FR2648618A1 - Procede de production d'un substrat pour la croissance selective d'un cristal, procede de croissance selective d'un cristal et procede de production d'une pile solaire - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un procédé pour produire un substrat destiné à la croissance sélective d'un cristal. Il consiste à soumettre un substrat 104, comportant une couche 101 constituée d'une première matière ayant une densité de nucléation élevée et une couche 103, superposée à la précédente, constituée d'une seconde matière ayant une densité de nucléation inférieure à celle de la première matière, à l'application d'un champ électrique concentré dans une région souhaitée de la couche constituée de la seconde matière, afin d'éliminer la région pour exposer la couche constituée de la première matière. Domaine d'application : production de piles solaires, etc.
Description
L'invention concerne un procédé de production d'un substrat pour la
croissance sélective d'un cristal, un procédé de croissance sélective d'un cristal et un procédé de production d'une pile solaire utilisant les deux premiers procédés.-Elle a trait en particulier a un procéde qui peut réaliser en continu la croissance sélective d'un cristal à un faible coût, un procédé destiné à produire un substrat pour la croissance sélective d'un cristal, et un procédé capable de produire en continu une pile solaire ayant un bon rendement de conversion d'énergie, en utilisant le procéde précédent de croissance sélective d'un cristal. On a utilisé des piles solaires en tant que
sources d'énergie de commande dans divers instruments.
Une pile solaire comporte une partie fonction-
nelle dans laquelle une jonction pn ou une jonction pin est utilisée, et on a généralement utilisé du silicium en tant que semiconducteur constituant ces jonctions pn et pin. En ce qui concerne le rendement de conversion de l'énergie photonique en force électromotrice, il est préférable d'utiliser du silicium monocristallin, mais en ce qui concerne l'agrandissement de la surface et la réduction de
coût, le silicium amorphe s'est révélé avantageux.
Au cours des dernières années, dans la recherche d'un faible coût comparable à celui du silicium amorphe et d'un rendement de conversion d'énergie élevé comparable à celui du silicium monocristallin, on a effectué des investigations portant sur l'utilisation de silicium polycristallin. Cependant, selon le procéde proposé dans l'art antérieur, un polycristal façonné dans une masse était tranché pour former une plaque et utilisé, et il était donc difficile de lui donner une épaisseur de 0,3 mm ou moins, l'épaisseur ne pouvant donc pas être assez abaissée pour rendre possible une absorption de dose suffisante. Par conséquent, aucune utilisation efficace de cette matière n'était possible. En résumé, pour augmenter le rendement et réduire le coût de production, il est
nécessaire de réduire suffisamment l'épaisseur.
Par conséquent, on a procédé à des essais pour former un mince film de silicium polycristallin en utilisant les techniques de formation de films minces tels que le dépôt chimique en phase vapeur (CVD), etc., mais la dimension des grains du cristal obtenue par un procédé est au mieux de quelques micromètres, et le rendement de conversion de l'énergie est inférieur, même en comparaison avec la microplaquette tranchée dans une masse de silicium polycristallin. De plus, on a essayé d'augmenter la dimension des grains du cristal en irradiant un film mince en silicium polycristallin, formé par le procédé CVD mentionné ci-dessus, avec un faisceau laser, afin de provoquer une fusion et une recristallisation, mais la réduction de coût n'est pas satisfaisante et il est en outre difficile de
réaliser une production stable.
Cette situation n'est pas limitée au silicium,
et il en est de même dans des semiconducteurs composés.
Par ailleurs, un procédé visant a améliorer la productivité de masse d'une pile solaire est le procédé décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4 400 409. Ce procédé consiste à dévider de façon consécutive, d'une bobine débitrice, un substrat flexible enroulé sur cette bobine débitrice, puis à transporter le substrat vers une chambre de formation de film, à effectuer un traitement de formation de film dans cette chambre puis à enrouler le film de façon consécutive sur une bobine réceptrice. En outre, le brevet N 4 400 409 précité décrit la stratification de couches de semiconducteur différentes les unes des autres par l'utilisation d'un certain nombre
de chambres de formation de film. Cependant, même lors-
qu'une pile solaire a été produite par ce procédé, on n'a pas obtenu de film polycristallin à grande dimension des grains de cristal, comme décrit ci-dessus, et, dans la situation actuelle, on n'a obtenu aucun rendement de
conversion satisfaisant.
Par ailleurs, un procédé de production d'une pile solaire du type mince, ayant une dimension de grain de cristal suffisamment grande et un bon rendement de conversion d'énergie, est le procédé décrit dans la demande de brevet EP N 276 961A2. Cette demande décrit "un procédé de préparation d'une pile solaire consistant: à réaliser la formation d'une première couche de semiconducteur d'un premier type de conduction sur la surface d'un substrat, comprenant l'étape qui consiste à additionner à la surface du substrat une matière différente de la matière constituant la surface du substrat, qui est suffisamment plus élevée, en densité de nucleation (ND), que la matière constituant la surface du substrat, dans une zone suffisamment petite, pour qu'une croissance de cristal apparaisse à partir d'un seul noyau afin de former ainsi une surface de nucléation, à appliquer un traitement de formation de cristal au substrat pour former un noyau unique sur la surface de nucleation et à faire croître un cristal unique à partir du noyau unique, puis à former une seconde couche de semiconducteur d'un second type de
conduction sur la première couche de semiconducteur".
