FR2615327A1 - Photovoltaic device - Google Patents
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Abstract
Description
DISPOSITIF PBDTOVOLTAIIQUE
La présente invention concerne un dispositif photovolta#que utilisé corme pile solaire, photocapteur ou analogue, et elle concerne plus particulièrement un dispositif photovoltaîque utilisant un semi-conducteur au silicium amorphe hydrogéné dans lequel de l'hydrogène est ajouté au silicium comme couche photo-active.PBDTOVOLTAIC DEVICE
The present invention relates to a photovoltaic device that is used as a solar cell, photosensor or the like, and more particularly relates to a photovoltaic device using a hydrogenated amorphous silicon semiconductor in which hydrogen is added to silicon as a photoactive layer. .
Un dispositif photovoltaTque est constitué d'une manière telle qu'une électrode avant, un élément générateur d'énergie et une électrode arrière sont déposés dans cet ordre sur un substrat isolant et transmettant la lumière, et, si une lumière pénètre dans le dispositif du côté du substrat, une couche photoactive de l'élément générateur d'énergie absorbe une partie de la lumière et engendre une phototension, la phototension engendrée étant extraite du dispositif. A photovoltaic device is constituted in such a way that a front electrode, a power generating element and a rear electrode are deposited in this order on an insulating and light transmitting substrate, and, if a light enters the device of the photovoltaic system. side of the substrate, a photoactive layer of the energy generating element absorbs part of the light and generates a phototension, the generated phototension being extracted from the device.
On connait déjà un dispositif photovoltaTque qui utilise un semi-conducteur au silicium amorphe hydrogéné, dans lequel on ajoute de l'hydrogène au silicium comme couche photoactive. Les semi-conducteurs au silicium amorphe hydrogéné ont d'excellentes performances en couche mince, comparativement aux semi-conducteurs au silicium mono-cristallin, et on peut donc obtenir une plus grande surface de formation de la couche photoactive pour la même masse, ce qui procure une réduction effective du coût. Ainsi, l'utilisation de semi-conducteurs au silicium amorphe hydrogéné dans les piles solaires à grande échelle se développe. A photovoltaic device is already known which uses a hydrogenated amorphous silicon semiconductor, in which hydrogen is added to the silicon as a photoactive layer. Hydrogenated amorphous silicon semiconductors have excellent thin film performance compared to monocrystalline silicon semiconductors, and therefore, a larger photoactive layer forming area can be obtained for the same mass, which provides effective cost reduction. Thus, the use of hydrogenated amorphous silicon semiconductors in large-scale solar cells is growing.
Toutefois, les dispositifs photovolta#ques utilisant des semi-conducteurs au silicium amorphe hydrogéné présentent des inconvénients, en ce sens que le rendement de la conversion photoélectrique est faible par rapport à celui des dispositifs photovoltalques utilisant des semi-conducteurs au silicium monocristallin, et en ce qu'une photo-détérioration (le rendement de la conversion photo-électrique est réduit par une irradiation à une lumière intense) risque de se produire (publication de brevet japonais n0 sho-54274/1984). However, photovoltaic devices using hydrogenated amorphous silicon semiconductors have drawbacks, in that the photoelectric conversion efficiency is low compared to that of photovoltaic devices using monocrystalline silicon semiconductors, and in so doing. that photo-deterioration (the efficiency of photoelectric conversion is reduced by irradiation with intense light) may occur (Japanese Patent Publication No. sho-54274/1984).
La présente invention vise à éviter les inconvénients précités. The present invention aims to avoid the aforementioned drawbacks.
En conséquence, un premier objet de la présente invention est de fournir un dispositif photovolta#que capable d'empêcher la photodétérioration, par augmentation du coefficient d'absorption et donc réduction de l'épaisseur de la couche. Consequently, a first object of the present invention is to provide a photovoltaic device capable of preventing photodeterioration, by increasing the absorption coefficient and therefore reducing the thickness of the layer.
Un deuxième objet de la présente invention est de fournir un dispositif photovoltarque capable d'améliorer le rendement de la conversion photo-électrique, par réduction de l'intervalle de bande optique de la couche photo-active et donc d'augmenter le -coefficient d'absorption de la lumière dans la région des grandes longueurs d!onde. A second object of the present invention is to provide a photovoltaic device capable of improving the efficiency of the photoelectric conversion, by reducing the optical band gap of the photoactive layer and therefore increasing the coefficient d. absorption of light in the long wavelength region.
Suivant la présente invention, on utilise comme couche photo-active un semi-conducteur au silicium amorphe hydrogéné dans laquelle le nombre d'atomes de silicium se liant aux atomes d'hydrogène est inférieur ou égal à 1 % du nombre total d'atomes de silicium, et en ce que la liaison pendante ou oscillante est inférieure ou égale à 1 x 1017cl~3. According to the present invention, a hydrogenated amorphous silicon semiconductor is used as the photoactive layer in which the number of silicon atoms bonding to the hydrogen atoms is less than or equal to 1% of the total number of atoms of silicon, and in that the pendant or oscillating link is less than or equal to 1 x 1017cl ~ 3.
Les objets et avantages ci-dessus de l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description détaillée ciaprès, avec référence aux dessins annexés dans lesquels
la figure 1 est une coupe schématique illustrant une structure de base d'un dispositif photovoltaTque conforme à la présente invention
la figure 2 est un graphique illustrant la relation entre la proportion d'atomes de silicium se liant aux atomes d'hydrogène et le rendement de conversion photo-électrique
la figure 3 est un graphique -illustrant la relation entre la liaison oscillante d'atomes de silicium et le rendement de -conversion photo-électrique, et
la figure 4 est une coupe -schématique illustrant une structure de base d'un autre mode de réalisation d'un dispositif photovoltaique conforme à la présente invention.The above objects and advantages of the invention will appear better in the light of the detailed description below, with reference to the accompanying drawings in which
Figure 1 is a schematic section illustrating a basic structure of a photovoltaic device according to the present invention
Figure 2 is a graph illustrating the relationship between the proportion of silicon atoms bonding to hydrogen atoms and the photoelectric conversion efficiency
Figure 3 is a graph illustrating the relationship between the oscillating bond of silicon atoms and the photoelectric conversion efficiency, and
FIG. 4 is a schematic section illustrating a basic structure of another embodiment of a photovoltaic device according to the present invention.
