WO1999052155A1 - Structure a semiconducteurs de composant photovoltaique - Google Patents

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WO1999052155A1
WO1999052155A1 PCT/FR1999/000565 FR9900565W WO9952155A1 WO 1999052155 A1 WO1999052155 A1 WO 1999052155A1 FR 9900565 W FR9900565 W FR 9900565W WO 9952155 A1 WO9952155 A1 WO 9952155A1
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Linh T. Nuyen
Jean-Marc Chatelanaz
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Picogiga, Societe Anonyme
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates generally to the conversion of light energy, in particular solar energy, into electrical energy by the photovoltaic effect produced in semiconductors.
  • solar cells most often use only one kind of conductive material, generally silicon or gallium arsenide GaAs.
  • the most common solar cells are made from silicon, whose band gap is 1.15 eV.
  • photons of too high energy which represent a high part of the solar spectrum outside the atmosphere (especially in the hypothesis of solar cells for satellites), are not absorbed efficiently, and the efficiency of a silicon cell, in the current state of the art, is around 0.148.
  • GaAs-based solar cells whose band gap is 1.43 eV, are more efficient for converting energy from the solar spectrum outside the atmosphere, with a yield of 0.185, ie a gain of 27% by compared to silicon.
  • GaAs is, here again, more efficient than silicon since, after five years of use on a satellite in low Earth orbit, the efficiency of a silicon cell drops to 0.11 and that of a GaAs cell at 0.16. At the end of the satellite's life, the gain in efficiency of GaAs compared to silicon thus reaches 46%.
  • GaAs cells Another advantage of GaAs cells is the possibility of producing on the GaAs layer a stack of epitaxial layers of doped semiconductor materials other than GaAs, such as GalnP (see for example WO-A-93/21661 in the name of Picogiga SA, which describes such a multispectral photovoltaic component).
  • GalnP doped semiconductor materials other than GaAs
  • GaAs cells have several disadvantages compared to silicon:
  • a structure comprising a layer of GaAs incorporating the solar cell proper, epitaxial on a crystalline germanium substrate (germanium is a material almost in mesh parameter with GaAs, which allows the epitaxy).
  • this structure is penalized by the density of germanium (5.33 g / cm 3 ), of the same order as that of GaAs and more than double that of silicon (2.33 g / cm).
  • the gain in mass is therefore almost zero, and this drawback is obviously very penalizing in terms of equipment for satellites.
  • the structure of the invention comprises, in combination a solid substrate, in particular made of silicon, and a thin-film substrate of semiconductor material, in particular a binary, ternary or quaternary III-V, IV-IV or II-VI material (typical GaAs), reported by a process of ion implantation on the surface of this massive substrate.
  • This basic structure can then be provided with at least one photovoltaic cell, epitaxied on the substrate in a thin layer and, on either side of the structure, contact points with the solid substrate and with the epitaxial cell.
  • the simple substitution of silicon for germanium for the support substrate provides a direct weight gain of the order of 15 kg for a terrestrial telecommunications satellite in low orbit, without count the indirect gains induced such as mechanical supports for lighter solar panels, less powerful deployment motors, etc. ;
  • the silicon / GaAs substrate of the invention is compatible with traditional techniques for producing solar cells based on GaAs or silicon, in particular as regards the anti-reflective layers and the making of electrical contacts.
  • the solid substrate is made of silicon and incorporates another photovoltaic cell.
  • the silicon-based solar cell thus incorporated into the solid substrate can, thanks to its band gap energy lower than that of GaAs, recover an additional part of the light spectrum of energy too weak to be absorbed by the cells based on GaAs. 4
  • the solid substrate thus plays not only a mechanical role of supporting the thin film substrate, but also an active role in the photovoltaic conversion, by association of the cell epitaxied on GaAs with that incorporated in the silicon substrate. This increases the yield of the component compared to the use of a traditional GaAs or germanium substrate.
  • the interface between the solid substrate and the thin-film substrate can be electrically conductive, which allows the two cells to be placed in series.
