FR2732510A1 - Cellule thermovoltaique a miroir in situ - Google Patents
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Abstract
Cette cellule photovoltaïque utilisée dans un générateur de conversion d'énergie directe pour convertir de la chaleur en électricité comprend une couche réflectrice (20) disposée à l'intérieur de la cellule entre des couches actives (14, 16, 18) et un substrat (22). La couche réflectrice reflète des photons de faible énergie et les renvoie à un émetteur produisant des photons pour qu'ils y soient réabsorbés ou bien reflète des photons ayant une énergie supérieure à la largeur de bande interdite de cellule et les renvoie aux couches actives pour les convertir en électricité.
Description
CELLULE THERMOVOLTAIQUE À MIROIR IN SITU
La présente invention concerne d'une façon
générale le domaine de la conversion d'énergie, c'est-
à-dire de chaleur en électricité, et plus particulièrement, la conversion d'énergie thermovoltaique dans laquelle une source de chaleur chauffe par rayonnements un dispositif ou des dispositifs de conversion d'énergie à semi-conducteur à l'état solide (par exemple des cellules photovoltaiques) qui convertissent les photons
résultants en électricité.
La conversion d'énergie thermovoltaique de chaleur en énergie électrique est utilisée comme une alternative aux cycles de vapeur Rankine classiques utilisés dans ce but général. Les systèmes thermovoltaiques servent à la conversion de chaleur en rayonnement thermique puis ensuite en électricité au
moyen de l'action de semi-conducteurs voltaïques.
Une source de chaleur à température élevée, délivrée par exemple par la combustion de gaz de combustion ou un fluide quelconque à température élevée, chauffe une surface d'émetteur qui émet par rayonnements des photons infrarouges (IR) avec une caractéristique de spectre de la température de la source de chaleur. Les photons sont focalisés sur une cellule thermovoltaique qui absorbe les photons
principalement par création d'électrons/trous (e-h+).
Les photons IR doivent avoir une énergie supérieure à la différence entre les bandes de conduction et de valence du réseau - appelée ci- après "largeur de bande interdite" - afin de créer une paire (e-h). Autrement, le photon va être absorbé de façon parasite, produisant de la chaleur sans énergie électrique. Les porteurs de charge mobiles (e-h+) se déplacent jusqu'à venir en contact avec l'interface voltaïque (domaine de jonction p-n), point auquel les porteurs sont accélérés, développant par conséquent un potentiel voltaïque dans la cellule, utilisable pour alimenter une charge électrique. La commande du spectre IR est nécessaire pour obtenir un fonctionnement efficace d'un système thermovoltaique, c'est-à-dire que le spectre doit être adapté aux largeurs de bande interdite de cellule. Des photons ayant une énergie inférieure à l'énergie de largeur de bande interdite doivent être recyclés en retour vers la source de chaleur pour un fonctionnement efficace, ou bien n'avoir jamais été émis par la source de chaleur. Des photons ayant des énergies bien supérieures à la largeur de bande interdite produisent encore de l'énergie, mais seule la valeur d'énergie de largeur de bande interdite est récupérable à partir de l'énergie incidente du photon, et le reste est évacué sous forme de chaleur. Bien que des photons de haute énergie contribuent à l'énergie totale de sortie, ils diminuent quelque peu l'efficacité relative, et sont par conséquent supprimés ou incorporés en fonction de l'application particulière. Un système idéal, en termes d'adaptation spectrale à la largeur de bande interdite de cellule, utilise une conversion d'énergie photovoltaique alimentée par laser dans laquelle l'énergie de photon incident est réglée exactement égale à la largeur de bande interdite de cellule. Ces systèmes sont développés et testés pour des applications spatiales; toutefois, l'inefficacité de la création du faisceau laser (< 10 %) est plus importante que l'efficacité élevée avec laquelle la cellule peut convertir le faisceau incident adapté du point de vue spectral ( 60 %), ce qui rend ces systèmes peut attrayants par rapport à des systèmes plus classiques de conversion de l'énergie. De plus, l'importance de l'accord du spectre à la largeur de bande interdite de cellule est claire. Les systèmes d'énergie thermovoltaiques souffrent, de façon classique, des pertes parasites associées avec des photons ayant une énergie inférieure à la largeur de bande interdite de cellule thermovoltaïque cible (appelés ci-après "photons de faible énergie"), émis par rayonnement de la surface "d'émetteur" chaude et absorbés dans les cellules, produisant une perte de chaleur égale à leur énergie. De façon caractéristique, à 80 % de l'énergie rayonnée par la surface d'émetteur est constituée de photons de faible énergie,
en fonction du choix de la largeur de bande interdite.