On décrit maintenant un mode de réalisation conforme à la présente invention. An embodiment in accordance with the present invention will now be described.
La figure 1 représente une structure de base d'un dispositif photovolta#que suivant l'invention et l'exemple illustré à la figure 1 est celui du cas d'une cellule unique. Dans la figure 1, le repère 1 désigne un substrat qui est isolant et qui tramsmet la lumière; ce substrat est conçu en verre transparent.Sur lc substrat 1. une électrode avant 2 "TCC". par exem pie en SnO2, In203, ou "ITO" qui est uri mélange de ces s-ubs#ar,ces, ou un film ou couche mince de métal tel que Au, Ai, Ni O'J r, o une grille de métal en Ai, Ni, Cr ou analogue, un élément g#nérstcur d'energie 3 comportant une jonction se-mi-conductrice de type PIN parme décrit plus loin, et une électrode arrière 4 en AI, sont déposés dans cet ordre. FIG. 1 represents a basic structure of a photovoltaic device according to the invention and the example illustrated in FIG. 1 is that of the case of a single cell. In FIG. 1, the reference 1 designates a substrate which is insulating and which transmits light; this substrate is made of transparent glass. On the substrate 1. a front electrode 2 "TCC". for example in SnO2, In203, or "ITO" which is a mixture of these s-ubs # ar, these, or a film or thin layer of metal such as Au, Ai, Ni O'J r, or a grid of metal in Al, Ni, Cr or the like, an energy generator element 3 comprising a semi-conductive junction of the purple PIN type described later, and a rear electrode 4 in Al, are deposited in this order.
L'élément générateur d'énergie 3 présente une structure à trois couches, comprenant une couche 3a de Sic:H amorphe de type P (composition du film : Si 90 % molaires, C10 % de molaires épaisseur du film : 15 nm), une couche 3b de Si:H amorphe de type
I (épaisseur du film : 200 nm), et une couche 3c de Si:H amorphe de type N (épaisseur du film : 30 rem), dans cet ordre à partir du cté de l'électrode avant 2. Suivant la présente invention, pour la couche 3b de Si:H amorphe de type I (couche photoactive), le taux d'atomes de silicium se liant aux atomes d'hydrogène, par rapport à la totalité des atomes de silicium, est de 1 % ou moins, et la liaison oscillante des atomes de silicium représente 1 x 1017 cm~3 ou moins.The energy-generating element 3 has a three-layer structure, comprising a layer 3a of amorphous P-type Sic: H (film composition: Si 90 mol%, C10 mol% film thickness: 15 nm), a Amorphous Si: H layer 3b of type
I (film thickness: 200 nm), and an N-type amorphous Si: H layer 3c (film thickness: 30 rem), in that order from the side of the front electrode 2. According to the present invention, for type I amorphous Si: H layer 3b (photoactive layer), the ratio of silicon atoms bonding to hydrogen atoms, relative to all silicon atoms, is 1% or less, and the oscillating bond of silicon atoms is 1 x 1017 cm ~ 3 or less.
On décrit maintenant un procédé de fabrication d'un dispositif photovoltarque ayant une telle structure. L'électrode avant 2 est formée, par exemple par évaporation de SnO2 sur le substrat 1. Ensuite, on forme la couche 3a amorphe de type P de SiC:H sur l'électrode avant 2, par dépôt chimique en phase vapeur (DVC) au plasma en utilisant une décharge d'effluve de radiofréquence, on forme la couche 3b amorphe de type I de Si:H sur la couche 3a amorphe de type P de SiC:H par dépôt chimique en phase vapeur de radical excité ou photo-dépôt chimique en phase vapeur, et on forme la couche 3c amorphe de type N de Si:H sur la couche 3b amorphe de type I de Si:H par dépôt chimique en phase vapeur au plasma utilisant une décharge d'effluve de radiofréquence. Le tableau I ci-après indique un -exemple de conditions de réaction pour la formation de chacune de ces trois couches. Finalement, on forme l'électrode arrière 4 par évaporation de Ai sur la couche 3c amorphe de type N de Si:H. Dans ce tableau a-P-, a-I- et a-N- désignent respectivement des structures amorphes de types P, I et N. A method of manufacturing a photovoltaic device having such a structure is now described. The front electrode 2 is formed, for example by evaporation of SnO2 on the substrate 1. Then, the amorphous P-type layer 3a of SiC: H is formed on the front electrode 2, by chemical vapor deposition (DVC) in plasma using a radiofrequency corona discharge, the amorphous layer 3b of type I of Si: H is formed on the amorphous layer 3a of type P of SiC: H by chemical vapor deposition of excited radical or photo-deposition chemical vapor phase, and the N-type amorphous Si: H layer 3c is formed on the Si: H type I amorphous layer 3b by plasma chemical vapor deposition using radiofrequency corona discharge. Table I below shows an example of reaction conditions for the formation of each of these three layers. Finally, the rear electrode 4 is formed by evaporation of Al on the amorphous N-type layer 3c of Si: H. In this table a-P-, a-I- and a-N- denote respectively amorphous structures of types P, I and N.