  • This conductive nature can be obtained in various ways: by joining together the surfaces facing the solid substrate and the substrate in a thin layer, which each comprise highly doped layers capable of forming a tunnel junction at the interface; or by providing between the surfaces facing the solid substrate and the substrate in a thin layer an intermediate layer of a conductive material such as a metallic compound, in particular an indium or palladium compound, or a conductive and optically inert material (in the case where the silicon substrate incorporates a solar cell) such as a metal oxide, in particular a tin doped indium oxide or a antimony doped tin oxide.
  • the cell epitaxied on the thin layer of GaAs can be electrically isolated from that incorporated into the substrate, which makes it possible to optimize the yield of each of the cells.
  • the cells are coupled in circuit, they produce, together, a photocurrent necessarily limited by the weakest photocurrent generated by one of the cells.
  • each is provided with its own electrodes linked separately to circuits separate from the electronics of the load block (which must have been designed accordingly) and it is then possible to optimize the overall conversion efficiency. of energy.
  • this solution although effective, had not been adopted industrially due in particular to the delicate mechanical assembly of the associated cells, implying bonding and elimination of the (expensive) substrate from the added cells.
  • this difficulty is overcome by directly transferring a thin layer of GaAs, on which the layers necessary for constituting a first cell are grown by epitaxy, on the silicon substrate already incorporating a second cell. Isolation can be obtained by providing between the surfaces facing the solid substrate and the thin-film substrate an intermediate layer made of a dielectric and optically inert material, in particular a silicon oxide or a silicon nitride, the structure comprising on either side of this intermediate layer buried contact points to the adjacent semiconductor layers.
  • a layer of conductive and optically inert material in particular a tin doped indium oxide or an antimony doped tin oxide, in contact with the buried contact sockets.
  • the structure comprises between the solid substrate and the thin-film substrate a dichroic layer capable of reflecting the non-absorbed photons of energy greater than the band gap energy of the photovoltaic cell formed on the thin-film substrate, and leaving passing the lower energy photons to the photovoltaic cell formed on the solid substrate;
  • the binary, ternary or quaternary III-V or IV-IV semiconductor material of the thin-film substrate is chosen from the group comprising GaAs, InP, GalnP, AlGaAs, SiC, SiGe and II-VI alloys;
  • the material of the photovoltaic cell epitaxied on the thin film substrate is chosen from the group comprising: GaAs, AlGaAs, GalnP, AlAsP, AlPSb, GalnAsP, AlGaAsP, InAlAsP or AlGaPSb on a thin film substrate of GaAs; InP, GalnAs, GaAsSb, AlInAs, AlAsSb, AlPSb, GalnAsP, InGaAsP, InAlAsP, AlGaPSb or
  • AlGaAsSb on a thin film substrate of InP; AlGaAs, AlInAs, GalnP, AlAsP or AlPSb on a thin film substrate of GalnP or AlGaAs; and alloys II-VI on a thin layer substrate of material II-VI.
  • a solid substrate in particular made of silicon
  • a thin layer substrate of semiconductor material in particular a binary, ternary or quaternary III-V, IV-IV or II-VI material, transferred by an ion implantation process on the surface of this solid substrate
  • a first photovoltaic cell epitaxial on this first thin film substrate
  • at least one second thin-film substrate of semiconductor material in particular a binary, ternary or quaternary III-V, IV-IV or II-VI material, transferred by an ion implantation process on the surface of the first photovoltaic cell
  • at least one second photovoltaic cell epitaxied on this second thin layer substrate.
  • the solid substrate can advantageously be made of silicon and incorporate a third photovoltaic cell.
  • FIG. 1 illustrates the three main stages of a process for producing a component according to the invention with direct transfer of the substrate as a thin layer of GaAs onto the solid silicon substrate.
  • FIG. 2 illustrates an improved version of the component of FIG. 1, integrating a second cell in the silicon substrate.
  • FIG. 3 illustrates a variant with transfer of the substrate as a thin layer of GaAs via a metallic intermediate compound.
  • FIG. 4 illustrates a variant of FIG. 2, with transfer of the substrate as a thin layer of GaAs via an electrically conductive compound transparent to light rays.
  • FIG. 5 illustrates the three main stages of a process for producing a component such as that of FIG. 2, but in which the two cells are electrically independent.
