FR2648624A1 - Dispositif photovoltaique et son procede de fabrication - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un dispositif photovoltaque. Le dispositif de l'invention comprend un substrat 1 ayant plusieurs surfaces conductrices entourées d'une surface isolante 2, plusieurs premiers éléments photovoltaques 4, 5, 6 ayant des régions de couches monocristallines prévues comme recouvrant lesdites surfaces conductrices, et un second élément photovoltaque 7, 8, 9 prévu comme recouvrant les divers premiers éléments photovoltaques. Les régions de couches monocristallines sont séparées les unes des autres. L'invention concerne également un procédé de formation d'un tel dispositif. Application : cellules solaires, photodétecteurs, capteurs à l'état solide, etc.

Description

La présente invention concerne un dispositif photovoltaique destiné à être
utilisé de préférence pour des cellules solaires, des photodétecteurs, des dispositifs capteurs à l'état solide, etc., notamment un dispositif photovoltaïque du type à empilement qui possede un bon
rendement de transformation d'énergie.
Dans des appareils et instruments variés, des dispositifs photovoltaiques comprenant des cellules solaires sont utilisés comme source d'énergie motrice et des photodétecteurs sont utilisés comme dispositifs
récepteurs de lumière.
Des dispositifs photovoltaïques tels que des cellules solaires ont une jonction p-n ou une jonction
p-i-n au niveau de la partie fonctionnelle et, générale-
ment, le silicium est utilisé comme semi-conducteur constituant ces jonctions p-n ou p-i-n. Du point de vue du rendement de transformation de l'énergie lumineuse en force électromotrice, l'utilisation de silicium monocristallin
est préférable, tandis que du point de vue de la réalisa-
tion sur une grande étendue et à bas prix, l'utilisation de
silicium amorphe est avantageuse.
Au cours des dernières années, l'utilisation de silicium polycristallin a été étudiée en vue d'atteindre un prix aussi bas que le silicium amorphe et un rendement de transformation d'énergie aussi haut que le silicium monocristallin. Toutefois, dans les procédés proposés jusqu'à présent, une masse de silicium polycristallin qui est préparée aisément est découpée en tranches en vue d'obtenir une plaque et, en conséquence, il est difficile d'atteindre une épaisseur inférieure à 0,3 mm et de maintenir la résistance électrique à une valeur faible en éliminant la force photo-électromotrice. En outre, étant donné qu'une plaque tranchée dans la masse d'un polycristal est par exemple polie avec précision en vue de son utilisation dans un dispositif photovoltaique, cette plaque doit avoir un certain degré de résistance mécanique. Par conséquent, l'épaisseur ne peut pas être minimisée au point de permettre une absorption suffisante de la lumière et une
utilisation efficace du matériau.
Pour former un dispositif photovoltaïque ayant un bon rendement, sa couche semi-conductrice engendrant des photoporteurs par photo- irradiation doit de préférence être suffisamment épaisse pour absorber la lumière, en même temps qu'elle doit cependant avoir une épaisseur minimale afin que l'ensemble du dispositif ait une faible résistance et que le matériau soit utilisé efficacement. Cela veut dire que l'épaisseur doit être suffisamment minimisée pour assurer l'obtention d'un haut rendement et pour un faible
coût de production.
Pour les raisons exposées ci-dessus, des tentatives ont été faites en vue de former un mince film polycristallin en utilisant une technique de formation de films minces, par exemple le procédé de déposition chimique en phase vapeur (DCV), -mais la grosseur de grain des cristaux a atteint au maximum quelques centièmes de micromètre et le rendement de transformation d'énergie a été faible, même comparativement au procéde de découpage de
tranches de silicium polycristallin dans la masse.
-On a également tenté d'agrandir la grosseur de grain des cristaux par irradiation, par de la lumière laser, d'un mince film de silicium polycristallin réalisé conformément au procédé DCV ci-dessus, de manière à provoquer la fusion et une recristallisation, mais le coût de formation n'a pas atteint une valeur assez basse, de
même qu'une production stable a été difficile à réaliser.
Ces circonstances existent non seulement dans
le cas du silicium, mais aussi dans celui de semi-
conducteurs composites.
En conséquence, la présente invention propose une cellule solaire du type mince ayant une grosseur de
grains suffisamment grande et un bon rendement de transfor-
mation d'énergie, défini dans le brevet japonais N' 63-
182872 (Kokai Gazette), c'est-à-dire une cellule solaire comprenant une couche principalement monocristalline d'un semi-conducteur d'un premier type de conduction, formé sur un substrat à base d'une matière étrangère qui présente une densité de nucléation suffisamment supérieure à celle de la matière de la surface du substrat et qui a une superficie suffisamment faible pour ne former qu'un seul noyau à
partir duquel croit un monocristal, et une couche prin-
cipalement monocristalline d'un semi-conducteur d'un second
type de conduction.
La figure 1 est une représentation schématique d'une cellule solaire du type décrit dans la Gazette précitée, dans laquelle on trouve un substrat 11, des
matières étrangères 12, par exemple des couches mono-
cristallines 13 de type p, des couches monocristallines 14
de type i et des couches monocristallines 15 de type n.
On réalise cette cellule solaire en utilisant le procédé de croissance monocristalline sélective. Le procédé de croissance monocristalline sélective produit une croissance cristalline sélectivement sur un substrat par l'utilisation de la différence entre des matières du point de vue de paramètres affectant la nucleation dans le processus de formation d'un film mince, comme l'énergie de surface, le facteur de fixation, le facteur de séparation, la vitesse de diffusion à la surface, etc. Il s'agit d'un procédé par lequel on fait croitre un monocristal établi sur une surface de nucleation ayant une densité de nucléation suffisamment supérieure à celle d'une surface de non-nucleation (ayant une faible densité de nucieation) sur laquelle la surface de nucleation est disposée, et ayant une superficie suffisamment faible pour ne former qu'un
seul noyau à partir duquel se développe un monocristal.