Ces photons doivent être efficacement recyclés vers l'émetteur, et par conséquent non perdus, afin d'obtenir une efficacité acceptable du système. De façon classique, des filtres spectralement sélectifs ont été utilisés pour réfléchir ces photons à la surface de cellule vers l'émetteur. Toutefois, des limitations fondamentales dans la largeur de bande de réflexion de ces filtres conduit à des pertes d'efficacité d'absorption parasite significative, car de larges fractions du spectre ont des énergies inférieures à la largeur de bande interdite. L'émetteur peut aussi être modifié pour supprimer son émission de tels photons de faible énergie. Toutefois, quand l'émissivité de l'émetteur dans la région de photons de faible énergie diminue, sa réflectivité augmente d'une façon complémentaire. Par conséquent, même si le filtre réfléchit un photon de faible énergie vers l'émetteur, le photon peut être réfléchi de l'émetteur vers le filtre, encore et encore. A chaque passage, il y a une probabilité que le photon soit absorbé de façon parasite, dans la cellule ou dans les composants structurels. Par conséquent, les avantages de la modification de l'émissivité de l'émetteur pour supprimer de préférence les émissions de photons de faible énergie sont presque complètement annulés. Ceci pourrait changer si l'on obtenait des émissivités d'émetteur extrêmement faibles pour des photons de faible énergie, mais ceci est actuellement hors de
portée de l'état de la technique.
Une caractéristique clé de la conversion d'énergie thermovoltaique à l'aide de faibles largeurs de bande
interdite est la minimisation de "courant d'obscurité".
Le courant d'obscurité est le flux de courant électrique dans une cellule thermovoltaïque (ou solaire) qui s'oppose au courant électrique utile généré par des photons. Le courant généré par des photons doit être augmenté de manière significative à une valeur supérieure à celle du courant d'obscurité
afin de produire une énergie utile dans la cellule.
Ceci peut être accompli par maximisation du flux de photons de source incidente, ou par minimisation du courant d'obscurité. Le flux de photons incident est exponentiellement proportionnel à la température de la source de chaleur, ce qui fournit au concepteur du système un procédé pour surmonter les courants d'obscurité élevés. Des cellules à largeur de bande interdite plus faible ont, de façon inhérente, des courants d'obscurité plus élevés, nécessitant des flux de photons incidents plus importants pour obtenir des efficacités comparables. Toutefois, les courants d'obscurité peuvent être réduits par divers moyens. Ces moyens comprennent par exemple la passivation superficielle avant pour abaisser les vitesses superficielles, l'utilisation de précurseurs de haute pureté, l'utilisation d'hétérostructures, et le recyclage de photons renvoyés par miroir pour mitiger la recombinaison radiative. Dans ce dernier cas, la recombinaison radiative est un mécanisme de perte dans lequel des porteurs de charge photo-excités dégénèrent en libérant un photon (typiquement égal à l'énergie de largeur de bande interdite) avant d'être recueillis à la jonction p-n. Ce mécanisme de contribution au courant d'obscurité peut être quantifié par
photoluminescence à résolution dans le temps (TRPL).
