FR2954002A1 - Procede pour la production de cellules solaires multijonction metamorphiques inversees - Google Patents

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Abstract

L'invention concerne un procédé pour la production d'une cellule solaire. Il comprend les étapes consistant à fournir un support en arséniure de gallium avec une surface de liaison préparée, à fournir un substrat en saphir, et à lier le support en arséniure de gallium et le substrat en saphir pour produire une structure composite, à détacher la masse du support en arséniure de gallium de la structure composite, en laissant un substrat de croissance d'arséniure de gallium sur le substrat en saphir ; et à déposer une séquence de couches de matière semi-conductrice formant une cellule solaire sur le substrat de croissance. Domaine d'application : Production de cellules solaires multi j onction métamorphiques inversées perfectionnées.

Description

1 La présente invention concerne le domaine des dispositifs à semi-conducteurs, et des procédés de fabrication et dispositifs tels que des cellules solaires multijonction à base de composés semi-conducteurs III-V comprenant une couche métamorphique. Ces dispositifs sont connus également sous le nom de "cellules solaires multijonction métamorphiques inversées". L'énergie solaire provenant de cellules photovoltaïques, appelées également "cellules solaires", a été fournie principalement par la technologie des semi-conducteurs au silicium. Cependant, au cours des toutes dernières années, la production de grands volumes de cellules solaires multijonction à semi-conducteurs à base de composés III-V pour des applications spatiales a accéléré le développement de cette technologie, non seulement à des fins d'utilisation dans l'espace mais également pour des applications terrestres de l'énergie solaire. Comparativement au silicium, les dispositifs multijonction à semi-conducteurs à base de composés III-V ont de plus hauts rendements de conversion d'énergie et généralement une plus grande résistance au rayonnement, bien qu'ils tendent à être plus complexes à produire. Les cellules solaires multijonction à semi-conducteurs à base de composés III-V classiques du commerce ont des rendements de conversion d'énergie qui dépassent 27 % dans des conditions d'éclairement solaire, à masse d'air 0 (AMO), tandis que même les technologies les plus efficaces d'utilisation du silicium atteignent généralement un rendement seulement égal à environ 18 dans des conditions comparables. Sous une forte concentration solaire (par exemple 500X), les cellules solaires multijonction à semi-conducteurs à base de composés III-V disponibles dans le commerce, dans des applications terrestres (à AM1,5D), ont des rendements de conversion d'énergie qui dépassent 37 Le plus haut rendement de conversion des cellules solaires à semi- conducteurs à base de composés III-V, comparativement aux cellules solaires en silicium, est dû en partie à l'aptitude
2 à parvenir à une dispersion spectrale du rayonnement incident en utilisant une pluralité de régions photovoltaïques ayant différentes énergies de bande interdite, et à accumuler le courant provenant de chacune des régions.
Les cellules solaires à semi-conducteurs à base de composés III-V classiques sont fabriquées sur une plaquette en semi-conducteur sous forme de structures verticales multijonction. Les cellules solaires ou plaquettes individuelles sont ensuite disposées en réseaux horizontaux, avec les cellules solaires individuelles connectées les unes aux autres dans un circuit électrique en série. La forme et la structure d'un réseau, ainsi que le nombre de cellules qu'il contient, sont déterminés en partie par la tension et le courant de sortie désirés.
Dans les applications concernant les satellites et d'autres applications spatiales, les dimensions, la masse et le coût d'un système fournissant de l'énergie à un satellite dépendent de la puissance et du rendement de conversion d'énergie des cellules solaires utilisées. Suivant une autre définition, les dimensions de la masse satellisable et la disponibilité des services à bord sont proportionnels à la quantité d'énergie fournie. Ainsi, lorsque les masses satellisables deviennent plus sophistiquées et consomment plus d'énergie, le rendement et la masse des cellules solaires, qui jouent le rôle de dispositifs de conversion d'énergie pour les systèmes fournissant de l'énergie à bord, deviennent plus importants. Des structures de cellules solaires métamorphiques inversées telles que celles décrites par M.W. Wanlass et al., Lattice Mismatched Approaches for High Performance, III-V Photovoltaic Energy Converters (Conference Proceedings of 31st IEEE Photovoltaic Specialists Conference, 3-7, jan. 2005, IEEE Press, 2005) représentent un point de départ conceptuel important pour l'élaboration de futures cellules solaires commerciales à haut rendement. Les structures décrites dans cette référence présentent un certain nombre de difficultés
3 pratiques concernant le choix approprié des matériaux et des étapes de fabrication, pour un certain nombre de couches différentes de la cellule. Avant les inventions décrites dans cette application et les applications apparentées mentionnées ci-dessus, les matériaux et les étapes de fabrication décrits dans l'art antérieur n'étaient pas adéquats pour produire une cellule solaire multijonction métamorphique inversée commercialement viable et à rendement efficace de conversion d'énergie en utilisant les procédés de fabrication commercialement établis. En résumé, et de manière générale, la présente invention propose un procédé pour la production d'une cellule solaire, en fournissant un support en arséniure de gallium avec une surface de liaison préparée ; en fournissant un substrat de soutien ; en liant le support en arséniure de gallium et le substrat de soutien pour produire une structure composite ; en détachant la masse du support en arséniure de gallium de la structure composite, ce qui laisse un substrat en arséniure de gallium sur le substrat de soutien ; et en déposant une séquence de couches de matières semi-conductrices formant une cellule solaire sur le substrat en arséniure de gallium. Dans un autre aspect, la présente invention propose un procédé pour la production d'une cellule solaire, en fournissant un support en germanium avec une surface de liaison préparée ; en fournissant un substrat de soutien ; en liant le support en germanium et le substrat de soutien pour produire une structure composite ; en détachant la masse du support en germanium de la structure composite, ce qui laisse un substrat en germanium sur le substrat en saphir ; et en déposant une séquence de couches de matières semi-conductrices formant une cellule solaire sur le substrat en germanium. Dans un autre aspect, la présente invention propose en outre les étapes consistant ensuite à préparer une surface de liaison nouvelle sur la portion en masse détachée du
4 support en arséniure de gallium ou en germanium pour former un support nouveau ; à fournir un substrat de soutien nouveau ; à lier le support en arséniure de gallium ou en germanium nouveau et le substrat de soutien nouveau pour produire une structure composite nouvelle ; à détacher la masse du support en arséniure de gallium ou en germanium nouveau de la structure composite nouvelle, ce qui laisse un substrat de croissance d'arséniure de gallium ou de germanium nouveau sur le substrat de soutien nouveau ; et à déposer une séquence de couches de matière semi-conductrice formant une cellule solaire sur le substrat de croissance d'arséniure de gallium ou de germanium nouveau. Dans un autre aspect, la présente invention propose en outre les étapes consistant ensuite à monter un second substrat de substitution sur le dessus de la séquence de couches de matière semi-conductrice formant une cellule solaire ; et à éliminer le substrat de croissance en arséniure de gallium ou en germanium. Dans un autre aspect, la présente invention propose que l'étape consistant à déposer la séquence de couches de matière semi-conductrice formant une cellule solaire comprenne la formation d'une première sous-cellule sur le substrat de croissance comprenant une première matière semi-conductrice ayant une première bande interdite et une première constante de réseau ; la formation d'une seconde sous-cellule comprenant une seconde matière semi-conductrice ayant une seconde bande interdite et une seconde constante de réseau, la seconde bande interdite étant inférieure à la première bande interdite, et la seconde constante de réseau étant supérieure à la première constante de réseau ; la formation d'une matière de transition de constante de réseau positionnée entre la première sous-cellule et la seconde sous-cellule, ladite matière de transition de constante de réseau ayant une constante de réseau qui varie progressivement de la première constante de réseau à la seconde constante de réseau. Dans un aspect supplémentaire, la présente invention propose un procédé pour la production d'une cellule solaire en fournissant un support un arséniure de gallium avec une surface de liaison préparée ; en fournissant un substrat de 5 soutien ; en liant le support en arséniure de gallium et le substrat de soutien pour produire une structure composite ; en détachant la masse du support en arséniure de gallium de la structure composite, ce qui laisse un substrat en arséniure de gallium sur le substrat de soutien ; en formant une première sous-cellule solaire ayant une première bande interdite sur le substrat en arséniure de gallium ; en formant une deuxième sous-cellule solaire disposée sur la première sous-cellule solaire, ayant une deuxième bande interdite inférieure à la première bande interdite ; en formant une couche intermédiaire à gradient disposée sur la deuxième sous-cellule, ayant une troisième bande interdite supérieur à la deuxième bande interdite ; en formant une troisième sous-cellule solaire disposée sur la couche intermédiaire à gradient, ayant une quatrième bande interdite inférieure à la deuxième bande interdite et présentant une désadaptation de réseau par rapport à la deuxième sous-cellule ; et en formant une quatrième sous-cellule solaire disposée sur ladite troisième sous-cellule, ayant une cinquième bande interdite inférieure à ladite quatrième bande interdite et présentant une adaptation de réseau par rapport à ladite troisième sous-cellule. Il n'est pas nécessaire que tous ces aspects ou caractéristiques de la présente invention soient mis en pratique de manière effective dans n'importe quelle forme de réalisation. D'autres caractéristiques ressortiront de la description détaillée qui va suivre, faite en regard des dessins annexés sur lesquels : la figure 1A est une vue en coupe transversale du 35 substrat de soutien de la présente invention ; 6 la figure 1B est une vue en coupe transversale du substrat de soutien de la présente invention ; après préparation de la surface ; la figure 1C est une vue en coupe transversale de la 5 structure composite résultant de la liaison du support et substrats de soutien ; la figure 1D est une vue en coupe transversale de la structure composite de la figure 1C, après élimination de la masse du substrat de soutien ; 10 la figure 2A est une vue en perspective d'une représentation polyédrique d'une structure de réseau à semi-conducteur représentant les plans du cristal ; la figure 2B est une vue en perspective du réseau du cristal en GaAs, représentant la position des atomes de 15 gallium et d'arsenic ; la figure 3A est une vue en perspective du plan P du substrat utilisé dans la présente invention, superposé sur le diagramme de représentation de cristal de la figure 2A ; la figure 3B est une illustration graphique de la surface 20 du plan du substrat utilisé dans la présente invention ; la figure 4A est un graphique représentant la bande interdite de certaines matières binaires et leurs constantes de réseau et une gamme de matières utilisées dans une cellule solaire multijonction métamorphique inversée (IMM) 25 de l'art antérieur ; la figure 4B est un graphique représentant la bande interdite de certaines matières binaires et leurs constantes de réseau et une gamme de matières utilisées dans une cellule solaire multijonction métamorphique inversée (IMM) 30 conforme à la présente invention ; La figure 5 est un diagramme représentant l'intervalle de bandes interdites de diverses matières GaInAlAs en fonction de la concentration relative en Al, In et Ga ; La figure 6 est un graphique représentant la fraction 35 molaire de Ga en fonction de la fraction molaire de Al à In
