les Exemples 1 et 2, les couches d'impuretés 33, 42 définissant la surface frontière de contact entre les première et deuxième cellules photovoltaiques unitaires 3 et 4 sont faites 30 de matériaux différents, a-Si1_xC et a-Si 1_xNx, mais ontla même largeur Egopt pour la bande interdite optique, tandis que, dans les Exemples de comparaison 1 et 2, les couches d'impuretés 33 et 42 sont faites du même matériau, a-Si _xCx ou a-Si1_xNx. Ainsi, les données rassemblées dans le tableau 4 montrent que les pro35 priétés fondamentales d'un dispositif photovoltaique peuvent être améliorées par l'utilisation de matériaux différents pour les couches d'impuretés 33 et 42, comme-dans les Exemples 1 et 2, s'opposant aux Exemples de comparaison 1 et 2, o l'on utilise le même matériau. De la même façon, on trouve que les propriétés
fondamentales sont améLiorées dans les Exemples 3 et 4, o les couches d'impuretés 33 et 42 sont également faites de matériaux mutuellement différents.
En outre, la détérioration due au vieillissement, que l'on appelera détérioration séculaire, se rapportant à la lumière et à la chaleur, ont été mesurées en relation avec les Exemples et lesExemples de comparaison des structures ci-dessus mentionnées. Dans l'essai de détérioration par la lumière, on a mesuré le rendement photovoltalque 10 après que les échantillons ont été éclairés à l'aide d'une lumière
AM-1 possédant un éclairement de 500 mW/cm2, soit cinq fois plus que les 100 mW/cm de la lumière solaire à l'équateur pendant 5 h, et le taux de détérioration a été calculé par rapport à la valeur initiale.
Dans l'essai de détérioration par la chaleur, on a mesuré le rende15 ment photovoltaique après que les échantillons ont été exposés à une température de 200 C pendant 50 h, et on a calculé le taux de détérioration par rapport à la valeur initiale. Le tableau 5 montre
les résultats obtenus.
Tableau 5
Détérioration séculaire Taux de détério- Taux de détérioration par la ration par la lumière chaleur Ex 1 0,85 0,93 Ex 2 0,83 0,95 Ex 3 0,87 0, 92 Ex 4 0,86 0,91 Comp 1 0,73 0,85 Comp 2 0,75 0,87 Il résulte de l'examen du tableau 5 que les Exemples 1 à 4 selon l'invention sont supérieurs aux Exemples de comparaison 1 et 2, non seulement en ce qui concerne les propriétés fondamentales du dispositif photovoltaique, mais également en ce qui concerne la variation séculaire due au vieillissement par la lumière et la chaleur, qui est caractéristique d'une cellule photovoltaique faite
principalement en a-Si.
Les figures 2 à 5 sont des graphes montrant le rendement photovoltaique (n) d'un dispositif photovoltaique selon chacun des 5 Exemples 1 à 4 et selon l'Exemple de comparaison I ou 2, en fonction de la quantité (x) d'azote ou de carbone contenue dans la couche d'impuretés frontière de type n 33 de la première cellule photovoltaique unitaire 3 pour x = O; 0, 02; 0,03; 0,05; 0,1; 0,2; 0,3 et 0,5. La couche d'impuretés frontière de type p 42 de 10 la deuxième cellule photovoltaique unitaire 4 est la couche ayant la composition fixe indiqué dans le tableau 2. Par exemple, la couche d'impuretés de type p 42 est faite de a-Si 9Co,1 dans l'Exemple 1 et a-Sio 9No0,1 dans l'Exemple de comparaison 2 sur
la figure 2.
Les résultats obtenus à l'aide des mesures présentées sur les figures 2 à 5 confirment que le rendement photovoltaique (n) d'un dispositif photovoltalque selon l'invention est supérieur à celui donné par l'un et l'autre des Exemples de comparaison 1 et 2 dans la mesure ou la quantité (x) d'azote ou de carbone dans la 20 couche d'impuretés de type n 33 est maintenue égale dans les deux couches lorsqu'on lafait varier. On voit quela quantité d'un élément tel que
l'azote dansla couche d'impuretés 33, autre quele silicium, doit de préférence être représente à raison de 3 à 30 %, mieux encore de5 à 20 %.