Dans ce procédé, aucune croissance cristalline n'a lieu à partir de la surface de non-nucléation, et un monocristal
ne se développe qu'à partir de la surface de nucleation.
La présente invention propose un procédé
perfectionné par rapport à l'art antérieur décrit ci-
dessus, notamment un dispositif photovoltaique ayant un bon rendement de transformation d'énergie, permettant de former
une grande surface et dont le prix de revient est faible.
Un autre objectif de la présente invention est de trouver un procédé de réalisation d'un dispositif photovoltaique du type à empilement ayant une bonne sélectivité de rendement de transformation d'énergie dans une position désirée sur un substrat, et le dispositif
photovoltaïque réalisé par ce même procédé.
La présente invention a en outre pour objet de proposer un dispositif photovoltaïque comprenant: un substrat présentant plusieurs surfaces conductrices entourées d'une surface isolante, plusieurs premiers éléments photovoltaïques présentant des régions de couches monocristallines prévues comme recouvrant lesdites surfaces conductrices, et un second élément photovoltaïque prévu comme recouvrant plusieurs premiers éléments photovoltaïques, lesdites régions de couches monocristallines
étant séparées les unes des autres.
Un autre objectif de la présente invention est de trouver un procédé de formation d'un dispositif photovoltaïque, qui consiste: à appliquer un traitement de croissance cristalline par déposition en phase vapeur à un substrat ayant une surface de non-nucleation et plusieurs surfaces de nucleation dont la densité de nucleation est supérieure à celle de ladite surface de non-nucleation et la dimension est suffisamment faible de manière à former un unique noyau à partir duquel un monocristal se développe,
à former plusieurs premiers éléments photo-
voltaïques ayant des régions de couches monocristallines de
manière que lesdites régions soient isolées, respective-
ment, les unes des autres, et à former un second élément photovoltaïque
couvrant les divers premiers éléments photovoltaiques.
La figure 1 est une représentation schématique
d'un exemple de cellules solaires de l'art antérieur.
Les figures 2 à 5 sont des représentations schématiques de dispositifs photovoltaiques conformes à la
présente invention.
D'autres détails de la présente invention
ressortiront de la description détaillée qui suit, faite en
regard des dessins annexes.
La figure 2 est une représentation schématique en coupe transversale illustrant une forme de réalisation
de la présente invention.
Un dispositif photovoltaïque représenté sur la figure 2 comprend une matière sous-jacente 1 présentant une surface électroconductrice, portant une couche isolante 3 et présentant des ouvertures, pour constituer un substrat, un premier élément photovoltaïque pourvu de couches monocristallines 4 d'un premier type de conduction établi sur les ouvertures, des couches monocristallines 5 recouvrant les couches monocristallines 4 et capables
d'engendrer efficacement des photoporteurs par photo-
irradiation, et une couche 6 d'un second type de conduction recouvrant les couches monocristallines 5; un second élément photovoltaïque portant une couche amorphe 7 de premier type de conduction, une couche amorphe 8 de type i et une couche amorphe 9 de second type de conduction; et
une couche électroconductrice transparente 10.
Toutefois, la présente invention n'est pas limitée à la structure indiquée ci-dessus, mais la surface de la couche isolante (surface isolante) peut se situer sur
le même plan que la surface conductrice.
La matière sous-jacente 1 devant être utilisée dans la présente invention et présentant une surface électroconductrice comprend des matières métalliques telles que l'acier inoxydable, etc., et des matières isolantes telles que l'alumine, le verre, etc., ces surfaces étant rendues électroconductrices par déposition en phase vapeur
ou par un autre traitement.
La couche isolante 3 destinée à être utilisée dans la présente invention comprend des matières isolantes telles qu'un oxyde de silicium (SiOx), un nitrure d'oxyde de silicium (SiOxNy), etc. Le diamètre maximal des ouvertures menagées dans la couche isolante 3 ne dépasse pas 4 Mm, mieux encore il ne dépasse pas 2 Am, et il n'excède pas notamment 1 jm, en particulier de manière à obtenir des monocristaux doués d'une bonne sélectivité, lorsque la surface de la matière sous-jacente 1 exposée au niveau des ouvertures est utilisée comme surfaces de nucléation 2, et la surface de
la couche isolante 3 est utilisée comme surface de non-
nucleation, comme représenté sur la figure 2, tandis qu'il ne dépasse pas 30 Mm, il se situe avantageusement entre 1 et 20 Mm et notamment entre 2 et 10 &m, en particulier pour former des couches monocristallines douées de bonne
sélectivité lorsque des surfaces ou des germes de nuclea-
tion 2a sont constitués d'une matière d'un genre différent à la surface de la matière sous-jacente 1 exposée au niveau des ouvertures, et la surface de la matière sous-jacente 1 exposée au niveau des ouvertures et la surface de la couche
isolante 3 sont utilisées comme surface de non-nucleation.
Le diamètre de la matière d'un genre différent (matière étrangère) prévue comme surface de nucléation (germe) 2a est inférieur à celui des ouvertures, ayant avantageusement une valeur égale ou inférieure à 4 jm, de préférence égale ou inférieure à 2. m, dans le cas optimal, égale ou inférieure à 1 gm, en vue de former des monocristaux doues d'une bonne sélectivité et d'obtenir un bon contact
électrique avec la matière sous-jacente.
Pour former des couches monocristallines douées d'une bonne sélectivité, il est préférable que la densité de nucleation sur les surfaces de nucléation 2 et 2a ne soit pas moins de 102 fois, notamment pas moins de 103 fois
aussi grande que celle sur la surface de non-nucléation.