7 dans les matières GaInAlAs, qui est nécessaire pour parvenir à une bande interdite constante de 1,5 eV ; La figure 7 est un graphique représentant la fraction molaire en fonction de la constante de réseau dans des matières GaInAlAs, qui est nécessaire pour parvenir à une bande interdite constante de 1,5 eV ; la figure 8 est une vue en coupe transversale de la cellule solaire de la présente invention après dépôt de couches semi-conductrices sur le substrat de croissance ; la figure 9 est une vue en coupe transversale de la cellule solaire de la figure 8, après la séquence suivante d'étapes du procédé ; la figure 10 est une vue en coupe transversale de la cellule solaire de la figure 9, après la séquence suivante 15 d'étapes du procédé ; la figure 11 est une vue en coupe transversale de la cellule solaire de la figure 10, après la séquence suivante d'étapes du procédé ; la figure 12 est une vue en coupe transversale de la 20 cellule solaire de la figure 11, après l'étape suivante du procédé, dans laquelle un substrat de substitution est fixé ; la figure 13A est une vue en coupe transversale de la cellule solaire de la figure 12, après l'étape suivante du procédé, dans laquelle le substrat initial est éliminé ; 25 la figure 13B est une autre vue en coupe transversale de la cellule solaire de la figure 13A, avec une orientation représentant le substrat de substitution à la partie inférieure de la figure ; la figure 14 est une vue en coupe transversale, extrêmement 30 simplifiée, de la cellule solaire de la figure 13B ; la figure 15 est une vue en coupe transversale de la cellule solaire de la figure 14, après l'étape suivante du procédé ; la figure 16 est une vue en coupe transversale de la 35 cellule solaire de la figure 15, après l'étape suivante du 8 procédé, dans laquelle les lignes de grille sont formées sur la couche de contact ; la figure 17 est une vue en coupe transversale de la cellule solaire de la figure 16, après l'étape suivante du 5 procédé ; la figure 18A est une vue en plan de dessus d'une plaquette dans laquelle quatre cellules solaires sont fabriquées ; la figure 18B est une vue en plan de dessous d'une 10 plaquette de la figure 18A ; la figure 18C est une vue en plan de dessus d'une plaquette dans laquelle deux cellules solaires sont fabriquées ; la figure 19 est une vue en coupe transversale de la 15 cellule solaire de la figure 17, après l'étape suivante du procédé ; la figure 20A est une vue en coupe transversale de la cellule solaire de la figure 19, après l'étape suivante du procédé ; 20 la figure 20B est une vue en coupe transversale de la cellule solaire de la figure 20A, après l'étape suivante du procédé ; la figure 21 est une vue en plan de dessus de la plaquette de la figure 20B, représentant la vue de surface 25 du sillon produit par attaque chimique autour de la cellule ; la figure 22A cellule solaire de procédé, dans une présente invention 30 la figure 22B cellule solaire de procédé, dans une présente invention la figure 22C 35 cellule solaire de procédé, dans une est une vue en coupe transversale de la la figure 20B, après l'étape suivante du première forme de réalisation de la
est une vue en coupe transversale de la l'étape suivante du réalisation de la
est une vue en coupe transversale de la la figure 22A, après l'étape suivante du troisième forme de réalisation de la la figure 22A, après deuxième forme de
9 présente invention, dans laquelle un verre de protection est fixé ; la figure 23 est une vue en coupe transversale de la cellule solaire de la figure 22C, après l'étape suivante du procédé, dans une troisième forme de réalisation de la présente invention, dans laquelle le substrat de substitution est éliminé ; et la figure 24 est un graphique du profil de dopage dans une base et une couche émettrice adjacente dans la cellule solaire métamorphique conforme à la présente invention. Les détails de la présente invention, y compris des aspects illustratifs et leurs formes de réalisation, sont décrits maintenant. En référence aux dessins et à la description suivante, des numéros de référence identiques sont utilisés pour identifier des éléments identiques ou fonctionnellement similaires, et sont destinés à illustrer les caractéristiques principales de formes de réalisation illustratives d'une manière schématique extrêmement simplifiée. En outre, les dessins ne sont pas destinés à représenter chaque caractéristique de la forme de réalisation réelle ou bien les dimensions relatives des éléments représentés, et ne sont pas représentés à l'échelle. Le concept fondamental de fabrication d'une cellule solaire multijonction métamorphique inversée (IMM) consiste en la croissance des sous-cellules de la cellule solaire sur un substrat dans une séquence "inverse". Cela signifie que les sous-cellules à valeurs élevées de bande interdite (c'est-à-dire des sous-cellules ayant des bandes interdites dans l'intervalle de 1,8 à 2,1 eV), qui seraient normalement les sous-cellules "supérieures" faisant face au rayonnement solaire, sont produites par croissance épitaxique sur un substrat de croissance semi-conducteur, tel que, par exemple, GaAs ou Ge, et ces sous-cellules subissent en outre une adaptation de réseau à un tel substrat. Une ou plusieurs sous-cellules médianes à bandes interdites plus basses (c'est- à-dire ayant des bandes interdites dans l'intervalle de 1,2
10 à 1,8 eV) peuvent être ensuite formées par croissance sur les sous-cellules à valeurs élevées de bande interdite. Au moins une sous-cellule inférieure est formée sur la sous-cellule médiane de telle sorte que ladite au moins une sous-cellule inférieure présente une désadaptation de réseau substantielle par rapport au substrat de croissance et de telle sorte que ladite au moins une sous-cellule inférieure possède une troisième bande interdite inférieure (c'est-à-dire une bande interdite dans l'intervalle de 0,7 à 1,2 eV). Un substrat de substitution ou une structure de support est fourni sur la sous-cellule "de fond" ou à désadaptation de réseau substantielle, et le substrat semi-conducteur formé est ensuite éliminé. (Le substrat de croissance peut être réutilisé ultérieurement pour la croissance d'une deuxième cellule solaire et des cellules solaires suivantes). Les constantes de réseau et les propriétés électriques des couches dans la structure semi-conductrice sont de préférence ajustées par la spécification de températures et temps appropriés de croissance en réacteur, et par l'utilisation d'une composition chimique et de dopants appropriés. L'utilisation d'un procédé de dépôt en phase vapeur, telle que l'épitaxie en phase vapeur organométallique (OMVPE), le dépôt en phase vapeur chimique organométallique (MOCVD), l'épitaxie par faisceau moléculaire (MBE) ou d'autres procédés de dépôt en phase vapeur pour la croissance inverse, peut permettre la croissance des couches dans la structure semi-conductrice monolithique formant la cellule, avec l'épaisseur, la composition élémentaire, la concentration en dopant et le type de gradation et de conductivité requis. Diverses caractéristiques différentes de cellules solaires multijonction métamorphiques inversées sont décrites dans les applications apparentées mentionnées ci-dessus. La présente invention concerne une autre technologie de croissance et de procédé pour la fabrication épitaxique des couches de cellules solaires à semi-conducteurs dans une cellule
11 solaire multijonction, et en particulier dans une cellule solaire multijonction métamorphique inversée. Dans la forme de réalisation préférée qui va être décrite, les couches épitaxiques de la cellule solaire IMM sont formées par croissance sur une structure semi-conductrice relativement mince qui consiste en une matrice de croissance en GaAs ou Ge (ou une autre matière convenable) fixée à un substrat ou support en saphir ou saphir/spinelle. Le substrat en saphir/spinelle peut être conçu ou spécifié et choisi de manière à avoir un coefficient de dilatation thermique (CIE) qui correspond à celui des composés III/V appropriés tels que GaAs, GaInPa et des composés utilisés dans la fabrication de cellules solaires. Suivant les formes de réalisation décrites ici, la matrice mince de croissance en arséniure de gallium est formée en liant une plaquette d'arséniure de gallium à un substrat en saphir et en détachant la masse de la plaquette d'arséniure de gallium, ce qui laisse une couche mince d'arséniure de gallium sur le substrat en saphir. La masse du support en arséniure de gallium est détachée de telle sorte qu'elle ne soit pas détruite et qu'elle puisse être réutilisée pour former des cellules solaires supplémentaires sur d'autres substrats en saphir. La réutilisation de supports en arséniure de gallium de cette manière pour former des cellules solaires supplémentaires réduit de manière significative le coût des cellules solaires à base d'arséniure de gallium par unité. La structure de cellule IMM est formée par croissance sur la matrice de croissance mentionnée ci-dessus par un procédé MOCVD ou une technologie de croissance équivalente. Après croissance, la structure est traitée. Au cours du traitement, une technologie de séparation est utilisée pour éliminer le substrat en saphir ou saphir/spinelle. Le substrat en saphir ou saphir/spinelle peut être réutilisé en fixant un autre substrat en GaAs, Ge (ou autre) pour former une cellule solaire supplémentaire.