Ce processus utilise le procédé de croissance sélective d'un seul cristal. Le procédé de croissance sélective d'un seul cristal est un procéde dans lequel on permet à un seul cristal de croître sélectivement en utilisant la différence de facteurs entre les matières, lesquels facteurs ont une influence sur la nucléation dans un procéde de formation d'un film mince, tels que l'énergie de surface, le coefficient de fixation, le coefficient de libération, la vitesse de diffusion en surface, etc. Plus particulièrement, il s'agit d'un procédé dans lequel on permet a un seul cristal de croître sur la base d'une
surface de nucléation située sur une surface de non-
nucleation (surface ayant une plus faible densité de nucleation), ayant une densité de nucléation suffisamment supérieure à ladite surface de nonnucleation et ayant une aire suffisamment fine pour ne former qu'un noyau à partir duquel on fait croître un seul cristal, et dans ce procédé, aucune croissance de cristal n'a lieu à partir de la surface de nonnucléation, mais la croissance d'un seul cristal a lieu uniquement à partir de la surface de nucléation. Cependant, même si l'on peut utiliser ce procédé, il reste des points à améliorer pour produire une cellule solaire de grande étendue, avec un bon rendement de production. Dans le procédé décrit dans la demande N 276 96iA2 précitee, on pratique une réalisation classique de motifs en utilisant un procédé globalement photolithographique de l'art antérieur et en prévoyant un type de matière différent qui devient la surface de
nucléation sur la surface du substrat.
Cette étape photolithographique est effectuée par un traitement discontinu. Pour cette raison, pour obtenir une pile solaire à haute performance en utilisant un cristal à grande dimension de grains, plusieurs étapes étaient réalisées simultanément et en continu, et il était
donc difficile d'améliorer le rendement de production.
Par conséquent, en utilisant l'un quelconque des procédes tels que décrits ci-dessus, il est extrêmement difficile, dans la situation actuelle, de produire une pile solaire par utilisation d'un cristal à grande dimension de grains, capable de fournir un bon rendement de conversion
avec un bon rendement de production.
L'invention, qui est l'aboutissement d'une étude intense tenant compte de l'art antérieur tel que décrit ci-dessus, est basée sur la constatation qu'un substrat pour une croissance sélective d'un cristal peut être formé par l'application d'un champ électrique concentré sur une région souhaitée du substrat afin d'exposer une surface de nucléation par rapport à une surface de non-nucléation sans utilisation directe d'un
processus photolithographique.
Un objet principal de l'invention est de fournir un procédé de croissance sélective d'un cristal qui effectue en continu les étapes consistant à réaliser une surface de non-nucléation et une surface de nucléation sur le substrat sans utilisation directe de photolithographie, un procédé pour la production du substrat à utiliser pour le premier procédé et un procédé de' production d'une pile solaire ayant de bonnes caractéristiques, avec une productivité de masse suffisante, par l'utilisation du
procédé ci-dessus de croissance d'un cristal.
Un autre objet de l'invention est de proposer un procéde de production d'un substrat pour la croissance sélective d'un cristal, qui consiste à soumettre un substrat, comportant une couche constituée d'une première matière ayant une densité de nucleation élevée et une couche constituée d'une seconde matière ayant une densité de nucléation inférieure à celle de la première matière et superposée sur la première couche, à l'application d'un champ électrique concentré dans une région souhaitée de la couche constituée de la seconde matière, afin d'enlever ladite région pour exposer la couche constituée de la
première matière.
Un autre objet de l'invention est de proposer un procédé de croissance sélective d'un cristal, qui consiste à soumettre un substrat, ayant une couche constituée d'une première matière de densité de nucléation élevée et une couche constituée d'une seconde matière de densité de nucleation inférieure a celle de la première matière superposée à elle, à l'application d'un champ électrique concentré dans une région souhaitée de la couche constituée de la seconde matière, afin d'enlever ladite région pour que soit exposée une région de la couche,
constituée de la première matière, ayant une aire suffisam-
ment petite pour ne former qu'un seul noyau a partir duquel on fait croître le seul cristal, à former le noyau en appliquant le traitement de croissance de cristal par le procédé en phase gazeuse et à permettre à un cristal de
croitre à partir dudit noyau.
Un autre objet de l'invention est de proposer un procédé de production d'une pile solaire, qui consiste à soumettre à un substrat, ayant une couche constituée d'une première matière ayant une densité de nucleation supérieure et une couche constituée d'une seconde matière ayant une densité de nucleation inférieure à celle de la première couche, superposée à elle, à l'application d'un champ électrique concentré dans une région souhaitée de la couche constituée de la seconde matière, afin d'enlever ladite région pour exposer une région de la couche, constituée de la première matière, d'une aire suffisamment petite pour ne former qu'un seul noyau à partir duquel on fait croître le cristal unique, à former le noyau en appliquant le traitement de croissance de cristal par le procédé en phase gazeuse pour permettre à un cristal de croître à partir du
noyau, formant ainsi une région de couche de semiconduc-
teur. Un autre objet de l'invention est de proposer un procédé de production d'une pile solaire, comprenant les étapes qui consistent:
à déplacer en continu un substrat électrocon-
ducteur à l'intérieur d'une chambre dont la pression peut être abaissée et à former sur la surface du substrat une couche présentant une surface de non-nucléation ayant une densité de nucléation inférieure à celle de la surface du substrat; a appliquer un champ électrique concentré sur une région souhaitée comprenant la couche constituée de la matière formant la surface de non-nucléation pour enlever ladite région, et à exposer une région dudit substrat électroconducteur, d'une aire suffisamment petite pour ne former qu'un seul noyau a partir duquel on fait croître le seul cristal; à appliquer un traitement de croissance de cristal sur le substrat électroconducteur pour permettre au cristal de croître à partir du noyau formé sur la surface exposée du substrat électroconducteur;
à permettre à un cristal d'un type d'électro-
conductivité différent de celui du cristal obtenu par croissance à partir du noyau, de croître sur celui-ci; et à former des électrodes en formant une couche comprenant une matière électroconductrice sur ledit cristal
de type d'électroconductivité différent.