Des mécanismes par lesquels les photons de recombinaison radiative sont recyclés (réabsorbés dans la cellule) vont présenter des durées de vie de porteurs de charge plus élevées comparativement à des procédés qui sont inefficaces pour le recyclage des photons. Un autre point important à prendre en considération est le coût des cellules. Les coûts associés à la fabrication de cellules thermovoltaïques (ou solaires) rentrent, de façon caractéristique, dans trois catégories: le coût des galettes; les coûts de croissance des cellules; et les coûts de traitement et de réseau. En ce qui concerne le premier, on doit faire croître la cellule sur une structure ayant une résistance suffisante pour permettre la manipulation lors de la croissance de cellule et le traitement après croissance (discuté ci- dessous). Les galettes sont typiquement faites de composés cristallins de très haute pureté avec des paramètres de réseau cristallin (dimensions d'un cristal unitaire caractéristique) acceptables pour les couches de cellule actives devant croître sur la galette. Les galettes représentent typiquement de 30 à 50 % du coût total des cellules, principalement du fait de tolérances de fabrication et de traitement. En ce qui concerne le coût de croissance des cellules, on fait typiquement croître les cellules sur les galettes à l'aide d'une certaine forme de dépôt chimique en phase vapeur. (L'épitaxie en phase vapeur aux organométalliques à la pression atmosphérique (APMOVPE) et l'épitaxie par jets moléculaires (MBE) sont des procédés courants.) Les couches de cellule ont typiquement des tolérances d'épaisseur de 10 nm, et ont des tolérances similaires en ce qui concerne l'uniformité, la pureté et le dopage. Cette étape représente typiquement de 30 à 50 % du coût total des cellules. Les coûts de développement sont significatifs
pour de nouveaux systèmes de matériaux.
En ce qui concerne les coûts de traitement et de réseau, une fois qu'on a fait croître une galette photovoltaïque, il faut ajouter des contacts électriques (couramment par photolithographie), les galettes doivent être découpées en cellules individuelles, et les cellules doivent être montées et connectées en réseaux. Cet étape représente typiquement
jusqu'à 30 % du coût des cellules.
Les coûts de commande spectrale thermovoltaïque (par exemple filtration, modification de l'émissivité, et analogues), peuvent aussi représenter une fraction significative du coût total des cellules, en particulier pour des systèmes thermovoltaïques et thermophotovoltaïques, dans lesquels la commande spectrale représente jusqu'à 200 à 300 % de différence d'efficacité relative, et, par conséquent, garantit les techniques de commande spectrale de l'état de la technique. Toutefois, dans un mode de production, on ne s'attend pas à ce que les coûts de commande spectrale
dépassent 30 % du coût des cellules.
L'application de la conversion d'énergie directe thermovoltaïque a relativement peu attiré l'attention, pour un certain nombre de raisons. Tout d'abord, les applications sont limitées du fait des coûts élevés, c'est-à-dire des coûts des cellules, de la commande
spectrale, de structure et des dispositifs optiques.
Deuxièmement, on a manqué de matériaux de cellules thermovoltaiques à faible largeur de bande interdite utilisables, du moins jusqu'à récemment. Troisièmement, il y a des problèmes en ce qui concerne les pertes d'énergie, principalement associées à l'absorption de photons de faible énergie qui ne produisent pas d'électricité (commande spectrale médiocre). En particulier, les températures de fonctionnement caractéristiques (< 1500 C) d'un système thermovoltaique nécessitent une cellule thermovoltaique à faible largeur de bande interdite (égale ou inférieure à 0,6 eV) pour concorder avec le spectre d'émetteur relativement froid, et par conséquent conduisent à une conversion d'efficacité élevée (> 25 %) et à une densité de puissance superficielle élevée (> 1 A/cm hors de la cellule). Jusqu'à présent, aucune cellule de puissance voltaïque à faible largeur de bande interdite n'a été produite pour ces intervalles de température, bien que plusieurs d'entre elles aient été produites, qui s'en rapprochent (par exemple en germanium 0,67 eV, National Renewable Energy Lab (NREL), en InGaAs 0,75 eV, et en GaSb 0,7 eV de Boeing Corporation). Selon la présente invention, il est proposé une cellule photovoltaïque destinée à être utilisée dans un générateur de conversion d'énergie directe thermophotovoltaique ou thermovoltaique, pour convertir de la chaleur en électricité, qui présente un certain nombre d'avantages importants par rapport à celles de
la technique antérieure discutée ci-avant et ci-après.