12 La séparation du substrat en saphir (ou saphir/spinelle) peut être effectuée par un procédé d'attaque chimique par voie humide ou par un procédé de séparation de couches. L'attaque chimique par voie humide attaque latéralement une couche, en provoquant la relaxation du substrat de croissance, et le procédé de retour par laser provoque la fusion d'une couche et effectue le même type de séparation du substrat de croissance. L'intérêt du procédé proposé est qu'il n'est plus nécessaire d'effectuer le polissage et l'attaque chimique de la matrice de croissance. La partie principale de la matrice de croissance, c'est-à-dire le substrat ou support en saphir/spinelle, est en outre à présent réutilisable. Une beaucoup moins grande quantité de matière GaAs ou Ge est également nécessaire, cette quantité étant la quantité juste suffisante d'une couche pour fournir une matrice de croissance. Un deuxième avantage de cette approche consiste en la possibilité d'utiliser maintenant des constantes de réseau différentes, au lieu de GaAs ou Ge seulement. Si une constante de réseau inférieure à celle de GaAs (ou Ge) peut être utilisée, alors une sous-cellule supérieure ayant une valeur plus élevée de bande interdite peut être incorporée à la cellule solaire, au lieu d'utiliser une sous-cellule en GaInP2 (ayant une bande interdite d'environ 1,90 eV), qui est utilisée à présent dans les structures de cellules solaires IMM actuellement disponibles. Les figures 1A-1D sont des vues en coupe transversale d'un substrat en saphir 40 et d'un support en arséniure de gallium 50 au cours des différentes étapes de liaison du support 50 au substrat 40, d'élimination de la masse du support 50 après liaison et de formation d'une cellule solaire sur la couche d'arséniure de gallium 51 restante liée au substrat en saphir 40. La figure 1A représente le substrat en saphir 40. La figure 1B représente le support en arséniure de gallium 50. Le support 50 comprend la
13 couche mince d'arséniure de gallium 51 adjacente à une région 52 constituée d'une masse d'arséniure de gallium. Suivant une forme de réalisation, la couche d'arséniure de gallium 51 est formée en implantant une entité telle que des ions hydrogène et/ou des gaz rares dans le support en arséniure de gallium 50 pour former une couche de défaut dans le support en arséniure de gallium. Tout procédé connu pour l'implantation d'entités telles que des ions hydrogène et/ou des gaz rares dans une plaquette semi-conductrice peut être utilisé. Par exemple, la couche d'arséniure de gallium 51 peut être formée dans le support 50 par n'importe laquelle des techniques d'implantation d'entités décrites dans les brevets des E.U.A. n° 7 288 430, 7 235 462, 6 946 317 et 6 794 276, chacun attribué à S.O.I. Tec Silicon on Insulator Technologies. La dose et/ou l'énergie des entités implantées peuvent être ajustées de telle sorte qu'une concentration maximale de l'entité implantée soit formée à une certaine profondeur dans le support 50, en affaiblissant la couche d'arséniure de gallium 51 en raison de l'implantation d'ions à, ou à proximité de, cette profondeur. La région en masse 52 de support en arséniure de gallium 50 n'est pas affaiblie au cours du procédé d'implantation. Dans une forme de réalisation, le support en arséniure de gallium 50 possède une surface de liaison préparée qui peut être rendue rugueuse avant liaison au substrat en saphir 40, comme illustré par la vue éclatée représentée sur la figure 1B. La surface de liaison préparée du support 50 peut être rendue rugueuse en utilisant n'importe quel procédé chimique ou mécanique convenable de formation de rugosités. En rendant rugueuse la surface du support 50, les caractéristiques de liaison du support 50 sont améliorées. La figure 1C représente le support en arséniure de gallium 50 et le substrat en saphir 40 après leur liaison l'un à l'autre. Suivant une forme de réalisation, la surface
14 de liaison préparée du support en arséniure de gallium 50 est fixée par liaison moléculaire directe à une surface du substrat en saphir 40, par exemple à une température et sous une pression élevées. Une mince couche de liaison entre la couche 51 et le substrat en saphir 40 n'est pas représentée sur les figures afin de simplifier les dessins. Suivant une forme de réalisation, la couche affaiblie 51 d'arséniure de gallium formée par implantation d'entités telles que des ions hydrogène et/ou des gaz rares dans le support 50 est liée au substrat en saphir 40. La masse 52 du support en arséniure de gallium 50 est ensuite détachée de la structure composite, en laissant la couche mince 51 d'arséniure de gallium sur le substrat en saphir 40. Dans une forme de réalisation, la masse 52 du support en arséniure de gallium 50 est détachée du substrat en saphir 40 par recuit du support 50 dans un environnement chaud tel qu'un four ou n'importe quel dispositif pour un recuit thermique rapide. L'effet de la température et du temps de recuit affaiblit davantage le support 50 au niveau de la couche mince d'arséniure de gallium 51 introduite par implantation atomique, ce qui conduit au détachement. Par détachement le long de cette région pendant ou après recuit, la couche mince 51 d'arséniure de gallium reste liée au substrat en saphir 40, comme représenté sur la figure 1D. La masse détachée 52 du support 50 n'est pas détruite et peut ainsi être réutilisée. Suivant une forme de réalisation, la couche mince d'arséniure de gallium 51 liée au substrat en saphir 40 a une épaisseur d'environ 5 }gym et la masse 52 du support 50 détachée de la structure composite a une épaisseur d'environ 395 }gym. La couche mince 51 d'arséniure de gallium liée au substrat en saphir 40 joue le rôle de substrat sur lequel une cellule solaire peut être formée. Dans une forme de réalisation, la couche d'arséniure de gallium est préparée ou polie avant formation d'une cellule solaire sur la couche 51. Le polissage ou la préparation de surface peut
15 être effectué en utilisant n'importe quelle technique convenable telle que le polissage mécano-chimique, l'attaque chimique par essaim de molécules de gaz, l'attaque chimique par un faisceau ionique ou par ions réactifs, le polissage au HC1, etc. Ci-après, dans cette application, la couche mince de GaAs 51 sur le support en saphir 40 sera désignée simplement sous le nom de "substrat". Comme mentionné ci-dessus, la masse 52 du support en arséniure de gallium 50 détachée du substrat en saphir 40 peut être réutilisée. Dans une forme de réalisation, la masse 52 du support en arséniure de gallium 50 est réutilisée pour former une cellule solaire nouvelle sur un substrat en saphir nouveau (non représenté), comme décrit ci-dessus. Cela signifie qu'une surface de liaison nouvelle est préparée sur la masse détachée 52 du support en arséniure de gallium 50 pour former un nouveau support en arséniure de gallium. Le nouveau support en arséniure de gallium est lié à un substrat en saphir nouveau pour produire une structure composite nouvelle. La masse du support en arséniure de gallium nouveau est détachée de la structure composite nouvelle comme décrit ci-dessus, ce qui laisse un substrat en arséniure de gallium nouveau sur le substrat en saphir nouveau. Une séquence nouvelle de couches de matière semi-conductrice peut être ensuite déposée sur le substrat en arséniure de gallium nouveau pour former une cellule solaire nouvelle. Le support en arséniure de gallium 50 (ainsi que la couche de croissance d'arséniure de gallium de la matrice 51) est de préférence un substrat de coupure, comme expliqué plus particulièrement par référence aux figures 2A à 3B suivantes. La figure 2 est une vue en perspective d'une représentation polyédrique d'une structure de réseau semi-conducteur, représentant les plans du cristal. Les indices de Miller sont utilisés pour identifier les plans, et la structure cristalline est représentée sur la figure par un cube tronqué avec le plan (001) à la partie supérieure. Dans le
16 cas d'un semi-conducteur à base de composé GaAs, qui est la matière intéressante dans la présente invention, la structure cristalline est connue sous le nom de structure de blende de zinc, et est représentée sur la figure 2B, qui illustre une association de deux sous-réseaux cubiques centrés à faces interpénétrantes. La constante de réseau (c'est-à-dire la distance entre les atomes d'arsenic dans le cristal) est égale à 0,565 nm. La figure 2B est une vue en perspective du réseau du cristal de GaAs, illustrant la position des atomes de gallium et d'arsenic, avec les indices de Miller correspondants identifiant les plans du réseau. La figure 3A est une vue en perspective du plan P de la surface de substrat utilisée dans la présente invention en superposition sur le diagramme de cristal de la figure 2A. On constate que le plan P pivote à partir d'un point sur le plan (001) (dans cette représentation, l'angle postérieur de la surface supérieure du polyèdre) dans la direction du plan (111), ou plus précisément du plan (111)A, où la lettre "A" désigne le plan formé par le sous-réseau d'atomes d'arsenic. L'angle de pivot, conformément à la présente invention, définit l'angle de coupure du substrat défini à partir du plan (001) par le plan P, qui est égal à au moins 6° et de préférence approximativement égal à 15°.