  • FIG. 6 illustrates a variant of the component of FIG. 5, with a dichroic layer at the interface optimizing the photovoltaic transformation of the first cell.
  • FIG. 7 is another variant of the component of FIG. 5, making it possible to reduce the size of the grids at the contact points at the interface.
  • FIG. 8 illustrates a variant in which the operation of transferring the substrate in a thin layer after epitaxy of the first solar cell has been repeated in order to produce a second solar cell. It is thus possible to cover a larger part of the light spectrum and to produce a broad spectrum component with very high conversion efficiency.
  • FIG. 1a there is shown the different stages of production of a photovoltaic component according to the invention, in its simplest form of implementation.
  • a solid substrate 10 is produced by techniques in themselves conventional.
  • the substrate is made of silicon, comprising a layer 12 doped n + and on the surface a layer 14 more heavily doped n ++ to subsequently allow the realization of a tunnel junction (see below).
  • Such a GaAs thin layer substrate can be obtained for example by the process described in FR-A-2 681 472, which teaches a process for transferring a thin layer (approximately 1 ⁇ m) of semiconductor from a solid substrate on a rigid support by ion implantation.
  • GaAs for the thin-film substrate is not limiting, and it is possible to provide for this substrate other binary III-V (such as InP), ternary (such as GalnP) compounds. or AlGaAs) or quaternaries, or alternatively compounds IV-IV (such as SiC or SiGe).
  • binary III-V such as InP
  • ternary such as GalnP
  • AlGaAs AlGaAs
  • quaternaries or alternatively compounds IV-IV (such as SiC or SiGe).
  • the transfer is carried out with "bonding", that is to say joining, between silicon and GaAs.
  • the adhesion to the interface is a molecular adhesion resulting from the simple contacting of the two facing surfaces (surfaces which have of course been the subject of appropriate treatment in order to present the lowest possible roughness), that is to say by the sole effect of the interaction of van der Waals.
  • This weak bond can advantageously be reinforced by chemical reaction at the interface, in particular by annealing.
  • Each of the layers then produces under the effect of the heat of the monoatomic hydrogen, these atoms combine to form hydrogen gas eliminated by diffusion and leave Si-As bonds between the layers facing each other. screw.
  • the next step consists, starting from the structure of FIG. 1b thus obtained, in growing on the thin-film substrate 18 a photovoltaic cell 22 composed of one or more p-n junctions connected by tunnel junctions.
  • This cell is epitaxied on layer 18 in the same way as it could have been on a solid GaAs substrate.
  • the technique used is conventional and will not be described in more detail.
  • contacts 24 and 26 are deposited on either side of the component.
  • the electrode 24 is in contact with the substrate 10, itself in connection with the GaAs thin film substrate 16 due to the presence of a tunnel junction between the highly doped layers 14, 20; the contact 26, meanwhile, is in direct contact with the cell 22 epitaxied on the GaAs substrate 16.
  • the cell can receive various finishing treatments on the surface, such as anti-reflection treatment, in themselves known and not forming part of the subject of the invention.
  • this thin layer 16 instead of being a pure and simple substrate, can already be provided at the time of the transfer of one or more pn junctions made previously on the substrate by heteroepitaxy; in the latter case, it is a cell which is transferred directly to the silicon substrate.
  • the cell instead of transferring a thin layer substrate and then epitaxial above a cell, the cell is first epitaxied on the thin layer, then the thin layer + cell assembly is transferred to the solid substrate of silicon.
  • FIG. 2 illustrates a variant in which the solid silicon substrate 10, in addition to its roles of mechanical support and electrical conductor, incorporates another solar cell, referenced 28.
  • the conduction between the cell 28 of the silicon substrate and the layer 20 of doped GaAs n ++ is obtained by tunnel junction, the surface layer 14 of the silicon substrate being, in this case, p ++ doped, unlike the previous case. 10
  • FIG. 3 illustrates a variant of the structure of FIG. 1e in which the thin film substrate of GaAs 16 is secured to the solid silicon substrate 10 by means of a metallic compound 30, typically a metallic compound based on indium or palladium, which provides both mechanical strength (“bonding") and electrical conductivity.
