WO1996002948A1 - Procede de fabrication d'un materiau ou dispositif photovoltaique, materiau ou dispositif ainsi obtenu et photopile comprenant un tel materiau ou dispositif - Google Patents
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Abstract
La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'un matériau ou dispositif photovoltaïque, un matériau ou dispositif ainsi obtenu et une photopile comprenant un tel matériau ou dispositif. Procédé caractérisé en ce qu'il consiste à traiter la face arrière d'une plaquette, tranche ou région de puce en silicium monocristallin, de manière à créer un champ arrière ainsi que des zones ou points de contact électrique, à traiter ensuite la face avant de manière à former une couche mince d'émetteur en surface, une jonction P-N de faible profondeur, ainsi qu'au moins une sous-structure continue plane très fortement dopée, enterrée dans l'émetteur et/ou dans la base, de très faible épaisseur et dotée de plusieurs interfaces cristallines et électriques, notamment de deux interfaces du type L-H et de deux hétéro-interfaces cristallines et, enfin, à soumettre ladite tranche, plaquette ou région de puce, à un traitement thermique de manière à obtenir dans la couche d'émetteur une hétéro-structure de matériaux différents ou de matériaux de cristallinités différentes, coïncidant avec le profil de dopage adopté.
Description
Procédé de fabrication d'un matériau ou dispositif photovoltaique, matériau ou dispositif ainsi obtenu et photopile comprenant un tel matériau ou dispositif
La présente invention concerne le domaine de la conversion de l'énergie solaire rayonnée en énergie électrique, sur la base de l'effet photovoltaique, plus particulièrement l'augmentation du rendement et de l'efficacité des photopiles ou cellules solaires, et a pour objet un procédé de fabrication d'un matériau ou dispositif photovoltaique pouvant notamment absorber le rayonnement infrarouge et convertir avec un rendement quantique dépassant significativement l'unité, le matériau ou dispositif ainsi obtenu et une photopile ou cellule photovoltaique comprenant un tel matériau ou dispositif.
Actuellement, les cellules solaires de bonne qualité rassemblées dans des modules et fabriquées de manière industrielle présentent un rendement, c'est- à-dire un rapport puissance maximale crête/flux photonique incident, de l'ordre de 12 à 13 %.
Ces cellules, largement commercialisées, sont constituées d'un matériau silicium monocristallin et présentent généralement une structure émetteur base/champ arrière à une seule jonction P-N.
De plus, la face exposée au rayonnement photonique subit normalement une opération de passivation et est revêtue d'une couche anti-reflet.
D existe également des cellules solaires, comprenant une jonction P- N, fabriquées en série limitée dans des laboratoires et dont le rendement avoisine 23 %.
Toutefois, ces cellules plus performantes nécessitent, pour leur réalisation, d'une part, un matériau de base du type silicium FZ ("Floating Zone") d'excellente qualité et, d'autre part, entre trente et soixante étapes différentes pour leur fabrication, en vue d'obtenir notamment une surface exposée complexe (formée par une multitude de pyramides juxtaposées) capable de piéger la lumière incidente.
Il en résulte un procédé de fabrication du matériau photovoltaique et donc des cellules très difficilement industrialisable et un prix de revient, du fait du matériau de départ et de la complexité de la réalisation de la cellule, très élevés, limitant leur application à des domaines et à des situations très spécifiques.
Par ailleurs, il a été proposé récemment de réaliser des photopiles à base de silicium monocristallin partiellement modifié, en vue de tenter d'élargir le
spectre d'absorption naturel du matériau de départ, notamment au niveau de l'infrarouge, et d'augmenter ainsi le rendement de la photopile résultante.
Plus précisément, les propositions précitées consistaient, par une implantation d'hydrogène et un traitement tiiermique consécutif, à transformer au niveau local la structure cristalline du silicium pour créer une couche enterrée dotée de niveaux extrinsèques.
Ces différentes approches expérimentales sont notamment décrites dans les articles suivants : "35 % Efficient Nonconcentrating Novel Silicon Solar Cell", J.Li et al., Appl. Phys. Lett., 60 (1992) 2240-2242 ; "A Study on Solar Cells Based on the "Junction Near Local Defect Layer "Design", C. Sumnote et al., 1 lth E.C. Photovoltaïc Solar Energy Conférence, Montveux, Suisse, Octobre 1992, pages 370 à 373 et "New Type of Silicon Material with High Quality Surface Layer on Insulating Defect Layer", Electronic Letters, 28 (1992) 652-653.
La réalisation pratique la plus répandue des propositions ci-dessus est celle connue sous la dénomination JNDL "Junction Near local Defect Layer") et consiste à implanter à travers un masque une sous-structure discontinue.
Or, cette sous-structure discontinue sans interfaces actives élimine toute possibilité de création d'une deuxième barrière de potentiel nécessaire à l'augmentation de tension de circuit ouvert Voc et elle présente, en outre, une résistivité supérieure à celle du matériau de départ.
De plus, la vitesse de recombinaison locale à l'intérieur de la couche de défauts est très élevée et le champ électrique de la jonction P-N n'est pas suffisant pour sauver les porteurs photogénérés de la zone de défauts.
Ainsi, tous les porteurs en excès du même signe sont dirigés vers la même direction par rapport à l'interface P-N et le champ électrique est appliqué à la sous-structure comme une polarisation externe. En outre, la longueur du parcours moyen des porteurs photogénérés dans la sous-structure est à peu près égale à la moitié de l'épaisseur de la substructure et la présence de centres de recombinaison diminue substantiellement la durée de vie effective des porteurs. De ce fait, la probabilité d'extraction des photoporteurs de la substructure avant leur recombinaison est très faible dans les dispositifs et les matériaux décrits dans les publications précitées.
Par ailleurs, la couche modifiée dans l'émetteur d'épaisseur submicronique est composé de rares cavités vides (en anglais "bubbles") dans lesquelles aussi bien le silicium que l'hydrogène sont absents, le recuit réduisant les dimensions géométriques de ces cavités.
Enfin, les zones de photogénération infrarouge de la couche de défauts introduisent de nouveaux centres de recombinaison dans l'émetteur dégradant ainsi la durée de vie même dans la partie cristalline.
Enfin, on connaît également, notamment par les publications "Surface States and Buried Interface States Studies in Semiconductors by Photodiermal Deflection Spectroscopy", Zammit U. et al., J. Appl. Phys., 70 (1991) 7060-7064 et "Gapstates Distribution of Ion-implanted Si and GaAs from Subgap Absorption Measurements", U. Zammit et al., Phys. Rev. B46 (1992) 7515-7518 un procédé d'obtention d'un matériau pouvant absorber en partie les infrarouges, ledit matériau étant obtenu à partir de silicium monocristallin modifié en volume par implantation d'impuretés dopantes sur une couche relativement épaisse, dont l'épaisseur et le positionnement ne peuvent être contrôlés, empêchant ainsi toute reproductibUité à l'identique dudit procédé.
En outre, l'activation des impuretés dopantes n'est pas non plus contrôlée et les limites de ladite couche à structure modifiée ne sont pas nettement définies, ni en ce qui concerne leur positionnement, ni en ce qui concerne leur géométrie, notamment leur planéité.
Par ailleurs, il a été constaté que, bien qu'il y ait absorption optique d'une partie du rayonnement infrarouge dans la couche à structure modifiée, avec toutefois une action pratiquement nulle sur les photons dont l'énergie est inférieure à 0,5 eV, aucune absorption optique donc aucun photocourant correspondant n'avait pu être détecté, ce qui enlève tout intérêt d'une éventuelle application industrielle (en tant que photopile) d'un tel matériau puisque le rendement ne serait pas augmenté par rapport à une photophile classique, sinon diminué. La présente invention a notamment pour but de pallier l'ensemble des inconvénients précités, en proposant en particulier un matériau photovoltaique pouvant, en plus de la lumière visible, également absorber le rayonnement infrarouge, même de longueur d'onde supérieure à 3200 nm, et délivrer un photocourant supplémentaire correspondant, augmentant de ce fait considérablement le rendement des photopiles comprenant un tel matériau.
En outre, un autre but de l'invention est d'améliorer le rendement de la conversion photovoltaique pour les rayonnements ultra-violet (UV) et ceux du domaine visible.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de fabrication d'un matériau ou dispositif photovoltaique à base de silicium monocristallin ou polycristallin à gros grains pouvant absorber notamment le rayonnement infrarouge, caractérisé en ce qu'il consiste à obtenir une plaquette, une tranche ou
une région de puce de silicium monocristallin ou polycristallin présentant une longueur de diffusion supérieure au parcours des porteurs minoritaires dans la base à former ou supérieure à l'épaisseur totale de ladite plaquette, tranche ou région de puce, puis à traiter la face arrière de ladite plaquette, tranche ou région de puce, non destinée à être exposée au rayonnement photonique, de manière à créer un champ arrière ainsi que des zones ou points de contact électrique, à traiter ensuite la face avant de manière à former une couche mince d'émetteur en surface, une jonction P-N de faible profondeur, ainsi qu'au moins une sous-structure ou substructure continue plane très fortement dopée, enterrée dans l'émetteur ou dans la base, de très faible épaisseur et dotée de plusieurs interfaces cristallines et électriques, notamment de deux interfaces du type L-H et de deux hétéro- interfaces cristallines et, enfin, à soumettre ladite tranche, plaquette ou région de puce, notamment la face présentant l'émetteur, à un traitement thermique, à des températures et pendant des durées déterminées, de manière à obtenir, dans la couche d'émetteur, une hétéro-structure de matériaux différents ou de matériaux de cristallinités différentes, notamment une structure à au moins trois couches du type silicium monocristallin/silicium amorphe ou modifié/silicium monocristallin, coïncidant avec le profil de dopage adopté notamment du type connu sous la désignation δ-dopage et comportant des champs intrinsèques électriques et de contraintes mécaniques au niveau des zones de transition.
L'invention concerne également une tranche ou plaquette de matériau photovoltaique obtenue au moyen du procédé de fabrication décrit ci-dessus, consistant essentiellement en du silicium monocristallin ou polycristallin à gros grains et comprenant une couche formant émetteur au niveau de sa face avant ou destinée à être exposée, une structure de champ arrière au niveau de sa face arrière (normalement non exposée) et une jonction P-N dans l'épaisseur de ladite tranche ou plaquette, caractérisée en ce qu'elle comporte, en outre, au moins une sous- structure continue et fortement dopée de silicium amorphisé ou modifié, enterrée notamment dans l'épaisseur de l'émetteur ou dans la base et de très faible épaisseur, ladite au moins une sous-structure ou chaque sous-structure présentant une résistivité inférieure à celle du matériau de départ et étant délimitée par des interfaces cristallines et électriques planes, notamment par deux hétéro-interfaces cristallines planes et deux homo-interfaces L-H, confondues ou non avec les hétéro-interfaces et correspondant aux limites de la sous-structure après implantation des impuretés dopantes ou d'autres agents et avant recuit formateur, ladite au moins une sous-structure étant, en outre, pourvue, d'une part, de champs électriques intrinsèques opposés formés au niveau de chaque homo- interface L-H
favorisant l'extraction des porteurs minoritaires photogénérés dans ladite sous- structure et, d'autre part, de champs de contraintes intrinsèques formés au niveau de chaque hétéro-interface α-Si/c-Si et favorisant la préservation des centres de génération par impacts, ladite tranche ou plaque de matériau constituant ainsi un dispositif photovoltaique multi-interface.
Enfin, l'invention a pour objet une cellule photovoltaique ou photophile, caractérisée en ce qu'elle comporte en tant que matériau actif une portion de tranche ou une plaquette de matériau photovoltaique tel que décrit ci- dessus, la face exposée de ladite portion de tranche ou plaquette était conformée et/ou recouverte d'une couche d'un matériau déterminé de manière à constituer un confinement optique, notamment pour le rayonnement infrarouge, dans l'épaisseur dudit matériau actif.