Bien que la présente invention fournisse de manière idéale une coupure dans la direction (111)A, il se peut que, au cours de la production et de la fabrication de divers lots de plaquettes, le procédé d'alignement ou de coupure ne soit pas aussi précis ou exact que cela peut être spécifié par la présente invention, et le plan P résultant peut pivoter légèrement dans la direction des plans (011) ou (101) adjacents, et également dans la direction du plan (111)A. Il est considéré que ces écarts, qu'ils soient accidentels ou dus à une autre raison mécanique ou structurale, entrent également dans le cadre de la présente invention.
17 Ainsi, sous la forme la plus générale, telle qu'utilisée dans la présente invention, l'expression "coupure par rapport au plan de cristal (001) d'au moins 6° vers le plan (111)A" envisage et comprend le pivotement du plan de coupure P vers n'importe lequel des plans suivants : (i) un plan (111)A adjacent, d'au moins 6 degrés et d'au plus 20 degrés ; (ii) un plan (011) adjacent, d'au plus approximativement un degré ; (iii) un plan (101) adjacent, d'au plus approximativement un degré ; et (iv) n'importe quel plan s'étendant dans le continuum de plans entre (i) et (ii), (i) et (iii) ou (ii) et (iii) ci-dessus.
La figure 3B est une vue en perspective, agrandie, d'un substrat en GaAs de coupure représentant comment la coupure a pour résultat une série en escalier de paliers plans s'étendant sur la surface du substrat. La figure 4A est un graphique représentant la bande interdite de certaines matières binaires et leurs constantes de réseau. La bande interdite et les constantes de réseau de matières ternaires sont situées sur les lignes tracées entre les matières binaires associées classiques (par exemple la matière ternaire GaAlAs située entre les points de GaAs et AlAs sur le graphique, avec la bande interdite de la matière ternaire se situant entre 1,42 eV pour GaAs et 2,16 eV pour AlAs en fonction de la quantité relative des constituants individuels). Ainsi, en fonction de la bande interdite désirée, les matières constitutives des matières ternaires peuvent être choisies de manière appropriée pour la croissance. La ligne A tracée sur le graphique représente une des associations de bandes interdites et de constantes de réseau de matières ternaires qui peuvent être formées par croissance sur un substrat en arséniure de gallium, comme cela est connu dans l'art antérieur.
18 La figure 4B est un graphique représentant la bande interdite de certaines matières binaires et leurs constantes de réseau comme représenté sur la figure 4A, la ligne B représentant une des associations de bandes interdites et de constantes de réseau de matières ternaires qui peuvent être formées par croissance sur un autre substrat conformément à la présente invention. Ainsi, en fonction de la bande interdite désirée, les matières constitutives de la matrice de croissance et des matières ternaires qui peuvent y être appliquées par adaptation de réseau peuvent être choisies de manière appropriée pour la conception de séquences de sous-cellules de cellules solaires nouvelles. La figure 5 est un diagramme représentant la gamme de bandes interdites de diverses matières GaInAlAs en fonction de la concentration relative en Al, In et Ga. Ce diagramme montre comment le choix d'une séquence de bande interdite constante de couches de GaInAlAs utilisées dans la couche métamorphique peut être effectué par le choix approprié de la concentration relative en Al, In et Ga afin de satisfaire les différents impératifs de constante de réseau pour chaque couche successive. Ainsi, si la bande interdite constante désirée est égale à 1,5 eV, 1,1 eV ou une autre valeur de bande interdite, le diagramme illustre une courbe continue pour chaque bande interdite, représentant les variations incrémentielles des proportions des constituants lorsque la constante de réseau varie, afin que la couche ait la bande la bande interdite et la constante de réseau requises. La figure 6 est un graphique qui illustre plus en détail le choix d'une séquence de bande interdite constante de couches de GaInAlAs utilisées dans la couche métamorphique en représentant la fraction molaire de Ga en fonction de la fraction molaire de Al à In dans les matières GaInAlAs qui est nécessaire pour parvenir à une bande interdite constante de 1,5 eV.
La figure 7 est un graphique qui illustre plus en détail le choix d'une séquence de bande interdite constante
19 de couches de GaInAlAs utilisées dans la couche métamorphique en représentant la fraction molaire en fonction de la constante de réseau dans les matières GaInAlAs qui est nécessaire pour parvenir à une bande interdite constante de 1,5 eV. La figure 8 représente une partie de la cellule solaire multijonction à fabriquer conformément à la présente invention après la formation séquentielle des trois sous-cellules A, B et C sur un substrat de croissance en GaAs.
Plus particulièrement, il est représenté un substrat de croissance 51 monté sur un support 40, provenant du procédé représenté sur les figures 1A à 1D. Le substrat de croissance est de préférence constitué d'arséniure de gallium (GaAs), mais peut également être constitué de germanium (Ge) ou d'une autre matière convenable. Pour GaAs, le substrat est de préférence un substrat à angle de coupure de 15°, c'est-à-dire que sa surface est orientée à un angle de 15° par rapport au plan (100) vers le plan (111)A, comme décrit plus en détail dans la demande de brevet des E.U.A. n° 12/047 944, déposée le 13 mars 2008. Dans le cas d'un substrat en Ge, une couche de nucléation (non représentée) est déposée directement sur le substrat 51. Sur le substrat, ou bien sur la couche de nucléation (dans le cas d'un substrat en Ge), une couche intermédiaire 102 et une couche d'arrêt d'attaque chimique 103 sont en outre déposées. Dans le cas d'un substrat en GaAs, la couche intermédiaire 102 est constituée de préférence de GaAs. Dans le cas d'un substrat en Ge, la couche intermédiaire 102 est constituée de préférence de InGaAs.