  • a metallic compound 30 typically a metallic compound based on indium or palladium, which provides both mechanical strength (“bonding") and electrical conductivity.
  • FIG. 4 illustrates a variant of the structure of FIG. 1a in which the thin film substrate of GaAs 16 is brought into contact with the solid silicon substrate 10 via an optically inert and electrically conductive compound 32.
  • materials such as metal oxides ITO (Indium-Tin Oxide, indium oxide doped with tin), or tin oxide doped with antimony, make it possible to ensure ohmic contact and the passage of current from a layer. semiconductor to another. Above all, because of their transparency, they also allow the part of the light spectrum not converted into electric current by the cell 22 epitaxied on GaAs to be converted by the cell 28 incorporated in the silicon substrate.
  • a grid 34 can optionally be provided on the surface of the layer 32, so as to have a contact point in the middle point between each of the two cells 22 and 28.
  • a similar grid can also be provided at the other interface of layer 32 with the semiconductor, in order to optimize the electrical contact.
  • FIG. 5 illustrates the successive stages of production of a component including two electrically independent solar cells.
  • the first step (FIG. 5a) consists in making a solid silicon substrate 10 incorporating a solar cell 28, in the same way as 11
  • a metallic contact grid 36 is deposited on this substrate, then an optically inactive dielectric material such as SiO 2 or Si 3 N 4 , which is planarized by polishing.
  • an optically inactive dielectric material such as SiO 2 or Si 3 N 4 , which is planarized by polishing.
  • a metallization 40 is then deposited on the GaAs substrate 16 and then a dielectric layer 42 which is polished.
  • the GaAs thin layer substrate 16 thus prepared is then transferred to the solid silicon substrate 10 (FIG. 5b), and a cell 22 is epitaxied on the GaAs substrate, in the same manner as in the case of FIG. 1.
  • the end contacts 24, 26 are removed (FIG. 5c). Care should be taken that the upper contact grid 13 has a shape identical to the buried grids 38, 40 so as not to generate additional shadows on the solar cell 28 incorporated in the silicon substrate, so as to optimize them. the yield.
  • a structure is thus obtained comprising a stack of two independent cells 22, 28, electrically isolated from one another by the dielectric layer 44, with each of the own contact points, respectively 26, 40 and 24, 38.
  • a dichroic layer can be provided.
  • FIG. 6 illustrates a variant of the component of FIG. 5, with at the interface between the thin layer of GaAs and the silicon substrate a dichroic layer 46 allowing only the photons of energy too weak to be absorbed by the cell to pass through. 22 and optimizing the photovoltaic transformation of this cell.
  • FIG. 7 illustrates an advantageous variant of the structure of FIG. 5 c, comprising a layer of a conductive and optically inactive material (for example a metal oxide such as an ITO as indicated above) at 48 and 50, between the dielectric layer 44 and, respectively, each of the buried electrodes 38, 40.
  • a conductive and optically inactive material for example a metal oxide such as an ITO as indicated above
  • FIG. 8 illustrates the possibility of stacking several thin films and their respective cells by iteration of the process described above, with materials of various natures, chosen so that the energies of bandgap of the different junctions go in decreasing direction. light path (higher band energy prohibited at the surface), thus covering the spectrum of light energies more widely.
  • the structure illustrated in this FIG. 8 thus successively comprises (the contacts at the interfaces being identical to those described above): - solid silicon substrate 10 (layer 12 doped n + and layer 14 heavily doped n ++ ),
  • Layer 32 of optically inert and electrically conductive material typically an ITO
  • First thin layer substrate 16 for example InP substrate (n + 52 doped layer and n ++ 54 heavily doped layer at the interface with the n ++ 14 layer of the silicon substrate),
  • second thin layer substrate 16 ′ for example GaAs with layers 18 and 20,
  • the two cells 22 and 56 are electrically in series, the connection sockets being produced by the end contacts 24 and 26.
  • the connection sockets being produced by the end contacts 24 and 26.