TABLEAU 1
<tb> <SEP> 3a <SEP> 3b <SEP> <SEP> 3c
<tb> <SEP> a-P-SiC:H <SEP> a-I-Si:H <SEP> a-N-Si:H
<tb> Procédé <SEP> de <SEP> décharge <SEP> d'ef- <SEP> DVC <SEP> radical <SEP> i <SEP> <SEP> décharge
<tb> réaction <SEP> fluve <SEP> excité <SEP> d'effluve
<tb> Puissance <SEP> <SEP> Radiofréquence <SEP> Micro-ondes <SEP> Radiofréquence
<tb> appliquée <SEP> (13,56 <SEP> MHz) <SEP> (2,45 <SEP> GHz) <SEP> <SEP> (13,6 <SEP> MHz) <SEP>
<tb> <SEP> (W) <SEP> <SEP> 30 <SEP> 100 <SEP> 30
<tb> Température <SEP> du
<tb> substrat <SEP> ( C) <SEP> 200 <SEP> 300 <SEP> 200
<tb> Pression <SEP> (torr) <SEP> 0,3 <SEP> (a) <SEP> 0,001 <SEP> (b) <SEP> 0,3 <SEP> (a)
<tb> apport <SEP> des <SEP> gaz <SEP> CH4/SiH4=l <SEP> SiR2F2/H2=O,l <SEP> <SEP> PH3/SiH4=O,l <SEP>
<tb> de <SEP> réaction <SEP> B2H4/SiH4=0,01 <SEP>
<tb> Notes
<tb> (a) <SEP> 0,3 <SEP> torr <SEP> correspond <SEP> approximativement <SEP> à <SEP> 40 <SEP> Pa,
<tb> (b) <SEP> 0,001 <SEP> torr <SEP> correspond <SEP> approximativement <SEP> <SEP> à <SEP> 0,13 <SEP> Pa.
<tb> <tb><SEP> 3a <SEP> 3b <SEP><SEP> 3c
<tb><SEP> aP-SiC: H <SEP> aI-Si: H <SEP> aN-Si: H
<tb> Method <SEP> of <SEP> unload <SEP> of ef- <SEP> DVC <SEP> radical <SEP> i <SEP><SEP> unload
<tb> reaction <SEP> fluve <SEP> excited <SEP> effluvium
<tb> Power <SEP><SEP> Radiofrequency <SEP> Microwaves <SEP> Radiofrequency
<tb> applied <SEP> (13.56 <SEP> MHz) <SEP> (2.45 <SEP> GHz) <SEP><SEP> (13.6 <SEP> MHz) <SEP>
<tb><SEP> (W) <SEP><SEP> 30 <SEP> 100 <SEP> 30
<tb> Temperature <SEP> of the
<tb> substrate <SEP> (C) <SEP> 200 <SEP> 300 <SEP> 200
<tb> Pressure <SEP> (torr) <SEP> 0.3 <SEP> (a) <SEP> 0.001 <SEP> (b) <SEP> 0.3 <SEP> (a)
<tb> input <SEP> of <SEP> gases <SEP> CH4 / SiH4 = l <SEP> SiR2F2 / H2 = O, l <SEP><SEP> PH3 / SiH4 = O, l <SEP>
<tb> of <SEP> reaction <SEP> B2H4 / SiH4 = 0.01 <SEP>
<tb> Notes
<tb> (a) <SEP> 0.3 <SEP> torr <SEP> corresponds approximately <SEP><SEP> to <SEP> 40 <SEP> Pa,
<tb> (b) <SEP> 0.001 <SEP> torr <SEP> corresponds approximately <SEP><SEP><SEP> to <SEP> 0.13 <SEP> Pa.
<tb>
On se réfère maintenant aux taux d'atomes de silicium se liant aux atomes d'hydrogène et à la valeur numérique d'oscillation des atomes de silicium. La figure 2 est un graphique illustrant la relation entre le taux d1 atomes de silicium se liant aux atomes d'hydrogène et le rendement de conversion photoélectrique. L'abscisse représente le taux (%) d'atomes de silicium se liant d des atomes d'hydrogène, et l'ordonnée représente le rendement de conversion photo-électrique (%), respectivement. En outre, le graphique illustre une relation entre ces deux grandeurs dans le cas où la liaison oscillante est de 5 x 1016 cm~3 et la condition d'irradiation est de 100 mW/cm2 pour la valeur AM=1. We now refer to the ratio of silicon atoms bonding to hydrogen atoms and to the numerical oscillation value of silicon atoms. Fig. 2 is a graph illustrating the relationship between the rate of silicon atoms bonding to hydrogen atoms and the photoelectric conversion efficiency. The abscissa represents the rate (%) of silicon atoms bonding to hydrogen atoms, and the ordinate represents the photoelectric conversion efficiency (%), respectively. In addition, the graph illustrates a relationship between these two quantities in the case where the oscillating link is 5 x 1016 cm ~ 3 and the irradiation condition is 100 mW / cm2 for the value AM = 1.
AM désigne la longueur du chemin que suit directement la lumière solaire pour entrer dans l'atmosphère, et.est défini par la relation
AM=b/bo sec Z où,
bo est la pression standard,
b est la pression lors de la mesure,
Z est la distance zénithale du soleil, et
sec Z est la sécante de l'angle Z.AM denotes the length of the path that sunlight directly follows to enter the atmosphere, and. Is defined by the relation
AM = b / bo sec Z where,
bo is the standard pressure,
b is the pressure during the measurement,
Z is the zenith distance from the sun, and
sec Z is the secant of angle Z.
En général, b=bo et AM=1 correspond au cas où le soleil brille au zénith par rapport à l'observateur. La figure 3 illustre également la relation entre la liaison oscillante des atomes de silicium et le rendement de conversion photo-électrique, l'abscisse représentant la valeur de liaison oscillante (cl~3) et l'ordonnée représentant le rendement de conversion photo-électrique (%), respectivement. En outre, le graphique illustre une relation entre ces deux grandeurs dans le cas où le taux d'atomes de silicium se liant à des atomes d'hydrogène est de 0,5 % et l'état d'irradiation est de 100 mW/cm2 (quand AM=1). In general, b = bo and AM = 1 corresponds to the case where the sun shines at the zenith in relation to the observer. Figure 3 also illustrates the relationship between the oscillating bond of silicon atoms and the photoelectric conversion efficiency, the abscissa representing the oscillating bond value (cl ~ 3) and the ordinate representing the photoelectric conversion efficiency. (%), respectively. In addition, the graph illustrates a relationship between these two quantities in the case where the rate of silicon atoms bonding to hydrogen atoms is 0.5% and the irradiation state is 100 mW / cm2. (when AM = 1).