Une couche de contact 104 de GaAs est ensuite déposée sur la couche 103, et une couche fenêtre 105 constituée de AlInP est déposée sur la couche de contact. La sous-cellule A, consistant en une couche émettrice n+ 106 et une couche de base de type p 107, est ensuite formée par dépôt épitaxique sur la couche fenêtre 105. La sous-cellule A est
20 généralement soumise à une adaptation de réseau au substrat de croissance 101. Il faut noter que la structure de cellules solaires multijonction pourrait être formée par n'importe quelle association convenable d'éléments des Groupes III à v énumérés dans le Tableau Périodique, en tenant compte des impératifs de constante de réseau et de bande interdite, le Groupe III comprenant le bore (B), l'aluminium (Al), le gallium (Ga), l'indium (In) et le thallium (T). Le Groupe IV comprend le carbone (C), le silicium (Si), le germanium (Ge) et l'étain (Sn). Le groupe V comprend l'azote (N), le phosphore (P), l'arsenic (As), l'antimoine (Sb) et le bismuth (Bi). Dans la forme de réalisation préférée, la couche émettrice 106 est constituée de InGa(Al)P et la couche de base 107 est constituée de InGa(Al)P. Le terme aluminium ou Al entre parenthèses dans la formule précédente signifie que Al est un constituant facultatif et que, dans ce cas, il peut être utilisé en une quantité comprise dans l'intervalle de 0 % à 30 Le profil de dopage de la couche émettrice et de la couche de base 106 et 107, conformément à la présente invention, est décrit conjointement avec la figure 23. La sous-cellule A devient finalement la sous-cellule "supérieure" de la structure métamorphique inversée après achèvement des étapes du procédé conformément à la présente invention, de la manière décrite ci-après. Au-dessus de la couche de base 107, une couche de champ de surface postérieure ("BSF") 108 est déposée et est utilisée pour réduire la perte par recombinaison, de préférence une couche de AlGaInP p+. La couche BSF 108 entraîne les porteurs minoritaires hors de la région proche de la surface d'interface base/BSF pour réduire au minimum l'effet de la perte par recombinaison.
En d'autres termes, une couche BSF 108 réduit la perte par
21 recombinaison à la face postérieure de la sous-cellule solaire A et réduit ainsi la recombinaison dans la base. Au-dessus de la couche BSF 108 est déposée une séquence de couches de type p et de type n fortement dopées 109 formant une diode à effet tunnel qui est un élément de circuit ohmique pour connecter la sous-cellule A à la sous-cellule B. Ces couches sont constituées de préférence de AlGaAs p++ et de InGaP n++. Au-dessus des couches de diodes à effet tunnel 109, une couche fenêtre 110, constituée de préférence de InAlP n+, est déposée. La couche fenêtre 110 utilisée dans la sous-cellule B fonctionne pour réduire la perte par recombinaison à l'interface. Il devrait être manifeste pour l'homme de l'art qu'une ou plusieurs couches supplémentaires peuvent être ajoutées ou éliminées dans la structure de cellule sans s'écarter du cadre de la présente invention. Au-dessus de la couche fenêtre 110, les couches de la sous-cellule B sont déposées : la couche émettrice de type n 111 et la couche de base de type p 112. Ces couches sont constituées de préférence de InGaP et Ino,015GaAs, respectivement (pour un substrat en Ge ou une matrice de croissance en Ge) ou de InGaP et de GaAs, respectivement (pour un substrat en GaAs), bien que n'importe quelles autres matières convenables, en accord avec les impératifs de constante de réseau et de bande interdite, puissent être utilisées également. Ainsi, la sous-cellule B peut être constituée d'une région émettrice de GaAs, GaInP, GaInAs, GaAsSb ou GaInAsN et d'une région de base de GaAs, GaInAs, GaAsSb ou GaInAsN. Le profil de dopage des couches 111 et 112 conformément à la présente invention est décrit conjointement avec la figure 23. Dans la forme préférée de réalisation de la présente invention, l'émetteur de la sous-cellule médiane a une bande interdite égale à l'émetteur de la sous-cellule supérieure, et l'émetteur de la sous-cellule de fond a une bande interdite supérieure à la bande interdite de la base de la
22 sous-cellule médiane. En conséquence, après fabrication de la cellule solaire, et mise en pratique et fonctionnement, ni l'émetteur de la sous-cellule médiane B ni l'émetteur de la sous-cellule de fond C ne seront exposés à un rayonnement absorbable. Le rayonnement sera absorbé substantiellement dans les bases des cellules B et C, qui ont des bandes interdites plus étroites que celles des émetteurs. En conséquence, les avantages de l'utilisation de sous-cellules à hétérojonction sont : (i) la réponse aux courtes longueurs d'ondes pour les deux sous-cellules s'améliore et (ii) la quantité de rayonnement est absorbée et collectée plus efficacement dans la base à bande interdite plus étroite. L'effet consistera en une augmentation de Jsc. Au-dessus de la cellule B est déposée une couche BSF 113 qui joue le même rôle que la couche BSF 109. Une diode à effet tunnel p++/n++ 114 est déposée sur la couche BSF 113 d'une manière similaire aux couches 109, en formant de nouveau un élément de circuit ohmique pour connecter la sous-cellule B à la sous-cellule C. Ces couches 114 sont constituées de préférence de AlGaAs p++ et InGaP n++. Une couche d'arrêt 115, constituée de préférence de InGa(Al)P de type n, est déposée sur la diode à effet tunnel 114, en une épaisseur d'environ 1,0 micromètre. Cette couche d'arrêt est destinée à empêcher la propagation de dislocations de perforation, dans le sens opposé au sens de croissance dans les sous-cellules intermédiaire et supérieure A et B, ou bien dans le sens de croissance dans la sous-cellule inférieure C, et est décrite plus particulièrement dans la demande de brevet des E.U.A. simultanément pendante n° 11/860 183, déposée le 24 septembre 2007. Une couche métamorphique (ou couche intermédiaire gradient) 116 est déposée sur la couche d'arrêt 115 en utilisant un agent tensioactif. La couche 116 est de préférence une série, à gradient de composition par paliers, de couches de InGaAlAs, de préférence avec une constante de réseau variant de manière monotone , afin de parvenir à une
23 transition progressive de constante de réseau dans la structure semi-conductrice de la sous-cellule B à la sous-cellule C, tout en réduisant au minimum l'apparition de dislocations de perforation. La bande interdite de la couche 116 est constante dans la totalité de son épaisseur, étant de préférence approximativement égale à 1,5 eV ou bien en étant par ailleurs en accord avec une valeur légèrement supérieure à la bande interdite de base de la sous-cellule médiane B. La forme préférée de réalisation de la couche intermédiaire à gradient peut également être exprimée en tant que forme de réalisation constituée de (In,Gal_X)YAll_YAs, x et y étant choisis de telle sorte que la bande interdite de la couche intermédiaire reste constante à une valeur d'approximativement 1,50 eV.
Dans la croissance assistée par agent tensioactif de la couche métamorphique 116, un élément chimique convenable est introduit dans le réacteur au cours de la croissance de la couche 116 pour améliorer les caractéristiques de surface de la couche. Dans la forme de réalisation préférée, cet élément peut être un dopant ou un atome donneur tel que le sélénium (Se) ou le tellure (Te). De petites quantités de Se ou de Te sont donc incorporées à la couche métamorphique 116 et restent dans la cellule solaire finie. Bien que Se et Te représentent les atomes de dopant de type n préférés, d'autres agents tensioactifs non isoélectroniques peuvent être utilisés également. La croissance assistée par agent tensioactif a pour résultat une surface beaucoup plus lisse ou plus plane. Puisque la topographie de surface a un effet sur les propriétés globales de la matière semi-conductrice lors de sa croissance et que la couche devient plus épaisse, l'utilisation des agents tensioactifs réduit au minimum les dislocations de perforation dans les régions actives et, en conséquence, améliore le rendement total de la cellule solaire.
24 Au lieu d'utiliser un agent tensioactif non isoélectronique, il est possible d'utiliser un agent tensioactif isoélectronique. Le terme "isoélectronique" désigne des agents tensioactifs tels que l'antimoine (Sb) ou le bismuth (Bi), puisque ces éléments ont le même nombre d'électrons de valence que l'atome de P du InGaP, ou l'atome de As dans le InGaAlAs, dans la couche intermédiaire métamorphique. Ces agents tensioactifs à base de Sb ou Bi ne seront habituellement pas incorporés à la couche métamorphique 116.
Dans une autre forme de réalisation dans laquelle la cellule solaire comprend seulement deux sous-cellules, et la cellule "médiane" B est la sous-cellule de dessus ou sous-cellule supérieure dans la cellule solaire finale, où la sous-cellule "supérieure" A aurait habituellement une bande interdite de 1,8 à 1,9 eV, alors la bande interdite de la couche intermédiaire resterait constante à 1,9 eV. Dans la structure métamorphique inversée décrite dans l'article au nom de Wanlass et al. précité, la couche métamorphique consiste en neuf paliers de InGaP à gradient de composition, chaque couche de palier ayant une épaisseur de 0,25 micromètre. En résultat, chaque couche de Wanlass et al. a une bande interdite différente. Dans la forme préférée de réalisation de la présente invention, la couche 116 est constituée d'une pluralité de couches de InGaAlAs, avec une constante de réseau variant de manière monotone, chaque couche ayant la même bande interdite, approximativement égale à 1,5 eV. L'avantage de l'utilisation d'une matière à bande interdite constante telle que InGaAlAs consiste en le fait qu'une matière semi-conductrice à base d'arséniure est beaucoup plus aisée à traiter dans les réacteurs MOCVD classiques du commerce, tandis que la petite quantité d'aluminium garantit la transparence au rayonnement des couches métamorphiques.