L'invention sera mieux comprise grâce à la description ci-après, qui se rapporte à des modes de réalisation préférés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et expliqués avec référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue en coupe schématique d'une photopile comprenant, en tant que matériau actif, une tranche ou plaquette de matériau obtenu selon le procédé conforme à l'invention ; la figure 2 est une vue en coupe d'un échantillon implanté hydrogène à travers un biseau de tgx = 0,01187 et avec un agrandissement de 180 ; la figure 3 est une courbe montrant le profil de dopage des impuretés mesuré sur l'échantillon de la figure 2 selon la médiode de spectroscopie de masse d'ions secondaires, dite SIMS ; la figure 4 est une courbe montrant le profil de résistance répartie ("spreading résistance") à travers une cavité de l'échantillon représenté à la figure 2 ; la figure 5 montre la composition structurale d'un émetteur implanté d'ions phosphore conformément à une variante du procédé selon l'invention mesuré par la médiode dite de rétrodiffusion de Ru erford (RBS) ; la figure 6 représente les courbes du profil de dopage et du profil de dopage actif relevées par les mémodes de SIMS et de spreading résistance d'un échantillon présentant un émetteur formé par implantation d'ions phosphore, identique à celui considéré à la figure 5 ; la figure 7 représente des courbes de répartition d'impuretés ou de porteurs libres dans un émetteur formé par implantation d'ions phosphore, identique à celui considéré à la figure 6 et avec la visualisation de deux hétéro- interfaces cristallines et des deux homo-interfaces L-H ;
la figure 8 représente des courbes de profils d'implantation expérimentales obtenues par les méthodes SIMS et spreading résistance et de profil d'implantation tiiéorique ; la figure 9 représente, sous forme de courbes, l'absorption optique d'un échantillon muni d'une sous-structure absorbante et formé par implantation d'ions phosphore et d'un échantillon de silicium monocristallin normal ; la figure 10A représente, sous forme de courbes, la transmission face arrière des échantillons considérés à la figure 9 ; la figure 10B représente, sous forme de courbes, la réflexion face avant des échantillons considérés à la figure 9 ; les figures 11A et 11B montrent les densités de courant en fonction de la longueur d'onde, d'une part, d'un dispositif ou échantillon photovoltaique selon l'invention et pourvu d'une sous-structure absorbante et d'autre part d'un dispositif photovoltaique classique d'un rendement d'environ 16 %, avec des illuminations respectivement opérées au moyen d'une lampe monochromatique avec un spectre infrarouge plus étroit (figure 11 A) et au moyen d'une lampe monochromatique avec un spectre infrarouge élargie (figure 11B) ; la figure 12 représente la comparaison des distributions des champs électriques intrinsèques dans une sous-structure mince avec et sans dopage selon l'invention (δ-dopage) ; la figure 13 représente la distribution du potentiel électrique dans une cellule à champ arrière muni d'un champ arrière et d'une sous-structure selon l'invention d'épaisseur 40 nm, selon la durée de vie des porteurs dans ladite sous- structure ; la figure 14 représente différentes distributions de courant d'électrons
(porteurs majoritaires) en fonction de différentes épaisseurs de la sous-structure, la durée de vie dans la sous-structure étant de 10~6 μs ; la figure 15 représente, de manière et dans des conditions similaires à celles de la figure 14, différentes distributions de courant de trous (porteurs minoritaires) ; les figures 16 et 17 représentent, à titre comparatif, respectivement deux distributions de courants d'électrons et de trous, pour des structures épaisses de 160 nm présentant des durées de vie différentes ; la figure 18 représente les concentrations à l'équilibre et en régime permanent sous illumination des trous pour une durée de vie dans la sous-structure de 100 μs ;
les figures 19A et 19B montrent respectivement les courbes comparatives et la courbe différentielle de la densité du photocourant en fonction de la longueur d'onde dans le spectre UV et visible, entre une cellule de référence de bonne qualité (rendement de 16 %) et un dispositif ou échantillon photovoltaique selon l'invention ; les figures 20A et 20B représentent respectivement les courbes des rapports des photocourants entre la cellule de référence et le dispositif ou échantillon photovoltaique utilisés pour les figures 19A et 19B, et les courbes des rendements quantiques externes pour la même cellule et le même dispositif ou échantillon, obtenues par deux flux lumineux différents ; la figure 21 représente les courbes des intensités des flux de photons pour deux lampes (I et U) à caractéristiques spectrales différentes, utilisées pour obtenir les courbes des figures 20A et 20B ; les figures 22A et 22B représentent respectivement les courbes différentielles des photocourants générés par le dispositif ou échantillon utilisé pour l'établissement des figures 19A et 19B exposé aux lampes I et U et des flux de photons de ces deux lampes I et u ; les figures 23A et 23B représentent respectivement, pour les deux lampes I et II précitées, les rapports des flux de photons produits par ces deux lampes et des photocourants additionnels générés dans un dispositif ou un échantillon photovoltaique conforme à l'invention, et la figure 24 est une vue en coupe schématique représentant les modifications successives à t , tj et 12 du champ de contraintes mécaniques local au niveau de la zone de transition d'une sous-structure au cours du traitement tiiermique réalisant une épitaxie en phase solide.
Conformément à l'invention, le procédé de fabrication objet de la présente consiste, tout d'abord, à obtenir une plaquette, une tranche ou une région de puce de sdicium monocristallin présentant une longueur de diffusion supérieure au parcours des porteurs minoritaires dans la base à former ou supérieure à l'épaisseur totale de ladite plaquette, tranche ou région de puce, puis à traiter la face arrière de ladite plaquette, tranche ou région de puce, non destinée à être exposée au rayonnement photonique, de manière à créer un champ arrière ainsi que des zones ou points de contact électrique et, le cas échéant, des zones amorphisées dans le volume de la base et à proximité de la face arrière, à traiter ensuite la face avant de manière à former une couche mince d'émetteur en surface, une jonction P-N de faible profondeur, ainsi qu'au moins une sous-structure continue plane très fortement dopée, enterrée notamment dans l'émetteur, de très
faible épaisseur et dotée de plusieurs interfaces cristallines et électriques, notamment de deux interfaces du type L-H et de deux hétéro-interfaces cristallines et, enfin, à soumettre ladite tranche, plaquette ou région de puce, notamment la face présentant l'émetteur, à un traitement thermique, à des températures et pendant des durées déterminées, de manière à obtenir, dans la couche d'émetteur, une hétéro-structure de matériaux différents ou de matériaux de cristallinités différentes, notamment une structure à au moins trois couches du type silicium monocristallin/silicium amorphe ou modifié/silicium monocristallin, coïncidant avec le profil de dopage adopté, notamment du type connu sous la désignation δ- dopage (figure 3), et comportant de champs intrinsèques de contraintes mécaniques et électriques au niveau des zones de transition.
Selon une première variante de réalisation de l'invention, le traitement de la face avant consiste à introduire ou à implanter des impuretés dopantes selon un profil déterminé, présentant notamment un pic important de la concentration des impuretés coïncidant avec chaque sous-structure, le traitement thermique consécutif réalisant une détermination de la géométrie de chaque sous- structure, une activation des impuretés dopantes et des champs intrinsèques localisés dans les zones de transition et une guérison des défauts d'implantation d'ions d'impuretés dopantes dans l'épaisseur de la tranche, de la plaquette ou de la région de puce, avec un effet limité au niveau de chaque sous-structure enterrée (pour ce qui est de l'effet de guérison).
De manière avantageuse, l'énergie d'implantation des impuretés dopantes utilisée est de l'ordre de plusieurs dizaines ou plusieurs centaines de KeV, notamment supérieure à environ 150 KeV, et la dose d'implantation utilisée correspond à un courant d'ions de l'ordre de quelques μA.cπr^ ou de quelques fractions de μA. cm"2, notamment inférieure à 1 μA. cm"*--.
Selon une seconde variante de réalisation de l'invention, il peut être prévu, lors du traitement de la face avant, de réaliser une épitaxie ou une implantation à une profondeur donnée, d'un matériau actif, notamment de Ge, suivie éventuellement d'un traitement tiiermique et d'une éventuelle épitaxie de silicium destinée à former la face avant superficielle de l'émetteur, ainsi que des zones actives de génération par impact.
Selon une troisième variante de réalisation de l'invention, le traitement de la face avant consiste à réaliser une croissance épitaxiale de l'émetteur, avec un profil de dopage du type δ-dopage comprenant notamment au moins une couche continue plane très fortement dopée constituant la ou les sous- structure(s) enterrée(s) dans l'épaisseur de l'émetteur, puis à soumettre ladite face
avant à l'implantation d'ions d'un agent neutre tel que, notamment, l'hydrogène, le silicium ou analogue et à un traitement thermique formant notamment les zones actives de génération par impacts.
Dans ce cas, le rôle des ions consiste principalement en l'apport de l'énergie nécessaire à la modification structurale d'une couche mince située dans l'émetteur, destinée à former ladite au moins une sous-structure amorphisée, soit par une action destructrice (ions d'hydrogène), soit par une transformation de la structure cristalline (ions de sUicium).
Après implantation d'ions d'un agent neutre précité, il y a lieu de soumettre, dans le cadre de la présente variante de réalisation, notamment l'émetteur à un traitement thermique susceptible, d'une part, de réaliser une détermination de la géométrie de la ou des sous-structure(s), une activation des impuretés dopantes et une guérison des défauts d'implantation d'ions d'agent neutre dans l'épaisseur de la tranche, de la plaquette ou de la région de puce, avec un effet limité dans la ou les sous-structure(s) enterrée(s) et, d'autre part, de modifier la cristallinité de la ou des sous-structure(s) au niveau des zones de transition électrique et de contraintes et les propriétés opto-électroniques au niveau mésoscopique par un repositionnement des hétéro-interfaces et des homo- interfaces L-H par un effet de recristallisation et de rediffusion. La croissance épitaxiale précitée peut, par exemple, être réalisée au moyen d'une épitaxie du type par jet moléculaire (MBE).
Selon une quatrième variante de réalisation de l'invention, la tranche ou plaquette de départ, pourvue d'un champ arrière (BSF) et présentant une bonne qualité cristalline, est d'abord munie d'au moins une couche amorphisée ayant des propriétés optiques permettant l'absorption du rayonnement infrarouge, puis soumise à une croissance épitaxiale classique d'un émetteur à au moins deux niveaux de dopage : le plus faible du côté de la jonction P-N et le plus élevé du côté de la face avant, ces deux régions de niveaux de dopage différents étant séparées par au moins une sous-structure ou couche enterrée très mince et très fortement dopée (densité de dopage environ cent fois plus élevée que celle de l'émetteur - δ-dopage au niveau de la sous-structure).
En vue de conférer à la couche très mince (au moins une) précitée des propriétés de génération permettant d'avoir un rendement quantique dépassant sensiblement l'unité, il y a lieu de procéder à une implantation d'ions d'hydrogène ou d'un agent neutre similaire, dans des conditions d'amorphisation suivi du traitement thermique précité.
Le traitement thermique mentionné à plusieurs reprises ci- dessus consiste avantageusement en un recuit classique, connu par l'homme du métier sous la désignation CTA ("Classical Thermal Annealing"), effectué en continu ou par paliers successifs ou consécutifs séparés par des intervalles d'observations, à une température inférieure ou égale à 500° C environ, suivi éventuellement d'un recuit rapide, connu par l'homme du métier sous la désignation RTA ("Rapid Thermal Annealing"), à une température comprise entre 500° C et 1200° C, préférentiellement située autour de 1000° C environ, de la zone superficielle face avant uniquement, produisant une planification et une formation cristalline et électrique définitive des interfaces de la ou des substructure(s) plane(s) enterrée(s) dans l'émetteur, aboutissant à la formation, d'une part, de deux homo- interfaces L- H planes, graduelles ou abruptes, situées au niveau des limites de chaque sous- structure ou substructure après l'opération de dopage par épitaxie ou implantation et, d'autre part, de deux hétéro-interfaces planes délimitant chaque sous-structure ou substructure après la modification cristalline et la formation des zones de transition dues au recuit.
La durée du recuit classique est avantageusement comprise, en fonction de la qualité du matériau et des dimensions de la tranche, plaquette ou région de puce, dans un intervalle de temps d'environ 1 à 30 minutes (en fonction des conditions d ermiques et des traitements ou étapes thermiques consécutives éventuelles), l'instant précis de l'arrêt dudit traitement d ermique étant déterminé par la vérification de l'absorption d'un rayonnement lumineux d'une longueur d'onde donnée ou d'une plage de longueurs d'ondes données, particulièrement dans le domaine du rouge et du proche infrarouge, ce qui permet de contrôler très précisément l'activation de la faculté de génération Auger (et éventuellement d'absorption de l'infrarouge ou d'une gamme de fréquences donnée) et, le cas échéant, l'optimisation de cette dernière qualitativement ou quantitativement.
Le recuit classique peut être effectué dans un four adapté et affecte généralement l'ensemble du volume de la tranche, plaquette ou région de puce, alors que le recuit rapide, qui n'affecte qu'une zone superficielle ou enterrée de ces dernières, peut être réalisé par des lampes halogènes, un faisceau laser, un faisceau d'électrons ou analogue et est suivi d'une opération de trempe.
Ce recuit classique, opéré à une température inférieure ou égale à 500° C environ, préférentiellement inférieure ou égale à 400° C environ, permet de relaxer la contrainte moyenne (en anglais "average strain") faisant partie des contraintes d'endommagement post-implantation et répartie dans le volume de la plaquette, tranche ou région de puce ayant subi le passage d'ions d'implantation.
Le recuit rapide précité, opéré à une température supérieure ou préférentiellement égale à 500° C, permet quant à lui de réaliser une recristallisation partielle contrôlée de la zone amorphisée et une planéification des champs de contraintes localisés au niveau des zones de transition des hétéro- interfaces α-Si/c-Si de la sous-structure enterrée et dus à l'endommagement de la structure cristalline causé par l'implantation des impuretés dopantes, par l'auto- implantation ou par l'implantation d'un agent neutre.