Comme on le voit sur la figure 2, lorsque le taux d'atomes de silicium se liant à des atomes d'hydrogène dépasse 1 %, le rendement de conversion photo-électrique diminue brusquement. Par conséquent, il est préférable que le taux d'atomes de silicium se liant à des atomes d'hydrogène est inférieur ou égal à 1 % . D'autre part, comme on le voit sur la figure 3, lorsque la liaison oscillante d'atomes de silicium dépasse 1 x i017 cl"3, le rendement de conversion photo-électrique diminue brusquement.Par conséquent, la valeur numérique de liaison oscillante d'atomes de silicium est de préférence inférieure ou égale à i x 1017 cl~3. Par suite, un dispositif photovoltalque utilisant un semi-conducteur au silicium amorphe hydrogéné comme couche photoactive, dans lequel le taux d'atomes de silicium se liant à des atomes d'hydrogène est de 1 % ou moins et la liaison oscillante d'atomes de silicium est inférieure ou égale à 1 x 1017 cm-3, possède un rendement élevé de conversion photo-électrique. As seen in Fig. 2, when the rate of silicon atoms bonding to hydrogen atoms exceeds 1%, the photoelectric conversion efficiency decreases sharply. Therefore, it is preferable that the rate of silicon atoms bonding to hydrogen atoms is less than or equal to 1%. On the other hand, as can be seen in Fig. 3, when the oscillating bond of silicon atoms exceeds 1 x 1017 cl -3, the photoelectric conversion efficiency decreases sharply. Therefore, the digital value of oscillating link of silicon atoms is preferably less than or equal to ix 1017 cl ~ 3. As a result, a photovoltaic device using a hydrogenated amorphous silicon semiconductor as a photoactive layer, in which the rate of silicon atoms binding to hydrogen atoms is 1% or less and the oscillating bond of silicon atoms is less than or equal to 1 x 1017 cm-3, has high photoelectric conversion efficiency.
Le tableau 2 ci-après montre les caractéristiques de couche de la couche amorphe de type I de Si:H suivant la présente invention et de la couche usuelle amorphe de type I de Si:H. Le tableau 3 ci-après montre les caractéristiques de conversion photo-électrique d'un dispositif photovoltalque suivant la présente invention et d'un dispositif photovoltarsue, comportant la couche usuelle de amorphe de type I Si:H illustrée dans le tableau 2. En outre, les valeurs numériques consignées dans le tableau 3 indiquent les caractéristiques dans le cas où la condition d'irradiation est quand AM=1 de 100 mW/cm2 pour les deux dispositifs photovoltalques. Table 2 below shows the layer characteristics of the type I amorphous layer of Si: H according to the present invention and of the usual type I amorphous layer of Si: H. Table 3 below shows the photoelectric conversion characteristics of a photovoltaic device according to the present invention and of a photovoltaic device, comprising the usual type I Si: H amorphous layer illustrated in Table 2. In addition , the numerical values recorded in table 3 indicate the characteristics in the case where the irradiation condition is when AM = 1 of 100 mW / cm2 for the two photovoltaic devices.
TABLEAU 2
<tb> <SEP> Exemple <SEP> de <SEP> la <SEP> Exemple
<tb> <SEP> présente <SEP> invention <SEP> usuel
<tb> Taux <SEP> d'atomes <SEP> de <SEP> silicium <SEP> <SEP> se
<tb> liant <SEP> aux <SEP> atomes <SEP> d'hydrogène
<tb> <SEP> (Z) <SEP> <SEP> 0,5 <SEP> 20
<tb> Valeur <SEP> de <SEP> liaison <SEP> oscillante
<tb> des <SEP> atomes <SEP> de <SEP> silicium <SEP> (cm-3) <SEP> 5x1016 <SEP> 1x1016 <SEP>
<tb> Intervalle <SEP> de <SEP> bande <SEP> optique <SEP> (eV) <SEP> 1,60 <SEP> (a) <SEP> 1,70 <SEP> (b)
<tb> Coefficient <SEP> d'absorption <SEP> à
<tb> 700 <SEP> nm <SEP> (cm-1) <SEP> 3x104 <SEP> 7x103
<tb> Photo-conductivité <SEP> orph <SEP>
<tb> <SEP> (#-1#-I) <SEP> <SEP> 2x10-5 <SEP> <SEP> lx10-5 <SEP>
<tb> Conductivité <SEP> d'obscurité <SEP> 6r <SEP> <SEP> d <SEP> 5x10-11 <SEP> 1x10-11 <SEP>
<tb> <SEP> (D <SEP> lem~l) <SEP>
<tb> Notes
<tb> (a) <SEP> soit <SEP> environ <SEP> 2,56 <SEP> x <SEP> 10-19 <SEP> <SEP> J
<tb> (b) <SEP> soit <SEP> environ <SEP> 2,72 <SEP> x-10-19 <SEP> <SEP> J
<tb>
TABLEAU 3
<tb><SEP> presents <SEP> invention <SEP> usual
<tb> Rate <SEP> of atoms <SEP> of <SEP> silicon <SEP><SEP> se
<tb> binding <SEP> to <SEP> atoms <SEP> of hydrogen
<tb><SEP> (Z) <SEP><SEP> 0.5 <SEP> 20
<tb> Oscillating <SEP><SEP> value <SEP> link
<tb> of <SEP> atoms <SEP> of <SEP> silicon <SEP> (cm-3) <SEP> 5x1016 <SEP> 1x1016 <SEP>
<tb> Interval <SEP> of <SEP> tape <SEP> optical <SEP> (eV) <SEP> 1.60 <SEP> (a) <SEP> 1.70 <SEP> (b)
<tb> Absorption coefficient <SEP><SEP> at
<tb> 700 <SEP> nm <SEP> (cm-1) <SEP> 3x104 <SEP> 7x103
<tb> Photo-conductivity <SEP> orph <SEP>
<tb><SEP>(# -1 # -I) <SEP><SEP> 2x10-5 <SEP><SEP> lx10-5 <SEP>
<tb> Dark conductivity <SEP><SEP> 6r <SEP><SEP> d <SEP> 5x10-11 <SEP> 1x10-11 <SEP>
<tb><SEP> (D <SEP> lem ~ l) <SEP>
<tb> Notes
<tb> (a) <SEP> or approximately <SEP><SEP> 2.56 <SEP> x <SEP> 10-19 <SEP><SEP> J
<tb> (b) <SEP> or approximately <SEP><SEP> 2.72 <SEP> x-10-19 <SEP><SEP> J