Bien que la forme préférée de réalisation de la présente invention utilise une pluralité de couches de
25 InGaAlAs pour la couche métamorphique 116 pour des raisons de capacité de production et de transparence au rayonnement, d'autres formes de réalisation de la présente invention peuvent utiliser des systèmes comprenant des matières différentes pour parvenir à une variation de constante de réseau de la sous-cellule B à la sous-cellule C. Ainsi, le système de Wanlass utilisant du InGaP à gradient de composition représente une forme supplémentaire de réalisation de la présente invention. D'autres formes de réalisation de la présente invention peuvent utiliser des matières à gradient continu, au lieu de matières à gradient par paliers. Plus généralement, la couche intermédiaire à gradient peut être constituée de n'importe lequel des semi-conducteurs constitué de composés III-V à base de As, P, N, Sb, sous réserve de la présence d'un paramètre de réseau dans le plan supérieur ou égal à celui de la deuxième cellule solaire et inférieur ou égal à celui de la troisième cellule solaire, et de la présence d'une énergie de bande interdite supérieure à celle de la deuxième cellule solaire.
Dans une autre forme de réalisation de la présente invention, une seconde couche d'arrêt facultative 117 peut être déposée sur la couche métamorphique de InGaAlAs 116. La seconde couche d'arrêt 117 a habituellement une composition différente de celle de la couche d'arrêt 115 et a pratiquement la même fonction de prévention de la propagation des dislocations de perforation. Dans la forme de réalisation préférée, la couche d'arrêt 117 est constituée de GaInP de type n+. Une couche fenêtre 118 constituée de préférence de GaInP de type n+ est ensuite déposée sur la couche d'arrêt 117 (ou directement sur la couche 116, en l'absence d'une seconde couche d'arrêt). Cette couche fenêtre fonctionne en réduisant la perte par recombinaison dans la sous-cellule "C". Il devrait être manifeste pour l'homme de l'art que des couches supplémentaires peuvent être ajoutées ou
26 éliminées dans la structure de cellule sans s'écarter du cadre de la présente invention. Au-dessus de la couche fenêtre 118, les couches de cellule C sont déposées : la couche émettrice n+ 119, et la couche de base de type p 120. Ces couches sont constituées de préférence de InGaAs de type n et de InGaAsP de type p, respectivement, ou de InGaP de type n et de InGaAs de type p pour une sous-cellule à hétérojonction, bien qu'une autre matière convenable, en accord avec les impératifs de constante de réseau et de bande interdite, puisse être utilisée également. Le profil de dopage des couches 119 et 120 sera décrit en rapport avec la figure 23. Une couche BSF 121, constituée de préférence de GaInP p+, est ensuite déposée à la partie supérieure de la cellule C, la couche BSF ayant la même fonction que les couches BSF 108 et 113. Puis une diode à effet tunnel avec les couches 122 et 123 est déposée sur la couche BSF 121, d'une manière similaire aux couches 114 et 109, en formant de nouveau un élément de circuit ohmique pour connecter la sous-cellule C à la sous-cellule D. La couche p++ 122 est constituée de préférence de GaInAsP, et la couche n++ 123 est constituée de préférence de GaInAsP. Sur la figure 9, une couche fenêtre 124 constituée de préférence de GaInAsP de type n est ensuite déposée sur la couche de diode à effet tunnel 123. Cette couche fenêtre agit en réduisant la perte par recombinaison dans la sous-cellule "D". Il devrait être manifeste pour l'homme de l'art que des couches supplémentaires peuvent être ajoutées ou éliminées dans la structure de cellule sans s'écarter du cadre de la présente invention. Au-dessus de la couche fenêtre 124, les couches de cellule D sont déposées : la couche émettrice n+ 125 et la couche de base de type p 126. Ces couches sont constituées de préférence de GaInAs de type n et de GaInAs de type p, respectivement, ou de InGaP de type n et de InGaAs de type p
27 pour une sous-cellule à hétérojonction, bien que d'autres matières convenables, en accord avec les impératifs de constante de réseau et de bande interdite, puissent être utilisées également. Le profil de dopage des couches 125 et 126 sera décrit en rapport avec la figure 23. Puis, comme représenté sur la figure 10, une couche BSF 127, constituée de préférence de GaInAsP p+, est ensuite déposée au-dessus de la cellule D, la couche BSF ayant la même fonction que les couches BSF 108, 113 et 121.
Finalement, une couche de contact p+ 128, constituée de préférence de GaInAs p+, est déposée sur la couche BSF 127. Dans l'étape suivante du procédé, une couche de contact métallique 129 est déposée sur la couche de contact semi-conductrice p+ 128. Le métal est constitué de préférence de la séquence de couches métalliques Ti/Au/Ag/Au, bien que d'autres matières et séquences convenables puissent être utilisées également. En outre, les matières et couches de contact métalliques sont choisies de manière à avoir une interface plane avec la couche de contact semi-conductrice sous-jacente, après un traitement thermique pour activer le contact ohmique. Cela est effectué de telle sorte que (i) il ne soit pas nécessaire qu'une couche diélectrique séparant le métal du semi-conducteur soit déposée et soumise à une attaque chimique sélective dans les zones de contact métalliques ; et (ii) la couche de contact présente une réflexion spéculaire sur la plage de longueurs d'onde intéressante. La figure 12 est une vue en coupe transversale de la cellule solaire de la figure 11 après l'étape de procédé suivante, dans laquelle une couche de liaison 130 est déposée sur la couche métallique 129. Dans une forme de réalisation de la présente invention, la couche de liaison est constituée d'un adhésif, de préférence de Wafer Bond (produit par Brewer Science, Inc. de Rolla, M0.). Dans d'autres formes de réalisation de la présente invention, une couche de brasure ou couche de liaison eutectique 130,
28 telle que celle décrite dans la demande de brevet des E.U.A. N° 12/271 127 déposée le 14 novembre 2008, ou une couche de liaison 130, telle que celle décrite dans la demande de brevet des E.U.A. N° 12/265 113 déposée le 5 novembre 2008, peut être utilisée, le substrat de substitution restant un composant de support permanent de la cellule solaire finie. La figure 13A est une vue en coupe transversale de la cellule solaire de la figure 12 après l'étape de procédé suivante, dans laquelle un substrat de substitution 150, constitué de préférence de saphir, est fixé. En variante, le substrat de substitution peut être constitué de GaAs, de Ge ou de Si, ou d'une autre matière convenable. Le substrat de substitution a une épaisseur d'environ 40 mil et, dans le cas de formes de réalisation dans lesquelles le substrat de substitution doit être éliminé, il est perforé de trous d'environ 1 mm de diamètre, espacés d'une distance de 4 mm, pour faciliter l'élimination ultérieure de l'adhésif et du substrat. Dans l'étape de procédé suivante, représentée également sur la figure 13A, le substrat de croissance initial 51 et le support 40 sont éliminés par un chauffage localisé au moyen d'un laser et ensuite par une attaque chimique pour éliminer les couches 51 et 102. La figure 13B est une vue en coupe transversale de la cellule solaire de la figure 13A, avec l'orientation du substrat de substitution 150 au bas de la figure. Les figures suivantes dans cette invention auront la même orientation. La figure 14 est une vue simplifiée en coupe transversale de la cellule solaire de la figure 13B, représentant seulement quelques unes des couches supérieures et inférieures sur le substrat de substitution 150, après élimination de la couche intermédiaire 102. La figure 15 est une vue en coupe transversale de la cellule solaire de la figure 14 après l'étape de procédé suivante, dans laquelle la couche d'arrêt d'attaque
29 chimique 103 est éliminée au moyen d'une solution de HC1/H2O. La figure 16 est une vue en coupe transversale de la cellule solaire de la figure 15 après la séquence suivante d'étapes de procédé, dans laquelle un masque de photorésist (non représenté) est placé sur la couche de contact 104 pour former les lignes de grille 501. Comme décrit plus en détail ci-dessous, les lignes de grille 501 sont déposées par évaporation, formation d'un motif par lithographie et dépôt sur la couche de contact 104. Le masque est ensuite soulevé pour former les lignes de grille métalliques finies 501, comme représenté sur les figures suivantes. Comme décrit plus en détail dans la demande de brevet des E.U.A. n° 12/218 582, déposée le 18 juillet 2008, citée ici à titre de référence, les lignes de grille 501 sont constituées de préférence de Pd/Ge/Ti/Pd/Au, bien que d'autres matières convenables puissent être utilisées également. La figure 17 est une vue en coupe transversale de la cellule solaire de la figure 16 après l'étape de procédé suivante, dans laquelle les lignes de grille sont utilisées comme masque pour l'attaque chimique de la surface de la couche fenêtre 105 en utilisant un mélange d'acide citrique/peroxyde pour attaque chimique. La figure 18A est une vue en plan de dessus d'une plaquette, dans laquelle quatre cellules solaires sont formées. La représentation de quatre cellules est présentée à des fins d'illustration seulement, et la présente invention n'est pas limitée à un quelconque nombre spécifique de cellules par plaquette.