  • Cell 56 InP substrate and epitaxy of InP, GalnAs, GaAsSb, AlInAs, ALAsSb or AlPSb layers
  • cell 22 GaAs substrate and epitaxy of GaAs, AlGaAs, GalnP, AlAsP or AlPSb layers
  • - cell 56 GaAs substrate and epitaxy of GaAs, AlGaAs, GalnP, AlAsP or AlPSb layers
  • cell 22 GalnP or AlGaAs substrate and epitaxy of AlGaAs, AlInAs, GalnP, AlAsP or AlPSb layers.
  • all the variants exposed on the occasion of the figures 13 previous are applicable to this configuration with stacking of several thin films.

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Abstract

Cette structure comprend un substrat massif (10), notamment en silicium, et un substrat en couche mince (16) en matériau semiconducteur, notamment un matériau III-V, IV-IV ou II-VI binaire, ternaire ou quaternaire, reporté par un procédé d'implantation ionique en surface de ce substrat massif, au moins une cellule photovoltaïque (22), épitaxiée sur le substrat en couche mince et, de part et d'autre de la structure, des prises de contact (24, 26) au substrat massif et à la cellule épitaxiée. Avantageusement, le substrat massif est en silicium et incorpore une autre cellule photovoltaïque (28). Le matériau du substrat en couche mince est choisi dans le groupe comprenant GaAs, InP, GaInP, AlGaAs, SiC, SiGe et les alliages II-VI.

Description

Structure à semiconducteurs de composant photovoltaïque
L'invention concerne de façon générale la conversion de l'énergie lumineuse, notamment de l'énergie solaire, en énergie électrique par l'effet photovoltaïque produit dans les semiconducteurs.
Les composants mettant en œuvre cet effet, généralement appelés "cellules solaires", n'utilisent le plus souvent qu'une seule espèce de matériau conducteur, généralement le silicium ou l'arséniure de gal- lium GaAs.
Les cellules solaires les plus courantes sont réalisées à partir de silicium, dont la bande interdite est de 1,15 eV. Néanmoins, les photons de trop forte énergie, qui représentent une part élevée du spectre solaire hors atmosphère (notamment dans l'hypothèse de cellules solaires pour satellites), ne pas sont absorbés efficacement, et le rendement d'une cellule silicium, dans l'état actuel de l'art, est de l'ordre de 0,148.
Les cellules solaires à base de GaAs, dont la bande interdite est de 1,43 eV, sont en revanche plus efficaces pour la conversion de l'énergie du spectre solaire hors atmosphère, avec un rendement de 0,185, soit un gain de 27 % par rapport au silicium.
Un autre facteur important, dans le cas des cellules pour satellites, est l'incidence des radiations, qui ont tendance à dégrader à la longue les performances des cellules solaires embarquées.
A cet égard, le GaAs est, ici encore, plus performant que le silicium puisque, après cinq années d'utilisation sur un satellite en orbite terrestre basse altitude, le rendement d'une cellule silicium tombe à 0,11 et celui d'une cellule GaAs à 0,16. En fin de vie du satellite, le gain en efficacité du GaAs par rapport au silicium atteint ainsi 46 %.
Un autre avantage des cellules GaAs est la possibilité de réaliser sur la couche de GaAs un empilement de couches épitaxiée de matériaux semiconducteurs dopés autres que GaAs, comme GalnP (voir par exemple le WO-A-93/21661 au nom de Picogiga SA, qui décrit un tel composant photovoltaïque multispectral). Avec deux cellules solaires GalnP/GaAs reliées par jonction tunnel et épitaxiées sur GaAs, on at- teint un rendement de 0,257, soit un gain de 38 % par rapport à une cellule GaAs à une seule jonction. En augmentant encore le nombre et la spécificité des cellules vis-à-vis des différentes régions du spectre lumineux, on peut ainsi réaliser des composants à très haut rendement de conversion photovoltaïque, en empilant un nombre important de cellules solaires d'énergies de bande interdite échelonnées.