Il faut noter que le rendement photovoltaique pour l'Exemple de 25 comparaison I ou 2 est quelque peu supérieur à celui de l'Exemple I ou 2 si la quantité d'azote dépasse 0,5 % sur la figure 2 ou
si celle du carbone devient inférieure à 0,02 sur la figure 3.
Toutefois, la variation séculaire du rendement photovoltaique est importante dans les Exemples de comparaison 1 et 2, si bien que 30 le rendement photovoltaique de chacun des Exemples de l'invention devient finalement plus grand que celui des Exemples de comparaison
1 et 2 après qu'une longue durée s'est passée.
De façon analogue, les figures 6 à 9 représentent des graphes du rendement photovoltaique (n) d'un dispositif photovoltaique selon 35 chacun des Exemples I à 4 et de l'Exemple de comparaison 1 ou 2 en fonction de la quantité (x) d'azote, de carbone ou d'oxygène dans la couche d'impuretés de type p 42 se trouvant à l'interface de la deuxième cellule photovoltaique unitaire 4 pour x = 0; 0,02; 0,03; 0,05; 0,1; 0,2; 0,3 et 0,5. La couche de composition fixe présentée dans le tableau 2 est utilisée comme couche d'impuretés de type n 33 de la première cellule photovoltaique unitaire 3. Par exemple, la couche d'impuretés de type n 33 est faite de a-Si 9No,1 dans l'Exemple 1 et de a-SiO 9No,1 dans l'Exemple de comparaison 2,
comme indiqué sur la figure 6.
Les données obtenues à partir des mesures présentées sur les figures 6 à 9 confirment que le rendement photovoltaîque (n) d'un dispositif photovoltaique selon l'invention est supérieur à celui de l'Exemple de comparaison 1 ou 2 dans la mesure ou la même quantité (x) d'azote ou de carbone dans la couche d'impuretés de type 15 p 42 est maintenue égale dans chacune des couches lorsqu'on la fait varier. Il apparait que la quantité des éléments tels que l'azote contenue dans la couche d'impuretés est de préférence de 3 à 30 %, mieux encore de 5 à 20 %. Il faut noter que le rendement photovoltalque de l'Exemple de comparaison 2 est quelque peu supé20 rieur à celui de l'Exemple 2 si la quantité d'azote est inférieure à 0,02 pour la figure 7 ou à celle de l'Exemple 4 si elle dépasse 0,5 pour la figure 9. Toutefois, la variation séculaire du rendement photovoltaique est importante dans l'Exemple de comparaison 2, si bien que le rendement photovoltalque des Exemples selon l'invention 25 devient finalement plus grand que celui de l'Exemple de comparaison 2
après qu'un certain temps a passé.
Dans les modes de réalisation préférés qui sont expliqués ci-dessus,l'interface de contact entre les cellules photovoltaiques
unitaires adjacentes 3 et 4 forment une jonction en sens inverse.
Ainsi, les propriétés de connexions à l'interface ne sont pas bonnes, et ceci est la cause d'une chute de tension. Par conséquent, même si on utilise des matériaux à grande bande interdite pour les couches d'impuretés au niveau de l'interface afin de diminuer l'absorption de la lumière dans les couches, on ne peut pas réaliser une forte 35 amélioration du rendement photovoltaique, puisque ceci amène un
abaissement des propriétés de contact.
Les figures 10 à 12 sont des vues en coupe simplifiées qui
montrent chacune une structure fondamentale d'un dispositif photovoltaique selon les modes de réalisation modifiés de l'invention.
Dans ces modes de réalisation modifiés, une électrode 2 est formée sur l'un des plans principaux d'un substrat transparent et éLectriquement isolant 1, pour commencer. Ensuite, une première cellule photovoltaique unitaire 3 ou 6 est appliquée sur l'électrode 2 du côté de réception de lumière, et une deuxième cellule photovoltaique unitaire 4 ou 7 est ensuite appliquée sur la première cellule photovoltaique unitaire 3 ou 6. Ensuite, une contre-électrode est appliquée sur le plan dorsal de la deuxième cellule photovoltaique unitaire 4 ou 7. Dans tous Les modes de réalisation, au moins une couche intermédiaire 64, 74, faite en silicium non monocristallin, par exemple en silicium amorphe ou en silicium
microcristallin (>c-Si) du type de conductivité n ou p est incorporée à l'intérieur des couches d'impuretés au niveau de l'interface de contact.
