FR2675950A1 - Cellule solaire monolithique en tandem amelioree. - Google Patents

Cellule solaire monolithique en tandem amelioree. Download PDF

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Abstract

La cellule solaire photovoltaïque, à structure monocristalline, monolithique en tandem comporte (a) un substrat InP (15), présentant une surface supérieure et une surface inférieure, (b) une première sous-cellule photoactive (20), placée sur la surface supérieure du substrat InP (15), (c) une seconde sous-cellule photoactive (10) placée sur la première sous-cellule (20); et (d) une couche de recouvrement prismatique, optiquement transparente, placée sur la seconde sous-cellule. La première sous-cellule photoactive a la composition définie GaInAsP. La seconde sous-cellule a la composition InP. Les réseaux cristallins des deux sous-cellules sont adaptés.

Description

1 CELLULE SOLAIRE MONOLITHIQUE EN TANDEM AMELIOREE
Le Gouvernement des Etats-Unis possède des droits
sur cette invention au titre du contrat No DE-AC 02-
83 CH 10093 entre le Ministère de l'Energie des Etats-Unis et le Solar Energy Research Institute/ Institut des Recherches sur l'énergie solaire, une
division du Midwest Research Institute.
Cette demande constitue une continuation-in-part de ma demande en coinstance No de série 07/431 364
déposée le 3 novembre 1989.
La présente invention concerne, de façon générale, les cellules solaires photovoltaïques et, de façon plus particulière, les cellules solaires photovoltaiques en tandem à multijonction De façon spécifique, la présente invention concerne des
cellules solaires photovoltaïques en tandem monoli-
thiques améliorées qui ont un bon rendement, résistent aux radiations et sont utiles dans les applications
spatiales en plus des applications terrestres.
Les cellules photovoltaïques, couramment connues sous le nom de cellules solaires, sont essentiellement constituées de semi-conducteurs qui sont capables de convertir directement l'énergie -électromagnétique (telle que les radiations lumineuses ou solaires)
en électricité De tels semi-conducteurs sont habi-
tuellement caractérisés par des structures cristal-
lines solides, qui présentent des bandes d'énergie interdites entre leurs bandes d'électrons de valence et leurs bandes d'électrons de conduction Lorsque la lumière est absorbée par la matière, les électrons qui occupent des niveaux d'énergie basse deviennent suffisamment excités pour franchir la bande interdite
pour venir dans les niveaux d'énergie plus haute.
Par exemple, lorsque les électrons qui se trouvent 1 dans la bande de valence d'un semi-conducteur absorbent suffisamment d'énergie en provenance des photons des radiations solaires, ils peuvent franchir la bande interdite pour venir dans la bande de conduction d'énergie plus haute. Les électrons qui sont excités pour venir dans les niveaux d'énergie plus haute laissent derrière eux des positions d'énergie basse non occupées ou trous De tels trous peuvent passer d'un atome à l'autre dans le réseau cristallin et agissent donc en tant que porteurs de charge, comme le font les électrons libres dans la bande de conduction, et contribuent à la conductivité du cristal La plupart des photons absorbés dans le semi-conducteur donnent naissance à de telles paires
électron-trou qui produisent le courant photo-élec-
trique et donc le potentiel photo-électrique montré
par la cellule solaire.
Comme cela est connu, on dope le semi-conducteur avec un matériau différent pour produire une couche de charge d'espace qui sépare les trous et les électrons à employer comme porteurs de charge Une fois séparés, ces porteurs de charge collectés, trous et électrons, produisent une charge d'espace qui se traduit en une tension aux bornes de la
jonction, qui est la tension photo-
voltaique Si ces trous et ces porteurs de charge peuvent s'écouler dans une impédance extérieure,
ils constituent un courant photovoltaique.
On sait que l'énergie des photons qui dépasse la valeur de seuil de la bande interdite, entre la bande de 'Valence et la bande de conduction, se dissipe habituellement sous forme de chaleur; elle est donc perdue et ne travaille pas utilement De façon plus spécifique, il existe un quantum f ixe d-e 1 différence d'énergie potentielle de part et d'autre de la bande interdite dans le semiconducteur Pour qu'un électron qui se trouve dans la bande de valence, d'énergie plus basse, soit suffisamment excité pour franchir la bande interdite pour venir dans la bande de conduction, d'énergie plus haute, il doit absorber
un quantum d'énergie suffisant, provenant habituel-
lement d'un photon absorbé, d'une valeur au moins égale à la différence d'énergie potentielle de part
et dtautre de la bande interdite.
Le semiconducteur est transparent aux radiations
dont l'énergie des photons est inférieure à la diffé-
rence d'énergie de part et d'autre de la bande interdite Par ailleurs, si l'électron absorbe plus que la valeur de seuil du quantum d'énergie, par exemple en provenance d'un photon d'énergie plus élevée, il peut franchir la bande interdite L'excès de cette énergie absorbée en comparaison de la valeur de seuil du quantum nécessaire pour que l'électron puisse franchir la bande interdite donne un électron dont l'énergie est plus élevée que la plupart des autres électrons qui se trouvent dans la bande de conduction L'énergie en excès est éventuellement perdue sous forme de chaleur Le résultat net est
que la tension photovoltaïque effective d'un semi-
conducteur à bande interdite unique est limitée par
la bande interdite.
Par conséquent, dans une cellule solaire à semiconducteur unique, pour capturer autant de photons que possible en provenance du spectre de radiation solaire, le semiconducteur doit présenter une bande interdite étroite de façon que même les photons d'énergie assez faible puissent exciter des électrons pour leur faire franchir la bande interdite Bien
entendu, ceci implique des limitations correspondantes.