Dans chaque cellule, il existe des lignes de grille 501 (représentées plus particulièrement en section transversale sur la figure 17), une ligne de bus d'interconnexion 502 et une plage de contact 503. La géométrie et le nombre de lignes de bus et de plages de contact sont illustratifs et la présente invention n'est pas limitée à la forme de réalisation représentée.
30 La figure 18B est une vue en plan de dessous de la plaquette, avec quatre cellules solaires représentée sur la figure 18A. La figure 18C est une vue en plan de dessus d'une plaquette, dans laquelle deux cellules solaires sont formées. La représentation de deux cellules dans cette figure est destinée seulement à être illustrative. La figure 19 est une vue en coupe transversale de la cellule solaire de la figure 17 après l'étape de procédé suivante, dans laquelle une couche de revêtement diélectrique antiréfléchissante (ARC) 130 est appliquée sur la surface totale de la face "inférieure" de la plaquette avec les lignes de grille 501. La figure 20A est une vue en coupe transversale de la cellule solaire de la figure 19 après l'étape de procédé suivante conformément à la présente invention, dans laquelle les premier et second canaux annulaires 510 et 511, c'est-à-dire une partie de la structure semi-conductrice, sont gravés par attaque chimique dans la couche métallique 129 en utilisant des agents d'attaque chimique à base de phosphure et d'arséniure. Ces canaux définissent une limite périphérique entre la cellule et le reste de la plaquette, et laissent une structure mésa qui constitue la cellule solaire. La coupe transversale représentée sur la figure 20A est celle observée dans le plan A-A représenté sur la figure 21. Dans une forme de réalisation préférée, le canal 510 est substantiellement plus large que le canal 511. La figure 20B est une vue en coupe transversale de la cellule solaire de la figure 20A après l'étape de procédé suivante, dans laquelle le canal 511 est exposé à un agent d'attaque de métal, la couche 123 dans le canal 511 est éliminée, et le canal 511 est étendu en profondeur approximativement jusqu'à la surface supérieure de la couche de liaison ou couche adhésive 130.
La figure 21 est une vue en plan de dessus de la plaquette des figures 20A et 20B, représentant les canaux 510
31 et 511 produits par attaque chimique autour de la périphérie de chaque cellule. La figure 22A est une vue en coupe transversale de la cellule solaire de la figure 20B après que les cellules solaires individuelles (cellule 1, cellule 2, etc. représentées sur la figure 21) ont été découpées dans la plaquette à travers le canal 511, en laissant un bord vertical 515 s'étendant à travers le substrat de substitution 150 à l'emplacement du canal 511. Dans cette première forme de réalisation de la présente invention, le substrat de substitution 150 forme le support pour la cellule solaire dans des applications dans lesquelles un verre de protection (tel que celui fourni dans la troisième forme de réalisation, décrite ci-dessous) n'est pas nécessaire. Dans une telle forme de réalisation, le contact électrique avec la couche de contact métallique 129 peut être réalisé à travers le canal 510. La figure 22B est une vue en coupe transversale de la cellule solaire de la figure 22A après l'étape de procédé suivante dans une deuxième forme de réalisation de la présente invention, dans laquelle le substrat de substitution 150 est aminci de manière appropriée en une couche relativement mince 150a, par meulage, polissage ou attaque chimique. Dans cette forme de réalisation, la couche mince 150a forme le support de la cellule solaire dans des applications dans lesquelles un verre de protection, tel que celui fourni dans la deuxième forme de réalisation décrite ci-dessous n'est pas nécessaire. Dans une telle forme de réalisation, le contact électrique avec la couche de contact métallique 129 peut être réalisé à travers le canal 510.
La figure 22C est une vue en coupe transversale de la cellule solaire de la figure 22A après l'étape de procédé suivante dans une deuxième forme de réalisation de la présente invention, dans laquelle un verre de protection 514 est fixé à la partie supérieure de la cellule par un adhésif 513. Le verre de protection 514 couvre de préférence le canal 510 total, mais ne s'étend pas au canal 511. Bien
32 que l'utilisation d'un verre de protection représente la forme de réalisation préférée, elle n'est pas nécessaire pour toutes les formes de réalisation, et des couches ou structures supplémentaires peuvent également être utilisées pour assurer un support supplémentaire de la cellule solaire ou bien pour protéger celle-ci contre l'environnement. La figure 23 est une vue en coupe transversale de la cellule solaire de la figure 22A après l'étape de procédé suivante de la présente invention, dans laquelle la couche de liaison ou couche adhésive 130, le substrat de substitution 150 et la portion périphérique 512 de la plaquette sont éliminés totalement en laissant seulement la cellule solaire avec le verre de protection 514 (ou d'autres couches ou structures) à la partie supérieure, et la couche de contact métallique 129 à la partie inférieure, formant le contact postérieur de la cellule solaire. Le substrat de substitution 150 est éliminé de préférence en utilisant l'agent d'attaque chimique "Wafer Bond Solvent". Comme précité, le substrat de substitution comprend des perforations sur sa surface qui permettent l'écoulement de l'agent d'attaque à travers le substrat de substitution 150 afin de permettre son décollement. Après décollement, le substrat de substitution peut être réutilisé dans des opérations ultérieures de traitement de plaquettes. La figure 24 est un graphique d'un profil de dopage dans la couche émettrice et la couche de base dans une ou plusieurs sous-cellules de la cellule solaire multijonction métamorphique inversée de la présente invention. Les divers profils de dopage entrant dans le cadre de la présente invention, et les avantages de ces profils de dopage, sont décrits plus particulièrement dans la demande de brevet des E.U.A. simultanément pendante n° 11/956 069 déposée le 13 décembre 2007. Les profils de dopage représentés ici sont simplement illustratifs, d'autres profils plus complexes peuvent être utilisés, comme cela sera manifeste pour l'homme de l'art sans s'écarter du cadre de la présente invention.
33 Il devrait être manifeste pour l'homme de l'art qu'une ou plusieurs couches supplémentaires peuvent être ajoutées ou éliminées dans la structure de cellule de la figure 13B sans s'écarter du cadre de la présente invention.
Il est entendu que chacun des éléments décrits ci-dessus, ou bien deux ou plus de deux de ces éléments pris ensemble, peuvent également trouver une application utile dans d'autres types de structure qui diffèrent des types de structure décrits ci-dessus.
Bien que la forme préférée de réalisation de la présente invention utilise un empilement vertical de quatre sous-cellules, la présente invention peut s'appliquer à des empilements avec un plus grand ou plus petit nombre de sous-cellules, c'est-à-dire deux cellules de jonction, trois cellules de jonction, cinq cellules de jonction, etc. comme décrit plus particulièrement dans la demande de brevet des E.U.A. n° 12/267 812, déposée le 10 novembre 2008. Dans le cas de quatre ou plus de quatre cellules de jonction, il est possible également d'utiliser plus d'une couche intermédiaire à gradient métamorphique, comme décrit plus particulièrement dans la demande de brevet des E.U.A. n° 12/271 192, déposée le 14 novembre 2008. En outre, bien que la présente forme de réalisation soit configurée avec des contacts électriques supérieur et inférieur, il est possible, en variante, d'assurer le contact des sous-cellules au moyen de contacts métalliques avec des couches semi-conductrices latéralement conductrices entre les sous-cellules. Ces configurations peuvent être utilisées pour former des dispositifs à 3 bornes, à 4 bornes et, en général, à n-bornes. Des sous-cellules peuvent être interconnectées dans des circuits en utilisant ces bornes supplémentaires de telle sorte que la plus grande partie de la densité de courant photo-engendrée disponible dans chaque sous-cellule puisse être utilisée efficacement, ce qui conduit à un haut rendement de la cellule multijonction, malgré le fait que les densités de courant photo-engendrées
34 soient habituellement différentes dans les diverses sous-cellules. Comme précité, la présente invention peut utiliser une configuration d'une ou plusieurs, ou la totalité des, cellules ou sous-cellules à homojonction, c'est-à-dire une cellule ou sous-cellule dans laquelle la jonction p-n est formée entre un semi-conducteur de type p et un semi-conducteur de type n qui ont tous deux la même composition chimique et la même bande interdite, la seule différence étant les espèces et types de dopant, et une ou plusieurs cellules ou sous-cellules à hétérojonction. La sous-cellule A, avec du InGaP de type p et de type n, représente un exemple d'une sous-cellule à homojonction. En variante, comme décrit plus particulièrement dans la demande de brevet des E.U.A. n° 12/023 772, déposée du 31 janvier 2008, la présente invention peut utiliser une ou plusieurs, ou la totalité des, cellules ou sous-cellules à hétérojonction, c'est-à-dire une cellule ou sous-cellule dans laquelle la jonction p-n est formée entre un semi-conducteur de type p et un semi- conducteur de type n ayant des compositions chimiques différentes de la matière semi-conductrice dans les régions de type n, et/ou des énergies de bande interdite différentes dans les régions de type p, en plus de l'utilisation de différentes espèces et de différents types de dopant dans les régions de type p et de type n formant la jonction p-n. Dans certaines cellules, une couche mince appelée "couche intrinsèque" peut être placée entre la couche émettrice et la couche de base, cette couche intrinsèque ayant une composition identique à, ou différente de, celle de la couche émettrice et de la couche de base. La couche intrinsèque agit en supprimant la recombinaison des porteurs minoritaires dans la région de charge spatiale. De manière similaire, la couche de base ou la couche émettrice peut également être une couche intrinsèque ou dopée non intentionnellement ("ND") sur une partie ou la totalité de son épaisseur.