Chacune des première et deuxième cellules photovoltaiques unitaires 3, 4, 6 et 7 possède une structure qui peut fonctionner 20 indépendamment comme cellule photovoltaique. Elles sont principalement faites de silicium amorphe (a-Si). Chaque cellule photovolta;que unitaire 3, 4, 6 ou 7 est constituée par une couche optique active 31, 41, 61 ou 71 formée d'une couche de type i ou d'une couche légèrement dopée, par une couche d'impuretés de type p 25 32, 42, 62, 72 ou 74 et par une couche d'impuretés de type n 33, 43, 63, 64, 73, les deux couches d'impuretés de type p et de type n encadrent la couche optiquement active 31, 41, 61, 71. Ainsi, les deux cellules photovoltaiques unitaires 3, 4, 6 et 7 forment une structure en tandem p-i-n/p-i-n (si on l'observe depuis le côté 30 d'entrée de la lumière du dispositif photovoltaique). On pourra
également utiliser une structure en tandem n-i-p/n-i-p (observée depuis le côté d'entrée de lumière du dispositif photovoltaique).
De la même façon, on pourra également utiliser une structure en tandem pn--n+/p-n--n+, ou une structure analogue. Dans toute 35 structure en tandem, au moins une couche intermédiaire 64 ou 74
faite en alliage de silicium amorphe est formée de manière à constituer une structure prise en sandwich.
Une caractéristique de ces modes de réalisation modifiés est la structure des deux couches d'impuretés au niveau de l'interface de contact n/p (ou p/n) se trouvant entre première et deuxième cellules photovoltalques unitaires 3, 6 et 4, 7 du type à jonction p-i-n, c'est-à-dire qu'au moins une couche de silicium amorphe ou une couche de silicium monocristallin ayant le type de conductivité n ou p est disposée entre les cellules photovoltaîques unitaires 10 adjacentes. Par exemple, dans un mode de réalisation présenté sur la figure 10, la couche d'impuretés de type n de la première cellule photovoltalque unitaire 6 se trouvant au niveau de l'interface de contact possède une structureen double couche qui comprend une première couche 63 et une deuxième couche 64, tandis que, dans 15 le mode de réalisation présentée sur la figure 11, la couche d'impureté de type p de la deuxième cellule photovoltaîque unitaire 7 se trouvant à l'interface de contact possède également une structure en double couche qui comprend une deuxième couche 74 et une troisième couche 72. D'autre part, dans un mode de réalisation 20 présenté sur la figure 12, les couches d'impuretés des première et deuxième cellules photovoltalques unitaires 6, 7 possèdent, au niveau de l'interface de contact, des structures en double couche qui comprennent respectivement une première couche 63, une deuxième couche 64 et une troisième couche 74, une quatrième couche 72. Ainsi, 25 sur les figures 10 et 11 et sur la figure 12, se trouvent respectivement trois couches et quatre couches entre deux couches optiques de cellules photovoltaiques unitaires adjacentes. Au moins une couche intermédiaire de silicium amorphe ou de silicium microcristallin de type de conductivité p ou n est indcu dans celles-ci. 30 Une autre des caractéristiques de ces modes de réalisation modifiés est qu'on choisit, comme couches d'impuretés définissant l'interface de contact, comme dans les Exemples 1 à 4, une combinaison de deux espèces de matériaux à large bande interdite, ou plus de deux espèces. Les matériaux à Large bande interdite com35 prennent des alliages de silicium amorphe tels que du carbure de silicium amorphe (a-SilxCx), du nitrure de silicium amorphe (a-Si1 Nx), de l'oxyde de silicium amorphe (a-SiOx) et de l'oxynitrure de silicium amorphe (a-Sil_2xNxOx), qui ont une bande interdite optique supérieure à la valeur d'environ 1,8 eV de la première couche optiquement active 31, 61. Les combinaisons suivantes sont préférables: une combinaison de nitrure de silicium amorphe de type n (aSi N) et de 1xx carbure de silicium amorphe de type p (a-Si lxCx), une combinaison de carbure de silicium amorphe de type n (a-Si1_xCx) et de nitrure de silicium amorphe de type p (a-Si 1_xNx), une combinaison de nitrure de silicium amorphe de type n (a-Si1_xNx) et d'oxynitrure de silicium amorphe de type p (a-Si1_2xNxOx), une combinaison de carbure de silicium amorphe de type n (a-Si1 _xCx) et d'oxynitrure
de silicium amorphe de type p (a-Si1_2xNxOx).