Premièrement, l'emploi d'une matière à bande interdite étroite se traduit par le fait qu'il apparait pour le dispositif une faible tension photovoltalque et naturellement une émission de puissance assez faible Secondement, les photons provenant de radia- tions d'énergie assez élevée produisent un excès
d'énergie qui se perd sous forme de chaleur.
Par ailleurs, si le semiconducteur est conçu avec une bande interdite plus large pour augmenter la tension photovoltaïque et réduire la perte d'énergie provoquée par la thermalisation des porteurs chauds, alors les photons d'énergie plus basse ne sont pas absorbés En conséquence, dans les cellules solaires à jonction unique de conception conventionnelle, il faut accepter un compromis entre ces considérations et s'efforcer de concevoir un semiconducteur à bande interdite optimale, en se rendant compte de ce quedansle compromis il doit y avoir une perte significative d'énergie en provenance à la fois des photons d'énergie haute
et d'énergie basse.
De nombreux travaux ont été effectués dans les années récentes pour résoudre ces problèmes en fabriquant des structures de cellule solaire en tandem ou à multijonction (en cascade), dans lesquelles une cellule supérieure présente une bande interdite plus large et absorbe les photons d'énergie plus haute, tandis que les photons d'énergie plus basse traversent la cellule supérieure pour venir dans les cellules inférieures qui présentent des bandes interdites plus étroites pour absorber les radiations d'énergie
plus basse.
Les bandes interdites sont rangées de la plus haute à la plus basse, de haut en bas, pour obtenir un effet de cascade optimal En principe, on peut 1 empiler de cette façon un nombre arbitraire de sous-cellules; toutefois, on considère habituellement que la limite pratique est de deux ou trois Les cellules solaires à multijonction sont capables de donner des rendements de conversion plus élevés du fait que chaque sous-cellule convertit l'énergie solaire en énergie électrique sur une bande de longueur d'onde des photons étroite sur laquelle
elle convertit l'énergie avec un bon rendement.
Différentes optionsexistent en ce qui concerne les
possibilité de connexion électrique entre les sous-
cellules, y compris ( 1) la connexion en série, ( 2) l'adaptation en tension et ( 3) la connexion indépendante Dans les cellules solaires en tandem du type à connexion en série, il y a adaptation en courant des deux sous- cellules L'avantage du type à connexion indépendante est qu'il évite les problèmes de la
connexion électrique des deux sous-cellules.
Ce type autorise également davantage de possibilités dans la conception de la cellule solaire Toutefois, il est plus complexe en ce qui concerne la fabrication de la cellule solaire et il est également plus complexe en ce qui concerne la fourniture à une charge électrique unique de la puissance provenant de chaque cellule distincte Ceci est un problème
de système.
De telles cellules en tandem peuvent être fabriquées de deux façons différentes La première façon consiste à fabriquer séparément chaque cellule solaire (avec des bandes interdites différentes) puis à empiler mécaniquement les cellules en série optimale par l'un ou l'autre des nombreux procédés connus L'inconvénient de ce procédé provient de
la complexité à former un tel arrangement empilé.
1 L'avantage en est la souplesse permettant d'empiler différents matériaux l'un sur l'autre La seconde façon de fabriquer une cellule solaire en tandem
consiste à former un empilement cristallin monoli-
thique de matériaux présentant les bandes interdites désirées L'avantage de ce procédé réside dansla simplicité du traitement L'inconvénient en est qu'il existe un nombre limité de combinaisons de matériau que l'on peut faire croître par épitaxie pour obtenir
une qualité de dispositif.
L'homme de l'art admet généralement que l'on obtient au mieux la configuration désirée pour des dispositifs monolithiques en tandem à multijonction par adaptation du réseau cristallin du matériau de la cellule supérieure a celui du matériau de la cellule inférieure Des désadaptations dans les constantes du réseau cristallin créent des défauts ou des dislocations, dans le réseau cristallin, o peuvent apparaitre des centres de recombinaison qui provoquent la perte des porteurs minoritaires générés
par effet photovoltaique, d'o une importante dégra-
dation de la qualité photovoltaïque du dispositif.
De façon plus spécifique, ces effets vont diminuer la tension en circuit ouvert (V oc), l'intensité de court-circuit (J) et le facteur de remplissage (FF), qui représente la relation ou l'équilibre entre l'intensité et la tension pour une puissance fournie efficace Par conséquent, l'approche monolithique à réseaux cristallins mutuellement adaptes constitue une façon élégante de construire une cellule en tandem
de haute qualité.
Un problèmecommun avec les semiconducteurs conventionnels est leur manque de résistance aux radiations, alors que cela serait nécessaire pour garantir un fonctionnement qui ne se dégrade pas dans l'espace Ce problème est particulièrement
inquiétant si l'on considère les cellules photovol-
taiques spatiales, o les cellules solaires conven-
tionnelles au Si se dégradent avec le temps On a donc recherché d'autres matériaux semiconducteurs
pour surmonter ces problèmes.