Néanmoins, les cellules GaAs présentent plusieurs inconvénients par rapport au silicium :
— coût du substrat de GaAs, beaucoup plus élevé ; contrairement aux circuits intégrés où un grand nombre de composants peut être réalisé sur une même tranche, répartissant ainsi le coût matière, les cellules solaires sont grandes consommatrices de surfaces de matériau et aucune économie ne peut être réalisée par intégration ;
— fragilité des substrats de GaAs, qui rend difficile leur utilisation embarquée sur des satellites. — moindre conductibilité thermique.
Pour remédier à ces inconvénients, on a proposé une structure comportant une couche de GaAs incorporant la cellule solaire proprement dite, épitaxiée sur un substrat de germanium cristallin (le germanium est un matériau quasiment accordé en paramètre de maille avec GaAs, ce qui permet l'épitaxie).
Cette solution est actuellement celle qui est privilégiée pour l'équipement des satellites en orbite terrestre basse altitude, car elle permet de s'affranchir de la fragilité et du coût matière du substrat de GaAs. Toutefois, le coût matière du germanium, bien qu'inférieur à celui du GaAs, est loin d'être néghgeable, compte tenu de sa rareté naturelle et des faibles capacités de production actuelles.
De plus et surtout, cette structure est pénalisée par la densité du germanium (5,33 g/cm3), du même ordre que celle de GaAs et plus du double de celle du silicium (2,33 g/cm ). Le gain en masse est donc qua- siment nul, et cet inconvénient est bien évidemment très pénalisant en matière d'équipements pour satellites.
L'un des but de l'invention est de proposer une structure de composant photovoltaïque qui combine les avantages électriques des cellules réalisées sur substrat de GaAs et les avantages mécaniques et économi- ques des cellules silicium. Essentiellement, la structure de l'invention comprend, en combinaison un substrat massif, notamment en silicium, et un substrat en couche mince en matériau semiconducteur, notamment un matériau III-V, IV-IV ou II- VI binaire, ternaire ou quaternaire (typiquement GaAs), reporté par un procédé d'implantation ionique en surface de ce substrat massif.
Cette structure de base peut être ensuite pourvue d'au moins une cellule photovoltaïque, épitaxiée sur le substrat en couche mince et, de part et d'autre de la structure, de prises de contact au substrat massif et à la cellule épitaxiée.
Cette structure présente de nombreux avantages :
— tout d'abord, il est possible de réaliser des cellules solaires sur GaAs, dont les performances sont supérieures à celles des cellules silicium, et au moins égales à celles de cellules GaAs classiques ; — on bénéficie en outre de la robustesse, de la légèreté et de la conductibilité thermique du silicium ;
— en particulier, en ce qui concerne le gain de poids, la simple substitution du silicium au germanium pour le substrat support procure un gain de poids direct de l'ordre de 15 kg pour un satellite terres- tre de télécommunications en orbite basse, sans compter les gains indirects induits tels que supports mécaniques des panneaux solaires plus légers, moteurs de déploiement moins puissants, etc. ;
— le substrat silicium/GaAs de l'invention est compatible avec les techniques traditionnelles de réalisation de cellules solaires à base de GaAs ou de silicium, notamment en ce qui concerne les couches antireflets et la prise des contacts électriques.
— on s'affranchit totalement du coût et des difficultés d'approvisionnement du germanium, avec un coût matière final très proche de celui du seul silicium. Avantageusement, le substrat massif est en silicium et incorpore une autre cellule photovoltaïque.
La cellule solaire à base de silicium ainsi incorporée au substrat massif peut, grâce à son énergie de bande interdite inférieure à celle de GaAs, récupérer une partie supplémentaire du spectre lumineux d'é- nergie trop faible pour être absorbée par les cellules à base de GaAs. 4
Le substrat massif joue ainsi non seulement un rôle mécanique de support du substrat en couche mince, mais également un rôle actif dans la conversion photovoltaïque, par association de la cellule épitaxiée sur GaAs avec celle incorporée au substrat silicium. Ceci augmente le ren- dément du composant par rapport à l'utilisation d'un substrat traditionnel en GaAs ou germanium.