Le tableau 6 présente la structure de deux modes de réalisation (Exemples 5 et 6), tous deux ayant la structure présentée sur la figure 10. Les couches 62, 61, 42, 41, 43 des Exemples 5 et 6 sont identiques à leurs contre-parties 32, 31, 42, 41, 43 de l'Exemple 1, tandis que les deux couches de type n 63, 64 des
Exemples 5 et 6 correspondent à la couche unique 33 de l'Exemple 1.
La couche 63 est faite du même matériau que la couche 33 de l'Exemple 1, tandis que l'épaisseur de la première couche vaut la moitié de celle de la dernière couche. La couche 64 est faite en a-Si dans l'Exemple 5, tandis qu'elle est faite en pc-Si dans l'Exemple 6. 25 A titre de comparaison, deux échantillons ont été fabriqués
(Exemple de comparaison 3 et Exemple 1).
Les Exemple 5, 6 et l'Exemple de comparaison 3 et l'Exemple 1 ont tous les mêmes éléments constitutifs, sauf la structure de
l'interface indiquée dans le tableau 7.
Tableau 6
Structure du dispositif photovoLtalque première cellule photovoltaîque unitaire deuxième cellule photovoltaîque unitaire couche 62 61 63 64 42 41 43 type de conductivité P i n n p i n composition Ex 5 aSi,90,1 a-Si 'iO9NOj a-Si a-Si0,9C0,1 a-Si a-Si de la a i 9 a iN a - S i o ' 9 C o 'l couche.Ex 6 a-Si 0,1 a-Si a-Si0 9N01 pc-Si a-Si O9C0,1 a-Si a-Si ________ ___ a - S i o.9C0.1 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _. _ _ _ _ _ _ _ épaisseur
(nm) 15 80 5 5 10 400 30.
ru
Tableau 7
Structure à l'interface 0% No o ro M On a fabriqué les première et deuxième cellules photovoltaiques unitaires 6, 4 en utilisant le procédé CVD par plasma du type à trois chambres séparées, dans les mêmes conditions que pour les Exemples 1 à 4, sauf indication contraire. Le tableau 8 montre les condi5 tions d'application du procédé CVD par plasma pour les Exemples 5 et 6.
Tableau 8
Conditions de fabrication pour le procédé CVD par plasma
15 20
couche puissance HF température du composition du matériel (W) substrat ( C) gazeux 62 30 180 CH4/SiH4=1 B2H6/SiH4=0,01 61 20 180 SiH4=100 % 63 30 180 NH3/SiH4=0,1 PH3/SiH4=0,03 64 Ex 5 30 200 PH3/SiH4=O,03 Ex 6 50 220 SiH4/H2=0,1 _ _________ _______PH3/SiH4=0,03 42 30 220 CH4/SiH4=1 B2H6/SiH4=O,01 41 20 220 SiH4=100 % 43 30 300 PH3/SiH4=0,03
Tableau 9
fondamentales (valeurs initiales) Propriétés V C(V) Isc(mA) FF (%) n (%) Ex 5 1,72 6,6 72 8,17 Ex 6 1,74 6,7 71 8,28 Comp 3 1,72 6,3 68 7,37 Ex 1 1,65 6,7 70 7,74
26029 1 3
Tableau 10
Détérioration séculaire valeur valeur après valeur après initiale illumination traitement (%) (%) thermique Ex 5 8,17 6,98 7,64 Ex 6 8,28 7, 10 7,75 Comp 3 7,37 5,16 6,26 Ex 1 7,74 6,58 7,20 Le tableau 9 rassemble les valeurs initiales des propriétés fondamentales d'une cellule photovoltaique, à savoir la tension en circuit ouvert Vc (V), le courant de court-circuit Isc (mA), le facteur de remplissage FF (%) et le rendement photovoltalque n (%), afin de permettre une comparaison entre les Exemples 5 et 6 ayant la structure de la figure 10 selon l'invention avec l'Exemple de comparaison 3 et l'Exemple 1. On a mesuré ces valeurs en utilisant un simulateur solaire qui a éclairé un échantillon sous un éclairement de 100 mW/c2 identique à celui de la lumière solaire
(AM-1) à l'équateur. Il apparaît clairement que le rendement photo20 voltaique n a été amélioré.