Le phosphure d'indium est un semiconducteur
III-V intéressant pour toute une variété d'appli-
cations de dispositifs électroniques impliquant des hétérostructures du fait du grand nombre de matériaux ternaires et quaternaires III-V, à réseaux cristallins mutuellement adaptés, dont on dispose, par exemple Ga As Sb, Ga In As, Al As Sb, Ga In As P, et Al In As En plus d'avoir les réseaux cristallins mutuellement adaptés,
ces composés offrent une large plage de bandes inter-
dites qui facilitent la conception de structures de dispositifs complexes In P est également considéré comme un candidat principal pour les applications photovolta 3 ques spatiales du fait de sa résistance supérieure aux radiations et de ses rendements élevés démontrés. Par conséquent, la possibilité de construire des cellules solaires en tandem, résistantes aux radiations, a base de In P pour des applications spatiales apparait possible Toutefois, à ce jour,
rien n'a encore été décrit dans l'art.
On connait d'autres techniques pour fabriquer
une cellule solaire en tandem Par exemple le bre-
vet U S 4 289 920 décrit une construction à deux cellules dans laquelle on fait croître différents matériaux semiconducteurs sur les surfaces opposées d'un substrat isolant transparent En d'autres termes, les deux semiconducteurs ne sont pas en contact physique l'un avec l'autre En conséquence, il n'y a pas besoin que les réseaux cristallins des deux 1 semiconducteurs soient mutuellement adaptés; par contre, les problèmes associés avec la formation de couches semiconductrices de haute qualité sur le substrat intermédiaire sont sans aucun doute substantiels Une couche métallique couvrant la surface inférieure du semiconducteur inférieur renvoie
la lumière à travers la structure par réflexion.
La couche de métal s'enroule autour du bord pour relier les deux cellules en connexion électrique
de série.
On n'a pas jusqu'ici proposé de cellules solaires photovolataiques monolithiques en tandem présentant les avantages et la combinaison souhaitable de caractéristiques qui sont présentés par les
dispositifs de la présente invention.
Un but de l'invention est de proposer une cellule solaire photovoltalque monolithique en tandem qui présente une résistance aux radiations et un rendement élevés Un autre but de l'invention est de proposer une cellule solaire photovoltalque monolithique en
tandem dans laquelle soit prévue une couche prisma-
tique de recouvrement.
Un autre but encore de l'invention est de
proposer une cellule solaire photovoltaique mono-
lithique en tandem comportant des couches de In P
et Ga In As P (ou Ga In As), ladite cellule photovol-
taique pouvant s'utiliser par exemple dans des
applications spatiales de puissance.
Un autre but encore de l'invention est de proposer une cellule solaire photovoltalque en tandem
présentant un rapport puissance-masse amélioré.
Un autre but encore de l'invention est de
proposer une cellule solaire photovoltaique mono-
lithique en tandem dans laquelle soit prévue une région de contact médian inédite entre les deux
1 sous-cellules.
Un autre but encore de l'invention est de proposer des cellules solaires photovoltaïques
monolithiques en tandem à trois bornes, améliorées.
D'autres buts, avantages et nouvelles caracté- ristiques de l'invention seront énumérés en partie
dans la description qui suit et apparaîtront en
partie à l'homme de l'art à l'examen de ce qui suit ou bien pourront être apprise par la pratique de l'invention Les buts et avantages de l'invention peuvent s'atteindre et s'obtenir au moyen des instruments et dans les combinaisons sur lesquels on attire particulièrement l'attention dans les
revendications jointes.
Pour atteindre les buts ci-dessus ainsi que d'autres, et en accord avec l'objet de la présente invention, tel que concrétisé et largement décrite ici, la cellule solaire photovoltaïque monolithique en tandem peut comporter: (a) un substrat In P présentant une surface supérieure; (b) une première sous-cellule photoactive placée sur la surface supérieure du substrat In P; étant précisé que la première sous-cellule est comprend du Ga In As (qui pourrait inclure Ga In As P) et inclut une homojonction; (c) une seconde sous-cellule photoactive par-dessus la première sous-cellule; étant précisé que la seconde sous-cellule comprend du In P et inclut une homojonction; (c) une couche prismatique de recouvrement optiquement transparente par-dessus la seconde sous-cellule. La sous-cellule Ga In As (qui pourrait inclure Ga In As P) présente un réseau cristallin 1 adapté à In P La sous-cellule In P présente une bande interdite plus large que la
première sous-cellule.
La cellule solaire photovoltaïque de l'invention montre plusieurs avantages C'est une structure de dispositifs monolithiques à réseaux cristallins mutuellement adaptés structure qu'en principe on peut obtenir avec aussi peu que quatre couches épitaxiales distinctes On peut accorder ou concevoir la bande interdite de la sous-cellule inférieure sans compromettre l'adaptation mutuelle des réseaux cristallins. La modélisation sur ordinateur des performances de la cellule solaire de l'invention montre que la cellule solaire est capable de rendements très élevés sous conditions d'éclairement AMO ou terrestre
(en particulier sous éclairement solaire concentré).
La technologie de fabrication et de traitement des matériaux In P et Ga In As P est bien développée à partir de leurs applications dans d'autres dispositifs électroniques et optoélectroniques, ce qui facilite
le traitement du dispositif.
Pour les applications spatiales, la cellule solaire en tandem est particulièrement avantageuse
du fait qu'elle utilise une cellule supérieure résis-
tante aux radiations qui donne 75 à 80 % de la puissance totale produite par la cellule solaire
en tandem.
En outre, la construction de la cellule solaire de cette invention se fait de préférence sous forme d'un dispositif à trois bornes incluant une région de contact médian inédite Des constructions de cellule solaire préférées incluent également des couches de Ga In As et In P de type N entre la cellule
supérieure In P et les contacts supérieurs.