L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexes à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique en plan montrant la disposition de points de contact électrique pour la formation d'une surface de nucleation;
- les figures 1A à 1G sont des coupes schémati-
ques d'étapes illustrant la présente invention; - la figure 2 est une coupe transversale schématique qui comprend la pile solaire préparée par la présente invention; et - la figure 3 est une vue schématique d'un exemple de dispositif pour la préparation de la pile
solaire à utiliser dans la mise en oeuvre de l'invention.
On décrira ci-après une forme avantageuse du procédé de production du substrat pour la croissance
sélective d'un cristal selon la présente invention.
Ce procédé consiste à soumettre un substrat, comportant une couche constituée d'une première matière ayant une densité de nucléation élevée et une couche superposée à la couche précédente et constituée d'une seconde matière ayant une densité de nucléation inférieure à celle de la première matière, à l'application d'un champ électrique concentré dans une région souhaitée de la couche constituée de la seconde matière, afin d'enlever la région
pour exposer la couche constituée de la première matière.
De plus, une forme avantageuse du procédé de croissance sélective d'un cristal selon l'invention est le suivant: il consiste à soumettre un substrat, comportant une couche constituée d'une première matière ayant une densité de nucleation élevée et une couche, superposée à la première couche et constituée d'une seconde matière ayant une densité de nucléation inférieure à celle de la première matière, à l'application d'un champ électrique concentré dans une région souhaitée de la couche constituée d'une seconde matière, à enlever ainsi ladite région pour exposer une région de la couche constituée de la première matière, ayant une aire suffisamment petite pour former un seul noyau à partir duquel on fait croître le seul cristal, à former le noyau en appliquant le traitement de croissance cristalline par un procédé en phase gazeuse et à permettre
à un cristal de croître à partir du noyau.
Une forme avantageuse du procédé de production d'une pile solaire selon l'invention est la suivante: le procédé consiste a soumettre à un substrat, ayant une couche constituée d'une première matière d'une densité de nucléation élevée et une couche, superposée à la couche précédente et constituée d'une seconde matière d'une densité de nucleation inférieure à celle de la première matière, à l'application d'un champ électrique concentre dans une région donnée de la couche constituée de la seconde matière, a enlever ainsi ladite région pour exposer une région de la couche constituée de la première matière, ayant une aire suffisamment petite pour ne former qu'un seul noyau à partir duquel on fait croître le seul cristal, à former le noyau en appliquant le traitement de croissance de cristal par un procédé en phase gazeuse et a permettre à un cristal de croître à partir dudit noyau, formant ainsi
une région de couche de semiconducteur.
En outre, une autre forme avantageuse du procédé de production d'une pile solaire selon l'invention comprend les étapes qui consistent:
à déplacer en continu un substrat électrocon-
ducteur à l'intérieur d'une chambre dont la pression peut être abaissée et à former sur la surface du substrat une couche présentant une surface de non-nucléation ayant une densité de nucléation inférieure à celle de la surface du substrat; à appliquer un champ électrique concentré sur une région souhaitée comprenant la couche constituée de la matière formant la surface de non-nucléation pour enlever ladite région, et à exposer une région dudit substrat électroconducteur ayant une aire suffisamment petite pour ne former qu'un seul noyau à partir duquel on fait croître le seul cristal; àa appliquer un traitement de croissance cristalline sur le substrat électroconducteur pour permettre à un cristal de croître à partir du noyau formé sur la surface exposée du substrat électroconducteur; à permettre à un cristal d'un type d'électroconductivité différent de celui du cristal obtenu par croissance à partir du noyau de croître sur ce dernier cristal; et à former des électrodes en formant une couche constituée d'une matière électroconductrice sur ledit
cristal de type d'électroconductivite différent.
Conformément à la présente invention telle que mentionnée ci-dessus, le substrat sur lequel est formé une surface de nucléation peut être produit sans la mise en oeuvre de traitements tels qu'une enduction directe de réserve, une exposition, un développement et une gravure, ce qui permet de réduire les étapes de production du substrat. De plus, conformément au procédé de croissance d'un cristal de l'art antérieur, dans lequel on forme directement une surface de nucléation sur le substrat en utilisant un processus photolithographique, puis on permet à un cristal de croitre, l'étape d'exposition de la surface de nucleation après la formation de, par exemple- du SiO2 sur le substrat, et l'étape consistant à permettre à un
cristal de croître sur la surface de nucléation précé-
dente, par le procédé CVD, doivent être exécutées séparé-
ment. Par contre, en utilisant la présente invention, par exemple, l'étape de formation de SiO2, l'étape de formation de la surface de nucléation et l'étape consistant à permettre à un cristal de croître sur la surface de nucleation peuvent être effectuées simultanément et on peut donc améliorer l'efficacité de la croissance du cristal en comparaison avec le procédé de l'art antérieur. De plus, on peut former sur une grande aire un film de cristal à grains de grande dimension, en maitrisant la position de la limite des grains sur le substrat. En outre, lorsqu'une pile solaire est produite par la mise en oeuvre de ce procédé, on peut produire une pile solaire de grande surface, ayant de bonnes caractéristiques telles que le rendement de conversion d'énergie, etc., tout en obtenant un bon
rendement de production et un coût réduit.