Dans les Exemples 5 et 6, les couches d'impuretés 63, 42 présentent à l'interface entre les première et deuxième cellules photovoltalques unitaires 6, 4 sont faites des mêmes matériaux respectifs, à savoir a-Si 1_xCx et a-Si _xNx, que dans l'Exemple 1, 25 alors que la couche 64 faite de a-Si ou pc-Si s'interpose entre elle. L'interposition de la couche 64 améliore la tension en circuit ouvert Voc, alors qu'elle ne modifie pratiquement pas le courant
de court-circuit Isc. Ainsi, le rendement photovoltaique est amélioré.
De plus on a mesuré la détérioration séculaire par la lumière et la chaleur pour les Exemples et les Exemples de comparaison présentant la structure ci-dessus mentionnée. Pendant les essais pour la détérioration par la lumière, on a mesuré le rendement photovoltaique après que les échantillons ont été éclairés pendant 5 h
par une lumière AM-1 donnant un éclairement de 500 mW/cm cinq fois supérieur à celui du soleil, soit 100 mW/cm,à l'équateur.
Dans les essais portant sur la détérioration par la chaleur, on
a mesuré la détérioration du rendement photovoltalque après avoir 5 soumis les échantillons à l'application de 200 C pendant 50 h. Le tableau 10 rassemble les données obtenues.
Il apparaît clairement sur le tableau 10 que les Exemples et 6 sont supérieurs à l'Exemple de comparaison 3 et à l'Exemple
1 en.ce qui concerne les variations sécuLaires dues à la lumière 10 et à la chaleur, qui sont caractéristiques d'une cellule photovoltaique principalement constituée de a-Si.
Alors que l'Exemple 1 à 6 ci-dessus mentionnés possèdent une structure en tandem formée de deux cellules photovoltaîques unitaires, l'invention peut également être appliquée à une structure 15 en tandem comprenant trois cellules photovoltaiques unitaires, ou plus. Bien entendu, l'homme de l'art sera mesure d'imaginer, à
partir 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.
2 6 02913
Claims (14)
1. Dispositif photovoltaique comprenant plusieurs cellules photovoltalques unitaires (3, 4) empilées en série, chaque cellule photovoltalque unitaire comportant une couche optiquement active (31; 41) faite de silicium amorphe et deux couches d'impuretés (32, 33; 42; 43) ayant des types de conductivité mutuellement différents qui sont disposées de part et d'autre de la couche optiquement active, caractérisé en ce que celle desdites couches d'impuretés d'une cellule photovoltalque unitaire qui est placée 10 du côté d'une interface de contact avec une cellule photovoltaique unitaire adjacente est faite d'un alliage de silicium amorphe ayant l'un des deux types de conductivité, ladite couche d'impuretés ayant une largeur de bande interdite optique plus grande que celle du silicium amorphe, et en ce que celle desdites couches d'impuretés 15 de ladite cellule photovoltaîque adjacente qui est placée du côté de ladite interface de contact est faite d'un autre alliage de silicium amorphe différent dudit alliage de silicium amorphe ayant le type de conductivité autre que ledit type de conductivité,
ladite couche d'impuretés ayant une largeur de bande interdite 20 optique plus grande que celle du silicium amorphe.
2. Dispositif photovoltaique selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites couches d'impuretés placées de part et d'autre de l'interface de contact sont faites de matériaux mutuellement différents, chacun deux étant choisi dans Le groupe formé par le nitrure de silicium amorphe, le carbure de silicium amorphe,
l'oxyniture de silicium amorphe et l'oxyde de silicium amorphe.