1 Les dessins joints, qui sont incorporés dans le mémoire descriptif en font partie> illustrent les réalisations préférées de la présente invention et,
avec la description, expliquent les principes de
l'invention Sur les dessins: la figure 1 est une vue en élévation latérale schématique d'une première réalisation d'une cellule solaire photovoltaïque monolithique en tandem de l'invention; la figure 2 est une vue en élévation latérale schématique d'une autre réalisation d'une cellule solaire photovoltaïque monolithique en tandem de l'invention; la figure 3 est une vue en élévation latérale schématique d'une autre réalisation encore d'une cellule solaire photovoltaïque monolithique en tandem de l'invention; la figure 4 est un graphe illustrant les données relatives au rendement quantique d'une cellule solaire du type représenté sur la figure 1; la figure 5 est un graphe illustrant les données couranttension pour une cellule solaire du type représenté sur la figure 1; la figure 6 est une vue en élévation latérale
d'une autre réalisation d'une cellule solaire photo-
voltaïque monolithique en tandem de l'invention; la figure 7 est une vue isométrique de la cellule solaire représentée sur la figure 6; la figure 8 est un graphe illustrant le rendement d'une cellule solaire photovoltaïque en tandem à trois bornes de l'invention; et la figure 9 est un graphe illistrant les données courant-tension pour une cellule solaire
améliorée de cette invention.
1 La figure 1 représente une réalisation préférée d'une cellule solaire en tandem, monocristalline, monolithique, à deux jonctions, à trois bornes Cette cellule comporte une sous-cellule supérieure In P 10 qui inclut une homojonction 10 A La cellule solaire comporte également une sous-cellule inférieure Ga In As ou Ga In As P 20 qui inclut une homojonction 20 A Sous la sous-cellule inférieure se trouve un substrat
In P 15.
Le contact conducteur supérieur 11 est supporté
par la surface supérieure de la sous-cellule supé-
rieure 10, comme représenté, et il est à faible résistance et contact ohmique électriquement Le contact conducteur inférieur 13 est en contact avec la surface inférieure du substrat In P et il est à
faible résistance et contact ohmique électriquement.
Le contact médian 12 est supporté par la couche P
de la cellule supérieure 10 et il est à faible résis-
tance et contact ohmique électriquement Les
contacts 11 et 13 peuvent être en or, par exemple.
Le contact 12 peut être un stratifié d'or et de zinc,
par exemple.
Chaque sous-cellule inclut des régions photo-
actives Par exemple, les rayons photoactifs de la sous-cellule 10 comprennent la région supérieure In P n+ et une portiondela région inférieure In P p directement en dessous de la jonction N /p La région photoactive de la sous-cellule 20 comprend ses deux régions de type p et n La région inférieure de la sous- cellule 10 et la région supérieure de la
sous-cellule 20 sont de type de conductivité commun.
Par conséquent, comme illustré sur la figure 1, la région inférieure de la sous-cellule 10 et la région supérieure de la sous-cellule 20 sont l'une et l'autre de type p Bien entendu, si on le désire, les deux 1 régions en question pourraient être au lieu de cela
de type N (c'est-à-dire pour des dispositifs p/n/p).
Le contact médian ohmique 12 est placé entre les
régions photoactives des deux sous-cellules.
Sur la surface supérieure de la sous-cellule
supérieure 10 se trouve un revêtement antiréflé-
chissant conventionnel 14 Le but de ce revêtement est d'empêcher les radiations de se réfléchir sur
la surface supérieure de la sous-cellule 10.
Le substrat 15 est illustré sur les dessins comme étant un substrat In P Le matériau In P est un semiconducteur III-V intéressant pour toute une variété d'applications de dispositif électronique du fait de ses caractéristiques électroniques et optoélectroniques Parmi les principaux inconvénients associés à l'emploi de ce matériau comme substrat, toutefois, il y a son coût élevé, sa fragilité et la densité de masse élevée de In P. Le substrat 15 peut être essentiellement composé de In P ou bien il peut être une fine couche de In P sur un autre matériau semiconducteur, ou bien il peut être l'une quelconque des structures de substrat variantes telles que définies dans le brevet U S.
No 4 963 949 incorporé ici à titre de référence.
Ledit brevet décrit les techniques de croissance du matériau In P de qualité électronique sur des substrats étrangers tout en réduisant au minimum la propagation de dislocations dans la couche In P. Ces techniques permettent d'obtenir une structure de substrat de faible coût, de poids léger, présentant une bonne résistance, à utiliser pour un dispositif semiconducteur à base de In P Par conséquent, ces techniques peuvent s'utiliser dans la préparation des structures de substrat que l'on utilise dans
la présente invention.
1 On fait croître la cellule inférieure 20 sur la surface supérieure du substrat In P 15 par épitaxie de façon que le réseau cristallin du matériau de la sous-cellule 20 soit adapté à In P On fait croître la sous-cellule
supérieure 10 sur la surface supérieure de la sous-
cellule inférieure par épitaxie de façon que le réseau cristallin de la sous-cellule supérieure In P soit adapté à la sous-cellule
inférieure On obtient donc une cellule solaire photo-
voltaïque monolithique en tandem mono-
cristalline. La composition de la sous-cellule inférieure est représentée par la formule Ga x In x Asy P y dans laquelle x vaut de 0,20 à 0,467 et y vaut de
0,436 à 1,000.
La relation nécessaire entre x et y est définie par la formule y= 2, 209 x/( 1 + 0,6864 x) Par conséquent, en l'un des points extrêmes, o y égale 1, il n'y a pas de phosphore dans la composition Dans la mesure o la composition est définie par la relation entre x et y décrite ci-dessus, le réseau cristallin du matériau de la sous-cellule inférieure sera adapté à celui du substrat In P ainsi qu'avec celui de la sous-cellule supérieure In P. On se réfère ici à Ga In As ou Ga In As P comme à des références génériques concernant la composition de
la sous-cellule inférieure définie ci-dessus.