L'invention sera décrite plus en détail ci-
après. Dans la présente invention, la matière pour former la surface de nucléation est une matière à haute là densité de nucléation, et la matière pour former la surface de non-nucléation est une matière ayant une densité de nucleation inférieure. En tant que matière pour former la surface de nucléation, par exemple, une matière isolante telle que de l'oxyde de silicium (SiO2), etc., du nitrure de silicium (Si2N4), etc., peut être utilisée, alors que, pour la matière destinée a former la surface de nucleation, on peut utiliser du silicium (Si), de l'arséniure de gallium (GaAs), un métal, etc. Des exemples spécifiques du métal peuvent comprendre W, Cr, Mo, Ni et autres. En ce qui concerne le cristal à faire croître, on peut utiliser, par exemple du silicium, de l'arséniure de gallium et du phosphure d'indium (InP), etc. Dans le choix de la matière pour former la surface de non-nucleation et de la matière pour former la surface de nucléation, il est nécessaire
d'utiliser, pour la matière à former la surface de non-
nucleation, une matière ayant une conductivité électrique inférieure à celle de la matière destinée à constituer la surface de nucleation. De plus, la surface de nucleation peut également être formée par enduction d'une matière destinée à former la surface de nucléation sur une matière intercalaire qui est différente de la matière destinée à
former la surface de nucléation.
Dans la présente invention, dans la constitu-
tion utilisée, la couche de matière pour former la surface de nonnucleation est soumise à un percement dielectrique afin d'enlever la partie à laquelle est appliqué un champ
électrique élevé, formant ainsi la surface de nucléation.
Plus particulièrement, un point de contact électrique pour réaliser un percement diélectrique de la couche de matière devant former la surface de non-nucleation est amené en contact avec la surface de non-nucleation, dans une position souhaitée, pour appliquer une tension, concentrant ainsi le champ électrique dans la région o le point de contact électrique précédent est appliqué. La tension appliquée doit être avantageusement une tension qui est au moins égale à 50% et inférieure a 100% de la rigidité diélectrique, plus avantageusement au moins égale à 60% et au plus égale à 99% de la rigidité diélectrique, pour enlever la partie à laquelle le champ électrique élevé est
appliqué. Si la tension appliquée est une tension in-
férieure à 50% de la rigidité diélectrique, l'efficacité
avec laquelle la surface de nucleation est formée baisse.
Par contre, avec une tension de 100% ou plus, un percement diélectrique peut également apparaître dans des régions
autres que la région souhaitée.
En ce qui concerne la forme du point de contact électrique, par exemple, des formes en colonne telles qu'un cylindre, une colonne polygonale, etc., ou diverses formes d'un cône, un cône polygonal, une aiguille, etc., peuvent
être utilisées.
L'aire du contact entre le point de contact électrique ci-dessus et la couche de matière formant la surface de non-nucleation devrait avantageusement être de 1 Mm2 ou plus et de 16 Mm2 ou moins pour l'établissement d'une concentration de champ électrique efficace et également la formation d'une surface de nucléation suffisamment petite pour ne former qu'un seul noyau à partir duquel on fait croître un seul cristal. Ceci est dû au fait que, si elle est inférieure à 1 Mm2, on ne peut parfois obtenir aucun bon contact électrique, tandis que, si elle dépasse 16 Mm, plusieurs noyaux a partir desquels croissent des cristaux peuvent parfois être formés à
l'intérieur d'une surface de nucléation.
L'intervalle entre les points de contact électrique mutuel, lorsque plusieurs points de contact électrique sont amenés en contact avec la couche de matière devant former la surface de non-nucléation, devrait avantageusement être de 40 pm ou plus à 100 Mm ou moins pour que la pile solaire devant être formée ait une surface
suffisamment grande de réception de la lumière.
Le champ électrique est appliqué sur une région souhaitée a partir d'une source d'énergie par l'utilisation du point de contact électrique tel que décrit ci-dessus, sous la forme d'un courant continu constant, d'un courant sinusoïdal, d'un courant en dents de scie, d'un courant à impulsions, etc. Le traitement de croissance cristalline appliqué pour former un seul cristal sur chacune des surfaces de nucleation exposée sur le substrat, comme décrit ci-dessus, peut avantageusement être conduit par l'utilisation du procédé en phase gazeuse tel que le procédé CVD à chaud, le procédé CFD par plasma, le procédé CVD par voie optique, une pulvérisation ionique, etc. En référence à présent aux dessins, des exemples particuliers de la présente invention seront décrits. Cependant, l'invention n'est nullement limitée à
ces exemples.
Exemple - 1
Les figures 1, et 1A à 1G sont des vues
schématiques des étapes illustrant la présente invention.
(i) (Formation d'une surface de nucléation) Premièrement, sur une surface d'une plaque 101 d'acier inoxydable d'une épaisseur de 0,2 mm, on a procédé
à une gravure par l'utilisation d'un procédé photolithogra-
phique. Ainsi, on a formé un agencement d'une structure de colonnes en saillie 102 en tant que point de contact électrique avec le dessous d'un carré ayant pour côté a=4 mm et une hauteur c=5 jm, les colonnes étant formées à un intervalle b=100 Mm. La figure 1A montre cette structure en coupe et la figure 1 la montre en vue en plan de dessous. Indépendamment de ceci, on a préparé un substrat 104 d'acier inoxydable en tant que matière devant former la surface de nucleation, et on a déposé, sur la surface du substrat, une couche 103 de SiO2 qui est la matière devant former la surface de non-nucléation,
conformément à un procédé CVD classique a pression normale.
En particulier, on a déposé sur le substrat, à une température de 450'C, un film d'une épaisseur d'environ nm. Puis le substrat ci-dessus 104 a été superposé à la couche 103 de SiO2 afin que la structure ci-dessus en
colonnes 102 soit amenée en contact avec elle (figure lB).