L'interface entre le substrat massif et le substrat en couche mince peut être électriquement conductrice, ce qui permet la mise en série des deux cellules. Ce caractère conducteur peut être obtenu de diverses manières : en accolant l'une à l'autre les surfaces en vis-à-vis du substrat massif et du substrat en couche mince, qui comportent chacune des couches fortement dopées propres à former une jonction tunnel à l'interface ; ou en prévoyant entre les surfaces en vis-à-vis du substrat massif et du subs- trat en couche mince une couche intercalaire en un matériau conducteur tel qu'un composé métallique, notamment un composé d'indium ou de palladium, ou encore un matériau conducteur et optiquement inerte (dans le cas où le substrat silicium incorpore une cellule solaire) tel qu'un oxyde métallique, notamment un oxyde d'indium dopé étain ou un oxyde d'étain dopé antimoine.
En variante, si l'on recherche un rendement maximal, la cellule épitaxiée sur la couche mince de GaAs peut être isolée électriquement de celle incorporée au substrat, ce qui permet d'optimiser le rendement de chacune des cellules. En effet, si les cellules sont couplées en circuit, elles produisent, ensemble, un photocourant nécessairement limité par le plus faible photocourant généré par l'une des cellules. En isolant les cellules, chacune est pourvue d'électrodes propres liées séparément à des circuits distincts de l'électronique du bloc de charge (qui devra avoir été conçu en conséquence) et il est alors possible d'optimiser le rende- ment global de conversion d'énergie.
Jusqu'à présent cette solution, bien que performante, n'avait pas été retenue industriellement en raison notamment de l'assemblage mécanique délicat des cellules associées, impliquant un collage et une élimination du substrat (coûteux) des cellules rapportées. Dans le cadre de l'invention, on s'affranchit de cette difficulté en reportant directement une couche mince de GaAs, sur laquelle on fait croître par épitaxie les couches nécessaires à la constitution d'une première cellule, sur le substrat silicium incorporant déjà une deuxième cellule. L'isolement peut être obtenu en prévoyant entre les surfaces en vis-à-vis du substrat massif et du substrat en couche mince une couche intercalaire en un matériau diélectrique et optiquement inerte, notamment un oxyde de silicium ou un nitrure de silicium, la structure comportant de part et d'autre de cette couche intercalaire des prises enter- rées de contact aux couches semiconductrices adjacentes. Avantageusement, il est également prévu une couche de matériau conducteur et optiquement inerte, notamment un oxyde d'indium dopé étain ou un oxyde d' étain dopé antimoine, en contact avec les prises de contact enterrées. Selon d'autres caractéristiques préférentielles de l'invention :
— la structure comprend entre le substrat massif et le substrat en couche mince une couche dichroïque propre à réfléchir les photons non absorbés d'énergie supérieure à l'énergie de bande interdite de la cellule photovoltaïque formée sur le substrat en couche mince, et à laisser passer les photons d'énergie inférieure vers la cellule photovoltaïque formée sur le substrat massif ;
— le matériau semiconducteur III-V ou IV-IV binaire, ternaire ou quaternaire du substrat en couche mince est choisi dans le groupe comprenant GaAs, InP, GalnP, AlGaAs, SiC, SiGe et les alliages II-VI ;
— le matériau de la cellule photovoltaïque épitaxiée sur le substrat en couche mince est choisi dans le groupe comprenant : GaAs, AlGaAs, GalnP, AlAsP, AlPSb, GalnAsP, AlGaAsP, InAlAsP ou AlGaPSb sur un substrat en couche mince de GaAs ; InP, GalnAs, GaAsSb, AlInAs, AlAsSb, AlPSb, GalnAsP, InGaAsP, InAlAsP, AlGaPSb ou
AlGaAsSb sur un substrat en couche mince d'InP ; AlGaAs, AlInAs, GalnP, AlAsP ou AlPSb sur un substrat en couche mince de GalnP ou AlGaAs ; et les alliages II-VI sur un substrat en couche mince de matériau II-VI. II est également possible de réaliser conformément aux enseigne- ments de l'invention des cellules multispectrales comprenant successivement : un substrat massif, notamment en silicium ; un substrat en couche mince en matériau semiconducteur, notamment un matériau III-V, IV-IV ou II-VI binaire, ternaire ou quaternaire, reporté par un procédé d'implantation ionique en surface de ce substrat massif ; une première cellule photovoltaïque, épitaxiée sur ce premier substrat en couche mince ; au moins un second substrat en couche mince en matériau semiconducteur, notamment un matériau III-V, IV-IV ou II-VI binaire, ternaire ou quaternaire, reporté par un procédé d'implantation ionique en surface de la première cellule photovoltaïque ; et au moins une seconde cellule photovoltaïque, épitaxiée sur ce second substrat en couche mince. Le substrat massif peut avantageusement être en silicium et incorporer une troisième cellule photovoltaïque.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée ci-dessous de divers exemples de mise en œuvre, faite en référence aux dessins annexés. La figure 1 illustre les trois étapes principales d'un processus de réalisation d'un composant selon l'invention avec report direct du substrat en couche mince de GaAs sur le substrat massif silicium.