Ci-dessous, on se réfère à Ga In As P. On peut faire croître la couche Ga In As P,ou
la déposer, sur le substrat In P, et on dépose la sous-
cellule supérieure In P sur la surface supérieure de la sous-cellule Ga In As P par une technique de croissance cristalline épitaxiale telle que l'épitaxie en phase vapeur aux organo-métallique S sous pression
1 atmosphérique Cette technique est connue dans l'art.
La sous-cellule supérieure présente une bande
interdite plus large que la sous-cellule inférieure.
La bande interdite de la sous-cellule supérieure est de 1,35 e V à 300 K On peut faire varier la bande interdite de la sous-cellule inférieure en modifiant la composition des éléments de la sous- cellule Ga In As P. La bande interdite optimale de la sous-cellule inférieure va aller de 0,75 à 1,0 e V en fonction des conditions opératoires (c'est-à-dire température, rapport de concentration solaire et spectre incident)
et de la qualité de connexion de la sous-cellule.
Cette plage de bande interdite s'obtient à l'intérieur de la large plage de composition pour la sous-cellule
inférieure Ga In As P telle que définie ci-dessus.
Bien que la cellule solaire de la figure 1 soit représentée comme étant constituée d'une sous-cellule
supérieure de type n/p et d'une sous-cellule infé-
rieure de type p/n, on considère que la configuration
opposée lui est fonctionnellement équivalente.
L'épaisseur de la sous-cellule inférieure peut varier, mais généralement elle sera sur la plage allant d'environ 3 à 6 microns L'épaisseur de la sous-cellule supérieure peut également varier, mais généralement elle sera sur la plage allant d'environ 0,5 à 5 microns De préférence, l'épaisseur du substrat est sur la plage allant d'environ 300 à
600 microns.
La cellule solaire en tandem illustrée sur la figure 1 est un dispositif à trois bornes Avec cette configuration il est possible de prévoir soit un fonctionnement à tension adaptée, soit un
fonctionnement indépendant.
La sous-cellule supérieure montre une bonne 1 résistance aux radiations Par conséquent, on peut
utiliser la cellule solaire en tandem dans les appli-
cation spatiales Elle montre également un rendement de conversion élevé et un rapport puissance-masse élevé Ceci est dû au fait que la sous-cellule inférieure, à bande interdite plus étroite, est sensible aux radiations infrarouges qui sont extrêmement abondantes dans le spectre AMO Bien entendu, cette cellule solaire peut également s'utiliser dans des applications terrestres comme
cela est représenté plus en détail ci-dessous.
Pour le dopage de type n, il est connu d'utiliser des impuretés extrinsèques conventionnelles telles que, par exemple, le soufre, le tellure ou le sélénium Pour le dopage de type p, il est connu d'utiliser des éléments tels que le zinc, le cadmium,
le béryllium ou le magnésium.
Le Tableau I qui suit illustre le rendement, donné à titre de modèle, de la cellule solaire en tandem de la figure 1 lorsque la sous-cellule inférieure a la composition Ga In As Les
0,47 0,53
données indiquées correspondent à un fonctionnement théorique de la cellule solaire dans le spectre AM O
(c'est-à-dire dans l'espace).
Rapport de Temperature concentration (OC) solaire
10
TABLEAU I
Rendement de la cellule supérieure In P (%) ,9 27,8 29,6 31/4 22,5 24; 7 26,9 29,1 Rendement de la Rendement de la cellule inférieure cellule tandem 0,L 7 +,n qq AS (%) M
7,1 33,0
8,5 36,3
9,9 39)5
11,3 42 t 7 4,5 7,8 9,4 26,9 34; 7 38,5 Le Tableau II suivant illustre le rendement, donné à titre de modèle, de la même cellule solaire en tandem pour son fonctionnement théorique avec20 '
éclairement terrestre.
TABLEAU II
Rapport de Temperature concentration ( C) solaire Rendement de la Rendement de la Rendement de la cellule suérieure cellule inférieure cellule tardem In P(%) C',-,7 53-TAS(M 28)7 6 t 4 35,1
,7 7,7 38,4
32,8 9,0 41,8
34,8 1073 4511 24,8 29,6 327 1 4,0 ,6 7,1 28,8 36,7 8 1 La figure 4 représente les
données concernant le rendement quantique externe absolu pour une cellule solaire réelle du type représenté sur la figure 1 La cellule solaire à laquelle se rapporte la figure 4 ne comportait pas de revêtement antiréflé- chissant La cellule solaire montre un rendement
quantique global très élevé.
La figure 5 représente les données intensité-
tension pour une cellule solaire réelle, du type représenté sur la figure 1, éclairée sous un spectre global standard, à l'exception que la cellule solaire
ne comporte pas de revêtement antiréfléchissant.
La cellule solaire montrerait des résultats encore
meilleurs avec un revêtement antiréfléchissant.
La configuration à trois bornes (par exemple comme représenté sur la figure 1) est avantageuse du fait qu'elle autorise de recueillir indépendamment la puissance fournie par chaque sous-cellule de la pile monolithique Ceci réduit au minimum l'impact défavorable des dommages causés par les radiations
sur le rendement global du tandem.
Des calculs réalistes résultant de modélisation sur ordinateur prédisent une amélioration du rendement de 7 %-11 % de la cellule inférieure de composition Ga 0,47 In 0,53 As sous un éclairement AMO ( 250 C) pour
des rapports de concentration sur la plage 1-1000.