35 La composition des couches de fenêtre ou BSF peut utiliser d'autres composés semi-conducteurs, sous réserve de se conformer aux impératifs de constante de réseau et de bande interdite, et peut comprendre AlInP, AlAs, AlP, AlGaInP, AlGaAsP, AlGaInAs, AlGaInPAs, GaInP, GaInAs, GaInPAs, AlGaAs, AlInAs, AlInPAs, GaAsSb, AlAsSb, GaAlAsSb, AlInSb, GaInSb, AlGaInSb, AIN, GaN, InN, GaInN, AlGaInN, GaInNAs, AIGaInNAs, ZnSSe, CdSSe et des matières similaires, en entrant encore dans le cadre de la présente invention.
Bien que la présente invention ait été illustrée et décrite sous forme d'une cellule solaire multijonction métamorphique inversée, elle n'est pas destinée à être limitée aux détails représentés, puisque diverses modifications et variantes structurales peuvent être apportées sans s'écarter d'une quelconque manière de l'esprit de la présente invention. Ainsi, bien que la description de cette invention ait été focalisée principalement sur des cellules solaires ou dispositifs photovoltaïques, l'homme de l'art sait que d'autres dispositifs électroniques et optoélectroniques, tels que des transistors, des cellules thermophotovoltaïques (TPV), des photodétecteurs et des diodes photoémettrices (LED) sont très similaires par leur structure, leurs caractéristiques physiques et leurs matériaux, aux dispositifs photovoltaïques, avec certaines petites variations du dopage et de la durée de vie des porteurs minoritaires. Par exemple, des photodétecteurs peuvent être constitués des mêmes matières et avoir la même structure que les dispositifs photovoltaïques décrits ci-dessus, mais en étant probablement dopés plus légèrement pour des raisons de sensibilité plutôt que de production d'énergie. D'autre part, des LED sont également produites avec des structures et matières similaires, mais sont probablement plus fortement dopées pour réduire le temps de recombinaison, donc la durée de rayonnement, afin de produire de la lumière au lieu de courant électrique. En conséquence, cette invention s'applique également à des photodétecteurs et des LED ayant des
36 structures, des compositions, des articles manufacturés et des perfectionnements décrits ci-dessus pour les cellules photovoltaïques. Il va de soi que la présente invention n'a été décrite qu'à titre explicatif, mais nullement limitatif, et que de nombreuses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre.

Claims (15)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé pour la production d'une cellule solaire, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : fournir un support semi-conducteur ayant une surface 5 de liaison préparée ; fournir un substrat de soutien ; lier le support semi-conducteur et le substrat de soutien pour produire une structure composite ; détacher la masse du support semi-conducteur de la 10 structure composite, en laissant un substrat de croissance semi-conducteur sur le substrat de soutien ; et déposer une séquence de couches de matière semi-conductrice, formant une cellule solaire, sur le substrat de croissance semi-conducteur. 15
  2. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat semi-conducteur est constitué de germanium ou d'arséniure de gallium.
  3. 3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la liaison du support semi-conducteur et du 20 substrat de soutien pour produire une structure composite comprend la liaison moléculaire de la surface de liaison préparée du support semi-conducteur directement à une surface du substrat de soutien.
  4. 4. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé 25 en ce que le détachement de la masse du support semi-conducteur de la structure composite comprend : l'implantation d'une entité dans le support semi-conducteur pour former une couche de défaut dans le support semi-conducteur ; 30 la liaison de la couche de défaut du support semi-conducteur directement au substrat de soutien pour produire la structure composite ; et le détachement de la masse du support semi-conducteur de la structure composite, en laissant un substrat de 35 croissance semi-conducteur mince sur le substrat de soutien.38
  5. 5. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le détachement de la masse du support semi-conducteur de la structure composite comprend : le recuit de la structure composite à une température 5 élevée pour affaiblir le support semi-conducteur au niveau de la couche de défaut ; et le détachement de la masse du support semi-conducteur de la structure composite le long de la couche de défaut après ou pendant le recuit de la structure composite. 10
  6. 6. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur du substrat semi-conducteur est d'environ 5 micromètres, et l'épaisseur de la masse du support semi-conducteur détaché de la structure composite est supérieure à 350 micromètres. 15
  7. 7. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape consistant à rendre rugueuse la surface de liaison préparée du support semi-conducteur avant liaison du support et du substrat de soutien. 20
  8. 8. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre les étapes consistant à : (i) préparer une surface de liaison nouvelle sur la portion en masse détachée du support semi-conducteur pour former un support semi-conducteur nouveau ; 25 (ii) fournir un substrat de soutien nouveau ; (iii) lier le support semi-conducteur nouveau et le substrat de soutien nouveau pour produire une structure composite nouvelle ; (iv) détacher la masse du support semi-conducteur 30 nouveau de la structure composite nouvelle, en laissant un substrat semi-conducteur nouveau sur le substrat de soutien nouveau ; et (v) déposer une séquence de couches de matière semi-conductrice formant une cellule solaire sur le substrat 35 semi-conducteur nouveau ; et 39 (vi) répéter les étapes (i) à (v) avec la portion en masse détachée du support semi-conducteur nouveau.
  9. 9. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat de soutien est constitué de saphir de saphir/spinelle, et le support semi-conducteur est constitué d'arséniure de gallium qui présente un angle de coupure par rapport au plan de cristal (001) d'au moins 6° vers le plan (111)A.
  10. 10. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre le montage d'un second substrat de substitution au-dessus de la séquence de couches de matière semi-conductrice formant une cellule solaire ; et l'élimination du substrat de croissance semi-conducteur.
  11. 11. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de dépôt d'une séquence de couches sur le substrat en arséniure de gallium comprend : la formation d'une première sous-cellule solaire supérieure ayant une première bande interdite sur ledit substrat en arséniure de gallium ; la formation d'une deuxième sous-cellule solaire, intermédiaire, au-dessus de ladite première sous-cellule solaire, ayant une seconde bande interdite inférieure à ladite première bande interdite ; la formation d'une couche intermédiaire à gradient sur 25 ladite deuxième sous-cellule solaire ; la formation d'une troisième sous-cellule solaire sur ladite couche intermédiaire à gradient, ayant une quatrième bande interdite inférieure à ladite deuxième bande interdite, de telle sorte que ladite troisième sous-cellule 30 présente une désadaptation de réseau par rapport à ladite deuxième sous-cellule.
  12. 12. Procédé suivant la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre la formation d'une quatrième sous-cellule solaire inférieure sur ladite troisième sous- 35 cellule, ayant une cinquième bande interdite inférieure à ladite quatrième bande interdite de telle sorte que ladite 40 troisième sous-cellule présente une adaptation de réseau par rapport à ladite troisième sous-cellule.
  13. 13. Procédé suivant la revendication 11, caractérisé en ce que la sous-cellule supérieure est constituée de InGa(Al)P, la deuxième sous-cellule est constituée d'une région émettrice de GaAs, GaInP, GaInAs, GaAsSb ou GaInAsN et d'une région de base de GaAs, GaInAs, GaAsSb ou GaInAsN, et la troisième sous-cellule est constituée d'une couche de base et d'une couche émettrice de GaINAsP.
  14. 14. Procédé suivant la revendication 12, caractérisé en ce que la quatrième sous-cellule est constituée d'une couche de base et d'une couche émettrice de GaInAs.
  15. 15. Procédé suivant la revendication 11, caractérisé en ce que la couche intermédiaire à gradient présente un gradient de composition pour l'adaptation de réseau de la deuxième sous-cellule sur une face et la troisième sous-cellule sur l'autre face et est constituée de (In,Gal_X)yAll_YAs, avec x et y choisis de telle sorte que la bande interdite de la couche intermédiaire reste constante sur toute son épaisseur.
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