On peut réaliser la couche isolante 3 en formant tout d'abord une couche isolante à la surface de la matière sous-jacente 1 par un procédé de déposition de film tel que le procédé DCV, le procédé de pulvérisation, etc., puis en y formant un motif de réserve et en retirant de petites parties non masquées par la réserve ayant des dimensions, par exemple de 1 pm x 1 pm par un traitement de morsure, par exemple par morsure par ions réactifs (MIR), etc., pour mettre à découvert la surface de la matière sous-jacente 1 à des distances appropriées, par exemple de
Mm x 10 im.
Les couches monocristallines 4 du premier type de conduction sont de préférence du type R, du type p+, du type n ou du type n+, de manière à éliminer efficacement
la force électromotrice du premier élément photovoltaïque.
En vue d'obtenir une bonne jonction électrique (jonction ohmique) avec la matière sous-jacente 1, il est préférable
de choisir un type p+ ou un type n+ à fort dopage.
La dimension des couches monocristallines 4 est de préférence supérieure à celle des ouvertures, de préférence comprise entre 1 An et 5 gm, notamment comprise entre 1,5 et 4 pm, de manière à interdire la génération d'un courant de fuite et à obtenir un bon contact avec la
couche sous-jacente.
Les couches monocristallines 5 sont des régions
de couches monocristallines capables d'engendrer des photo-
porteurs sous l'action de la lumière tombant sur le premier élément photovoltaïque, et elles sont de préférence du type
À, du type p-, du type j, du type a ou du type n-.
L'épaisseur des couches monocristallines' 5 va de 10 à Mm, de préférence de 20 a 50 Mm, de manière à engendrer efficacement des photoporteurs et à favoriser le rendement
de transformation photo-électrique de l'élément photo-
voltaïque. La couche 6 du second type de conduction est une couche polycristalline, monocristalline, amorphe ou microcristalline (dispersion de fins cristaux ayant des grosseurs de grains de 3,0 à 50,0 nm dans une matrice amorphe), et elle est de préférence d'un type de conduction opposé au premier type de conduction, c'est-à-dire du type
p, du type p+, du type n et du type n+.
La couche monocristalline 5 est recouverte de la couche 6. Dans le premier élément photovoltaique, les couches monocristallines 5 qui ont pour rôle d'engendrer efficacement les photoporteurs n'ont pas de limite entre les grains et, en conséquence, une recombinaison des photoporteurs a difficilement lieu. En fait, la force photovoltaïque peut être efficacement éliminée par les
photoporteurs engendrés.
Lorsqu'une matière polycristalline est utilisée dans la couche 6, des états de limites des grains sont formés sur le côté des porteurs principaux dans la bande interdite (c'est-a-dire sur le côté situé plus bas que le niveau de Fermi dans le cas du type n ou sur le côté situé plus haut que le niveau de Fermi dans le cas du type p) et, par conséquent, aucune recombinaison notable n'a lieu au
niveau des états de limites des grains.
En outre, lorsqu'on utilise une matière polycristalline dans la couche 6, il est particulièremeht souhaitable de prévoir une structure polycristalline sans limite des grains dans le sens de passage du courant entre le second élément photovoltaique et la zone monocristalline du premier élément photovoltaïque, par exemple une structure en colonne, de manière à éviter que la couche 6
n'oppose une résistance élevée.
L'épaisseur de la couche 6 du second type de conduction est avantageusement de 0,1 & 1,0 Mm, notamment 0,2 à 0,5 Mm, afin d'éliminer efficacement la force photovoltaique. Dans cette forme de réalisation, le premier élément photovoltaique comprend une superposition de trois couches, à savoir les couches monocristallines -4, les
couches monocristallines 5 et une couche 6.
Le second élément photovoltaïque est étendu sur le premier élément photovoltaïque afin de le recouvrir. Le second érément photovoltaïque comprend une couche amorphe de premier type de conduction, par exemple du type p+, du type p, du type p-, du type n+, du type n ou du type n-, une couche amorphe 8 du type i et une couche amorphe 9 de second type de conduction, c'est-à-dire de type de conduction opposé au premier type de conduction, par exemple du type n+, du type n, du type n-, du type p+, du
type p ou du type p-.
La matière constituant le second élément photovoltaïque est non seulement une matière amorphe, mais ce peut être également une matière microcristalline dans laquelle de fins cristaux ayant des grosseurs de grains de 3,0 à 50,0 nm sont dispersés dans une matrice amorphe. De même, on peut utiliser pour les couches 7 et 9 des matières polycristallines ayant le premier et le second type de conduction du second élément photovoltaïque. Par exemple, lorsqu'on utilise une matière microcristalline de moindre absorption de la lumière de courte longueur d'onde dans la couche 9 du second type de conduction du côte d'incidence de la lumière, la lumière de courte longueur d'onde peut être introduite plus intensément dans la couche amorphe 8 de type i capable d'engendrer des photoporteurs, et par conséquent, le rendement d'utilisation de l'énergie lumineuse peut être amélioré. En outre, lorsqu'on utilise une matière microcristalline de grande électroconductivité dans la couche du premier type de conduction du côté opposé au côté d'incidence de la lumière, la résistance interne du second élément photovoltaïque peut être abaissée, et par conséquent, la tension en circuit ouvert et le courant de
court-circuit peuvent être élevés.
L'épaisseur de la couche amorphe 7 va de 5,0 à 10,0 nm, de préférence de 5,0 à 7,0.nm. L'épaisseur de la couche amorphe 8 va de préférence de 300 à 600 nm, notamment de 400 à 500 nm. L'épaisseur de la couche amorphe 9 va de préférence de 10,0 & 50,0 nm, notamment de 20,0 à
,0 nm.
Les premier et second éléments photovoltaiques s'étendent donc successivement sur le substrat, puis une électrode supérieure 10 collectant la force photovoltaique
est prévue sur le côté d'incidence de la lumière.