On pense donc possibles des rendements pratiques, sous éclairement AMO, de 25 %-32 % avec la cellule
en tandem In P/Ga 47 In A 53 As.
La figure 2 représente une autre réalisation de la cellule solaire qui est une cellule solaire en tandem, monocristalline, monolithique, a deux jonctions, a deux bornes Cette cellule comporte une sous-celllie supérieure In P 30 qui présente une homojonction 30 A La sous-cellule inférieure 40 1 présente une homojonction 40 A Sous la sous-cellule inférieure se trouve un substrat In P 15 comme décrit ci-dessus. Les contacts conducteurs supérieurs 11 sont supportés par, et en contact électrique avec, la surface supérieure de la sous-cellule supérieure , comme représenté Le contact conducteur inférieur 13 est en contact électrique avec la surface
inférieure du substrat In P Un revêtement anti-
réfléchissant conventionnel 14 est supporté sur la
surface supérieure de la sous-cellule supérieure.
La sous-cellule inférieure 40 présente la même composition que décrit cidessus en liaison avec la cellule solaire de la figure 1, à l'exception
qutelle est du type n/p au lieu du type p/n.
Entre la sous-cellule supérieure 30 et la sous-
cellule inférieure 40 il existe une interconnexion par jonction par effet tunnel Cette jonction relie en série la sous-cellule supérieure et la
sous-cellule inférieure.
Dans une réalisation spécifique de la cellule solaire représentée sur la figure 2, on peut optimiser la cellule solaire en ajustant l'épaisseur de la sous-cellule supérieure In P pour adapter les densités de courant des deux sous-cellules Par exemple, pour des sous-cellules sous forme massive (Ctest-à-dire suffisamment épaisses pour absorber tous les photons dont l'énergie est supérieure à celle de leurs bandes interdites respectives) sous un spectre d'éclairement AMO, en utilisant la composition Ga 047 In O 53 As comme sous-cellule inférieure, la
sous-cellule inférieure présente une limite d'inten-
sité Il faut donc réduire l'épaisseur de la sous-
cellule supérieure In P à la valeur appropriée pour que les densités de courant des sous-cellules puissent
1 correspondre.
Dans une autre réalisation spécifique de la cellule solaire représentée sur la figure 2, on peut optimiser la cellule solaire en ajustant les zones de la sous-cellule supérieure et de la sous-cellule inférieure pour faire correspondre les densités de courant des deux sous- cellules Par exemple, la
zone de la sous-cellule supérieure peut être infé-
rieure à la surface de la sous-cellule inférieure Ceci peut s'obtenir de différentes façons, y compris l'emploi d'une attaque chimique humide sélective de la sous-cellule supérieure utilisant les techniques
décrites ci-dessous.
La figure 3 illustre une autre réalisation d'une cellule solaire en tandem à structure monocristalline, monolithique, à deux jonctions, à deux bornes Cette cellule comporte une sous-cellule supérieure In P qui présente une homojonction 30 A Elle comporte également une sous- cellule inférieure 40 qui présente une homojonction 40 A.
Dans la réalisation de la figure 3, la sous-
cellule supérieure 30 est reliée à la sous-cellule inférieure 40, en série, au moyen d'une interconnexion métallique 36 Ceci est fonctionnellement équivalent
à une jonction à effet tunnel, bien que ltintercon-
nexion métallique rende plus complexes les procédures
de traitement.
Les figures 6 et 7 représentent la cellule solaire photovoltaïque en tandem, monolithique, à trois bornes, améliorée, de l'invention Comme représenté, il existe une région de contact médian inédite entre la
sous-cellule inférieure et la sous-cellule supérieure.
La région de contact médian comprend une couche fortement dopée In P de type p et une couche fortement dopée Ga In As de type p La couche In P de type p est 1 désignée comme couche de conduction latérale (LCL) car elle permet la conduction latérale du courant entre les deux sous-cellules et le contact médian commun La couche Ga In As de type p a deux rôles: ( 1) elle constitue une couche d'arrêt de gravure (SEL) qui met fin à la gravure des tranchées à travers les couches de la cellule supérieure In P Cette fonction est nécessaire pour placer le contact médian à la position désirée dans la structure tandem ( 2) elle assure également une
faible résistance de contact pour le contact médian.
La région de contact médian assure une fonction
très importante pour la cellule solaire en tandem.
Elle diminue la résistance de série élevée qui, à défaut, serait à l'origine d'importantes pertes de
rendement, ainsi que d'effets de couplage des sous-
cellules. Les figures 6 et 7 représentent également l'utilisation d'une couche de recouvrement optiquement transparente Cette couche de recouvrement est un recouvrement prismatique Elle est constituée d'une série d'éléments formant lentilles parallèles capables de réfracter la lumière incidente de façon semblable à ce que fait une lentille (c'est-à-dire de façon que les rayons parallèles soient réorientés par
l'action de réfraction d'une lentille).
La couche de recouvrement écarte les rayons lumineux incidents des structures de la surface de la cellule solaire pour les envoyer dans les régions actives, absorbant les rayons lumineux, de la cellule supérieure Ceci permet de recouvrir une fraction substantielle de la surface de la cellule supérieure avec la métallisation de grille et permet également de former les tranchées nécessaires pour la mise en place du contact médian Ceci constitue 1 une importante caractéristique des cellules compactes
* qui produisent de fortes intensités photovoltaïques.