Ensuite, en appliquant une tension pulsée de 15 volts entre la plaque 101 d'acier inoxydable et le substrat 104, à partir de la source d'énergie 105, on a appliqué un champ électrique élevé, concentré par l'intermédiaire de la structure de colonnes 102 sur la couche 103 de SiO2, dans la partie en contact avec la structure ci-dessus pour générer un percement dielectrique (figure lC). Ici, en réglant la valeur maximale momentanée de la tension pulsee afin que l'on puisse obtenir un champ électrique quelque peu inférieur au champ électrique provoquant le percement dielectrique de la couche 103 de SiO2, on a concentré le champ électrique sur la structure à colonnes fines en saillie 102. Pour cette raison, l'intensité du champ électrique entre cette partie (102) et le substrat 104 est
devenue sensiblement plus élevée que la rigidité dielectri-
que de la couche 103 de SiO2, de sorte que seule la couche de SiO2, dans la partie prise en sandwich entre la structure en colonnes 102 et le substrat 104, a subi un percement diélectrique pour être éliminée. Ici, étant donné que la couche de SiO2 est très fine, le SiO2 peut être considéré comme étant sublimé en SiO. Par conséquent, la surface du substrat 104 d'acier inoxydable, présente en tant que couche intermédiaire, a été partiellement exposée, ce qui a formé la surface de nucléation. Etant donné que la rigidité dielectrique de SiO2 est d'environ 107 V/cm et que l'épaisseur du film de la couche 103 de SiO2 de 20 nm, la tension appliquée a été réglée à 15 V, c'est-à-dire à une valeur de 75% de la rigidité diélectrique de la couche 103
de SiO2.
Immédiatement après que la couche de SiO2 a été éliminée par l'apparition d'un percement diélectrique dans la partie correspondant à une portion de plusieurs structures de colonnes en saillie 102, étant donné qu'un courant excessif passe par le court-circuit -entre la structure de colonnes en saillie 102 et le substrat 104 en acier inoxydable dans cette partie et étant donné aussi que la structure de colonnes en saillie est fine, une génération de chaleur apparaît localement et la colonne en saillie disparaît momentanément par fusion. Par conséquent, jusqu'à l'apparition de nouveau d'un percement diélectrique en un certain point, la tension pulsée est appliquée régulièrement a toutes les parties de la couche 103 de SiO2 prise en sandwich entre la structure de colonnes en saillie
102 et le substrat 104.
Dans cet exemple, la tension pulsée appliquée a été établie à 15 V et la fréquence à 4 Hz. Lorsque l'on a examiné la variation par rapport au temps du taux de la
valeur de la surface de nucléation formée après l'applica- tion de la tension correspondant à la structure de colonnes en saillie ci-
dessus, on a constaté que le taux était devenu d'environ 40% au bout de 5 minutes et d'environ 100%
au bout de 13 minutes.
La figure 1D montre le substrat comportant le SiO2 formé comme décrit cidessus, en tant que surface de non-nucleation, et la surface d'acier inoxydable en tant que surface de nucléation. Le rapport de la densité de nucléation de la surface de nucléation à la densité de nucléation de la surface de non-nucleation dans ledit
substrat s'est révélé être d'environ 103.
Pour la matière de la plaque 101, on peut
utiliser au choix un métal autre que l'acier inoxydable.
Par exemple, on peut inclure Mo, Cr, W, Ni, etc., et on
peut utiliser aussi une feuille électroconductrice.
(ii) (Croissance sélective d'un seul cristal) Ensuite, en utilisant le substrat de la figure 1D obtenu comme décrit ci-dessus, on a effectué une croissance sélective d'un seul cristal de Si, comme décrit ci-dessous. On a utilisé, pour le dispositif de formation de film, un dispositif de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) à chaud classique. Comme gaz de matière de départ, on a utilisé du SiH2C12, du HCl en tant que gaz de gravure, du H2 en tant que gaz de support, du PH3 en tant que matière contenant l'élément du Groupe V du Tableau Périodique et du B2H6 en tant que matière contenant l'élément du Groupe III
du Tableau Périodique, pour les gaz de dopage. Première-
ment, après que l'on a fait croitre la couche 106 de Si monocristailin p+, d'une dimension de grain d'environ Mm, comme montré sur la figure 1E, on a permis à une couche 107 de Si p- de croître sur la couche 106 de Si monocristallin p+ jusqu'à ce que la dimension des grains devienne égale à environ 100 gm et que des monocristaux contigus se touchent pour former une limite de grains comme montré sur la figure 1F. Ensuite, on a permis à une couche 108 de Si n+, d'une épaisseur de 0,5 Mm, de croître sur la couche 107 de Si p-. Les conditions de formation de ces couches semiconductrices sont montrées ci-dessous dans le
tableau 1.
TABLEAU 1
Couche de Couche de Couche de ip i Si p+Si p Sin+
(106) (107) (108)
a SiH2Cl2 1,0 1,2 1,2 (t/min)
HC1 1,6 1,6 1,6
( /min)
H2 100 100 100
(Z/min) PH3/ SiH2C12 6000
(10-6)
B2H6/ SiH2Cl2 4000 20 0
(10-6)
Température du substrat ( C) 920 920 900 Pression de réaction (kPa) 20 20 20 Lorsque l'on a observé au moyen d'un microscope optique les monocristaux que l'on a fait croître comme décrit ci-dessus, il est apparu qu'ils étaient agences régulièrement en un réseau, ce qui a confirmé que la
croissance des cristaux a eu lieu en suivant la configura-
tion de la structure de colonnes 102 établie dans l'étape
décrite ci-dessus en regard de la figure lA.