<tb>
TABLE 3
<tb> <SEP> Exemple <SEP> de <SEP> la <SEP> Exemple
<tb> <SEP> présente <SEP> invention <SEP> usuel
<tb> Courant <SEP> de <SEP> circuit <SEP> Isc
<tb> <SEP> (mA/cm2) <SEP> 17,2 <SEP> 14,5
<tb> Tension <SEP> en <SEP> circuit <SEP> ouvert
<tb> <SEP> Voc <SEP> (V) <SEP> 0,84 <SEP> 0,85
<tb> Facteur <SEP> de <SEP> remplissage <SEP> FF <SEP> 0,65 <SEP> 0,68
<tb> Rendement <SEP> de <SEP> conversion
<tb> photo-électriquef <SEP> <SEP> O <SEP> (%) <SEP> 9,39 <SEP> 8,38
<tb> Rendement <SEP> de <SEP> conversion
<tb> photo-électrique <SEP> après
<tb> irradiation <SEP> à <SEP> 100 <SEP> mW/cm2
<tb> pendant <SEP> 100 <SEP> h <SEP> Q <SEP> <SEP> (%) <SEP> 8,64 <SEP> 6,79
<tb> ~ <SEP> <SEP> 0 <SEP> <SEP> 0,92 <SEP> 0,81
<tb>
Pour le dispositif usuel, le rendement de conversion photo-électrique est de 8,38 X, tandis qu'il est de 9,39 Z pour la présente invention, soit une augmentation de 1 Z ou davantage.<tb><SEP> Example <SEP> of <SEP> the <SEP> Example
<tb><SEP> presents <SEP> invention <SEP> usual
<tb> Current <SEP> of <SEP> circuit <SEP> Isc
<tb><SEP> (mA / cm2) <SEP> 17.2 <SEP> 14.5
<tb> Voltage <SEP> in <SEP> circuit <SEP> open
<tb><SEP> Voc <SEP> (V) <SEP> 0.84 <SEP> 0.85
<tb> Factor <SEP> of <SEP> filling <SEP> FF <SEP> 0.65 <SEP> 0.68
<tb> Yield <SEP> of <SEP> conversion
<tb> photo-electricf <SEP><SEP> O <SEP> (%) <SEP> 9.39 <SEP> 8.38
<tb> Yield <SEP> of <SEP> conversion
<tb> photoelectric <SEP> after
<tb> irradiation <SEP> at <SEP> 100 <SEP> mW / cm2
<tb> for <SEP> 100 <SEP> h <SEP> Q <SEP><SEP> (%) <SEP> 8.64 <SEP> 6.79
<tb> ~ <SEP><SEP> 0 <SEP><SEP> 0.92 <SEP> 0.81
<tb>
For the conventional device, the photoelectric conversion efficiency is 8.38 X, while it is 9.39 Z for the present invention, an increase of 1 Z or more.
En outre, le taux de réduction du rendement de conversion photoélectrique après irradiation par un rayonnement lumineux intense est de 19 % pour le dispositif usuel alors qu'il est seulement de 8 Z pour la présente invention, ce qui montre que la photodétérioration est évitée. Further, the reduction rate of the photoelectric conversion efficiency after irradiation with intense light radiation is 19% for the usual device while it is only 8% for the present invention, which shows that the photodeterioration is avoided.
Dans le dispositif photovoltalque suivant la présente invention, comme indiqué dans le tableau 2, l'intervalle de bande optique de la couche amorphe de type I Si:H est réduit et le coefficient d'absorption de la région de grande longueur d'onde est augmenté et par conséquent la lumière de grande longueur d'onde, qui ntest pas utilisée effectivement dans le dispositif usuel, peut être utilisée pour produire une photo-tension, de sorte que les caractéristiques de conversion photo-électrique sont améliorées comme on le voit sur le tableau 3.En outre, comme indiqué dans le tableau 2 précité, le coefficient d'absorption à 700 nm est augmenté jusqu'à 3 x 104 cm~l et, par suite, l'épaisseur de film qui devait être de 400 à 500 nm environ peut être réduite à 300 nm ou moins, et de préférence 200 nm ou moins, ce qui permet d'éviter la photodétérioration. In the photovoltaic device according to the present invention, as shown in Table 2, the optical band gap of the type I Si: H amorphous layer is reduced and the absorption coefficient of the long wavelength region is reduced. increased and therefore the long wavelength light, which is not actually used in the conventional device, can be used to produce a photo-voltage, so that the photoelectric conversion characteristics are improved as seen in Table 3 In addition, as shown in Table 2 above, the absorption coefficient at 700 nm is increased to 3 x 104 cm ~ 1 and, as a result, the film thickness which should be 400 to About 500nm can be reduced to 300nm or less, and preferably 200nm or less, thereby avoiding photodeterioration.
Comme détaillé ci-dessus, avec le dispositif photovoltaîque conforme à la présente invention, on peut améliorer le rendement de conversion photo-électrique et supprimer la photodétérioration. As detailed above, with the photovoltaic device according to the present invention, the photoelectric conversion efficiency can be improved and photodeterioration can be suppressed.
On connais également le dispositif photovoltaique de structure dite en tandem (brevet US n0 4 496 788) dans lequel les éléments de génération d'énergie sont déposés en couches multiples, par exemple en deux ou trois couches ou davantage, et, dans de telles piles en tandem, on peut améliorer le rendement de conversion photo-électrique par ajustement de l'intervalle de bande optique dans chaque élément de génération d'énergie. Also known is the photovoltaic device of so-called tandem structure (US Pat. No. 4,496,788) in which the energy generating elements are deposited in multiple layers, for example in two or three layers or more, and, in such cells. in tandem, the photoelectric conversion efficiency can be improved by adjusting the optical band gap in each power generating element.