L'électrode supérieure 10 comprend une couche électroconductrice transparente, etc., ayant une épaisseur de 0,4 à 1 Dm, réalisée en ITO, SnO2, ZnO, etc. La couche électroconductrice transparente est formée sur le côté d'incidence de la lumière de la couche 9. Une électrode collectrice en forme de peigne, en forme de réticule, en réseau, etc., peut en outre être prévue sur la couche
électroconductrice transparente.-
Le dispositif photovoltaïque réalisé conformé-
ment à la présente invention peut recevoir des monocristaux ayant leur forme propre et entourés de facettes comme
régions de couche monocristalline d'un dispositif photo-
voltaique, et il utilise efficacement la lumière d'irradia-
tion en exploitant une structure texturëe, améliorant ainsi le rendement de transformation. En outre, l'électrode supérieure 10 prévue sur l'élément photovoltaique du côté
opposé au substrat est au contact de l'élément photo-
voltaique sur une grande étendue, ce qui réduit donc la résistance de contact entre l'électrode supérieure et
l'élément photovoltaique.
Une forme de réalisation du dispositif photo-
voltaïque de l'invention représenté- sur la- figure 2 est
commentée en détail ci-après. - -
Une matière sous-jacente 1 est une matière électroconductrice constituée d'acier inoxydable et joue le rôle d'une électrode (électrode inférieure). Une couche isolante 3 constituée de SiO2 est formée sur la matière
sous-jacente 1.
Des couches monocristallines 4 de premier type de conduction sont des couches de silicium monocristallin du type p+, et des couches monocristallines 5 sont des couches de silicium monocristallin du type p+. Une couche 6 de second type de conduction est une couche de silicium
polycristallin du type n+. Un premier élément photo-
voltaïque comprend un ensemble formé par superposition de
ces trois couches.
Les couches de silicium monocristallin 4 et 5 sont formées par un processus de croissance monocristalline sélective. Cela veut dire que les couches monocristallines 4 et 5 sont formées, par exemple, par croissance du cristal par déposition en phase vapeur en utilisant comme surface de nucleation la surface de la matière sous-jacente 1 exposée au travers de la couche isolante 3 et suffisamment petite pour ne former qu'un seul noyau a partir duquel un monocristal se développe par le processus de croissance cristalline, et comme surface de non-nucleation, la surface
de la couche 3 de SiO2.
Les couches amorphes 7, 8 et 9 sont, respec-
tivement, une couche Si:H amorphe du type R, une couche Si:H amorphe du type i et une couche Si:H amorphe de type n. Un second élément photovoltaïque comprend ces trois couches. Les couches amorphes 7, 8 et 9 peuvent contenir un
atome d'halogène.
Une électrode supérieure 10, constituée d'oxyde d'indium contenant de l'étain (ITO), est prévue sur la
couche amorphe 9.
Une forme de réalisation du dispositif photovoltaïque de l'invention a été illustrée dans ce qui précède, mais la présente invention n'est pas seulement
limitée à cette forme de réalisation.
Par exemple, le premier élément photovoltaique peut être prévu seul, ou plusieurs de ces éléments peuvent être prévus, dans la présente invention. Lorsque le dispositif photovoltaïque de l'invention est appliqué au système d'alimentation en énergie de cellules solaires,
etc., nécessitant en particulier une plus grande super-
ficie, plusieurs de ces premiers éléments photovoltaïques sont prévus pour constituer un dispositif photovoltaïque de plus grande efficacité que ne peut le permettre une surface
de couche.
Lorsque le dispositif photovoltaïque de
l'invention doté de plusieurs premiers éléments photo-
voltaïques est utilisé dans des cellules solaires, il est souhaitable de disposer régulièrement les premiers éléments
photovoltaïques afin de prévenir des fluctuations d'inten-
sité et de courant de la part de chacun des divers éléments photovoltaiques. Des exemples appréciés d'agencement régulier comprennent des agencements des premiers éléments photovoltaïques dans des positions très symétriques comme réseau en carré (quatre positions symétriques), un réseau en nid d'abeilles (six positions symétriques), etc. Dans le cas de l'utilisation de la présente invention dans des cellules solaires, l'extension de la zone monocristalline est de préférence de 5 a 300 Mm, notamment de 10 à 100 gm, et la distance entre les zones monocristallines est de préférence de 0,1 à 10 jm, mieux encore de 0,3 à 5 jm, dans le cas optimal de 0,5 à 3 gm en
vue d'obtenir un haut rendement de transformation.
Le rapport des aires projetées (Scrist./Samor.)
de la zone monocristalline du premier élément photo-
voltaïque au second élément photovoltaique au niveau de la surface recevant la lumière d'une cellule solaire dans la direction orientée de la surface d'incidence de la lumière au substrat est de préférence de 0,5 à 1,0, mieux encore de
0,7 à 1,0, dans le cas optimal de 0,9 à 1,0.
Lorsque les- dispositifs photovoltaiques de l'invention sont utilisés dans la partie photoréceptrice d'un détecteur tel qu'un détecteur de lignes de grande longueur, etc., ces dispositifs peuvent être agencés conformément a un motif d'éléments d'images à des distances
désirées d'éléments d'images du détecteur, ou les dis-
positifs photovoltaïques devant être disposés au niveau de la partie photoréceptrice du détecteur peuvent être agencés de manière à offrir un unique élément photovoltaïque ou plusieurs de ces éléments au niveau de chaque élément d'image. Lorsque plusieurs éléments photovoltaiques sont prévus, l'extension de la zone monocristalline est de 5 à pm et la distance entre les zones monocristallines est de 0,1 à 10 pm, afin d'améliorer la sensibilité par élément d'image et de réduire les fluctuations entre les éléments
d'images du détecteur.
Lorsque plusieurs premiers éléments photo-
voltaïques sont prévus dans le dispositif photovoltaïque de l'invention, la zone monocristalline est agencée de préférence sur une étendue de 6 à 310 Mm, notamment de 10 à pm.