Ensuite, comme montré sur la figure 1G, une électrode de grille 109, constituée de Ag, a été formée
par dépôt de vapeur sous vide.
Lorsque la pile solaire, ayant une aire de cellule de 1,3 cm2, obtenue comme décrit ci-dessus, a été soumise a une évaluation portant sur ses caractéristiques, par l'utilisation d'un simulateur solaire du type AM-1, 5, la tension en circuit ouvert était de 0,57 V, le courant photoélectrique de court-circuit était de 29,5 mA/cm2, le facteur de courbe était de 0,80 et on a obtenu une valeur
élevée, égale à 13,5%, du rendement de conversion d'éner-
gie. Ce rendement de conversion est supérieur à celui obtenu avec la pile solaire en silicium amorphe, qui est une pile solaire à grande surface et faible coût, de l'art
antérieur.
De plus, lorsque les caractéristiques ont été évaluées similairement pour la pile solaire obtenue par
addition de l'étape consistant à former un film électrocon-
ducteur transparent d'ITO, d'une épaisseur d'environ 100 nm, par dépôt de vapeur de faisceau électronique avant la formation de l'électrode de grille 109 dans les étapes de cet exemple comme décrit ci-dessus, on a réduit la
réflexion de surface et on a augmenté le courant photoelec-
trique de court-circuit, le rendement de conversion
d'énergie étant amélioré à 14,8%.
Exemple - 2
On a préparé une pile solaire montrée sur la figure 2, en suivant les étapes similaires à celles de
l'exemple 1 tel que décrit ci-dessus.
(i) (Formation d'une surface de nucléation) Premièrement, similairement à l'exemple 1 décrit ci-dessus, on a formé un agencement de structure de colonnes en saillie ayant pour valeurs a=3 Mm, b=3 Mm et
c=5 gm sur une plaque d'acier inoxydable.
Indépendamment de ceci, sur la surface du substrat 204 en acier inoxydable, on a formé la couche 200 de AuGe d'une épaisseur de 200 nm en utilisant un procédé classique de pulvérisation. La couche de AuGe est utilisée en que matière pour former la surface de nucléation. Ensuite, sur la surface de la couche de AuGe, on a déposé la couche 203 de Si3N4 qui est la matière destinée a former la surface de non-nucleation, l'épaisseur de la couche étant d'environ 15 nm, conformément à un procéde CVD classique a pression réduite. Ensuite, similairement à ce qui est décrit ci-dessus dans l'exemple 1, on a formé la surface de nucleation à l'aide d'une tension pulsée de 12 V et d'une fréquence de 5 Hz. Durant la formation, on a examiné le taux de la valeur de la surface de nucléation
formée après l'application de la tension pulsee correspon-
dant à la structure en colonnes en saillie ci-dessus par rapport au temps, et il est apparu qu'il était devenu
d'environ 100% au bout d'une minute.
(ii) (Croissance sélective d'un seul cristal) Ensuite, en utilisant le substrat tel que décrit ci-dessus, on a effectué la croissance sélective
d'un seul cristal de GaAs comme décrit ci-dessous.
En tant que dispositif de formation de film, on a utilisé un dispositif MOCVD classique (dépôt chimique en phase vapeur d'un composé organométallique). Comme gaz de matière de départ, on a utilisé du triméthylgallium (TMG) et de l'arsine (AsH3), du H2 en tant que gaz de support, de l'hydrure de sélénium (H2Se) et du diméthyl-zinc (DMZn) en tant que gaz de dopage. Premièrement, après croissance de la couche 206 de GaAs n+ d'une dimension de grains d'environ 5 pm, on a permis à une couche 207 de GaAs n- de croître ensuite sur la couche 206 de GaAs n+ jusqu'à ce que la dimension des grains devienne égale à environ 50 um et que les monocristaux contigus se touchent pour former une limite de grains. Ensuite, on a permis à une couche 208 de GaAs n+ d'une épaisseur de 0,1 Mm de croitre sur la couche 207 de GaAs n-. Les conditions de formation de ces couches semiconductrices sont montrées ci-dessous dans le tableau 2. Tableau 2 Couche de Couche de Couche de GaAs n+ GaAs n- GaAs p+
(206) (207) (208)
TMG (10-5 3 3 3
mole/min) AsH3 (10- 4 1,8 1,8 1,8 mole/min)
H2 3,0 3,0 3,0
(/min). H2Se (10-6) 200 3 0 mole/min) DMZn (10-6) 0 0 1,5 mole/min) Température du substrat ( C) 700 700 700 Pression de réaction 10 10 10 (kPa) Ensuite, une électrode de grille 209 constituée
de Ag a été formée par dépôt de vapeur sous vide.
Lorsque la pile solaire ayant une surface de cellule de 1,0 cm2, obtenue comme décrit ci-dessus, a fait l'objet d'une évaluation portant sur ses caractéristiques au moyen d'un simulateur solaire AM-1,5, on a obtenu une
tension en circuit ouvert de 0,72 V, un courant photoelec-
trique de court-circuit de 20,5 mA/cm2, un facteur de courbe de 0,82 et une valeur de rendement de conversion d'énergie s'élevant à 12,1%. Il s'agit d'un rendement de conversion très élevé en tant que pile solaire au GaAs ne comportant pas de GaAlAs p- dans la couche de fenêtre.