On décrit ci-après un deuxième mode de réalisation conforme à la présente invention, concernant les piles en tandem précitées. A second embodiment in accordance with the present invention is described below, relating to the aforementioned tandem cells.
La figure 4 illustre une structure de base des piles en tandem suivant la présente invention. En vue du côté de la lumière incidente, l'électrode avant 12 en TCO, un premier élément 13 de génération d'énergie présentant une structure de type PIN à trois couches 13a, 13b et 13c dans cet ordre à partir de l'électrode avant 12, et un deuxième élément de génération d'énergie comportant une jonction de semi-conducteur de type P-N 23a et 23b dans cet ordre à partir du côté de l'électrode avant 12, sont déposés dans cet ordre sur une électrode arrière 14 en Ti qui a un point de fusion élevé et donne d'excellentes performances ohmiques avec la couche 23b de semi-conducteur de type N.Ainsi, chacun des premier et deuxième éléments de génération d'énergie l3 et 23 fonctionne individuellement pratiquement comme un élément de génération d'énergie. Le tableau 4 ci-après illustre un mode de réalisation de configurations de couches des premier et deuxième éléments de génération d'énergie 13 et 23. Dans ce tableau, les mentions "a" et " > 4C" désignent respectivement des structures amorphes et monocristallines. Figure 4 illustrates a basic structure of tandem stacks according to the present invention. In view from the incident light side, the front TCO electrode 12, a first power generation element 13 having a three-layer PIN-like structure 13a, 13b and 13c in that order from the front electrode 12, and a second power generating element having a PN-type semiconductor junction 23a and 23b in that order from the side of the front electrode 12, are deposited in this order on a rear electrode 14 made of Ti which has a high melting point and gives excellent ohmic performance with the N-type semiconductor layer 23b. Thus, each of the first and second power generation elements 13 and 23 individually operates substantially as a generation element of energy. Table 4 below illustrates an embodiment of layer configurations of the first and second energy generation elements 13 and 23. In this table, the references "a" and "> 4C" denote respectively amorphous and monocrystalline structures. .
En outre, suivant la présente invention, dans la couche amorphe de type I (couche photoactive) 13b, le taux des atomes de silicium se liant aux atomes d'hydrogène par rapport à la totalité des atomes de silicium est de 1 % ou moins, et la liaison oscillante d'atomes de silicium est de 1 x 1017 cm 3ou moins. Further, according to the present invention, in the type I amorphous layer (photoactive layer) 13b, the ratio of silicon atoms bonding to hydrogen atoms to all silicon atoms is 1% or less, and the oscillating bond of silicon atoms is 1 x 1017 cm 3 or less.
TABLEAU 4
<tb> Composition <SEP> <SEP> de <SEP> film <SEP> Intervalle <SEP> Epaisseur
<tb> <SEP> bande <SEP> optique <SEP> de <SEP> film <SEP> (nm) <SEP>
<tb> 13a <SEP> a <SEP> type <SEP> P-SiC:H <SEP> ~ <SEP> <SEP> 2,0 <SEP> N <SEP> 20
<tb> <SEP> a <SEP> a <SEP> type <SEP> P-Si:fi <SEP> <SEP> 1,7 <SEP> <SEP> 15 <SEP>
<tb> <SEP> <SEP> C <SEP> <SEP> type <SEP> P-Si:H <SEP> o <SEP> <SEP> 2,0 <SEP> > 2 <SEP> <SEP> 20
<tb> |
<tb> <SEP> 13b <SEP> <SEP> a-Si::H
<tb> <SEP> faiblement <SEP> hydrogéné <SEP> ~ <SEP> 1,6 <SEP> ~ <SEP> 100100
<tb> <SEP> 13c <SEP> a <SEP> type <SEP> N-Si:H <SEP> ru <SEP> <SEP> 1,7 <SEP> cJ <SEP> <SEP> 7
<tb> <SEP> C <SEP> type <SEP> N-Si:H <SEP> ~ <SEP> <SEP> 2,0 <SEP> r%J <SEP> <SEP> 7
<tb> <SEP> 23a <SEP> a <SEP> type <SEP> P-SiC:H <SEP> ~ <SEP> <SEP> 2,0 <SEP> ~ <SEP> 8
<tb> <SEP> a <SEP> type <SEP> P-Si:H <SEP> ru <SEP> <SEP> 1,7 <SEP> ~ <SEP> <SEP> 8
<tb> <SEP> s <SEP> C <SEP> <SEP> type <SEP> P-Si::H <SEP> rv <SEP> 2,0 <SEP> # <SEP> <SEP> 8
<tb> <SEP> type <SEP> P <SEP> poly-Si <SEP> rv <SEP> 1,2 <SEP> ~300
<tb> <SEP> 23b <SEP> type <SEP> N <SEP> poly-Si <SEP> cu <SEP> <SEP> 1,2 <SEP> ~ <SEP> 10000
<tb> <SEP> Notes
<tb> <SEP> (a) <SEP> 1 <SEP> eV <SEP> correspond <SEP> approximativement <SEP> à <SEP> 1,602 <SEP> x <SEP> 10-19 <SEP> <SEP> J.