Dans la présente invention, la zone mono-
cristalline du premier élement photovoltaïque est réalisée par application d'un traitement de croissance sélective des cristaux, par exemple un procédé en phase gazeuse tel qu'un procédé de déposition chimique en phase vapeur (DCV) comprenant un procédé DCV a chaud, un 'procédé DCV par plasma, un procéde photo-DCV, etc., ou des procédés de déposition physique en phase vapeur comprenant un procédé de déposition en phase vapeur, un procédé de pulvérisation,
etc., sur un substrat présentant une surface de non-
nucléation, et une surface de nucléation ayant une plus
grande densité de nucléation que la surface de non-
nucléation et assez petite pour ne former qu'un seul noyau & partir duquel un monocristal est développé par le traitement de croissance cristalline, comme on l'a déjà
expliqué précédemment.
Un exemple de traitement de croissance cristalline en phase vapeur est un procéde de DCV à chaud produisant, par exemple, des monocristaux de silicium sur une surface de SiO2, comme surface de non-nucleation, et une surface d'acier inoxydable comme surface de nucléation dans des conditions comprenant une température des substrats d'environ 700 à environ 1100'C sous une pression de réaction, par exemple de 13,3 Pa a 66, 7 kPa, de préférence de 13,3 kPa. à 26,7 kPa- en utilisant une association appropriée d'un gaz de réaction choisi entre des matières premières gazeuses contenant une substance pour la formation de cristaux, par exemple SiH2C12, SiCl4, SiCl3, SiHCl3, SiF4, SiH4, etc., un gaz corrosif tel qu'un gaz contenant un atome d'halogène, par exemple HCl, etc., et un gaz de dilution tel que H2, etc. On peut utiliser en outre comme gaz de dopage une matière gazeuse contenant un atome pouvant être converti en une substance dopante, comme PH3, B2H6, etc.,
en vue d'influer sur le type de conductivité.
Conformément à un exemple de traitement par croissance cristalline de la couche monocristalline 4 du type p+ et de la couche monocristalline 5 du type p dans la forme de réalisation mentionnée ci-dessus, les couches 4 et sont formées successivement par le procéde de croissance sélective de monocristaux en utilisant un mélange SiH2C12 + HC1 + H2 dans des proportions de vitesse
d'écoulement de 1,2:1,4:100 comme gaz devant être intro-
duits, avec du B2H6 comme gaz de dopage a une température du substrat de 900'C sous une pression de 20,0 kPa, tout en faisant varier de façon appropriée la concentration du gaz
de dopage.
Les modes opératoires adoptés pour former des couches autres que celles qui existant dans la zone du monocristal, par exemple pour des couches amorphes, sont
les procédés ordinaires de formation d'éléments photo-
voltaïques amorphes, tels qu'un procédé de DCV au plasma, un procéde de pulvérisation, etc. En vue de former une couche semi-conductrice polycristalline, on doit conduire le traitement de croissance cristalline dans des conditions facilitant la formation de noyaux à la surface du substrat portant les couches monocristallines 4 et 5 par élévation du rapport de mélange de la matière gazeuse contenant un atome agissant commematière cristalline ou en abaissant le rapport de mélange du gaz corrosif comparativement au traitement de croissance cristalline mentionné ci-dessus de manière à engendrer des noyaux même sur la couche isolante et à couvrir la couche monocristalline 5 et la couche isolante, ou en abaissant la température du substrat pour interdire la rééeevaporation et la diffusion des atomes adsorbés, ou
par une combinaison de ces traitements.
Conformément aux procédes de l'invention pour la formation d'un dispositif photovoltaïque, des éléments photovoltaïques peuvent être réalisés dans des positions désirées sur le substrat et la liberté de cc- ception de cellules solaires, de détecteurs, etc., peut donc être élargie et les premier et second éléments voltaïques peuvent être disposes l'un sur l'autre. Cela veut dire que l'on peut réaliser dans la présente invention un dispositif photovoltaïque permettant une grande exploitation de
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l'énergie lumineuse dans la transformation photo-électrique
et offrant un haut rendement de transformation.
Dans le dispositif photovoltaïque représenté
sur la figure 2, en tant que l'une des formes de réalisa-
tion de la présente invention, les zones monocristallines adjacentes du premier élément photovoltaïque ne sont pas au contact l'une de l'autre, et par conséquent, la couche monocristalline 5 ayant pour rôle d'engendrer des porteurs dans le premier élément photovoltaique n'a pas de limite des grains, comme cause d'établissement d'un niveau de limite des grains donnant lieu à la recombinaison de porteurs. En fait, le premier élément photovoltaïque a un haut rendement inhérent de transformation d'énergie. De plus, dans la zone située entre les premiers éléments photovoltaïques se trouve le second élément photovoltaïque comprenant les couches semi-conductrices amorphes 7 a 9 et par conséquent, même dans cette zone, de la lumière incidente peut être convertie photo- électriquement en énergie électrique. Par conséquent, dans la forme de réalisation ci-dessus, on peut obtenir un haut rendement
global de transformation d'énergie.
Dans la forme de réalisation ci-dessus, on utilise comme matière sousjacente 1 de l'acier inoxydable peut coûteux, facile à obtenir, et on utilise également le
second élément photovoltaïque comprenant des couches semi-
conductrices amorphes. On peut ainsi obtenir une superficie
plus grande et un prix plus bas.
La figure 4 est une représentation schématique en coupe transversale illustrant une deuxième forme de réalisation du dispositif photovoltaïque de l'invention, o les mêmes éléments que sur la figure 2 sont identifies par
les mêmes chiffres de référence.