Exemple - 3
La figure 3 est une illustration schématique montrant un exemple du dispositif destiné à préparer une pile solaire, qui peut être utilisé pour la mise en pratique de l'invention et qui peut effectuer la formation de la surface de nucleation sur une bande de substrat et la croissance d'un cristal sur la surface de nucleation, de
façon simultanée et continue.
Les pièces constitutives respectives du dispositif de préparation de pile solaire montré sur la figure 3 sont disposées dans une chambre, non représentee,
dans laquelle la pression peut être réduite.
Sur la figure 3, la bande 302, par exemple en acier inoxydable d'une épaisseur de 0,2 mm, est avancée depuis la bobine débitrice 301 et entre d'abord dans le dispositif CVD 303 à pression normale. Dans ce dispositif, du SiO2 est déposé à une épaisseur, par exemple, d'environ
nm sur une surface de la bande 302.
Les références numériques 304 et 304' désignent
des rouleaux de guidage.
La bande 302 sortant du dispositif CVD 303 ci-
dessus entre dans le dispositif 303 de formation de surface de nucléation. Le dispositif 313 est d'une structure telle qu'une bande 305 d'acier inoxydable, dont une surface présente une structure en colonnes en saillie agencée précédemment suivant une configuration souhaitée, est distribuée à partir de la bobine débitrice 307 à une vitesse egale à la bande précédente 302 et la saillie de la structure en colonnes est amenée en contact avec la bande entre les deux rouleaux de guidage 304'. La bande 305 est pressée de façon sûre contre la bande 302 par la courroie
306 de caoutchouc passant sur deux rouleaux presseurs 308.
La bande 305 est conçue pour être soumise à la tension
pulsée d'un potentiel souhaité et d'une fréquence souhai-
tee, provenant de la source 309 d'énergie à impulsions à laquelle un dispositif de commande (non représenté) est connecté. La référence numérique 307' désigne la bobine
réceptrice de la bande 305.
Une fois que la surface de nucléation est formée suivant une configuration souhaitée dans le dispositif ci-dessus 313 de formation de la surface de nucleation, la bande 302 entre dans le dispositif 310 de dépôt chimique en phase vapeur à pression réduite. Le dispositif CVD est divisé en trois chambres qui sont continues à travers le sas à gaz, non représenté, et, dans les chambres respectives, sont formées successivement, par exemple, la couche Si p+, la couche Si p- et la couche Si n+. La bande 302 sortant du dispositif CVD à pression réduite précité 310 entre dans le dispositif 311 de formation d'électrode supérieure. Ce dispositif présente une structure telle qu'il peut former une électrode supérieure avec, par exemple, une pâte de Ag en utilisant un dessin de masque, et qu'il peut sécher l'électrode au
moyen d'un élément chauffant.
La bande, sur laquelle a été formée l'électrode supérieure dans le dispositif précité 311 de formation d'électrode supérieure, et qui sort de ce dispositif, est
reçue sur la bobine réceptrice 312.
La pile solaire ayant la constitution décrite ci-dessus dans l'exemple 1 a été préparée par l'utilisation du dispositif décrit ci-dessus. Dans ce cas, en utilisant la bande 302 réalisée en acier inoxydable, en une épaisseur de 0,2 mm et une largeur de 30 cm, on peut distribuer cette
bande à une vitesse de 20 cm/min. Lorsque les caractéristi-
ques de la pile solaire préparée ont été évaluées (surface de cellule d'échantillonnage de 1,5 cm2), on a obtenu un rendement de conversion d'énergie de 11,7%, avec une faible variation (en deçà de 8%) dans la direction de la largeur de la bande. Par conséquent, conformément au procédé de l'invention, il est apparu que l'on pouvait produire à bon marché une pile solaire ayant un rendement élevé de
conversion d'énergie. Comme décrit précédemment, conformé-
ment à l'invention, un substrat sur lequel est formée une surface de nucléation peut être produit sans traitement
consistant en une enduction directe de réserve, une exposi-
tion, un développement, une gravure, etc., ce qui permet de réduire les étapes de production. De plus, contrairement au procédé de croissance d'un cristal de l'art antérieur pour permettre à un cristal de croître après la formation d'une surface de nucléation directement sur un substrat par photolithographie, dans lequel l'étape d'exposition de la surface de nucleation, après formation de,par exemple, SiO2 sur un substrat, et l'étape consistant à permettre à un cristal de croître sur la surface de nucleation ci-dessus par le procédé CVD, doivent être effectuées séparément, en utilisant la présente invention, l'étape de formation de, par exemple, du Sio02, l'étape de formation de la surface de nucleation et l'étape de croissance d'un cristal sur la surface de nucléation peuvent être réalisées simultanément, ce qui permet d'améliorer l'efficacité avec laquelle on permet à un cristal de croître, en comparaison avec l'art antérieur. De plus, on peut former sur une grande surface un film de cristal à grains de grande dimension, dont la position de la limite des grains sur le substrat est maîtrisée. En outre, lorsqu'une pile solaire est produite au moyen de ce procéde, on peut réaliser une pile solaire de grande surface et de bonnes caractéristiques telles qu'un bon rendement de conversion d'énergie, etc., tout en
obtenant un bon rendement de production et un coût réduit.
Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé décrit et représenté sans
sortir du cadre de l'invention.
264 618
Claims (25)
1. Procédé de production d'un substrat pour la croissance sélective d'un cristal, caractérisé en ce qu'il consiste à soumettre un substrat (104), comportant une couche (101) constituée d'une première matière ayant une
densité de nucleation élevée et une couche (103), super-
posée à la précédente, constituée d'une seconde matière ayant une densité de nucléation inférieure à celle de la première matière, à l'application d'un champ électrique concentré dans une région souhaitée de la couche constituée de la seconde matière, afin d'éliminer ladite région pour que la couche constituée de la première matière soit exposée.