Le recuit classique et/ou le recuit rapide décrits ci-dessus, ou éventuellement une combinaison déterminée de ces deux types de recuits, permettent donc par le contrôle de la cinétique de l'épitaxie en phase solide de contrôler précisément les champs de contraintes incorporés dans les zones de transition α-Si/c-Si (voir figure 24).
La présence de ces champs de contraintes permet de préserver une quantité significative de bi-lacunes ("divacancies") dans les zones de transition précitées, durant les traitements thermiques précédents, bien au-delà de leur température normale (environ 200° C) de guérison, c'est-à-dire de suppression, dans la couche cristalline ou amorphisée libre.
Lorsque la ou les sous-structure(s) enterrée(s) dans l'émetteur est (sont) destinée(s) à présenter une activité de conversion photovoltaique efficace simultanément dans le domaine UV et visible et dans le domaine infrarouge, il y a lieu de contrôler la densité des bi-lacunes présentes dans les zones de transition en faisant intervenir les différents paramètres du procédé de formation de la sous- structure, à savoir, dose d'implantation (supérieure à celle nécessaire à l'amorphisation), conditions d ermiques d'implantation (température moyenne et gradients de température dans le substrat) et conditions du recuit tiiermique (classique : environ 500° C, rapide : supérieure ou égale à 500° C ou combiné), en vue d'aboutir à une planéification progressive et sans à-coups et à une épitaxie en phase solide préservant une épaisseur minimale de la sous-structure pour être efficace dans l'absorption infrarouge en augmentant le parcours optique effectif (environ 20 à 100 nm d'épaisseur) grâce au confinement optique, par rapport à la sous-structure considérée, et en modifiant en outre l'angle d'incidence du rayonnement réfléchi par la face arrière.
Lorsque la sous-structure enterrée dans l'émetteur est uniquement destinée à présenter une activité de conversion photovoltaique étendue dans le domaine UV et visible (génération par impact), il y a lieu de préserver au maximum les bi-lacunes présentes dans les zones de transition en réalisant un traitement thermique entraînant une planéification progressive et sans à-coups
(uniformisation des contraintes mécaniques locales) et un amincissement prononcé de la sous-structure (entre le double de la distance de pénétration de la zone de transition dans le silicium amorphisé et environ 20 nm), ce qui permet de limiter simultanément l'action néfaste, pour le rayonnement infrarouge, des bi- lacunes présentes dans les zones de transition de la sous-structure considérée.
Il peut également être prévu de créer plusieurs sous-structures réparties dans l'épaisseur de l'émetteur, dont chacune est dotée de deux champs combinés (champs de contraintes mécaniques et champs électriques), pour réduire le parcours moyen des porteurs chauds ou Auger (dont le mécanisme sera expliqué plus loin) et qui permettent de mieux exploiter en conversion photovoltaique le surplus d'énergie desdits porteurs chauds (proximité ou chevauchement total ou partiel des sous-structures par rapport aux régions de génération des porteurs chauds) et donc d'accroître le rendement du dispositif photovoltaique.
Dans le cas où plusieurs sous-structures sont présentes dans l'émetteur, celles-ci peuvent consister en une ou plusieurs sous-structures actives uniquement dans le rayonnement UV et visible (disposées le plus près de la surface de l'émetteur) et une ou plusieurs sous-structures actives aussi bien dans le rayonnement UV et visible que dans le rayonnement infrarouge (celles-ci étant disposées sous la ou les sous-structures précédentes, plus éloignées de la surface de l'émetteur).
La création de plusieurs sous-structures dans l'émetteur peut être obtenue en réalisant successivement une implantation d'un matériau actif dans une plaquette ou tranche de silicium monocristallin, suivi d'une épitaxie en phase liquide ou gazeuse (par exemple une épitaxie du type connu sous la désignation MOCVD).
Conformément à une caractéristique de l'invention représentée à la figure 1 des dessins annexés, le procédé peut également consister à créer au moins une sous-structure supplémentaire amorphisée, très fortement dopée (dopage type L-H), enterrée dans l'émetteur ou dans la base (en particulier située au niveau de la face arrière de la base), présentant une épaisseur limitée (entre 20 et 400 nm) et délimitée par deux interfaces du type L-H et par deux hétéro-interfaces cristallines, ou par une interface du type L-H et par une hétéro-interface cristalline, séparées ou confondues, dans le cas d'une sous-structure située au niveau de la face arrière de la base. Cette sous-structure supplémentaire présente une activité accrue de conversion photovoltaique pour le rayonnement infrarouge grâce à une suppression maximale des bi-lacunes lors du traitement mermique fixant les
paramètres dimensionnels, géométriques et moφhologiques de la sous-structure et de ses interfaces.
Comme le montre la figure 1 des dessins annexés, cette sous- structure supplémentaire peut, par exemple, être obtenue en créant un champ arrière dans une plaquette ou tranche de silicium monocristallin dopé bore (5 x 101 cm---' à 5 x 10*- 7 cm"3), par diffusion d'aluminium, en opérant une auto¬ implantation de silicium avec des doses relativement élevées (> 10^ cm"*--) pour obtenir l'amoφhisation d'une couche (épaisseur : 20 à 400 nm) dans l'épaisseur du substrat et, enfin, en réalisant un traitement tiiermique de la plaquette ou tranche (recuit classique, suivi d'un recuit rapide) jusqu'à aboutir à une planéification des interfaces de ladite sous-structure et à une suppression maximale de l'activité des bi-lacunes (en appliquant une énergie thermique 5 à 10 fois supérieure à celle utilisée pour les sous-structures d'émetteur actives dans l'UV et le visible).
Le budget énergétique de ce cycle thermique effectué après l'auto- implantation est, par conséquent, 5 à 10 fois supérieur à celui mis en oeuvre pour les sous-structures UV et visibles, laissant ainsi une marge de manoeuvre de suppression des bi-lacunes, malgré les contraintes mécaniques présentes, en préservant les dimensions et les paramètres géométriques de la sous-structure amoφhisée. En variante, cette sous-structure supplémentaire peut également être obtenue en réalisant une implantation à dose élevée (> 10-**-* cm"3) avec une impureté dopante formant le champ arrière (par exemple : Al) et lTiétéro-interface de type L-H et en réalisant ensuite un traitement thermique jusqu'à aboutir à une planéification des interfaces et des zones de transition de ladite sous-structure et à une suppression maximale des bi-lacunes.
Le traitement tiiermique adapté à la sous-structure supplémentaire précitée consiste préférentiellement en un recuit classique à une température inférieure ou égale à 500° C environ de l'ensemble de la tranche, plaquette ou région de puce, suivi d'un recuit rapide à une température supérieure ou égale à 500° C de la zone superficielle de la face arrière, comprenant notamment ladite sous-structure supplémentaire.
Toutefois, de nombreux autres procédés de fabrication de cette sous- structure supplémentaire peuvent être imaginés par l'homme du métier à la lecture du présent mémoire. Dans la pratique, cette sous-structure supplémentaire sera réalisée en premier, n'étant pas influencée par les traitements thermiques consécutifs
appliqués lors de la formation des sous-structures enterrées dans l'émetteur et actives dans le visible et les UV grâce à la génération par impact.
Conformément à une caractéristique de l'invention, les traitements thermiques précités sont avantageusement suivis d'une passivation basse température de la face avant de la tranche, plaquette ou région de puce destinée à être exposée au rayonnement lumineux, notamment en mettant en oeuvre une déposition chimique en phase gazeuse améliorée par plasma basse température (PECVD) ou une évaporation de SiO dans une atmosphère raréfiée d'oxygène de l'ordre de 10"** Torr environ, telle que l'on notamment décrite C. Leguijt et al. (7th International Photovoltaic Science and Engineering Conférence, Nagoya, Japan, November 22-26, 1993), ou un solvant organique pour éviter au maximum tout risque de détérioration ou de destruction de la sous-structure.
Cette opération de passivation de la face avant superficielle de l'émetteur entraîne une réduction de la vitesse de recombinaison dans la zone passivée et permet, en conjugaison avec la création de la barrière de potentiel au niveau de la ou des sous-structure(s) résultant de l'insertion des interfaces L-H, à la tranche, plaquette ou région de puce de présenter un confinement effectif des porteurs minoritaires dans la ou les couche(s) d'émetteur située(s) entre la face avant et la sous-structure la moins enterrée, et entre deux sous-structures consécutives. π se forme ainsi un ou des réservoir (s) de porteurs minoritaires d'épaisseur optimisée, en fonction notamment du dopage initial, comprise entre 50 et 700 nm environ, selon la ou les profondeurs à laquelle (auxquelles) est (sont) disposée(s) la ou les sous-structure(s) présente(s) dans l'émetteur. Conformément à une autre caractéristique de l'invention, et en vue de rallonger le chemin optique des rayonnements photoniques pouvant être absorbés par ladite ou lesdites sous-structure(s) absorbant l'infrarouge afin d'augmenter leur probabilité d'absoφtion par cette ou ces dernière(s) et donc l'efficacité de la photogénération de paires électron-trou (rendement quantique intrinsèque), il peut être prévu de réaliser, par conformation superficielle et/ou revêtement par une couche d'un matériau déterminé, un confinement optique interne ou externe dans l'épaisseur de ladite tranche, plaquette ou région de puce, notamment pour le rayonnement lumineux rouge et l'infrarouge.
Ainsi, le confinement optique au niveau de la sous-structure, réalisé par un traitement supplémentaire au moins de la face avant et dû à un changement de l'indice de réfraction au niveau des hétéro-interfaces marquant les limites entre la structure monocristalline de l'émetteur et la structure cristalline modifiée ou
amoφhe, est complété par un confinement optique au niveau des interfaces extérieures (surfaces des faces avant et arrière de la tranche, plaquette ou région de puce), un traitement de la face arrière n'étant nécessaire que lorsque celle-ci ne présente pas une surface de contact électrique continue recouvrant celle-ci, formant surface réfléchissante.
L'addition de telles propriétés de confinement optique à une tranche, plaquette ou zone de puce, sont notamment décrites dans les publications : E. Yablonovitch, G.D. Cody, IEEE Trans. Electron. Dev. ED-29 (1982) 300 et M. A. Green, "High Efficiency Silicon Solar Cells", Trans. Tech. Publications, 1987 et B.L. Sopori et T. Marschall, "23rd IEEE Phot. Spec. Conf.", 10-14 May, 1993, p. 127-132.
Selon une caractéristique de l'invention, le matériau de silicium de départ, formant la tranche, plaquette ou région de puce qui sera implanté d'impuretés dopantes ou qui servira de substrat pour une éventuelle croissance épitaxiale de l'émetteur, consiste en du silicium monocristallin ou polycristallin (à gros grains), avec une concentration d'impuretés dopantes comprise entre 5 x 10 ^ cm"3 et 5 x 10^ cm"3, ledit matériau ne comportant pas d'impuretés involontaires pouvant être activées par l'énergie d'implantation et le traitement thermique et présentant des propriétés d'autoguérison de sa structure cristalline durant l'implantation et de guérison de sa structure cristalline par recuit classique à basse température, inférieure ou égale à 500° C.
La structure finale de la tranche, plaquette ou région de puce est du type émetteur/base/région de champ arrière avec soit, pour un dopage initial p, des dopages respectifs n+/p/p+, les impuretés dopantes implantées étant choisies dans le groupe formé par le phosphore, l'antimoine et l'arsenic (notamment pour la ou les sous-structure(s) enterrée(s) dans l'émetteur), soit, pour un dopage initial n, des dopages respectifs p+/n/n+, les impuretés dopantes étant choisies dans le groupe formé par l'aluminium, le bore, le gallium et l'indium.
Le champ arrière présente avantageusement un gradient de dopage le plus abrupt possible pour limiter l'épaisseur de la zone de transition électronique et surtout le niveau de dopage p+ (ou n+ selon le cas), de telle manière que la vitesse de recombinaison superficielle de la face arrière puisse être aisément contrôlée.
De même, la face arrière peut faire l'objet d'une passivation, à basse température, notamment lorsque les zones ou points de contact électrique ne sont pas continus (contact sous forme d'un revêtement métallique continu) et se présentent par exemple sous la forme d'une grille.
Conformément à un mode de réalisation préférentiel de l'invention, l'émetteur de ladite tranche, plaquette ou région de puce- présente une épaisseui inférieure ou égale à 1 μm et la jonction P-N et la jonction L-H formant le champ arrière présentent une profondeur intérieure à 1 μm. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, l'épaisseui finale de la ou des zone(s) actιve(s) de l'émetteur et/ou de la base est inférieure à 1 μm et la jonction P-N et la jonction L-H formant le champ arrière présentent une profondeur inféπeure à 1 μm. De même, l'épaisseur de la sous-structure au moins présente dans l'émetteur est comprise entre 20 et 100 nm. ladite sous-structure au moins présente étant située à une distance compπse entre 50 et 700 mm de la face avant de la tranche, plaquette ou région de puce et présentant une forte conducûvité sélective de porteurs majoritaires grâce à son dopage très élevé, supéπeur notamment à environ
cm-3 préférentiellement cent fois supéπeur au dopage de l'émetteur qui combiné à sa très faible épaisseur rend ladite sous- structure totalement transparente pour lesdits porteurs majoritaires.