<tb> <tb> Composition <SEP><SEP> of <SEP> film <SEP> Interval <SEP> Thickness
<tb><SEP> tape <SEP> optical <SEP> of <SEP> film <SEP> (nm) <SEP>
<tb> 13a <SEP> a <SEP> type <SEP> P-SiC: H <SEP> ~ <SEP><SEP> 2,0 <SEP> N <SEP> 20
<tb><SEP> a <SEP> a <SEP> type <SEP> P-Si: fi <SEP><SEP> 1.7 <SEP><SEP> 15 <SEP>
<tb><SEP><SEP> C <SEP><SEP> type <SEP> P-Si: H <SEP> o <SEP><SEP> 2,0 <SEP>> 2 <SEP><SEP> 20
<tb> |
<tb><SEP> 13b <SEP><SEP> a-Si :: H
<tb><SEP> weakly <SEP> hydrogenated <SEP> ~ <SEP> 1.6 <SEP> ~ <SEP> 100 100
<tb><SEP> 13c <SEP> a <SEP> type <SEP> N-Si: H <SEP> ru <SEP><SEP> 1,7 <SEP> cJ <SEP><SEP> 7
<tb><SEP> C <SEP> type <SEP> N-Si: H <SEP> ~ <SEP><SEP> 2,0 <SEP> r% J <SEP><SEP> 7
<tb><SEP> 23a <SEP> a <SEP> type <SEP> P-SiC: H <SEP> ~ <SEP><SEP> 2,0 <SEP> ~ <SEP> 8
<tb><SEP> a <SEP> type <SEP> P-Si: H <SEP> ru <SEP><SEP> 1,7 <SEP> ~ <SEP><SEP> 8
<tb><SEP> s <SEP> C <SEP><SEP> type <SEP> P-Si :: H <SEP> rv <SEP> 2,0 <SEP>#<SEP><SEP> 8
<tb><SEP> type <SEP> P <SEP> poly-Si <SEP> rv <SEP> 1,2 <SEP> ~ 300
<tb><SEP> 23b <SEP> type <SEP> N <SEP> poly-Si <SEP> cu <SEP><SEP> 1,2 <SEP> ~ <SEP> 10000
<tb><SEP> Notes
<tb><SEP> (a) <SEP> 1 <SEP> eV <SEP> corresponds approximately <SEP> to <SEP> to <SEP> 1.602 <SEP> x <SEP> 10-19 <SEP><SEP> J .
<tb>
En outre, le tableau 4 donne un exemple de configuration de type P-I-N et de type P-N dans cet ordre à partir du côté de l'électrode avant 12 mais il va sans dire que, à l'inverse, on peut utiliser une configuration de type N-I-P et de type N-P dans cet ordre à partir du côté de l'électrode avant 12 et, dans ce cas, l'électrode arrière 14 est de préférence en Pt. Further, Table 4 gives an example of a PIN type and PN type configuration in that order from the front electrode side 12 but it goes without saying that, conversely, one can use a type configuration. NIP and NP type in that order from the side of the front electrode 12 and, in this case, the rear electrode 14 is preferably in Pt.
Le tableau 5 montre les caractéristiques de conversion photo-électrique du dispositif photovoltaïque ayant la structure en tandem conforme à la présente invention. En outre, un mode de réalisation (a) indiqué dans le tableau 5 possède une configuration de couches amorphes de type P de SiC:H (13a), amorphe de type I faiblement hydrogéné de SiC:H (13b), microcristalline de type N SiC:H (13c) poly-Si de type P (23a) et poly-Si de type N (23b) dans cet ordre à partir du côté de l'électrode avant 12, et un mode de réalisation (b) possède une configuration de couches amorphes de type N de
SiC:H (13a), amorphe de type I faiblement hydrogéné de SiC:H (13b), microcristalline de type P de SiC:H (13c), poly-Si de type
N (23a) et poly-Si de type P (23b) dans cet ordre à partir du côté de l'électrode 12. De plus, les valeurs numériques du tableau 5 donnent les caractéristiques dans le cas où ltétat d'irradiation est quand AM=l de 100 mW/cm2 pour les deux dispositifs photovolta#ques. Table 5 shows the photoelectric conversion characteristics of the photovoltaic device having the tandem structure according to the present invention. Further, an embodiment (a) shown in Table 5 has a P-type amorphous layer configuration of SiC: H (13a), weakly hydrogenated type I amorphous SiC: H (13b), N-type microcrystalline. SiC: H (13c) P-type poly-Si (23a) and N-type poly-Si (23b) in that order from the front electrode side 12, and one embodiment (b) has a configuration N-type amorphous layers of
SiC: H (13a), amorphous type I weakly hydrogenated from SiC: H (13b), microcrystalline type P from SiC: H (13c), poly-Si type
N (23a) and P-type poly-Si (23b) in that order from the side of electrode 12. In addition, the numerical values in Table 5 give the characteristics in case the irradiation state is when AM = l of 100 mW / cm2 for the two photovoltaic devices.
TABLEAU 5
<tb> <SEP>
<tb> <SEP> Réalisation <SEP> Réalisation
<tb> <SEP> (a) <SEP> (b)
<tb> Courant <SEP> de <SEP> court-circuit
<tb> <SEP> 1sc <SEP> <SEP> (mA/cm2) <SEP> <SEP> . <SEP> <SEP> 12,2 <SEP> 14,5
<tb> Tension <SEP> à <SEP> circuit <SEP> ouvert
<tb> <SEP> Voc <SEP> (V) <SEP> 1,5 <SEP> 1,5
<tb> Facteur <SEP> de <SEP> remplissage <SEP> FF <SEP> 0,68 <SEP> 0,70
<tb> Rendement <SEP> de <SEP> conversion
<tb> photo-électrique <SEP> tao <SEP> (%) <SEP> <SEP> 12,4 <SEP> 15,2
<tb> Rendement <SEP> de <SEP> conversion
<tb> photo-électrique <SEP> après <SEP> irra
<tb> diation <SEP> à <SEP> 100 <SEP> mW/cm2 <SEP> pendant
<tb> ioo <SEP> h <SEP> n(%) <SEP> 11,4 <SEP> 14,0
<tb> <SEP> 0,92 <SEP> 0,92
<tb>
Comme on le met en évidence sur le tableau 5, le dispositif photovoltaique constitué des piles en tandem suivant la présente invention présente des caractéristiques de conversion photo-électrique améliorées.<tb><SEP>
<tb><SEP> Realization <SEP> Realization
<tb><SEP> (a) <SEP> (b)
<tb> Current <SEP> of <SEP> short circuit
<tb><SEP> 1sc <SEP><SEP> (mA / cm2) <SEP><SEP>.<SEP><SEP> 12.2 <SEP> 14.5
<tb> Voltage <SEP> to <SEP> circuit <SEP> open
<tb><SEP> Voc <SEP> (V) <SEP> 1.5 <SEP> 1.5
<tb> Factor <SEP> of <SEP> filling <SEP> FF <SEP> 0.68 <SEP> 0.70
<tb> Yield <SEP> of <SEP> conversion
<tb> photoelectric <SEP> tao <SEP> (%) <SEP><SEP> 12.4 <SEP> 15.2
<tb> Yield <SEP> of <SEP> conversion
<tb> photoelectric <SEP> after <SEP> irra
<tb> diation <SEP> to <SEP> 100 <SEP> mW / cm2 <SEP> during
<tb> ioo <SEP> h <SEP> n (%) <SEP> 11.4 <SEP> 14.0
<tb><SEP> 0.92 <SEP> 0.92
<tb>
As shown in Table 5, the photovoltaic device consisting of the tandem cells according to the present invention exhibits improved photoelectric conversion characteristics.