Dans la deuxième forme de réalisation, une couche amorphe 7' de SixCl _x:H du type p, une couche amorphe 8' de SixC _x:H du type i et une couche amorphe 9' de SixC _x:H du type n sont formées entre la couche 9 et
l'électrode 10 de la première forme de réalisation ci-
dessus, X ayant une valeur supérieure à 0 et inférieure ou égale à 1 et les couches amorphes 7', 8' et 9' pouvant contenir un atome d'halogène. L'épaisseur de la couche amorphe 7' va de
préférence de 5,0 à 10,0 nm, notamment de 5,0 à 7,0 nm.
L'épaisseur de la couche amorphe 8' va de préférence de 200 à 400 ne, notamment de 250 & 350 nm. L'épaisseur de la couche amorphe 9' va de préférence de 10,0 & 50,0 nm, notamment de 20,0 à 30,0 nm. Ces couches peuvent être' formées par un procédé en phase gazeuse, par exemple un procédé DCV au plasma en radiofréquencd, un procédé DCV au plasma sous courant continu ou un procédé de pulvérisation, o un mélange d'un gaz contenant du silicium tel que SiH4, Si2H6, etc., et d'un gaz contenant des atomes de carbone tel que CH4, C2H6, etc., peut être utilisé comme matière première gazeuse, et une matière contenant un élément du Groupe III du Tableau Périodique telle que B2H6 ou une matière contenant un élément du Groupe V du Tableau Périodique telle que PH3 est ajouté au mélange comme gaz de dopage.
Dans la deuxième forme de réalisation ci-
dessus, un troisième élément photovoltaique comprenant les couches semiconductrices amorphes 7', 8' et 9' ayant une plus large bande interdite est prévu en plus de la structure de couches de la première forme de réalisation et, par conséquent, la lumière de courte longueur d'onde peut subir une transformation d'énergie efficace. Cela veut dire que le rendement global de transformation d'énergie
peut encore être amélioré.
Les couches amorphes 7' et 9' du troisième élément photovoltaïque peuvent être formées d'une matière microcristalline. En outre, les matières des deuxième et troisième éléments photovoltaïques ne sont pas seulement limitées au système Si et au système Si-C, mais d'autres matières semiconductrices telles que Si-Ge, Si-N, etc., peuvent aussi être utilisées. Les matières pour la zone monocristalline du premier élément photovoltaïque ne sont pas limitées seulement au système Si, mais d'autres matières cristallines semi-conductrices telles que Ge, InP,
GaAs, etc., peuvent aussi être utilisées. -
La figure 3 est une représentation schématique en coupe transversale d'une troisième forme de réalisation de l'élément photovoltaique de l'invention, o les mêmes éléments que sur les figures 2 et 4 sont identifiés par les
mêmes références numériques.
La troisieme forme de réalisation est un exemple de réalisation d'une couche isolante composée de SiO2 a la surface d'une matière sous-jacente 1 tout en laissant des zones considérablement grandes dépourvues de SiO2 à la surface de la matière sous-jacente, tandis que de très petites couches 2a de silicium monocristallin sont formées aux centres des régions individuelles dépourvues de SiO2 et que la couche 4 de silicium monocristallin se trouve au contact de la matière sous-jacente 1 de grande surface. Il existe des différences de structure entre la
troisième forme de réalisation et la première.
On peut former la couche 2a de monocristal par le traitement de croissance cristalline mentionné ci-dessus en utilisant une matière ayant une plus haute densité de nucléation que la matière sous-jacente 1, par exemple le
nitrure de silicium, etc., avec des variations de composi-
tions par implantation de l'ion silicium comme surface de nucleation, ou en prévoyant une matière semi-conductrice polycristalline ou amorphe (germe cristallin) suffisamment petite pour se rassembler en un corps unique par traitement
à la chaleur sur la matière sous-jacente dans les ouver-
tures, suivi d'un traitement à la chaleur a une température inférieure au point de fusion du germe cristallin pour
faire croître ce germe en un corps unique.
La croissance sélective d'un monocristal en vue de former la couche monocristalline 4 et la couche monocristalline 5 est conduite par utilisation de la surface découverte de la fine couche de silicium 2a comme surface de nucléation et la surface découverte de la matière sousjacente 1 ayant une plus faible densité de nucléation que la fine couche de silicium et la surface de la couche de SiO2 comme surfaces de nonnucléation, et la couche 4 est formée de manière & recouvrir la surface découverte de la matière sous-jacente 1. La couche 4 peut être formée en s'étendant sur la surface découverte de la matière sous-jacente 1 jusque sur la couche 3 de SiO2. Les étapes qui suivent la formation de la couche 5 sont conduites de la même manière que dans la première forme de réalisation. Dans la troisième forme de réalisation, la couche 4 est au contact de la matière sous-jacente sur une plus grande surface, et en conséquence, la résistance en série et la recombinaison des porteurs peuvent être réduites, et le rendement de transformation d'énergie peut
être amélioré.
Exemple 1
Cet exemple se réfère à la figure 2. On a formé
sur une matière électroconductrice sous-jacente 1 consti-
tuée d'acier inoxydable, une couche 3 de SiO2 ayant une épaisseur de 150 nm. Pour obtenir la couche de SiO2, on a formé tout d'abord une couche de SiO2 sur toute la surface de la matière sous-jacente 1, puis on a formé par-dessus cette couche un motif de réserve, et des portions de la surface de la matière sous-jacente 1 ont été découvertes par enlèvement des portions de la couche de SiO2 sur des surfaces microscopiques (1 mm x 1 mm) a des espacements appropriés (10 Mm x 10 Dm) par morsure par des ions
réactifs (MIR).