Selon la présente invention, une couche hautement réfléchissante est incorporée à l'intérieur de la cellule thermovoltaique, entre le substrat de la cellule et les couches actives de celle-ci, qui sert de miroir pour réfléchir les photons de faible énergie vers l'émetteur du système afin qu'ils soient réabsorbés par l'émetteur et par conséquent afin de permettre le recyclage des photons. La couche réfléchissante, ou couche miroir, réfléchit une fraction très importante (de préférence supérieure à %) des photons passant "vers le bas" à travers les couches actives de cellule, revenant "vers le haut" à travers ces couches actives de cellule pour un deuxième passage. Si certains de ces photons réfléchis ont une énergie supérieure à la largeur de bande interdite de cellule, ces photons ont une deuxième possibilité
d'être absorbés et convertis en énergie utile.
Toutefois, si l'énergie des photons réfléchis est inférieure à la largeur de bande interdite, les photons vont traverser hors de la cellule (à travers un revêtement anti-réfléchissant) et être absorbés par l'émetteur (en supposant l'émetteur "noir") et par
conséquent être recyclés.
Dans un mode de réalisation préféré, les couches actives procurent une jonction p-n, et comprennent avantageusement une couche de cellule active de type n, une couche de cellule active de type p et une couche tampon, dans une construction en sandwich, les trois
couches étant des couches de cellule épitaxiales.
Dans un mode de réalisation, la couche miroir est incorporée dans la cellule à l'aide d'un traitement mécanique de la cellule, alors que, dans un autre mode de réalisation avantageux, on utilise un procédé de dépôt direct dans lequel la couche réflectrice est modifiée (par exemple dopée) pour garder les propriétés cristallines de substrat de celle-ci, permettant par conséquent le dépôt épitaxial de la couche réflectrice (miroir) et la croissance sur le dessus de cette couche réflectrice. Parmi d'autres avantages de l'invention (dont certains sont discutés plus en détail ci-dessous), l'invention présente des avantages directs significatifs en ce qui concerne l'efficacité du système thermovoltaïque, et, potentiellement, en ce qui concerne la réduction des coûts de ces systèmes, par élimination de filtres coûteux et d'autres processus de commande spectrale, et en permettant aussi potentiellement le recyclage du substrat. Bien que la fabrication des cellules soit vraisemblablement plus compliquée avec des augmentations de coût associées, ceci peut être mitigé au cours de la production réelle et peut ne pas être un facteur déterminant avec la
déposition épitaxiale de la couche réflectrice.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention deviendront évidents ou apparents à partir
de la description détaillée qui suit de modes de
réalisation préférés de l'invention, donnés à titre purement indicatif et nullement limitatif en relation avec la figure unique des dessins annexés, qui est une vue en coupe transversale d'un mode de réalisation
préféré de la cellule à miroir in situ de l'invention.
Si l'on se réfère à la figure unique des dessins, on y trouve représentée une vue en coupe transversale d'une cellule thermovoltaïque à miroir in situ, globalement indiquée en 10, et qui est construite selon un mode de réalisation préféré de l'invention. La cellule 10 comprend une grille de cellule sur la surface 12 formant le contact avant de cellule, une couche de cellule active 14 de type n, une couche de cellule active 16 de type p, une couche tampon 18, une interface réflectrice de bande ohmique ou couche miroir 20, et un substrat final 22 formant le contact arrière de cellule. Les couches 14, 16 et 18 sont des couches de cellule épitaxiales dans ce mode de réalisation, alors que le substrat final 22 est ajouté après la
croissance de la cellule.
Bien que ces épaisseurs soient données à titre d'exemples non limitatifs, les épaisseurs nominales préférées sont les suivantes, exprimées en micromètres (10-6 mètres): couche de cellule active 14 de type n, moins de 0,1; couche de cellule active 16 de type p, 5 à 10; couche tampon 18, 3 à 5; interface réflectrice de bande ohmique 20, moins de 0,1; et substrat 22, 100
à 200.