En outre, dans le dispositif de piles en tandem décrit ci-dessus, le deuxième élément de générationd'energie utilise du silicium polycristallin comme constituant principal. Sans limiter le dispositif décrit ci-dessus, on peut employer un deuxième élément de génération d'énergie utilisant du silicium amorphe comme constituant principal, ou bien un deuxième élément de génération d'énergie utilisant du silicium monocristallin comme constituant principal. Further, in the tandem battery device described above, the second power generation element uses polysilicon as the main component. Without limiting the device described above, it is possible to employ a second energy generation element using amorphous silicon as the main constituent, or else a second energy generation element using monocrystalline silicon as the main constituent.
De plus, bien qu'on ait décrit le cas d'une configuration comportant deux éléments de génération d'énergie, il est entendu qu'on peut adopter une configuration comportant trois éléments de génération d'énergie ou davantage, sans sortir du cadre de la présente invention. Celle-ci peut être mise en oeuvre sous diverses formes sans s'écarter du cadre de ses caractéristiques essentielles et les modes de réalisation tels que décrits ne sont pas donnés de façon limitative mais à titre d'illustration. In addition, although the case of a configuration comprising two energy generation elements has been described, it is understood that a configuration comprising three or more energy generation elements can be adopted without departing from the scope of the present invention. This can be implemented in various forms without departing from the scope of its essential characteristics and the embodiments as described are not given in a limiting manner but by way of illustration.
Selon un mode de réalisation de l'invention la couche photoactive 3b est du type I. Selon un autre mode de réalisation le type de conductivité de l'élément générateur d'énergie est P,
I, et N dans cet ordre à partir de ladite électrode avant 2. En variante, le type de conductivité de l'élément générateur d'énergie est N, I et P dans cet ordre à partir de ladite électrode avant 2.According to one embodiment of the invention, the photoactive layer 3b is of type I. According to another embodiment, the type of conductivity of the energy generating element is P,
I, and N in this order from said front electrode 2. As a variant, the type of conductivity of the energy generating element is N, I and P in this order from said front electrode 2.
Selon un autre mode de réalisation on préconise également un dispositif photovoltaique, comprenant une électrode avant 12, un premier élément 13 générateur d'énergie dont le constituant principal est du silicium amorphe, un deuxième élément 23 générateur d'énergie, et une électrode arrière 14, déposés dans cet ordre, caractérisé en ce qu'une couche photo-active dudit premier élément générateur d'énergie est en un semi-conducteur au silicium amorphe hydrogéné dans lequel le rapport du nombre d'atomes de silicium se liant à des atomes d'hydrogène au nombre total des atomes de silicium est inférieur ou égal à 1 %, et la liaison oscillante d'atomes de silicium est inférieure ou égale à 1 x 1017 cm-3. According to another embodiment, a photovoltaic device is also recommended, comprising a front electrode 12, a first energy-generating element 13, the main component of which is amorphous silicon, a second energy-generating element 23, and a rear electrode 14 , deposited in this order, characterized in that a photoactive layer of said first energy generating element is made of a hydrogenated amorphous silicon semiconductor in which the ratio of the number of silicon atoms bonding to atoms d hydrogen in the total number of silicon atoms is less than or equal to 1%, and the oscillating bond of silicon atoms is less than or equal to 1 x 1017 cm-3.
Dans ce dernier mode de réalisation le deuxième élément générateur d'énergie 23 est un élément générateur d'énergie dont le constituant principal est du silicium polycristallin. In this last embodiment, the second energy generating element 23 is an energy generating element, the main constituent of which is polysilicon.
Dans une telle configuration les types de conductivité desdits premier et deuxième éléments générateurs d'énergie sont respectivement P, I, N et P, N dans cet ordre, à partir de ladite électrode avant, ou sont N, I, P et N, P dans cet ordre, à partir de ladite électrode avant. In such a configuration the types of conductivity of said first and second energy generating elements are respectively P, I, N and P, N in that order, from said front electrode, or are N, I, P and N, P in that order, from said front electrode.
Le constituant essentiel du deuxième élément générateur d'énergie comporte comme constituant essentiel du silicium amorphe ou du silicium monocristallin. The essential constituent of the second energy generating element comprises as essential constituent amorphous silicon or monocrystalline silicon.
De préférence, la couche photo-active 13b du premier élément générateur d'énergie est en un semi-conducteur au silicium amorphe hydrogéné dont le coefficient d'absorption à 700 nm est d'environ 3 x 104 cm-i ou plus. Preferably, the photoactive layer 13b of the first energy generating element is of a hydrogenated amorphous silicon semiconductor whose absorption coefficient at 700 nm is about 3 x 104 cm-i or more.
De façon avantageuse l'épaisseur de ladite couche photo-active est de30 nm ou moins. Advantageously, the thickness of said photoactive layer is 30 nm or less.
Claims (12)
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|---|---|---|---|
| JP62073152A JPS633872A (en) | 1986-03-27 | 1987-03-27 | Magnetic mat |
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| FR888806361A Granted FR2615327A1 (en) | 1987-03-27 | 1988-05-11 | Photovoltaic device |
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-
1988
- 1988-05-11 FR FR888806361A patent/FR2615327A1/en active Granted
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2615327B1 (en) | 1993-02-26 |
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