Les couches monocristallines 4 et 5 ont été formées d'après un procédé de croissance sélective de monocristaux. En fait, des cristaux ont' été développés conformément à un procédé en phase vapeur, avec utilisation de la surface des portions découvertes de la matière sous- jacente apparaissant après enlèvement par portions de la couche 3 de SiO2 mentionnée ci-dessus en tant que face de nucléation et en utilisant la surface de la couche 3 de SiO2 en tant que face de non-nucléation sur laquelle la densité de nucléation est plus faible que pour la face de nucléation mentionnée ci-dessus. Les couches 4 et les couches 5 ont été formées successivement d'après le procédé de formation de monocristaux avec utilisation d'un gaz
mixte constitué de SiH2Cl2 + HC1 + H2 (vitesses d'écoule-
ment dans la proportion de 1,2:1,4:100) et B2H6 comme gaz de dopage à une température de 900'C et sous une pression de 20,0 kPa faisant varier le rapport de mélange du gaz de dopage mentionné ci-dessus. Le diamètre des couches 5 était de 8 Mm. La couche 6 de silicium polycristallin mentionnée ci-dessus a été formée par un procédâ DCV dans les mêmes conditions que 'dans le traitement de croissance cristalline mentionné ci- dessus, excepté que du HCl n'a pas été introduit et que du PH3 a été utilisé comme gaz de dopage, de manière à couvrir la surface exposée des couches 5 et la
surface de la couche 3 de SiO2.
Les couches 7, 8 et 9 sont, respectivement, une couche Si:H amorphe de type p, une couche Si:H de type i et une couche Si:H amorphe de type n, par lesquelles un second élément photovoltaïque est constitué. Ces couches ont été formées sur la couche 6 mentionnée ci-dessus dans les conditions suivantes, conformément à un procéde DCV par
plasma en radiofréquence.
Plus particulièrement, du SiH4 (10 cm3 dans des conditions normales), de l'hydrogène moléculaire (10 cm3 dans des conditions normales) et du diborane dilué avec de l'hydrogène a une concentration de 1 % (1 % de B2H6/H2) (1 cm3 dans des conditions normales) ont été
introduits dans un appareil de DCV par plasma en radio-
fréquence, et la pression dans la chambre de réaction a été maintenue a 66,7 Pa. La couche 7 de Si:H amorphe du type p a été formée sous une épaisseur de 30,0 nm par génération d'un plasma par une énergie électrique à haute fréquence de 13,56 MHz avec maintien de la matière sous-jacente à une température de 250'C. Ensuite, seulement l'introduction de B2H6/H2 à 1 % de B2H6 a été interrompue pour former la couche 8 de Si:H amorphe du type i sous une épaisseur de 400 nm. De la phosphine diluée a une concentration de 1 % avec de l'hydrogène (1 % de PH3/H2) (1 cm3 dans des conditions normales) a ensuite été introduite conjointement avec du SiH4 (10 cm3 dans des conditions normales) et de l'hydrogène moléculaire (10 cm3 dans des conditions normales) dans la chambre de réaction maintenue à une pression de 66,7 Pa pour former la couche 9 de Si:H amorphe
du type n sous une épaisseur de 5,0 nm.
L'électrode supérieure 10 est une couche électroconductrice transmettant la lumière, composée de ITO en une épaisseur de 1 pm. La couche a été formée sur le côté d'incidence de la lumière de la couche 9 mentionnée cidessus. Dans cet exemple, la matière sous-jacente 1
joue le rôle de l'autre électrode.
Dans le dispositif photovoltaique de cet exemple, aucune limite des grains n'existe parce qu'il n'y a pas de contact entre les couches monocristallines adjacentes du premier élément électrovoltaïque. En conséquence, le premier dispositif photovoltalque montre lui-même un haut rendement de transformation d'énergie. En outre, les seconds éléments photovoltaiques comprenant les couches semi-conductrices amorphes 7, 8 et 9 existent dans les régions intermédiaires entre les premiers éléments
photovoltaiques. La lumière incidente est convertie photo-
électriquement en énergie électrique dans ces régions
également. En conséquence, un haut rendement de transforma-
tion d'énergie peut être atteint au total dans cet exemple.
En outre, une plus grande surface du dispositif et un moindre coût de production de ce dernier peuvent être atteints, puisque la couche sousjacente 1 est réalisée en acier inoxydable, et parce que les seconds éléments
photovoltaiques sont constitués de couches semi-
conductrices amorphes.
ExemDle 2 Dans cet exemple, qui se réfère à la figure 4, une couche 7' de SixCl x:H amorphe de type Rp. une couche 8' de SixCl x:H amorphe de type i et une couche 9' de SixCl:H amorphe de type n sont formées entre la couche 9 et l'électrode 10 de l'exemple 1 ci-dessus, x ayant une
valeur supérieure à 0 et égale ou inférieure à 1.
Ces couches 7', 8' et 9' sont formées par un procédé DCV par plasma en radiofréquence, un procédé DCV par plasma en courant continu, etc. Pour la formation des couches, un gaz mixte constitué de SiH4 gazeux contenant des atomes de silicium et de CH4 gazeux contenant des atomes de carbone est utilisé comme gaz de départ. On peut utiliser comme gaz de dopage pour la formation d'une couche semi-conductrice du type p et d'une couche semi-conductrice du type n, une matière telle que. B2H6 contenant un élément du Groupe III du Tableau Périodique et, respectivement, une matière telle que PH3 contenant un élément du Groupe V. Plus particulièrement, on a introduit du SiH4 (7 cm3 dans des conditions normales), du CH4 (3 cm3 dans des conditions normales), de l'hydrogène moléculaire (10 cm3 dans des conditions normales) et un mélange B2H6/H2 à 1 % de B2H6 (1 cm3 dans des conditions normales) dans un appareil de DCV par plasma en radiofréquence, et on a
maintenu la pression dans la chambre de réaction à 6,7 Pa.