Comme discuté ci-dessus, une caractéristique clé de l'invention concerne l'incorporation dans la cellule 10 de la couche miroir mince 20 (de moins de 10 pm) entre le substrat de cellule photovoltaïque 22 et les couches 14, 16 actives (jonction p-n) de la cellule. La couche miroir 20, qui est de préférence faite en or ou en alliage d'or ou en un autre matériau chimiquement inerte et hautement réflecteur, peut être dopé, selon
ce qui est approprié pour les couches de semi-
conducteur avec lesquelles elle vient en contact, à
l'aide d'une technologie de dépôt de grille standard.
La surface supérieure de la couche miroir 20 (adjacente aux couches 14 et 16 formant la jonction p-n et proche de la couche tampon 18) doit être lisse de façon à présenter une bonne réflectivité IR. Les couches de semi-conducteur 14, 16 et 18 adjacentes à la couche miroir 20 doivent être fortement dopées pour prévenir la formation d'une barrière de Schottky et par
conséquent éviter les pertes électriques associées.
Le dépôt d'une couche miroir 10 entre le substrat de cellule 22 et les couches actives peut être accompli par utilisation des techniques décrites ci-dessous, bien qu'on puisse aussi utiliser d'autres procédés de mise en oeuvre pour obtenir le même produit final. On
considère trois exemples.
Procédé 1 i) On fait croître les couches de cellule actives 14, 16 et 18 (simples ou doubles, selon la conception souhaitée) sur un substrat monocristallin adapté de façon épitaxiale, avec une couche sacrificielle (non représentée) d'un système de matériaux différent au point souhaité de séparation, de préférence entre des couches en grille et la couche tampon fortement dopée 18. On note que la désadaptation de réseau substrat/couche active
peut être évitée avec les couches en grille.
ii) On fixe un disque de manipulation temporaire à la surface supérieure 12 de la galette en utilisant un adhésif résistant aux gravures, par exemple une
cire Apiezion Black Wax.
iii) On élimine par gravure sélective (par exemple en utilisant du HF ou de l'acide acétique dilué) la couche sacrificielle, en séparant le substrat de cellule des couches actives. On s'assure que la surface exposée est propre, si elle n'est pas polie. iv) On dépose une couche d'or (ou d'un autre matériau fortement réflecteur), correspondant à la couche , sur la couche tampon fortement dopée exposée 18. La couche miroir 20 doit être suffisamment épaisse pour empêcher la transmission de photons
(de façon nominale supérieure à 2 nm).
v) On fixe un substrat approprié 22 sur la couche miroir 10. Le substrat peut être soit un matériau semi-conducteur, par exemple du silicium fortement dopé, soit un métal, en fonction des techniques de
séparation de cellule finales utilisées.
vi) On dissout l'adhésif (Black Wax) et on enlève le
disque de manipulation temporaire.
vii) On dépose des revêtements anti-réfléchissants (non représentés) ou des verres de recouvrement (non représentés), selon ce que l'on souhaite. Il est à noter que ceci peut être effectué dans l'étape i)
ci-dessus, si on le souhaite.
Procédé 2 i) On fait croître les couches de cellule actives (simples ou doubles, selon la conception souhaitée) d'une façon inversée (par exemple la couche de dessus 14 en premier) sur un substrat monocristallin adapté de façon épitaxiale, en terminant avec une couche tampon fortement dopée correspondant à la couche 18. La désadaptation de réseau substrat/couche active peut être évitée avec des couches en grille avant le dépôt de la couche de dessus de cellule finale, bien que, si on utilise des couches en grille, elles doivent être éliminées par gravure du produit de galette final. Les couches en grille ne sont pas nécessaires entre les couches de fond de cellule et la couche miroir suivante (couche 20). A nouveau, une couche sacrificielle (non représentée) est incorporée entre les couches en grille éventuelles et la couche d'émetteur (ou
couche de passivation superficielle avant).