2. Procédé selon la revendication 1, carac-
térisé en ce que la première matière est une matière électroconductrice.
3. Procédé selon la revendication 1, carac-
térisé en ce que la seconde matière est une matière isolante.
4. Procédé selon la revendication 1, carac-
térisé en ce que la couche constituée de la première
matière présente plusieurs sites exposés.
5. Procédé selon la revendication 1, carac-
térisé en ce que l'application du champ électrique consiste à appliquer une tension qui est égale à au moins 50% et à moins de 100% de la rigidité dielectrique de la couche
constituée de la seconde matière.
6. Procédé selon la revendication 1, carac-
térisé en ce que l'application du champ électrique est
réalisée entre le substrat et un point de contact électri-
que (102).
7. Procédé selon la revendication 6, carac-
térisé en ce que le point de contact électrique est en
forme de colonne.
8. Procéde de croissance sélective d'un cristal, caractérisé en ce qu'il consiste à soumettre un substrat (104), comportant une couche (101) constituée d'une première matière ayant une densité de nucleation élevée, et une couche (103), superposée à la couche précédente et constituée d'une seconde matière ayant une densité de nucléation inférieure a celle de la première matière, à l'application d'un champ électrique concentré dans une région souhaitée de la couche constituée de la seconde matière, afin d'éliminer ladite région pour que soit exposée une région (102) de la couche constituée de la première matière ayant une aire suffisamment petite pour ne former qu'un seul noyau à partir duquel on fait croître le seul cristal, à former ledit noyau en appliquant le traitement de croissance de cristal par le procédé en phase gazeuse pour permettre à un cristal de croître à
partir dudit noyau.
9. Procédé selon la revendication 8, carac-
térisé en ce que la première matière est une matière
électroconductrice.
10. Procédé selon la revendication 8, carac-
térisé en ce que la seconde matière est une matière isolante.
11. Procédé selon la revendication 8, carac-
térisé en ce que la couche constituée de la première
matière présente plusieurs sites exposés.
12. Procéde selon la revendication 8, carac-
térisé en ce que l'application du champ électrique consiste à appliquer une tension qui est égale à au moins 50% et à moins de 100% de la rigidité dielectrique de la couche
constituée de la seconde matière.
13. Procédé selon la revendication 8, carac-
térisé en ce que l'application du champ électrique est
réalisée entre le substrat et le point de contact electri-
que (102).
14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que le point de contact électrique
présente la forme d'une colonne.
15. Procédé de production d'une pile solaire, caractérise en ce qu'il consiste à soumettre un substrat (104), comportant une couche (101) constituée d'une première matière ayant une densité de nucléation élevée et une couche (103), superposée a la couche précédente et constituée d'une seconde matière ayant une densité de nucléation inférieure a celle de la première matière, a l'application d'un champ électrique concentré dans une région souhaitée de la couche constituée de la seconde matière, afin d'éliminer ladite région pour exposer une région (102) de la couche, constituée de la première matière, ayant une aire suffisamment petite pour ne former qu'un seul noyau à partir duquel on fait croître le seul cristal, à former le noyau en appliquant le traitement de croissance de cristal par le procédé en phase gazeuse et à permettre à un cristal de croître à partir dudit noyau,
afin de former une région de couche semiconductrice.
16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que la première matière est une matière électroconductrice.
17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce que la seconde matière est une matière isolante.
18. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que la couche constituée de la première
matière présente plusieurs sites exposes.
19. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que l'application du champ électrique consiste à appliquer une tension qui est égale à au moins % et à moins de 100% de la rigidité électrique de la
couche constituée de la seconde matière.
20. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que l'application du champ électrique est
réalisée entre le substrat et un point de contact électri-
que (102).
21. Procéde selon la revendication 20, caractérisé en ce que le point de contact électrique
présente la forme d'une colonne.
22. Procédé de production d'une pile solaire, caractérisé en ce qu'il consiste:
à déplacer en continu un substrat électrocon-
ducteur (302) à l'intérieur d'une chambre dont la pression peut être réduite et à former sur la surface du substrat une couche présentant une surface de non-nucleation ayant une densité de nucléation inférieure à celle de la surface du substrat; à appliquer (313) un champ électrique concentré sur une région souhaitée comprenant la couche constituée de la matière formant ladite surface de non-nucléation, afin d'éliminer ladite région et d'exposer une région dudit substrat électroconducteur ayant une aire suffisamment petite pour ne former qu'un seul noyau à partir duquel on fait croître un seul cristal; à appliquer (310) un traitement de croissance de cristal au substrat électroconducteur pour permettre à un cristal de croître à partir du noyau formé sur la surface exposée du substrat électroconducteur; à permettre à un cristal, ayant un type d'électroconductivité différent de celui du cristal que l'on a fait croître à partir dudit noyau, de croître sur le cristal précédent; et à former (311) des électrodes en formant une couche constituée d'une matière électroductrice sur ledit
cristal dont le type d'électroconductivité est different.
23. Procédé selon la revendication 22, caractérisé en ce que le substrat électroconducteur est distribué à partir d'une bobine (301) de substrat en forme
de bande flexible.
24. Procédé selon la revendication 22,
caractérisé en ce que les étapes respectives sont effec-
tuées dans des chambres différentes à pression réduite.
25. Procédé selon la revendication 22, caractérisé en ce que l'application du champ électrique consiste à appliquer une tension qui est égale à au moins % et à moins de 100% de la rigidité dielectrique de la couche constituée d'une matière formant ladite surface de non-nucléation.
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