L'épaisseur de la sous-structure éventuellement disposée dans la base est, quant à elle, comprise entre 20 et 400 nm, ladite sous-structure étant située préférentiellement à la face arrière (ou à une certaine distance de la face arrière) et présentant une forte conductivité sélective des porteurs majoritaires grâce à son dopage très élevé, supérieur à environ 1 -^ cm"-*, préférentiellement abrupt et au moins 100 fois supérieur au dopage de la base, ce qui rend ladite sous-structure, en combinaison avec sa très faible épaisseur, totalement transparente pour lesdits porteurs majoritaires.
En fonction du type de cellules solaires ou photopiles envisagé, à savoir épaisse ou mince, la tranche ou plaquette de silicium peut présenter, soit une épaisseur totale compnse entre 120 μm et environ 300 μm, soit une épaisseur initiale, avant une éventuelle croissance épitaxiale. compπse entre 3 μm et 120 μm et est contrecollée sur un support rigide, par exemple sur une plaque mince en acier inoxydable. En outre, il convient de noter que les positionnements relatifs des homo-interfaces L-H et des hétéro-interfaces les unes par rapport aux autres peuvent être influencés, lors des implantations dions d'agents neutres ou des impuretés dopantes, en contrôlant le dépôt d'énergie dans l'épaisseur de la sous- structure, et lors des traitements tiiermiques consécutifs auxdites împlantauons A titre d'illustration, il va a présent être procédé à la descπption de deux exemples prauques des deux variantes de réalisation du procédé de fabrication conforme à l'invention
Dans un échantillon (plaquette) en silicium monocristallin dopé avec des ions bores (concentration S x lO^ à S x lO1? cm~3 ), il a été procédé à une implantation d'ions d'hydrogène (champ : 160 KeV, dose : 3 x 10- °" cm"--*, avec contrôle des conditions thermiques du substrat), suivi d'un traitement tiiermique tel que mentionné ci-dessus, de manière à former une sous-structure fixe enterrée dans la couche formant l'émetteur et formée de silicium fortement modifié, constituant une interface complexe du fait de la très forte densité d'impuretés présentes (figure 2).
En fait, le traitement thermique provoque un effet de guérison autour de la sous-structure ou couche enterrée de défauts, coïncidant avec une concentration très élevée d'impuretés dans la région située à l'intérieur de ladite sous-structure.
La diffusion d'impuretés a été obtenue par un recuit classique et rapide combiné de l'échantillon et a permis la formation d'un pic de dopage à une profondeur de 1 ,09 μm.
Les figures 3 et 4 montrent, à titre d'illustrations, les profils des impuretés dopantes résultants mesurés au moyen de deux médiodes de mesure complémentaires à savoir, d'une part, la méthode dite SIMS (figure 3) et d'autre part, la médiode de résistance répartie (figure 4), ce à travers une cavité. La figure 3 montre nettement un pic de dopage indiquant l'existence et la situation de la sous-structure et il ressort de la figure 4 qu'en dessous de la limite de solvabilité du bore sans le silicium toutes les impuretés dans un tel pic sont ionisées.
En réalité, la concentration locale d'impuretés actives dans la sous- structure continue est nettement plus élevée que la valeur maximale indiquée dans les figures 3 et 4, le mode de détermination par intégration des deux méthodes précitées ne permettant pas d'aboutir à une résolution suffisante pour la mettre en évidence.
La courbe en pointillés sur la figure 3 indique approximativement la forme d'un tel pic de dopage.
Les impuretés actives électriquement sont serrées entre deux interfaces L-H relativement abruptes et entraînent une croissance locale de la conductivité dans la sous-structure continue, qui a pu être observée expérimentalement. Les interfaces L-H précitées créent un champ électrique intrinsèque aux extrémités de la sous-structure. Lorsque le champs précité est suffisamment intense le parcours moyen des porteurs minoritaires photogénérés par absoφtion
infrarouge est égal au quart seulement de l'épaisseur de ladite sous-structure. Le temps de transit est ainsi réduit, la durée de vie effective desdits porteurs augmente et leur extraction de ladite sous-couche est plus effective.
En outre, il a pu être constaté que pour une cellule photovoltaique, possédant des propriétés d'absoφtion infrarouge, au moyen d'une sous-structure nanométrique continue fortement dopée (δ-dopage) telle que décrite ci-dessus, l'adjonction supplémentaire d'un champ intrinsèque généré par les deux homo- interfaces L-H permet de diminuer d'un ordre de grandeur au moins les valeurs du courant de saturation (donc les caractéristiques d'obscurité du type des cellules solaires HLE - F.A. Lindholm et al., XUlth IEEE Photovoltaïc Specialists Conférence, June 5-8, 1978, Washington DC, USA, p. 1300-1305), la tension Voc étant en outre pratiquement indépendante de la position de la sous-structure dans l'émetteur.
Par ailleurs, la sous-structure continue de matériau modifié crée une seconde barrière de potentiel (en plus de la jonction P-N) qui a la faculté d'accroître la tension en circuit ouvert par une augmentation des concentrations des porteurs photogénérés.
Selon un second exemple pratique de réalisation de l'invention, une sous-structure absorbante infrarouge a été formé simultanément avec l'émetteur (profil de dopage) en implantant des ions phosphore avec un champ de 180 KeV dans un substrat de silicium monocristallin dopé p, puis en appliquant un traitement tiiermique du type mentionné ci-dessus.
Le procédé précité a permis la formation, d'une part, d'une sous- structure continue fortement dopée, d'une épaisseur de 70 nm et située à une profondeur de 97,5 nm de la surface de la face avant de l'échantillon, et, d'autre part, d'une jonction P-N à une profondeur de 0,5 μm.
La couche d'émetteur comprise entre la face avant et le plan limite
(interface cristalline) le plus proche de la sous-structure retrouve, après traitement thermique, sa structure monocristalline, par guérison des défauts créés durant l'implantation, et constitue la zone active d'absoφtion et de photoconversion du rayonnement lumineux de longueurs d'ondes courtes.
La figure 5 des dessins annexés montre la composition structurelle de l'émetteur ainsi formé, permettant de relever l'interface complexe constitué par la sous-structure à fort dopage dont les impuretés sont pratiquement toutes ionisées.
Le profil de dopage (profil atomique d'impuretés) et le profil de dopage actif ont été mesurés respectivement par les méthodes de SIMS et de
"spreading résistance" (figure 6) sur un échantillon implanté comme précédemment, mais en mode canalisation, ce qui autorise une meilleure visualisation de l'effet d'activation des impuretés en fonction de l'occupation de sites substitutionnels et interstitiels par les atomes de phosphore. A titre de repères, on a représenté également la sous-structure modifiée/amoφhisée et la jonction P-N. On voit que l'effet de canalisation est très bien visualisé dans les résultats obtenus par la méthode dite de "spreading résistance". Une petite fraction d'impuretés non activées semble se manifester au dessous de la sous-structure à une profondeur de 300 nm et elles semblent occuper les sites interstitiels (voir figure 8).
La figure 7 représente, à titre comparatif, les répartitions/ distributions : théorique d'implantation aléatoire de phosphore (1), expérimentale des porteurs libres par implantation canalisation (2- profil de spreading résistance) et diéorique des porteurs libres autour d'une homo-interface L-H abrupte (3), lesdites interfaces L-H (avant et arrière) ayant été positionnées à partir du point de flexion correspondant à la concentration nmo des courbes de répartition des porteurs libres.
La figure 8 représente, à titre comparatif, les répartitions/ distributions dans un échantillon implanté phosphore, par canalisation : profil expérimental par la méthode dite SIMS (1), deux profils expérimentaux d'impuretés actives par la méthode spreading résistance (2) et profil théorique d'implantation aléatoire du phosphore (3).
Cette figure montre également l'évolution de la sous-structure durant le traitement tiiermique (amincissement de la zone comprise entre les traits verticaux interrompus / pour donner la zone comprise entre les traits verticaux pleins).
Il a également été procédé à des mesures des propriétés optiques (réflexion, transmission, absoφtion) sur les échantillons obtenus au moyen du procédé précité et pourvu d'une sous-structure absorbante formée par implantation d'ions phosphore et traitement thermique.
La figure 9 montre la distribution spectrale de l'absoφtion optique
(absoφtion sous-gap en fonction de la longueur d'onde) mesurée par spectroscopie par déflection photothermique (PDS) sur un échantillon obtenu conformément au procédé de l'invention, c'est-à-dire avec sous-structure fortement dopée et champ arrière (Cl), et sur un échantillon de silicium monocristallin (C2).
Cette figure montre clairement l'élargissement du spectre d'absoφtion optique pour l'émetteur comprenant la sous-structure conforme à
l'invention, ce jusqu'à une longueur d'onde λ = 2500 nm à un niveau constamment supérieur à au moins 10*-* cm" ' .
Les mesures d'absoφtion ont été complétées par des mesures de transmission et de réflexion effectuées sur les mêmes échantillons pour des longueurs d'onde λ telles que 800 nm < λ < 3200 nm.
La figure 10A montre la très nette différence de transmission qui, à partir d'environ 1 200 nm, va en augmentant vers les grandes longueurs d'onde, en faveur de l'émetteur obtenu selon le procédé conforme à l'invention.
Il a également été trouvé que l'émetteur comprenant une sous- structure modifié absorbante présente une réflexion différente de celle de l'échantillon en silicium monocristallin (voir figure 10B).
Dans une première plage spectrale (840 < λ < 1 160 nm), l'échantillon avec la sous-structure réfléchit plus, alors que dans une seconde plage spectrale (1 160 < λ < 1960 nm), il réfléchit moins. La réflexion est non linéaire en fonction de la longueur d'onde et la différence entre les deux valeurs extrêmes de la réflexion est de 12 %, ce qui est environ dix fois supérieur à celle de l'échantillon de référence en silicium monocristallin.
La plus faible réflexion dans la plage de longueurs d'onde élevées peut s'expliquer aisément par une absoφtion importante de ces rayonnements par la sous-structure.
D a également été procédé à des mesures de photocourant effectuées sur un dispositif photovoltaique conforme à l'invention avec une sous-structure très mince (d = 70 nm) présentant deux hétéro-interfaces L-H et deux homo- interfaces L-H au niveau de ses limites (sans confinement optique). Deux facteurs géométriques caractérisent dans ce cas le dispositif photovoltaique précité à δ- dopage et à champ arrière : une zone structurelle plus étroite (d = 70 nm) de matériau semi-conducteur modifié et une zone électrique plus étendue (d = 150 nm) à densité de dopage élevée. Un tel dispositif photovoltaique selon l'invention permet d'observer les évolutions du photocourant en comparaison avec une cellule de référence classique à champ arrière (de 250 μm) présentant un bon rendement d'environ 16 %.
Les figures 11A et 11B montrent les photocourants correspondant notamment à l'absoφtion infrarouge mesurées simultanément pour le dispositif ou l'échantillon photovoltaique présentant au moins une sous-structure conforme à l'invention (Cl) et la cellule (Référence) précités.
On peut observer sur ces figures que la différence d'absoφtion et de génération de photocourant est très nettement visible pour- λ < 1800 nm dans deux cas de lampes aux spectres différents. Les plages de photocourants infrarouge caractéristiques correspondent à celles détectées lors de mesures d'absoφtion optique sauf en ce qui concerne la brèche d'activité des bi-lacunes autour de 1800 nm environ (voir figure 9). La baisse sensible du photocourant vers les grandes longueurs d'onde n'est pas due à une absoφtion plus faible du dispositif selon l'invention, mais en premier lieu à une augmentation notable de l'activité des bi-lacunes (excitation du type moléculaire sans aucune photogénération), puis à une baisse notable voire une annulation de l'énergie fournie par ces lampes pour ces longueurs d'onde.
L'invention a également pour objet une tranche ou plaquette de matériau photovoltaique pouvant absorber, en plus du rayonnement photonique fondamental du silicium, les rayonnements rouge et infrarouge et pouvant générer par impact des porteurs excédentaires grâce au suφlus d'énergie des photons UV et visibles, consistant essentiellement en du silicium monocristallin ou polycristallin à gros grains et comprenant une couche formant émetteur au niveau de sa face avant ou destinée à être exposée, une structure de champ arrière au niveau de sa face non exposée et une jonction P-N dans l'épaisseur de ladite tranche ou plaquette, caractérisée en ce qu'elle comporte, en outre, au moins une sous-structure continue et fortement dopée de silicium amoφhisé ou modifié, enterrée dans l'épaisseur de l'émetteur ou de la base et de très faible épaisseur, ladite sous-structure présentant une résistivité inférieure à celle du matériau de départ et étant délimitée chacune par des interfaces cristallines et électriques planes, notamment par deux hétéro-interfaces cristallines planes et deux homo- interfaces L-H, confondues ou non avec les hétéro-interfaces et correspondant aux limites de la sous-structure considérée après implantation des impuretés dopantes et avant recuit formateur, ladite ou lesdites sous-structure(s) étant, en outre, pourvue(s) de champs électriques intrinsèques opposés formés au niveau de chaque homo-interface L-H favorisant l'extraction des porteurs minoritaires photogénérés dans ladite sous-structure.