ii) On dépose une couche d'or (ou d'un autre matériau fortement réflecteur), correspondant à la couche 20, sur la couche tampon exposée 18. La couche miroir 20 doit être suffisamment épaisse pour empêcher la transmission de photons (de façon
nominale, supérieure à 2.m).
iii) On fixe un substrat approprié 22 sur la couche miroir 20. A nouveau, il peut s'agir d'un matériau semi-conducteur, par exemple du silicium fortement
dopé, ou bien d'un métal.
iv) On élimine par gravure sélective (par exemple en utilisant une solution acide appropriée) la couche sacrificielle, jusqu'à ce que les couches de dessus de cellule soient exposées (et que les couches en grille soient éliminées). On s'assure
que la surface exposée est propre.
v) On dépose des revêtements anti-réfléchissants ou des verres de recouvrement, selon ce que l'on souhaite. Procédé 3 i) On fait croître une couche fortement dopée correspondant à la couche 20 sur un substrat
épitaxial.
ii) On dépose la couche miroir 20, fortement dopée avec un dopant cristallin épitaxial, jusqu'à ce que soit établie une couche miroir à IR ayant une
épaisseur efficace déterminée expérimentalement.
La concentration de dopant doit être maintenue supérieure à une valeur minimale, en dessous de
laquelle la couche perd sa cristallinité.
iii) On dépose une couche tampon fortement dopée 18 sur la couche miroir cristalline fortement dopée 20, et on termine la croissance de la cellule selon un
traitement normal.
On note que des variations de température peuvent être nécessaires au cours du traitement afin d'empêcher les métaux de la couche miroir de diffuser dans les
couches de cellule actives.
Un des avantages importants de la présente invention est qu'elle augmente l'efficacité de conversion thermovoltaïque par rapport aux dispositifs de la technique antérieure et de la technique actuelle, d'un certain nombre de façons. L'invention recycle les photons de faible énergie plus efficacement que des filtres de blocage passe-court de l'état de la technique, ou que des émetteurs spécifiques conçus pour supprimer l'émission de photons de faible énergie, ou encore que leurs combinaisons. En outre, l'invention élimine la contribution au courant d'obscurité associée aux couches en grille entre des substrats adaptés de
façon non épitaxiale et des couches de cellule actives.
Les couches de jonction p-n les plus proches de la couche miroir 20 peuvent avoir une épaisseur réduite de moitié, car les photons de haute énergie utiles qui passent à travers la jonction vont se réfléchir et revenir pour un deuxième passage. En outre, l'avantage des deux passages va augmenter l'absorption de photons proches de la largeur de bande interdite (et par conséquent le rendement quantique et l'efficacité globale), car le coefficient d'absorption de photons spectrale de la cellule chute à proximité de la largeur de bande interdite. En outre, la cellule à miroir in situ de l'invention va abaisser le courant d'obscurité grâce à un recyclage des photons de recombinaison radiative.
Un autre avantage est du domaine du coût.
L'invention abaisse les coûts par rapport aux concepts de l'état de la technique, entre autres en éliminant les filtres coûteux, en réalisant une commande spectrale de haute efficacité, en améliorant par conséquent l'efficacité globale du cycle avec des coûts de conception en proportion et des économies de combustible du système, et en éliminant l'ajustement coûteux de l'émissivité d'émetteur. De plus, l'invention évite potentiellement la nécessité d'une adaptation épitaxiale galettes-substrats et des couches de cellule de jonction p-n actives, permettant ainsi l'utilisation des galettes (ou d'un métal) disponibles les moins chères (typiquement, en silicium). Ceci suppose que l'on puisse utiliser une couche en grille pour accepter toute désadaptation de réseau au cours de la croissance, et donc que la couche en grille puisse être éliminée par gravure au cours du traitement. On note que le recyclage de photons de faible énergie mis à disposition par l'invention a de meilleures performances que des cellules thermovoltaiques à base de "réflecteurs à rétrocontact" (BCR, pour "back contact reflector"). Les cellules BCR utilisent leurs contacts électriques métalliques arrière pour agir en tant que miroir, d'une façon grossièrement similaire au miroir de l'invention, o les photons de faible énergie sont réfléchis depuis le contact arrière, passent à travers la cellule et émergent à proximité de l'émetteur. Toutefois, on prévoit que les cellules BCR de l'état de la technique soient plusieurs fois moins efficaces pour recycler des photons que les cellules de l'invention, pour un
certain nombre de raisons.