Les noeuds de la couche de recouvrement sont alignés avec les centres de ligne de grille du motif de grille du contact supérieur, comme représenté Des recouvrements de ce type sont par exemple décrits dans le brevet U S.
4 711 872 incorporé ici à titre de référence.
L'épaisseur de la couche de recouvrement peut varier, par exemple d'environ 51 microns à 127 microns De préférence, elle a une épaisseur allant d'environ 76 microns à 127 microns La couche de recouvrement peut être constituée de tout matériau
convenable qui soit optiquement transparent.
Typiquement, elle est constituée de plastique (par exemple, de silicone) pour des motifs économiques; Elle pourrait être composée de verre, si on le désire.
On fait normalement adhérer la couche de recou-
vrement à la surface supérieure du contact supérieur au moyen d'un adhésif Cet adhésif doit être électriquement isolant et doit présenter un indice de réfraction semblable à celui du matériau composant
la couche de recouvrement.
L'emploi de la couche de recouvrement décrite ici permet de recouvrir de métal environ 20 % de la
surface de la cellule supérieure sans diminuer l'apti-
tude de la cellule solaire à absorber les rayons lumineux. Les figures 6 et 7 illustrent également une autre caractéristique préférée de la cellule solaire
en tandem, améliorée, de l'invention Cette caracté-
ristique consiste en le fait de prévoir des couches In P et Ga In As de type N entre le contact supérieur et la cellule supérieure In P. On a observé dans cette invention que l'on peut graver sélectivement, In P et Ga In As en utilisant deux agents de gravure chimique, par voie humide, différents H Cl concentré grave In P mais non Ga In As Une solution de 10 H 2 SO 4:1 H 202:1 H 20 grave Ga In Asmais non In P Ceci permet de réaliser une gravure sélective pour obtenir le dessin désiré pour les matériaux semiconducteurs L'emploi des couches In P et Ga In As de type N en remplacement des résines photosensibles conventionnelles est bénéficiaire De telles couches servent de masques à l'égard de la gravure très stables et
inertes, et opèrent mieux que les résines photo-
sensibles positives conventionnelles, et on peut, à la demande, les enlever de la structure au fur et à mesure du traitement de cette structure sans endommager les caractéristiques permanentes de la structure Cette technique est vitale pour donner une version compacte dtune cellule solaire en tandem du fait des faibles dimensions impliquées (par exemple, lorsque les tranchées ont une largeur de à 50 microns) Bien entendu, on peut utiliser des techniques de gravure semblables si on le désire, en utilisant des -types différents de matériaux de masquage (par exemple, du dioxyde de
silicium).
La figure 8 représente le rendement que l'on peut obtenir dans une cellule solaire en tandem en
utilisant les techniques de cette invention.
La figure 9 est un graphe représentant les paramètres de fonctionnement pour une cellule solaire
en tandem de cette invention.
Ce qui est dit ci-dessus ne doit être considéré
que comme illustrant les principes de l'invention.
En outre, du fait que de nombreux changements et modifications peuvent facilement apparaître à l'homme 1 de l'art, on ne désire pas limiter l'invention à
la construction et au fonctionnement exacts repré-
sentés et décrits, et par conséquent, tous équivalents et toutes modifications convenables peuvent être considérés comme tombant dans l'objet de l'invention
tel que défini par les revendications qui suivent.

Claims (16)

1 REVENDICATIONS
1 Cellule solaire photovoltaique, monocristalline, monolithique, en tandem, caractérisée en ce qu'elle comporte: (a) un substrat In P ( 15) pr 6 sentant une surface supérieure et une surface inférieure; (b) une première sous-cellule ( 20) photoactive, placée sur ladite surface supérieure dudit substrat; ladite première sous-cellule ( 20) comprenant du Ga In As; ladite première sous-cellule incluant une homojonction; et (c) une seconde sous-cellule ( 10) photoactive, placée sur ladite première sous-cellule photoactive ( 20); o ladite seconde sous-cellule ( 10) comprend du In P; ladite seconde sous-cellule ( 10) incluant une homojonction; (d) une couche de recouvrement prismatique,
optiquement transparente, sur ladite seconde sous-
cellule ( 10); cellule dans laquelle le réseau cristallin dudit Ga In As et celui dudit In P sont mutuellement adaptés; et dans laquelle ladite seconde sous-cellule ( 10) présente une bande interdite plus large que celle
de ladite première sous-cellule ( 20).
2 Cellule solaire photovoltaïque selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ledit Ga In As présente la composition Gax In _x Asy Py o x vaut de 0,20 à 0,467, et y vaut de 0,436 à 1,00; et par le fait que la relation entre x et y est
définie par la formule y= 2,209 x/( 1 + 0,06864 x).
3 Cellule solaire photovoltaïque selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ladite première ( 20) et ladite seconde ( 10) sous-cellules
incluent chacune une homojonction n/p.
4 Cellule solaire photovoltaïque selon la 1 revendication 3, caractérisée par le fait que ladite cellule solaire inclut deux bornes et que lesdites
sous-cellules sont reliées en série.
Cellule solaire photovoltaïque selon la revendication 1, caractérisée par le fait que l'une desdites sous-cellules inclut une homojonction n/p et que l'autre sous-cellule inclut une homojonction p/n; et par le fait que ladite cellule solaire inclut
trois bornes.
6 Cellule solaire photovoltaïque selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ladite sous-cellule photoactive présente la composition
Ga 47 In O 53 As.