Selon une première variante de réalisation de l'invention, la tranche ou plaquette peut ne comporter qu'une unique sous-structure enterrée dans l'émetteur et destinée à présenter une activité de conversion photovoltaique efficace simultanément dans le domaine UV et visible et dans le domaine infrarouge.
Conformément à une deuxième variante de réalisation de l'invention, la tranche ou plaquette peut comporter plusieurs sous-structures réparties dans l'épaisseur de l'émetteur, dont chacune est dotée de deux champs combinés, à savoir un champ de contraintes mécaniques et un champ électrique, l'une au moins desdites sous-structures présentant une activité accrue ou étendue de conversion photovoltaique dans le domaine des UV et du visible.
La ou les sous-structure(s) enterrée(s) dans l'émetteur est (sont) en principe destinée(s) à générer par impact (ce qui correspond à un rendement quantique dépassant l'unité) et la ou les sous-strυcture(s) enterrée(s) dans la base est (sont) destinée(s) à l'élargissement (extension) de l'absoφtion infrarouge, ladite ou lesdites sous-structure(s) de base présentant une résistivité largement inférieure à celle du matériau de silicium de départ et étant délimitée(s) par au moins un interface cristalline et électrique plane, notamment par une hétéro- interface cristalline et une homo-interface L-H. confondue ou non avec l'hétéro- interface.
Ces interfaces correspondent à la limite de la sous-structure après formation de la zone de champ arrière par implantation d'impuretés dopantes ou par diffusion d'impuretés dopantes suivie d'une implantation d'un agent neutre ou d'une auto-implantation amoφhisante. La ou les interface(s) électrique(s) précitée(s) constitue(nt) un champ électrique intrinsèque favorisant l'extraction des porteurs minoritaires photogénérés dans ladite sous-structure et formant écran pour les porteurs minoritaires de la base par rapport au centre de recombinaison de ladite sous- structure. Comme le montre la figure 1 des dessins annexés, ladite tranche ou plaquette peut également comporter au moins une sous-structure supplémentaire amoφhisée, très fortement dopée, enterrée dans l'émetteur ou dans la base, en particulier située par exemple au niveau de la face arrière de la base, présentant une épaisseur limitée, préférentiellement entre 20 et 400 nm, et délimitée par deux interfaces du type L-H et par deux hétéro-interfaces cristallines lorsque ladite sous-structure supplémentaire est disposée dansla base ou l'émetteur ou par une interface du type L-H et par une hétéro-interface cristalline lorsque ladite sous- structure supplémentaire est située directement au niveau de la face arrière.
Cette sous-structure supplémentaire est avantageusement située dans la base, préférentiellement directement au niveau de la face arrière, et présente une forte conductivité sélective de porteurs majoritaires grâce à un dopage actif très
élevé, notamment supérieur à environ 10^9 cm"-"-, préférentiellement environ cent fois supérieur à celui des zones de la base avoisinantes.
Ainsi, selon un troisième mode de réalisation de l'invention, ladite tranche ou plaquette peut comporter au moins deux types de sous-structure dont chacun est actif dans des parties de spectres différentes, à savoir l'un, situé dans l'émetteur, actif dans l'UV et le visible et ayant des centres de génération sous gap dans l'émetteur regroupés dans une ou plusieurs sous-structure(s) mince(s), et l'autre, préférentiellement situé dans la base, ayant des centres de photogénération sous gap dans la base regroupés dans au moins une sous-structure plus large. En ce qui concerne le positionnement relatif des homo-interfaces
L-H et des hétéro-interfaces cristallines délimitant la sous-structure, différentes configurations sont possibles à savoir :
- les homo-interfaces L-H sont confondues avec les hétéro-interfaces, au niveau des limites de chaque sous-structure, lesdites hétéro-interfaces étant pourvues durant leur formation de propriétés électriques du type L-H ;
- les homo-interfaces L-H sont situées à l'intérieur de chaque sous- structure définie par les hétéro-interfaces après recuit, ou encadrent cette dernière entre-elles en étant situées de part et d'autre de celle-ci ;
- un des couples homo-interface L-H hétéro-interfaces est confondu et l'autre couple homo-interface L-H/hétéro-interface est séparé ou distinct.
Selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, l'émetteur présente une épaisseur inférieure à 1 μm et la jonction P-N et la jonction L-H formant le champ arrière présentent une profondeur inférieure à 1 μm.
De même, l'épaisseur de la ou des sous-structure(s) présentes dans l'émetteur est avantageusement comprise entre 20 et 100 nm, ladite au moins une sous-structure étant située à une distance comprise entre 50 et 700 nm de la face avant de la tranche, plaquette ou région de puce et présentant une forte conductivité sélective de porteurs majoritaires grâce à son dopage très élevé, supérieur notamment à environ 10^ cm~3, préférentiellement environ cent fois supérieur au moins à celui des zones de l'émetteur avoisinantes.
Selon une caractéristique de l'invention, la tranche ou plaquette présente un confinement effectif des porteurs minoritaires dans la couche d'émetteur située entre la face avant et la sous-structure au moins présente ou la sous-structure la moins enterrée et, le cas échéant, entre les différentes sous- structures présentes dans l'émetteur, grâce à une passivation basse température de ladite face avant et à la création d'une barrière de potentiel au niveau de chaque sous-structure résultant de l'insertion des interfaces formant ainsi un réservoir de
porteurs minoritaires d'épaisseur optimisée, en fonction notamment du dopage initial, comprise entre 50 et 700 nm environ.
En fonction du type de cellules désiré, à savoir mince ou épaisse, la tranche ou plaquette pourra présenter soit une épaisseur totale comprise entre environ 120 μm et environ 300 μm, soit une épaisseur comprise entre 3 μm et
120 μm et être contrecollée sur un support rigide, par exemple sur une plaque mince en acier inoxydable.
En vue d'expliquer les différentes propriétés avantageuses conférées, en terme de transport électronique, par la sous-structure formant interface complexe décrite ci-dessus ainsi que les paramètres importants de cette dernière, il sera à présent fait référence notamment aux figures 12 à 18 des dessins annexés.
L'action bénéfique de l'interface complexe sur le transport électrique se traduit tout d'abord par un champ électrique intrinsèque.
A cet effet, on peut comparer la distribution de ce dernier à celle du champ d'une jonction P-N graduelle (figure 12) et étudier la distribution du potentiel électrique (figure 13) dans un émetteur comprenant une sous-structure conforme à l'invention, pour une cellule à champ arrière et pour des durées de vie différentes dans la sous-structure (courbe 1 : 100 et 10" 2 μs, courbe 2 : 10~6 μs).
Le champ électrique de l'interface complexe L-H maintient les porteurs minoritaires éloignés de la zone de recombinaison, une concentration effective plus faible des minoritaires impliquant alors une probabilité de recombinaison plus faible (BSF et HLE).
On peut également constater une amélioration de la durée de vie effective des porteurs photogénérés dans la sous-structure décrite ci-dessus résultant du champ électrique intrinsèque des interfaces L-H. Il en résulte une augmentation du nombre total de paires électrons-trous pouvant participer à la photoconduction, ce qui se traduit par une amélioration du courant de court-circuit
Isc nonobstant la présence de centres de recombinaison supplémentaires, notamment dans la sous-structure. A l'extérieur de la sous-structure fortement dopée, c'est-à-dire la couche d'accumulation, plusieurs fractions de porteurs majoritaires confinés présentent plus ou moins de micro-mouvements bidimensionnels et la section transversale des centres de recombinaison change à proximité des interfaces L-H.
En outre, la barrière de potentiel L-H agit de manière sélective sur les porteurs minoritaires dans le volume (à l'identique de la jonction P-N mais dans une direction opposée), lesdits porteurs étant ainsi tenus éloignés des centres de recombinaison de la sous-structure du fait de l'écran formé par lesdites barrières de
potentiel, ce qui permet de conserver de bons paramètres volumiques de la cellule à champ arrière.
Toutefois, la concentration effective de minoritaires entre la jonction P-N et la sous-structure peut être plus faible par effet HLE (voir ci-desus) en comparaison avec une cellule uniquement à champ arrière classique (sans sous- structure, ni HLE) réduisant ainsi le courant de saturation d'obscurité IQ et augmentant, de manière avantageuse, la tension en circuit ouvert Voc.
Il résulte de ce qui précède que le matériau photovoltaique conforme à l'invention présente simultanément une augmentation notable du photocourant et du potentiel photoexcités, par rapport au matériau actif utilisé dans les cellules actuelles.
Parmi les facteurs géométriques importants, il convient de mentionner la distance jonction P-N/sous-structure et l'épaisseur de ladite sous- structure, qui doit être suffisament faible pour permettre de conserver des champs (de contraintes et électriques) relativement importants dans toute son épaisseur.
Les figures 14 et 15 montrent respectivement, à titre comparatif, différentes composantes d'électrons (figure 14) et de trous (figure 15) du courant total dans trois émetteurs différents dotés chacun d'une sous-structure mince fortement dopée conforme à l'invention en fonction de la position de cette dernière par rapport à la face avant, le seul paramètre qui diffère entre les trois courbes étant l'épaisseur de la sous-structure (courbe 1 : 160 nm, courbe 2 : 80 nm, courbe 3 : 40 nm), ces résultants ne prenant en compte que l'amélioration dans l'infrarouge.
Les figures 16 et 17 montrent respectivement, à titre comparatif, deux composantes d'électrons (figure 16) et de trous (figure 17) du courant total dans deux émetteurs dotés chacun d'une sous-structure d'épaisseur 160 nm, en fonction de la position par rapport à la face avant, le seul paramètre différant entre les deux courbes étant la durée de vie effective dans la sous-structure (courbe 1 : 10"6 μs, courbe 2 : 100 μs). La barrière de potentiel de l'interface complexe ne constitue pas seulement un écran pour les porteurs à l'équdibre mais également les porteurs photogénérés dans la zone frontale de l'émetteur située entre la sous-structure et la face avant.
Ainsi, la concentration de porteurs en régime permanent sous illumination au niveau du côté frontal de l'émetteur permet la formation d'un réservoir de porteurs (voir figure 18 - sous-structure avec δ-dopage : 10^0 cm"-** profondeur : 0.5 nm et épaisseur : 40 nm).
Or, il est connu que dans un semi-conducteur non dégénéré, la tension de circuit ouvert est fonction de la concentration de porteurs, une concentration plus importante de porteurs réduisant la production d'entropies du gaz d'électrons par photons et entraîne par conséquent, de manière avantageuse, une augmentation de la tension en circuit ouvert.
Par ailleurs, une transformation importante des propriétés de transport électronique a lieu dans l'émetteur pourvu d'une sous-structure du type précité, dépendant de plusieurs facteurs géométriques dont notamment l'épaisseur de la sous-structure. Ainsi, les figures 14 et 15 montrent une évolution des composantes de la densité du photocourant. Dans la zone frontale de l'émetteur, le transport change de nature en passant d'une conduction par diffusion de minoritaires à une conduction par apport de majoritaires. Les porteurs minoritaires bloqués dans leur mouvement vers la jonction P-N forment une bosse de concentration (provenant des distributions d'équilibre et de régime permanent) près du bord de la sous- structure (voir figure 16).
En plus de ce qui précède, il a été constaté qu'une tranche ou plaquette de silicium monocristallin traité selon le procédé conforme à l'invention, de manière à former un dispositif photovoltaique avec δ-dopage et champ arrière tel que décrit précédemment, présentait également une meilleure absoφtion dans le domaine du visible et une meilleure photogénération dans ces longueurs d'onde, par rapport à une cellule solaire classique à champ arrière de bonne qualité et d'un rendement d'environ 16 % (voir figure 19A et 19B).
Sur la figure 19A des dessins annexés, la courbe Cl correspond à un dispositif photovoltaique obtenu par le procédé selon l'invention alors que la courbe C2 correspond à la cellule de référence.
Cette amélioration de la photogénération pour un dispositif photovoltaique selon l'invention peut s'expliquer par les actions combinées du dopage élevé de la sous-structure (δ-dopage, champ électrique vidant la sous- structure des porteurs minoritaires), du champ intrinsèque de contraintes dans la zone de transition α-Si/c-Si et des facteurs géométriques tels que la position de la ou des sous-structure(s) par rapport aux zones de génération des porteurs chauds (Auger).
La génération supplémentaire de porteurs additionnels peut également s'expliquer par un phénomène de génération par impacts avec une énergie d'activation faible.
Les figures 20A et 20B des dessins annexés, en relation avec les figures 19A et 19B, permettent d'étayer l'explication précitée.
En effet, dans les courbes de caractéristiques différentielles et de rapports représentées sur les figures 20A et 20B, on peut distinguer facϋement deux plages de longueurs d'ondes, à savoir, une première plage correspondant à 300 < λ < 600 nm et dans laquelle la cellule simplifiée (sans passivation de la face frontale) à δ-dopage et à champ arrière selon l'invention présente un photocourant plus faible que la cellule de référence de très bonne qualité (mentionnée précédemment) et, une seconde plage correspondant à 600 < λ < 1 100 nm et dans laquelle le photocourant de la cellule selon l'invention est plus important que celui de la cellule de référence.