3. Dispositif photovoltaique selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites première et deuxième couches d'impuretés placées de part et d'autre de l'interface de contact sont respec30 tivement faites de nitrure de silicium amorphe du type n et de carbure de silicium amorphe du type p.
4. Dispositif photovoltaique selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites première et deuxième couches d'impuretés sont respectivement faites de carbure de silicium amorphe du type n 35 et de nitrure de silicium amorphe du type p.
2'602913
5. Dispositif photovoltaique selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites première et deuxième couches d'impuretés sont respectivement faites de nitrure de silicium amorphe du type n et d'oxynitrure de silicium amorphe du type p.
6. Dispositif photovoltaique selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites première et deuxième couches d'impuretés sont respectivement faites de carbure de silicium amorphe du type n et d'oxynitrure de silicium amorphe du type p.
7. Dispositif photovoltaique selon l'une quelconque des
revendications 3 à 6, caractérisé en ce que la quantité des éléments autre que le silicium est de 3 à 30 % dans ledit alliage de silicium
amorphe de l'une ou l'autre desdites première et deuxième couches d'impuretés.
8. Dispositif photovoltaîque selon la revendication 7, carac15 térisé en ce que la quantité des éLéments autre que Le silicium est de 5 à 20 % dans ledit alliage de silicium amorphe de l'une ou l'autre
desdites première et deuxième couches d'impuretés.
9. Dispositif photovoltaîque comprenant plusieurs cellules photovoltaiques unitaires (5, 6) empilées en série, chaque cellule 20 photovoltaique unitaire comportant une couche optiquement active (31; 61; 41; 71) faite de silicium amorphe et deux couches d'impuretés (32, 33; 42, 43; 62, 63; 72, 73) ayant des types de conductivité mutuellement différents qui sont disposées de part et d'autre de- la couche optiquement active, caractérisé encequ'une 25 première desdites couches d'impuretés d'une cellule photovoltaique unitaire,qui est placée du côté d'une interface de contact avec une cellule photovoltaique adjacente,est faite d'un alliage de silicium amorphe ayant l'un des deux types de conductivité, ladite couche d'impuretés ayant une largeur de bande interdite optique plus 30 grande que celle du silicium amorphe, et en ce qu'une deuxième couche d'impuretés de ladite cellule photovoltaique adjacente, qui est placée du côté de ladite interface de contactest faite d'un autre alliage de silicium amorphe ayant le type de conductivité autre que ledit type de conductivité, ladite couche d'impuretés - 35 ayant une largeur de bande interdite optique plus grande que celle du silicium amorphe, et une troisième couche d'impuretés (64, 74) ayant l'un ou L'autre des deux types de conductivité qui est faite en silicium non monocristallin s'interpose entre lesdites première
et deuxième couche d'impuretés.
10. Dispositif photovoltaique selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit silicium non monocristallin de ladite troisième couche d'impuretés est faite de silicium amorphe ou bien de
silicium microcristallin.
11. Dispositif photovoltaique selon la revendication 9, carac10 térisé en ce qu'il comprend en outre une quatrième couche d'impuretés (64, 74) faite de silicium non monocristallin ayant le type de conductivité autre que celui de la troisième couche d'impuretés s'interpose entre la troisième couche d'impuretés et la première ou
la deuxième couche d'impuretés ayant le même type de conductivité 15 que celui de la quatrième couche d'impuretés.
12. Dispositif photovoltaique selon la revendication 11, caractérisé en ce que ledit silicium non monocristallin de ladite quatrième couche d'impuretés est du silicium amorphe ou bien du
silicium microcristallin.
13. Dispositif photovoltaique selon l'une quelconque des
revendications 9 à 11, caractérisé en ce que lesdits alliages de
silicium amorphe des première et deuxième couches d'impuretés sont choisis dans le groupe formé par le carbure de silicium amorphe,
le nitrure de silicium amorphe, l'oxyde de silicium amorphe et 25 l'oxynitrure de silicium amorphe.
14. Dispositif photovoltaique selon la revendication 13, caractérisé en ce que lesdits alliages de silicium amorphe des
première et deuxième couches d'impuretés sont mutuellement différents.
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