7 Cellule solaire photovoltaïque selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ladite cellule solaire comporte en outre unmotif de grille, formant contact supérieur, sur ladite seconde sous-cellule et en contact ohmique de faible résistance avec elle; et par le fait que ladite couche de recouvrement présente des noeuds qui sont alignés
avec ledit motif de grille.
8 Cellule solaire photovoltaïque selon la revendication 7, caractérisée par le fait qu'elle comporte en outre des couches de Ga In As et In P entre
ledit motif de grille et ladite seconde sous-cellule.
9 Cellule solaire photovoltaïque selon la re-
vendication 7, caractérisée par le fait qu'elle comporte en outre une région de contact médian entre ladite première et ladite seconde souscellules; o ladite région de contact médian comprend des couches continues distinctes de Ga In As et de In P. Cellule solaire photovoltaique, monocristalline, monolithique, en tandem, caractérisée en ce qu'elle comporte: 1 (a) un substrat In P présentant une surface supérieure et une surface inférieure; (b) une première sous-cellule photoactive, placée sur ladite surface supérieure dudit substrat; ladite première sous-cellule comprenant du Ga In As et incluant une homojonction; o ledit Ga In As a la composition Ga x In 1 Asy Pl y, o x vaut de 0,200 à 0,467 et y vaut de 0,436 à 1,00; et o la relation entre x et y est définie
par la formule y= 2,209 x/( 1 + 0,06864, et -
(c) une seconde sous-cellule, photoactive, placée sur ladite première sous-cellule; o ladite seconde sous-cellule comprend du In P et inclut une homojonction; (d) un motif de grille formant contact supérieur, placé sur ladite seconde sous- cellule et en contact avec elle; (e) une couche de recouvrement prismatique, optiquement transparente, placée sur ledit motif
de grille; o ladite couche de recou-
vrement présente des noeuds qui sont alignés avec leditmotif de grille; cellule dans laquelle les réseaux cristallins dudit Ga In As et dudit In P sont mutuellement adaptés et ladite seconde sous- cellules présente une bande interdite plus large que celle de ladite première sous-cellule. 11 Cellule solaire photovoltaïque selon la revendication 10, caractérisée par le fait que ladite première sous-cellule photoactive a la composition
Ga 47 In O 53 As.
12 Cellule solaire photovoltaïque selon la revendication 10, caractérisée par le fait que ladite seconde sous-cellule présente une surface supérieure; par le fait que chaque dite sous-cellule présente 1 une région photoactive; et par le fait que ladite seconde sous-cellule présente une région inférieure située en dessous de sa dite région photoactive; par le fait que ladite région inférieure de ladite sous-cellule supérieure et que ladite région
supérieure photoactive de ladite sous-cellule infé-
rieure sont d'un type de conductivité commun; ladite cellule solaire comportant en outre: (a) une couche conductrice assurant un contact
ohmique à faible résistance avec ladite surface infé-
rieure dudit substrat In P; (b) un contact médian conducteur assurant un contact ohmique à faible résistance avec ladite région
inférieure de ladite seconde sous-cellule.
13 Cellule solaire photovoltalque selon la revendication 10, caractérisée par le fait qu'elle comporte aussi des calchesde Ga In As et de In P entre ledit
motif de grille et ladite seconde sous-cellule.
14 Cellule solaire photovoltalque selon la revendication 12, caractérisée par le fait qu'elle comporte en outre une région formant contact médian entre ladite première et ladite seconde sous- cellules; o ladite région formant contact médian comprend des couches continues distinctes de Ga In As et In P. Procédé de préparation d'une cellule solaire
photovoltaique monocristalline, mono-
lithique, en tandem, procédé caractérisé par le fait qu'il comporte les étapes consistant à: (a) disposer d'un substrat In P présentant une surface supérieure; (b) déposer, par épitaxie, sur ladite surface supérieure, une couche de Ga In As pour former une première sous-cellule photoactive;
o ledit Ga In As est déposé de façon qu'une homo-
1 jonction se réalise dans ladite couche; (c) déposer, par épitaxie, une couche d'In P de type p sur ladite couche Ga In As; (d) déposer, par épitaxie, une couche de Ga In As de type p sur ladite couche In P de type p; (e) déposer, par épitaxie, une couche supérieure d'In P sur ladite couche Ga In As de type p pour former une seconde sous- cellule photoactive; o ledit In P est déposé de façon qu'une homojonction se réalise dans ladite couche In P; (f) graver sélectivement ladite couche supérieure d'In P pour y former, à distance l'une de l'autre, des tranchées qui s'étendent vers le bas jusqu'audit Ga In As de type p; (g) former, dans lesdites tranchées, des contacts médians électriquement conducteurs; (h) former un motif de grille de contacts supérieurs en contact ohmique de faible résistance avec ladite couche supérieure d'In P; procédé dans lequel les réseaux cristallins dudit Ga In As, dudit substrat In P et de ladite couche In P
de type p sont mutuellement adaptés.
16 Procédé selon la revendication 15, caracté-
risé par le fait que ledit Ga In As a la composition Ga I As P Gax In x Asy P _y, o x vaut de 0,200 à 0,467 et y vaut de 0,436 à 1,00; et par le fait que la relation entre x et y est définie par la formule y= 2,209 x/
( 1 + 0,06864 x).
17 Procédé selon la revendication 15, caracté-
risé par le fait que chaque dite homojonction est
du type n/p.
18 Procédé selon la revendication 15, caracté-
risé par le fait que l'une desdites sous-cellules inclut une homojonction n/p et que l'autre desdites sous-cellules inclut une homojonction p/n; et par 1 le fait que ladite cellule solaire inclut trois bornes.
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