La première plage caractéristique peut être expliquée aisément par la présence de nombreux centres de recombinaison au niveau de la face frontale, n'ayant pas subi de passivation, de la cellule selon l'invention. Quant à la seconde plage caractéristique, elle ne peut trouver son explication que dans le fait que l'énergie d'un photon sert à la génération de plus de deux porteurs libres. Cette observation est confirmée par des résultats sur les efficacités quantiques externes qui sont illustrés sur la figure 20B, où l'on remarque que la valeur largement supérieure à l'unité du facteur EQE (efficacité quantique externe) pour des longueurs d'ondes inférieures à 1000 nm signifie que plus de deux porteurs peuvent être générés par un photon. L'explication de ce phénomène se trouve dans la présence d'un mécanisme de génération par impacts à faible énergie, qui constitue une sorte d'ionisation par impacts.
Du fait de la dépendance non linéaire de ce photocourant additionnel par rapport à l'intensité du flux lumineux, il peut être procédé à une estimation de l'énergie d'activation intervenant dans ce cas.
En vue d'observer ce phénomène, il a été procédé à des mesures comparatives par mise en oeuvre de deux lampes (I et H) distinctes présentant des intensités et des caractéristiques spectrales différentes. Ainsi, la figure 21 des dessins annexés représente l'intensité du flux et le nombre de photons émis, après correction, par chacune des deux lampes, la première avec une intensité lumineuse plus forte et la seconde avec une intensité lumineuse plus faible.
La caractéristique de non linéarité de la génération de porteurs avec le nombre de photons a été mise en évidence par l'intermédiaire d'une analyse détaillée de photocourants additionnels sous la forme d'une analyse des caractéristiques rapport/différence des photocourants (appelée procédure R-DP).
Les figures 22A et 22B des dessins annexés représentent la relation entre les flux de photons et les photocourants générés au moyen des valeurs différentielles des flux de photons par rapport aux valeurs différentielles des photocourants pour les deux lampes précitées. Les figures 23A et 23B des dessins annexés permettent de comparer, pour les deux lampes précitées, les rapports des flux de photons avec les rapports des photocourants additionnels générés dans un dispositif ou un échantillon photovoltaique selon l'invention.
Ces figures supplémentaires confirment que ce phénomène de génération sous-gap se présente sous la forme de génération de porteurs secondaires du type Auger et que l'énergie d'activation correspondante est équivalente à celle d'une génération par impacts à faible énergie.
Le champ de contraintes intrinsèque combiné au champ électrique intrinsèque existant au niveau des zones de transition de la ou des sous- structure(s) entraînent (suite à une réorientation après application d'une énergie tiiermique - traitement thermique de la sous-structure) une configuration des bi- lacunes favorable à la génération des porteurs secondaires précités et une diminution de l'énergie nécessaire à la génération des paires électron trou. Ceci conduit à un mécanisme de génération du type Auger lorsque les porteurs générés survivent du fait d'une extraction immédiate de la zone de génération/recombinaison par le champ électrique intrinsèque.
L'observation de ce phénomène à une échelle aussi importante est due à la séparation géométrique des deux zones actives à savoir, la zone primaire de la couche supérieure monocristalline de la conversion photovoltaique, dans laquelle intervient une création de porteurs chauds, et la ou les sous- structure (s) enterrée(s) qui est à la base de la génération du type Auger.
La couche supérieure monocristalline facilite l'action de deux phénomènes, à savoir, la photogénération fondamentale dans la zone de surface
(lumière à longueur d'ondes courtes) et le mouvement des porteurs du type Auger avec une énergie cinétique suffisante vers la seconde zone de génération de la sous-structure.
Ainsi, il existe deux types de générations de porteurs, une génération directe du fait de l' absoφtion optique fondamentale et une génération indirecte liée à la création des porteurs chauds du type Auger, cette deuxième génération ne pouvant être observée en l'absence de la première. La cellule ou le dispositif photovoltaique conforme à l'invention comporte par conséquent deux régions
actives à savoir, optique (absoφtion fondamentale) et électronique (génération par impacts).
La génération des porteurs chauds peut, évidemment, également avoir lieu directement dans la ou les couche(s) amoφhisée(s).
Les observations précédentes peuvent également être expliquées du point de vue théorique par l'analyse de l'équation du photocourant d'un dispositif photovoltaique.
En effet, le photocourant d'une cellule classique est proportionnel au flux incident et peut être exprimé par la formule suivante :
IPh = a ηr β rΦ (λ) (Eq.l)
dans laquelle a représente la constante d'homogénéité, β r (λ) = ot- gr représente l'efficacité d'absoφtion, α- (λ) est le coefficient d'absoφtion et gr est un facteur géométrique du dispositif considéré prenant en compte la longueur effective du chemin optique (surtout pour le rayonnement infrarouge). Le facteur ηr (λ) représente l'efficacité de génération des paires électron/trou (rendement quantique).
Dans la cellule classique, dans laquelle un photon ne peut générer qu'une paire d'électron/trou, on a toujours ηr (λ) < 1. Dans une première approximation, p peut être estimé par comparaison avec les caractéristiques spectrales de I-h (λ) et Φ (λ) lorsque a et ηr (λ) sont tous les deux égaux à 1.
Une formule équivalente à Eq. 1 pour la cellule à δ-dopage et champ arrière conforme à l'invention peut être établie sous la forme suivante :
Vδ = a ηδ βδ π ηMδi Φ (λ) (Eq.2)
Dans l'équation Eq.2, ηMδi = 1 + PMÔI représente le facteur de multiplication simple de la génération des porteurs secondaires du type Auger pour un, deux ou n événements par photon (l'index i indiquant le nombre événements), p δi représente la probabilité de i événements par photons, βδ(λ) > βr(λ) est l'efficacité d'absoφtion en présence d'une sous-structure ou couche enterrée amoφhisée, βδ(λ) = ((*«- + Δα) Oir + Δg) Δα(λ) représente l' absoφtion complexe additionnelle liée à une pénétration plus profonde des photons avec l'intensité lumineuse et Δg est le facteur géométrique correspondant, à savoir, une fonction complexe de la situation/position de la couche enterrée et du profil de
distribution de l'absoφtion dans l'épaisseur du dispositif ou de l'échantillon photovoltaique.
La multiplication par ηM i dépend de l'énergie des photons incidents.
En ce qui concerne l'énergie des photons absorbés, hv ≈ EgSj + ΔE, et, lorsque ΔE < E alors IlηMδi = 1- Lorsque Eδ < ΔE < 2Eδ, on a ITηMδi = ηi = K- (ΔE, r) dans lequel 1,0 < K- < 2,0. Lorsque 2Eδ < ΔE < 3Eδ, on a ιTηMδi = η- η2 = K2, dans lequel 1,0 < K2 < K-. Lorsque 3Eδ < ΔE < 4Eδ, on a πηMδ, = ηi η η3 = K3 avec 1,0 <_ K3 < K2. Et ainsi de suite.
En réalité, tous les facteurs η-, η2, η3 ηn sont des fonctions complexes, ainsi que les facteurs résultants K-, K2, K- Kn qui dépendent de l'énergie additionnelle disponible ΔE (règle du choix) et du paramètre spatial r qui est une fonction de la position du point de création du porteur chaud considéré et de la direction de son mouvement initial.
Les facteurs multiplicatifs η-, η2,..., ηn correspondent à des efficacités moyennes (variant entre 1 et 2) d'un, de deux ou de n événements par photon, leur produit ne pouvant par conséquent pas être inférieur à l'unité.
En comparant deux courbes caractéristiques de photocourants obtenues avec des intensités d'illumination différentes, on remarque que seules les valeurs de ces facteurs multiplicatifs diffèrent. Il en résulte un comportement non linéaire des caractéristiques différentielles des photocourants.
En considérant la règle du choix des bi-lacunes dans l'espace énergétique (règle du trou de golf) et l'efficacité d'absoφtion de la couche enterrée [βδ(λ) = (α- + Δα(λ)) (gr + Δg(λ))], il est possible de conclure que les photons présentant des énergies positionnées sur les lignes hv = (EgSl + n Eδ) peuvent être particulièrement efficaces lorsque leur conversion a lieu à proximité immédiate ou à l'intérieur de la sous-structure amoφhisée.
Ceci explique la présence de pics caractéristiques dans les figures 22 et 23 précitées (procédé R-DP).
En outre, les photocourants différentiels observés dans les figures précédentes, en comparant une cellule classique avec un dispositif ou un échantillon photovoltaique conforme à l'invention, s'explique non seulement par une augmentation de l'intensité du flux de photons incident mais également du fait de la pénétration nettement plus profonde du flux de photons (absoφtion optique du silicium amoφhisé) et d'une génération plus nombreuse de porteurs secondaires du type Auger.
Bien que la description ci-dessus se réfère principalement à la présence d'une unique sous-structure enterrée dans l'émetteur et destinée à
présenter une activité de conversion photovoltaique efficace simultanément dans le domaine UV et visible et dans le domaine infrarouge, il peut également être prévu, conformément à l'invention, et comme déjà mentionné précédemment, que la tranche, plaquette ou région de puce comporte plusieurs sous-structures réparties dans l'épaisseur de l'émetteur, dont chacune est dotée de deux champs combinés contraintes mécaniques/électriques, l'une au moins desdites sous- structures présentant une activité accrue ou étendue de conversion photovoltaique dans le domaine des UV et du visible.
Selon une caractéristique additionnelle de l'invention, et comme le montre la figure 1 des dessins annexés, il peut également être prévu au moins une sous-structure supplémentaire amoφhisée, très fortement dopée, enterrée dans l'émetteur ou dans la base, en particulier située par exemple au niveau de la face arrière de la base, présentant une épaisseur limitée, préférentiellement entre 20 et 400 nm, et délimitée par au moins une interface du type L-H et par au moins une hétéro-interface cristalline.
Cette sous-structure supplémentaire présentera une activité accrue de conversion photovoltaique pour le rayonnement infrarouge grâce à une suppression maximale des bi-lacunes lors du traitement thermique fixant les paramètres dimensionnels, géométriques et moφhologiques de la sous-structure et de ses interfaces.
Enfin, l'invention a également pour objet une cellule photovoltaique ou photopile qui comporte en tant que matériau actif une portion de tranche, une tranche ou une plaquette de matériau photovoltaique tel que décrit ci-dessus et obtenu au moyen du procédé de fabrication décrit ci-dessus, la face avant ou exposée au moins de ladite portion de tranche, tranche ou plaquette étant conformée et/ou recouverte d'une couche d'un matériau déterminé de manière à constituer un confinement optique, notamment pour le rayonnement infrarouge, dans l'épaisseur dudit matériau actif, donc entre les faces avant et arrière de ladite cellule ou entre les sous-structures. Outre, le matériau actif précité, ladite photopile comprendra différents autres revêtements et couches et fera l'objet de traitements supplémentaires, non décrits dans la présente, mais qui sont connus de l'homme du métier.
A titre d'illustration, la figure 1 représente la constitution d'un exemple de réalisation de cellule solaire multi-interfaces à très haut ou à ultra haut rendement comprenant une sous-structure modifiée absorbant l'infrarouge enterrée dans l'émetteur. Sur cette figure, on peut repérer, outre les régions correspondants
à l'émetteur, la base, la région de champ arrière, la jonction P-N et la sous- structure, les différentes couches ou zones d'interfaces formant une telle cellule solaire fonctionnelle :
* revêtement ou couche antiréflexion frontale (activité optique - limitation de la réflexion en surface)
- 1 : surface frontale de la cellule (face exposée) - limite supérieure de la couche de revêtement antiréflexion ;
- entre 1 et 2 : revêtement antiréflexion.
* couche de passivation frontale (activité électronique - limitation du taux de recombinaison de la surface frontale ou de la face exposée ou avant)
- 2 : interface frontale entre le revêtement antiréflexion et la couche de passivation ;
- entre 2 et 3 : couche de passivation frontale ;
- 4 : interface de la zone de contact frontale métal / semi-conducteur ; recombinaison locale utile de porteurs libres ;
- 3 : interface frontale entre les couches monocristalline et de passivation ; recombinaison locale inutile de porteurs libres.