Tout d'abord, la distance qu'un photon de faible énergie (inférieure à la largeur de bande interdite) doit parcourir pour être recyclé avec succès vers l'émetteur est le double de la distance entre la surface de cellule (point d'entrée) et la couche miroir. La différence de distance entre la cellule BCR et la cellule à miroir in situ de l'invention est l'épaisseur du substrat, puisque la couche miroir 20 de l'invention est déposée entre le substrat 22 et les couches actives 14, 16 et 18. Le substrat (qui a typiquement une épaisseur d'environ 300 pm) est plus épais d'environ deux ordres de grandeur que les couches de cellule actives (typiquement environ 3 um). Par conséquent, comme le produit du coefficient d'absorption de photons de faible énergie et de la distance à parcourir est proportionnelle, de façon logarithmique, à l'absorption totale, la cellule de l'invention est jusqu'à trois fois plus efficace pour
recycler les photons que les cellules à base de BCR.
Deuxièmement, la couche de substrat est fortement dopée pour abaisser sa résistivité, et par conséquent les pertes totales du circuit électrique, alors que les couches actives ont un dopage d'un ou deux ordres de grandeur plus faible afin d'optimiser les durées de vie des porteurs de charge (que la cellule de l'invention va potentiellement augmenter de 3 à 10 fois, comme déjà montré pour les cellules solaires), et par conséquent les efficacités de collecte. Toutefois, le coefficient d'absorption de photons de faible énergie est proportionnel au dopage dans les couches de cellule que les photons traversent. Par conséquent, pour la plupart des architectures de cellules, le substrat va avoir un coefficient d'absorption supérieur à celui des couches actives, réduisant encore l'efficacité de recyclage de photons de faible énergie par BCR, comparativement à l'invention. En outre, le substrat de cellule de l'invention peut être métallique sans pénalisation optique. L'invention offre aussi de nombreux avantages par rapport à des systèmes filtrés. Cessystèmes filtrés ont été testés pour des applications thermovoltaïques depuis les années 1970, et ont montré, sans exception, des pertes d'efficacité significatives dues à l'absorption de photons de faible énergie. En particulier, les filtres interférentiels peuvent être conçus à la fois pour laisser passer les photons de haute énergie et réfléchir les photons de faible énergie, la transition centrée à une certaine longueur d'onde correspondant, de façon typique, à la largeur de bande interdite de cellule. Toutefois, la physique des filtres interférentiels limite les largeurs de bande que l'on peut faire pour faire passer ou bloquer efficacement toute partie du spectre. De façon typique, ces filtres laissent passer très efficacement des photons ayant des longueurs d'ondes comprise entre la largeur de bande interdite de cellule, klargeur de bande interdite et 1/2 klargeur de bande interdites, et réfléchissent très efficacement des photons entre largeur de bande interdite et 2largeur de bande interdite- Des photons ayant une énergie inférieure à 21largeur de bande interdite sont transmis dans la cellule et sont absorbés de façon parasite. La fraction du spectre d'émetteur total en dessous de 2Xlargeur de bande interdite peut représenter jusqu'à la moitié de la fraction ayant une énergie supérieure à klargeur de bande interdite, ramenant effectivement à la moitié ou moins
l'efficacité globale du système.
L'efficacité avec laquelle l'invention recycle les photons de faible énergie est principalement fonction de la réflectivité de la couche miroir. L'or est fortement réflecteur dans la région des IR, cette réflexion allant jusqu'à 98 %, l'argent et l'aluminium
ayant des propriétés comparables.