*264862L
La couche 7' de SixCi x:H amorphe du type p a été formée sous une épaisseur de 30,0 nm sur la matière sous-jacente maintenue a une température de 300'C par génération d'un plasma par une énergie électrique sous haute fréquence de 13,56 MHz. Ensuite, on a arrêté seulement l'introduction du mélange B2H6/H2 à 1 % de B2H6 de manière à former la couche 8' du SixClx amorphe du type i sous une épaisseur de 400 nm. Ensuite, on a introduit un mélange PH3/H2 a 1 % de PH3 (1 cm3 dans des conditions normales) conjointement avec du SiH4 (7 cm3 dans des conditions normales), du CH4 (3 cm3 dans des conditions normales) et de l'hydrogène moléculaire (10 cm3 dans des conditions normales) *dans la chambre de réaction maintenue à une pression de 66,7 Pa de manière à former la couche 9' de SixC x:H amorphe de type n en une
épaisseur de 5,0 nm.
Dans cet exemple, on aurait encore pu obtenir une amélioration du rendement total de transformation d'énergie en convertissant efficacement, avec les couches semi-conductrices amorphes 7', 8' et 9' présentant de plus grands intervalles d'énergie, la lumière de plus courte longueur d'onde que les couches semi-conductrices amorphes
7, 8 et 9 de l'exemple 1 ne convertissent pas efficacement.
Exemple 3
Dans cet exemple, qui se réfère à la figure 3, l'aire des portions manquant de SiO2 qui est prévue dans la formation de la couche 3 de SiO2 sur la surface de la matière sous-jacente 1 est plus grande, et des microcouches 2a de silicium monocristallin sont formées par condensation des germes cristallins aux centres des portions manquant de SiO2, tandis que les couches 4 de silicium monocristallin sont en contact avec la matière sous-jacente 1 sur une plus grande surface. La croissance sélective des monocristaux dans la formation des couches 4 et des couches 5 a lieu à partir de petites couches de silicium 2a, la surface découverte de la matière sous-jacente 1 et la partie
découverte de la couche de SiO2 servant de face de non-
nucleation. Les couches 4 sont formées de manière a recouvrir complètement la surface découverte de la matière sous-jacente 1. La formation de la couche 5 et les processus ultérieurs sont conduits de la même manière que
dans l'exemple 1 décrit ci-dessus.
Dans cet exemple, attendu que les couches 4 sont en contact avec la matière sous-jacente 1 sur une grande surface, la résistance en série et la recombinaison des porteurs sont réduites, ce qui accroit le rendement de
transformation d'énergie.
Exemple 4
Un dispositif photovoltaïque illustré par la figure 5 a été réalisé de la même manière que dans
l'exemple 1, a la différence que des couches 6 de poly-
cristal du type n+ du premier élément photovoltaïque comme représenté sur la figure 2 ont été formées à la suite de la formation des couches monocristallines 4 et 5. La formation de la couche monocristalline 6 sur la figure 5 a été conduite par introduction d'un gaz mixte formé de SiH2C12 + HC1 + H2 (proportion des vitesses d'écoulement = 1,2:1,4:100) conjointement avec un mélange PH3/H2 à 1 % de PH3 dans un rapport des vitesses d'écoulement, relativement à SiH2C12, de 0,2 à une température de 900 C et sous une
pression de 200 kPa.
Le dispositif photovoltaïque réalisé dans cet exemple présente un meilleur rendement comparativement à celui de l'exemple 1, grâce à la région monocristalline qui est plus grande, et la variation des caractéristiques du premier élément photovoltaïque qui a pu résulter de l'influence des limites des grains a été empêchée, de sorte que la sortie a correspondu exactement à l'intensité de la
lumière incidente.
264862'

Claims (9)

REVENDICATIONS
1. Dispositif photovoltaique, caractérisé en ce qu'il comprend: un substrat (1) présentant plusieurs surfaces conductrices entourées par une surface isolante (2), plusieurs premiers éléments photovoltaiques (4, , 6) présentant des régions de couches monocristallines prévues comme recouvrant lesdites surfaces conductrices, et un second élément photovoltaïque (7, 8, 9) prévu comme recouvrant les divers premiers éléments photovoltaiques, lesdites régions de couches monocristallines
étant réalisées comme régions séparées les unes des autres.
2. Dispositif photovoltaïque suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit second élément
photovoltaique comprend une matière amorphe.
3. Dispositif photovoltaique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit second élément photovoltaique présente une région de couche comprenant une
matière microcristalline.
4. Dispositif photovoltaïque suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la densité de nucleation des surfaces conductrices est supérieure à la densité de nucleation de la surface isolante, et le diamètre desdites surfaces conductrices est égal ou
inférieur à 4 Mm.
5. Dispositif photovoltaïque suivant la revendication 1, caractérisé en ce que des matières d'un diamètre égal ou inférieur à 4 jm ayant une densité de
nucleation supérieure à celle desdites surfaces conduc-
trices et à celle de ladite surface isolante, sont prévues
sur lesdites surfaces conductrices.
6. Procéde de formation d'un dispositif photovoltaïque, caractérise en ce qu'il consiste: à appliquer un traitement de croissance cristalline par déposition en phase vapeur a un substrat ayant une surface de nonnucleation et plusieurs surfaces de nucleation dont la densité de nucléation est supérieure & celle de ladite surface de non-nucléation et ayant des dimensions suffisamment faibles pour former un unique noyau à partir duquel un monocristal se développe,
à former plusieurs premiers éléments photo-
voltaiques ayant des régions de couches monocristallines de
manière que lesdites régions soient isolées, respective-
ment, les unes des autres, et à former un second élément photovoltaïque
couvrant les divers premiers éléments photovoltaïques.
7. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les surfaces de nucléation résident dans la surface de la matière sous-jacente et la surface de non-nucleation réside dans la surface de la couche isolante.
8. Procédé. suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la surface de non-nucléation réside dans la surface de la matière sous-jacente et dans la surface de la couche isolante, tandis que les surfaces de nucléation résident dans la surface de la matière ayant une densité de nucleation supérieure à celle de ladite surface
de non-nucléation.
9. Dispositif photovoltaique réalisé par un procéde de formation d'un tel dispositif suivant la
revendication 6.
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