* émetteur (activités optique et électronique - conversion de la lumière à courtes longueurs d'onde, génération par impact, piégeage de la lumière, réservoir de porteurs en excès, transport électronique)
- entre 3 et 5 : zone optiquement active ; région monocristalline d'absoφtion de la lumière solaire à longueurs d'onde courtes ; zone de photogénération la plus efficace, écran pour les porteurs minoritaires du courant de saturation ; - 5 : limite arrière de l'absoφtion de la lumière solaire de courte longueur d'onde dans l'émetteur ;
- entre 3, 5 et 6 : réservoir de porteurs minoritaires composé de deux sous-régions distinctes : conversion photon / photoporteur et transport électronique des porteurs en excès. * sous-structure (activités optique et électronique, conversion de la lumière UV et visible avec un rendement dépassant l'unité, confinement optique, préservation de porteurs minoritaires, création d'une barrière de potentiel, transport électronique)
- 6 : limite frontale de la couche d'accumulation L-H supérieure ; - entre 6 et 7 : couche d'accumulation supérieure à faible profondeur; bidimensionalisation du micromouvement des porteurs majoritaires ;
- 7 : interface L-H frontale : limite électrique de la sous-structure ;
- entre 7 et 8 : extension électrique frontale de la sous-structure ; structure monocristalline ;
- en 8 : interface frontale de la sous-structure ; limite structurelle ou hétéro-interface ; - entre 8 et 9 : zone optiquement active ; région à cristallinité modifiée, le cas échéant amoφhe, pour la génération par impacts, associée à une évacuation instantanée des porteurs minoritaires photogénérés ;
- 9 : interface arrière de la sous-structure ; limite structurelle ou hétéro-interface ; - entre 9 et 10 : extension électrique arrière de la sous-structure ; structure monocristalline ;
- 10 : interface L-H arrière ; limite électrique de la sous-structure ; - entre 10 et 1 1 : couche d'accumulation profonde ; bidimensionali- sation du micromouvement des porteurs majoritaires ; - 11 : limite arrière de la couche profonde d'accumulation L-H ;
- 6, 7, 8, 9, 10 et 11 : sous-structure absorbante.
* jonction P-N (activités optique et électronique - collection des photoporteurs minoritaires en excès, création d'une barrière de potentiel, transport électronique) - 12 : limite des distributions P-N non linéaires à l'intérieur de l'émetteur ;
- entre 12 et 13 : charge volumique P-N avec une distribution des porteurs libres dans l'émetteur ;
- 13 : limite frontale de la charge volumique P-N ; - entre 13 et 14 : couche de la charge volumique des donneurs avec une concentration de porteurs libres négligeable ;
- 14 : interface P-N ;
- entre 14 et 15 : couche de charge volumique des accepteurs avec une concentration de porteurs libres négligeable ; - 15 : limite arrière de la charge volumique P-N ;
- entre 15 et 16 : charge volumique P-N avec une distribution de porteurs libres dans la base ;
- 16 : limite des distributions P-N non-linéaires dans la base.
* base (activité électronique - transport des photoporteurs minori- taires en excès - absoφtion des rayonnements de grandes longueurs d'onde du rayonnement solaire - absoφtion sous gap additionnelle des rayonnements rouges
et infrarouge - piégeage de la lumière - diffusion des trajectoires - angle de réflexion)
- entre 16 et 17 : couche formant la base ; maximalisation de la durée de vie des porteurs minoritaires, élimination de l'absoφtion non photogénératrice de la lumière à grandes longueurs d'onde et de la recombinaison obscure, limitation de la résistance série.
* champ de surface arrière (activité électronique - préservation des photoporteurs minoritaires en excès, transport électronique)
- 17 : limite frontale ou avant de la couche d'accumulation du champ arrière (BSF) ;
- entre 17 et 18 : couche d'accumulation de champ arrière ;
- 18 : interface L-H du champ arrière ; bidimensionalisation du micromouvement des porteurs majoritaires ;
- entre 18 et 19 : couche de déplétion du champ arrière ; - 19 : limite arrière de la couche de déplétion du champ arrière ;
- entre 19 et 20 : région H d'une interface L-H (p+dans une cellule n+/p/p+), cette région pouvant constituer, suite à une auto-implantation à dose élevée et à un traitement thermique adapté, une sous-structure amoφhisée supplémentaire 25 dédiée exclusivement à la conversion photovoltaique des rayonnements infrarouges.
* couche de passivation arrière (activité électronique ; limitation du taux de recombinaison de la surface arrière)
- 20 : interface arrière entre les couches monocristalline et de passivation ; recombinaison locale inutile des porteurs libres ; - 21 : interface de la zone de contact arrière métal/semi-conducteur ; recombinaison locale utile des porteurs libres ;
- entre 20 et 22 : couche de passivation arrière.
* revêtement ou couche de réflexion arrière (activité optique - maximalisation de la réflexion sur la surface arrière) - 22 : interface arrière entre revêtement réfléchissant et couche de passivation ;
- entre 23 et 24 : revêtement de réflexion arrière ;
- 24 : surface arrière de la cellule : limite inférieure de la couche de réflexion. Grâce à l'invention, il est donc possible de fabriquer, aisément et de manière industrielle, un matériau à base de silicium absorbant le rayonnement infrarouge aussi bien que le rayonnement fondamental absorbé normalement par le
silicium et convertissant, en un photocourant supplémentaire exploitable correspondant, ladite absoφtion infrarouge, en implantant dans la zone d'émetteur une sous-structure continue fortement dopée et délimitée par deux homo- interfaces L-H et deux hétéro-interfaces, de manière à constituer une interface complexe formant une seconde barrière de potentiel et comprenant un champ intrinsèque assurant une extraction effective des paires de porteurs photogénérés dans ladite sous-structure par l 'absoφtion du rayonnement lumineux de grande longueur d'ondes (rouge, infrarouge).
La sous-structure fortement dopée confère ainsi à la cellule solaire de nouvelles propriétés optiques et électroniques à savoir :
- un élargissement du spectre d'absoφtion du silicium monocristallin et conversion de l'absoφtion supplémentaire en des paires d'électrons-trous photogénérés extraits de la sous-structure ;
- un empêchement de la recombinaison instantanée des porteurs photogénérés dans la sous-structure par un champ électrique intrinsèque de l'interface complexe ;
- une amélioration de la durée de vie (effective) des porteurs minoritaires dans l'émetteur avec la sous-structure ;
- une amélioration de la réponse spectrale dans le rayonnement UV et visible (rendement quantique dépassant l'unité) ;
- une transparence électrique de la sous-structure par rapport au transport électronique ;
- une augmentation du courant de court-circuit Isc ;
- la création d'une concentration élevée de porteurs minoritaires (réservoirs de porteurs au niveau de la zone superficielle de l'émetteur par les effets de la passivation et de barrière de potentiel) ;
- une augmentation de la tension en circuit ouvert Voc.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou étapes, ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention.
Claims
1. Procédé de fabrication d'un matériau ou dispositif photovoltaique à base de silicium monocristallin ou polycristallin à gros grains pouvant absorber notamment le rayonnement infrarouge, caractérisé en ce qu'il consiste à obtenir une plaquette, une tranche ou une région de puce de silicium monocristallin ou polycristallin à gros grains présentant une longueur de diffusion supérieure au parcours des minoritaires dans la base ou supérieure à l'épaisseur totale de ladite plaquette, tranche ou région de puce, puis à traiter la face arrière de ladite plaquette, tranche ou région de puce, non destinée à être exposée au rayonnement photonique, de manière à créer un champ arrière ainsi que des zones ou points de contact électrique, à traiter ensuite la face avant de manière à former une couche mince d'émetteur en surface, une jonction P-N de faible profondeur, ainsi qu'au moins une sous-structure continue plane très fortement dopée, enterrée dans l'émetteur ou dans la base, de très faible épaisseur et dotée de plusieurs interfaces cristallines et électriques, notamment de deux interfaces du type L-H et de deux hétéro-interfaces cristallines et, enfin, à soumettre ladite tranche, plaquette ou région de puce, notamment la face présentant l'émetteur, à un traitement thermique, à des températures et pendant des durées déterminées, de manière à obtenir dans la couche d'émetteur une hétéro-structure de matériaux différents ou de matériaux de cristallinités différentes, notamment une structure à au moins trois couches du type silicium monocristallin/silicium amoφhe ou modifié/silicium monocristallin, coïncidant avec le profil de dopage adopté et comportant des champs intrinsèques de contraintes mécaniques et électriques au niveau des zones de transition.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le traitement de la face avant consiste à introduire ou à implanter des impuretés dopantes selon un profil déterminé, présentant notamment un pic important de la concentration des impuretés coïncidant avec chaque sous-structure, le traitement tiiermique consécutif réalisant une détermination de la géométrie de chaque sous- structure, une activation des impuretés dopantes et de champs intrinsèques localisés dans les zones de transition et une guérison des défauts d'implantation d'ions d'impuretés dopantes dans l'épaisseur de la tranche, de la plaquette ou de la région de puce, avec un effet limité au niveau de chaque sous-structure enterrée.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste, lors du traitement de la face avant, à réaliser une épitaxie ou une implantation à une profondeur donnée, d'un matériau actif, notamment de Ge, suivie éventuellement d'un traitement tiiermique et d'une éventuelle épitaxie de silicium destinée à former la face avant superficielle de l'émetteur, ainsi que des zones actives de génération par impact.
4. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'U consiste à à pourvoir la tranche, plaquette ou région de puce munie d'un champ arrière et présentant une bonne qualité cristalline, d'abord d'au moins une couche amoφhisée ayant des propriétés optiques permettant l'absoφtion du rayonnement infrarouge, puis à la soumettre à une croissance épitaxiale classique d'un émetteur à au moins deux niveaux de dopage, le plus faible du côté de la jonction P-N et le plus élevé du côté de la face avant, ces deux régions de niveaux de dopage différents étant séparées par au moins une sous-structure ou couche enterrée très mince et très fortement dopée
5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le traitement de la face avant consiste à réaliser une croissance épitaxiale de l'émetteur, avec un profil de dopage comprenant notamment au moins une couche continue plane très fortement dopée constituant la ou les sous-structure (s) enterrée(s) dans l'épaisseur de l'émetteur, puis à soumettre ladite face avant à l'implantation d'ions d'un agent neutre tel que, notamment, l'hydrogène, le silicium ou analogue et à un traitement thermique formant notamment les zones actives de génération par impacts.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'U consiste, après l'implantation d'ions d'un agent neutre, à soumettre notamment l'émetteur à un traitement thermique susceptible, d'une part, de réaliser une détermination de la géométrie de la ou des sous-structure(s), une activation des impuretés dopantes et une guérison des défauts d'implantation d'ions d'agent neutre dans l'épaisseur de la tranche, de la plaquette ou de la région de puce, avec un effet limité dans la ou les sous-structure(s) enterrée(s) et, d'autre part, de modifier la cristallinité de la ou des sous-structure(s) au niveau des zones de transition électrique et de contraintes et les propriétés opto-électroniques au niveau mésoscopique par un repositionnement des hétéro-interfaces et des homo-interfaces L-H par un effet de recristallisation et de rediffusion.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le traitement thermique consiste en un recuit classique, continu ou par paliers successifs, à une température égale ou inférieure à 500° C environ, suivi éventuellement d'un recuit rapide à une température comprise entre 500° C et 1200° C, préférentiellement située autour de 1000° C environ, de la zone superficielle face avant uniquement, produisant une planéification et une formation cristalline et électrique définitive des interfaces de la ou des substructure(s) plane(s) enterrée(s) dans l'émetteur, aboutissant à la formation, d'une part, de deux homo-interfaces L-H planes, graduelles ou abruptes, situées au niveau des limites de chaque substructure après l'opération de dopage par épitaxie ou implantation et, d'autre part, de deux hétéro-interfaces planes délimitant chaque substructure après la modification cristalline et la formation des zones de transition dues au recuit.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la durée du recuit classique est comprise dans un intervalle de temps d'environ 1 à 30 minutes, en fonction des étapes thermiques consécutives éventuelles et des conditions thermiques du substrat, l'instant précis de l'arrêt dudit traitement thermique étant déterminé par la vérification de l'absoφtion d'un rayonnement lumineux d'une longueur d'onde donnée ou d'une plage de longueurs d'ondes données, particulièrement dans le domaine du rouge et du proche infrarouge.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que les homo-interfaces L-H sont confondues, deux à deux, avec les hétéro-interfaces, au niveau des limites de chaque sous-structure, lesdites hétéro-interfaces étant pourvues durant leur formation de propriétés électriques du type L-H.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que les homo-interfaces L-H sont situées à l'intérieur de chaque sous-structure définie par les hétéro-interfaces après recuit, ou encadrent cette dernière entre-elles en étant situées de part et d'autre de celle-ci.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que, pour une sous-structure donnée, l'un des couples homo- interface L-H/hétéro-interface est confondu et en ce que l'autre couple homo- interface L-H/hétéro-interface est séparé ou distinct.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser, après l'opération de traitements tiiermiques, une passivation basse température de la face avant de la tranche, plaquette ou région de puce destinée à être exposée au rayonnement lumineux.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le matériau de silicium de départ consiste en du silicium monocristallin ou polycristallin, avec une concentration d'impuretés dopantes comprise entre 5 x 10^ cm"-* et 5 x ÎO*-"*7 cm"3, ledit matériau ne comportant pas d'impuretés pouvant être activées par l'énergie d'implantation et le traitement thermique et présentant des propriétés d'autoguérison de sa structure cristalline durant l'implantation et de guérison de sa structure cristalline par recuit classique à basse température, inférieure à 500° C.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que l'émetteur présente une épaisseur inférieure à 1 μm et en ce que la jonction P-N et la jonction L-H formant le champ arrière présentent une profondeur inférieure à 1 μm.