Bien que l'on puisse améliorer les performances en combinant un émetteur spécialement adapté (par exemple adapté à l'aide d'un dépôt assisté par faisceau ionique (IBAD)) et un filtre, on pense que les performances nettes sont inférieures à celles qu'on obtient en utilisant l'invention seule. En outre, le filtre et la technologie IBAD doivent être plus avancés que l'état de la technique pour concurrencer la réflectivité obtenue par le système thermovoltaïque de l'invention, et ceci impliquerait des coûts très importants pour
incorporer deux technologies dans le système.
Bien que la présente invention ait été décrite par référence à des modes de réalisations particuliers de celle-ci, donnés à titre d'exemples, l'homme du métier comprendra que des variantes et des modifications peuvent être effectuées dans ces modes de réalisation données à titre d'exemples sans s'écarter du cadre et
de l'esprit de l'invention.
Claims (11)
1. Cellule photovoltaïque (10) destinée à être utilisée dans un générateur de conversion d'énergie directe pour convertir de la chaleur en électricité, caractérisée en ce que ledit générateur comprend un émetteur pour émettre des photons qui sont reçus par ladite cellule, et en ce que ladite cellule a une largeur de bande interdite de cellule et comprend: une pluralité de couches actives (14, 16, 18); un substrat (22); et une couche réflectrice (20) disposée à l'intérieur de la cellule entre les couches actives et le substrat pour réfléchir des photons de faible énergie et les renvoyer à l'émetteur pour réabsorption par celui-ci, et pour réfléchir des photons ayant une énergie supérieure à la largeur de bande interdite et les renvoyer aux couches actives pour les convertir en électricité.
2. Cellule photovoltaïque destinée à être utilisée dans un générateur de conversion d'énergie directe selon la revendication 1, caractérisée en ce que
lesdites couches actives comprennent une jonction p-n.
3. Cellule photovoltaïque destinée à être utilisée dans un générateur de conversion d'énergie directe selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdites couches actives comprennent en outre une couche tampon (18) entre ladite couche réflectrice et
ladite jonction p-n.
4. Cellule photovoltaïque destinée à être utilisée dans un générateur de conversion d'énergie directe selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite
couche réflectrice comprend un métal réflecteur.
5. Cellule photovoltaïque destinée à être utilisée dans un générateur de conversion d'énergie directe selon la revendication 4, caractérisée en ce que ladite couche réflectrice comprend un métal choisi dans l'ensemble constitué par l'or, l'argent, le platine, le
cuivre, le palladium, l'aluminium et leurs alliages.
6. Cellule photovoltaïque destinée à être utilisée dans un générateur de conversion d'énergie directe selon la revendication 5, caractérisée en ce que ladite
couche réflectrice comprend une couche d'or.
7. Cellule photovoltaique destinée à être utilisée dans un générateur de conversion d'énergie directe selon la revendication 1, caractérisée en ce que lesdites couches actives comprennent une couche active extérieure de type n (14), une couche active de type p (16) en contact avec ladite couche active de type n, et une couche tampon (18) dopée en contact avec ladite couche active de type p et avec ladite couche
réflectrice (20).
8. Cellule photovoltaïque destinée à être utilisée dans un générateur de conversion d'énergie directe selon la revendication 7, caractérisée en ce que les couches actives sont dopées en une quantité évitant la
formation d'une barrière de Schottky.
9. Cellule photovoltaïque destinée à être utilisée dans un générateur de conversion d'énergie directe selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'épaisseur de ladite couche réflectrice est inférieure
à 10 Pum.
10. Cellule photovoltaïque destinée à être utilisée dans un générateur de conversion d'énergie directe selon la revendication 1, caractérisée en ce
que ledit substrat comprend du silicium fortement dopé.
11. Cellule photovoltaïque destinée à être utilisée dans un générateur de conversion d'énergie directe selon la revendication 1, caractérisée en ce
que ledit substrat comprend un métal.
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| ST | Notification of lapse |