15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que l'épaisseur finale de la ou des sous-structure(s) présente(s) dans l'émetteur est comprise entre 20 et 100 nm, ladite sous-structure au moins présente étant située à une distance comprise entre 50 et 700 mm de la face avant de la tranche, plaquette ou région de puce et présentant une forte conductivité sélective de porteurs majoritaires grâce à son dopage très élevé, supérieur notamment à environ 10^ cm"3, préférentiellement environ cent fois supérieur au dopage de l'émetteur.
16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 et 7 à 15, caractérisé en ce que l'énergie d'implantation des impuretés dopantes utilisée est de l'ordre de plusieurs dizaines ou centaines de KeV, notamment supérieure à environ 150 KeV, et en ce que la dose d'implantation utilisée correspond à un courant d'ions de l'ordre de quelques μA. cm"*-- ou de quelques fractions de μA. cm"*--, notamment inférieure à 1 μA.cm"^.
17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé que ce qu'il consiste à réaliser une unique sous-structure enterrée dans l'émetteur et destinée à présenter une activité de conversion photovoltaique efficace simultanément dans le domaine UV et visible et dans le domaine infrarouge.
18. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser plusieurs sous-structures réparties dans l'épaisseur de l'émetteur, dont chacune est dotée de deux champs combinés, à savoir un champ de contraintes mécaniques et un champ électrique, en effectuant successivement une implantation d'un matériau actif dans une plaquette ou tranche de silicium monocristallin, suivi d'une épitaxie en phase solide, liquide ou gazeuse.
19. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce qu'il consiste à créer au moins une sous-structure supplémentaire amoφhisée, très fortement dopée, enterrée dans l'émetteur ou dans la base, en particulier située par exemple au niveau de la face arrière de la base, présentant une épaisseur limitée et délimitée par deux interfaces du type L-H et par deux hétéro-interfaces cristallines ou une interface du type LTH et une hétéro-interface cristalline lorsque la sous-structure supplémentaire est située au niveau de la face arrière.
20. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce qu'U consiste à réaliser la sous-structure supplémentaire, présentant une activité accrue de conversion photovoltaique pour le rayonnement infrarouge, en créant un champ arrière dans une plaquette ou tranche de silicium monocristallin dopé bore, par diffusion d'aluminium par exemple, en opérant une auto-implantation de silicium avec des doses relativement élevées, notamment supérieures à 10^ cm"-* par exemple, pour obtenir l'amoφhisation d'une couche, dont l'épaisseur est par exemple comprise entre 20 et 400 nm, dans l'épaisseur du substrat et, enfin, en réalisant un traitement tiiermique de la plaquette ou tranche, jusqu'à aboutir à une planéification des interfaces de ladite sous-structure et des zones de transition, et à une suppression maximale de l'activité des bi-lacunes.
21. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce qu'U consiste à réaliser la sous-structure supplémentaire, présentant une activité accrue de conversion photovoltaique pour le rayonnement infrarouge, en effectuant une implantation à dose élevée, notamment supérieure à 10^ cm"3, avec une impureté dopante, telle que par exemple Al, formant le champ arrière et l'hétéro-interface de type L-H et en effectuant ensuite un traitement thermique jusqu'à aboutir à une planéification des interfaces et des zones de transition de ladite sous-structure , et à une suppression maximale des bi-lacunes.
22. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 et 20, caractérisé en ce que le traitement tiiermique consiste en un recuit classique à une température inférieure ou égale à 500° C environ de l'ensemble de la tranche, plaquette ou région de puce, suivi d'un recuit rapide à une température supérieure ou égale à 500° C de la zone superficielle de la face arrière, comprenant notamment ladite sous-structure supplémentaire.
23. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 22, caractérisé en ce que la structure finale de la tranche ou plaquette, initialement dopée p, est du type émetteur/base/région de champ arrière avec des dopages respectifs n+/p/p+, les impuretés dopantes implantées étant choisies dans le groupe formé par le phosphore, l'antimoine et l'arsenic, notamment pour la ou les sous-structure(s) enterrée(s) dans l'émetteur.
24. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 22, caractérisé en ce que la structure finale de la tranche ou plaquette, initialement dopée n, est du type émetteur base/région de champ arrière avec des dopages respectifs p+/n/n+, les impuretés dopantes étant choisies.dans le groupe formé par l'aluminium, le bore, le gallium et l'indium.
25. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 24, caractérisé en ce que la tranche ou plaquette de silicium présente une épaisseur totale comprise entre 120 μm et environ 300 μm.
26. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 24, caractérisé en ce que la tranche ou plaquette de silicium initiale présente une épaisseur comprise entre 3 μm et 120 μm et est contrecollée sur un support rigide, par exemple sur une plaque mince en acier inoxydable.
27. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 26, caractérisé en ce que la tranche, plaquette ou région de puce présente un confinement effectif des porteurs minoritaires dans la couche d'émetteur située entre la face avant et la sous-structure au moins présente ou la sous-structure la moins enterrée et, le cas échéant, entre les différentes sous-structures présentes dans l'émetteur, grâce à une passivation basse température de ladite face avant et à la création d'une barrière de potentiel au niveau de chaque sous-structure résultant de l'insertion des interfaces formant ainsi un réservoir de porteurs minoritaires d'épaisseur optimisée, en fonction notamment du dopage initial, comprise entre 50 et 700 nm environ.
28. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 27, caractérisé en ce qu'U consiste à réaliser un traitement supplémentaire au moins de la face avant de la tranche, plaquette ou région de puce, par conformation superficielle et/ou revêtement par une couche d'un matériau déterminé, de manière à réaliser un confinement optique interne ou externe dans l'épaisseur de ladite tranche, plaquette ou région de puce, notamment pour le rayonnement lumineux rouge et l'infrarouge.
29. Tranche ou plaquette de matériau photovoltaique obtenue au moyen du procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 28, consistant essentiellement en du silicium monocristallin ou polycristallin à gros grains et comprenant une couche formant émetteur au niveau de sa face avant ou destinée à être exposée, une structure de champ arrière au niveau de sa face arrière et une jonction P-N dans l'épaisseur de ladite tranche ou plaquette, caractérisée en ce qu'eUe comporte, en outre, au moins une sous-structure continue et fortement dopée de silicium amoφhisé ou modifié, enterrée dans l'épaisseur de l'émetteur et/ou dans l'épaisseur de la base et de très faible épaisseur, ladite sous-structure présentant une résistivité inférieure à celle du matériau de départ et étant délimitée par des interfaces cristallines et électriques planes, notamment par deux hétéro-interfaces cristallines planes et deux homo-interfaces L-H, confondues ou non avec les hétéro-interfaces et correspondant aux limites de la sous-structure après implantation des impuretés dopantes ou d'autres agents et avant recuit formateur, ladite au moins une sous-structure étant, en outre, pourvue, d'une part, de champs électriques intrinsèques opposés formés au niveau de chaque homo- interface L-H favorisant l'extraction des porteurs minoritaires photogénérés dans ladite sous -structure et, d'autre part, de champs de contraintes intrinsèques formés au niveau de chaque hétéro-interface α-Si/c-Si favorisant la préservation des centres de génération par impact, ladite tranche ou plaque constituant ainsi un dispositif photovoltaique multi-interface.
30. Tranche ou plaquette selon la revendication 29, caractérisée que ce qu'eUe comporte une unique sous-structure enterrée dans l'émetteur et destinée à présenter une activité de conversion photovoltaique efficace simultanément dans le domaine UV et visible et dans le domaine infrarouge.
31. Tranche ou plaquette selon la revendication 29, caractérisée en ce qu'elle comporte plusieurs sous-structures réparties dans l'épaisseur de l'émetteur, dont chacune est dotée de deux champs combinés, à savoir un champ de contraintes mécaniques et un champ électrique, l'une au moins desdites sous- structures présentant une activité accrue ou étendue de conversion photovoltaique dans le domaine des UV et du visible.
32. Tranche ou plaquette selon l'une quelconque des revendications 29 à 31, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une sous-structure supplémentaire amoφhisée, très fortement dopée, enterrée dans l'émetteur ou dans la base, en particulier située par exemple au niveau de la face arrière de la base, présentant une épaisseur limitée, préférentiellement entre 20 et 400 nm, et délimitée par deux interfaces du type L-H et par deux hétéro-interfaces cristallines lorsque ladite sous-structure supplémentaire est disposée dansla base ou l'émetteur ou par une interface du type L-H et par une hétéro-interface cristalline lorsque ladite sous-structure supplémentaire est située directement au niveau de la face arrière.
33. Tranche ou plaquette selon l'une quelconque des revendications 29 à 32, caractérisée en ce que les homo-interfaces L-H sont confondues avec les hétéro-interfaces, au niveau des limites de chaque sous-structure, lesdites hétéro- interfaces étant pourvues durant leur formation de propriétés électriques du type L-H.
34. Tranche ou plaquette selon l'une quelconque des revendications 29 à 32, caractérisée en ce que les homo-interfaces L-H sont situées à l'intérieur de chaque sous-structure définie par les hétéro-interfaces après recuit, ou encadrent cette dernière entre-elles en étant situées de part et d'autre de celle-ci.
35. Tranche ou plaquette selon l'une quelconque des revendications
29 à 32, caractérisée en ce que, pour une sous-structure donnée, l'un des couples homo-interface L-H/hétéro-interfaces est confondu et en ce que l'autre couple homo-interface L-H/hétéro-interface est séparé ou distinct.
36. Tranche ou plaquette selon l'une quelconque des revendications 29 à 35, caractérisée en ce que l'émetteur présente une épaisseur inférieure à 1 μm et en ce que la jonction P-N et la jonction L-H formant le champ arrière présentent une profondeur inférieure à 1 μm.
37. Tranche ou plaquette selon l'une quelconque des revendications 29 à 36, caractérisée en ce que l'épaisseur de la sous-structure au moins présente dans l'émetteur est comprise entre 20 et 100 nm, ladite spus-structure étant située à une distance comprise entre 50 et 700 nm de la face avant de la tranche, plaquette ou région de puce et présentant une forte conductivité sélective de porteurs majoritaires grâce à son dopage actif très élevé, supérieur notamment à environ 10^9 cm"-*, préférentiellement environ cent fois supérieur à celui des zones de l'émetteur avoisinantes.
38. Tranche ou plaquette selon la revendication 32, caractérisée en ce que la sous-structure supplémentaire est située dans la base, préférentieUement directement au niveau de la face arrière, et présente une forte conductivité sélective de porteurs majoritaires grâce à un dopage actif très élevé, notamment supérieur à environ 10^9 cm"-*, préférentiellement environ cent fois supérieur à celui des zones de la base avoisinantes.
39. Tranche ou plaquette selon l'une quelconque des revendications 29 à 38, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins deux types de sous-structure dont chacun est actif dans des parties de spectres différentes, à savoir l'un, situé dans l'émetteur, actif dans l'UV et le visible et ayant des centres de génération sous gap dans l'émetteur regroupés dans une ou plusieurs sous-structure(s) mince(s), et l'autre, préférentiellement situé dans la base, ayant des centres de photogénération sous gap dans la base regroupés dans au moins une sous-structure plus large.
40. Tranche ou plaquette selon l'une quelconque des revendications 29 à 39, caractérisée en ce que la tranche ou plaquette de silicium présente un confinement effectif des porteurs minoritaires dans la couche d'émetteur située entre la face avant et la sous-structure au moins présente dans l'émetteur ou la sous-structure la moins enterrée et, le cas échéant, entre les différentes sous- structures présentes dans l'émetteur, grâce à une passivation basse température de ladite face avant et à la création d'une barrière de potentiel au niveau de chaque sous-structure résultant de l'insertion des interfaces formant ainsi un réservoir de porteurs minoritaires d'épaisseur optimisée, en fonction notamment du dopage initial, comprise entre 50 et 700 nm environ.
41. Tranche ou plaquette selon l'une quelconque des revendications 29 à 40, caractérisée en ce qu'elle présente une épaisseur totale comprise entre environ 120 μm et environ 300 μm.
42. Tranche ou plaquette selon l'une quelconque des revendications
29 à 40, caractérisée en ce qu'elle présente une épaisseur comprise entre 3 μm et 120 μm environ et est contrecollée sur un support rigide, par exemple sur une plaque mince en acier inoxydable.
43. Cellule photovoltaique ou photopile, caractérisée en ce qu'elle comporte en tant que matériau actif une portion de tranche, une tranche ou une plaquette de matériau photovoltaique selon l'une quelconque des revendications 29 à 42, la face exposée au moins de ladite portion de tranche ou plaquette étant conformée et ou recouverte d'une couche d'un matériau déterminé de manière à constituer un confinement optique interne et/ou externe, notamment pour le rayonnement infrarouge, dans l'épaisseur dudit matériau actif.
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2722612A1 (fr) | 1996-01-19 |
| US5935345A (en) | 1999-08-10 |
| EP0770268A1 (fr) | 1997-05-02 |
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