La figure 2 illustre une version perfectionnée du composant de la figure 1, intégrant une seconde cellule dans le substrat silicium. La figure 3 illustre une variante avec report du substrat en couche mince de GaAs via un composé intermédiaire métallique.
La figure 4 illustre une variante de la figure 2, avec report du substrat en couche mince de GaAs via un composé conducteur électrique transparent aux rayons lumineux. La figure 5 illustre les trois étapes principales d'un processus de réalisation d'un composant tel que celui de la figure 2, mais dans lequel les deux cellules sont électriquement indépendantes.
La figure 6 illustre une variante du composant de la figure 5, avec à l'interface une couche dichroïque optimisant la transformation photo- voltaïque de la première cellule. La figure 7 est une autre variante du composant de la figure 5, permettant de réduire la taille des grilles aux prises de contact à l'interface.
La figure 8 illustre une variante dans laquelle on a renouvelé l'opération de report de substrat en couche mince après épitaxie de la première cellule solaire pour réaliser une seconde cellule solaire. On peut ainsi couvrir une partie plus importante du spectre lumineux et réaliser un composant large spectre à très haut rendement de conversion.
Sur la figure 1, on a représenté les différentes étapes de réalisation d'un composant photovoltaïque selon l'invention, dans sa forme de mise en œuvre la plus simple. Dans une première étape, illustré figure la, on produit par des techniques en elles-mêmes classiques un substrat massif 10.
Dans cet exemple, le substrat est en silicium, comprenant une couche 12 dopée n+ et en surface une couche 14 plus fortement dopée n++ pour permettre ultérieurement la réalisation d'une jonction tunnel (voir plus bas).
Ce choix n'est cependant pas limitatif et d'autres matériaux peuvent être envisagés, dès lors que le substrat présente les propriétés mécaniques et de conductivité requises.
On prépare par ailleurs un substrat en couche mince 16, typique- ment de GaAs, avec une couche 18 dopée n+ et en surface une couche 20 plus fortement dopée n++, pour les mêmes raisons.
Un tel substrat en couche mince de GaAs peut être obtenu par exemple par le procédé décrit dans le FR-A-2 681 472, qui enseigne un procédé de report d'une couche mince (environ 1 μm) de semiconducteur d'un substrat massif sur un support rigide par implantation ionique.
D'autres procédés de report de couche mince par implantation ionique peuvent être également utilisés, notamment celui décrit dans la demande de brevet US 08/866,951 (1997) aux noms de Q. Y. Tong et U. Gôsele. Ces techniques sont applicables à la production de plaques de 8
grand diamètre de 4" (10 cm), 6" (15 cm) ou plus, permettant ainsi de réaliser des cellules solaires à l'échelon industriel.
Par ailleurs, le choix de GaAs pour le substrat en couche mince n'est pas limitatif, et l'on peut prévoir pour ce substrat d'autres compo- ses III-V binaires (tels qu'InP), ternaires (tels que GalnP ou AlGaAs) ou quaternaires, ou encore des composés IV-IV (tels que SiC ou SiGe).
Après report du substrat en couche mince GaAs 16 sur le substrat massif silicium 10, on obtient la structure illustrée figure lb.
Le report est effectué avec "bonding", c'est-à-dire solidarisation, entre silicium et GaAs.
Dans un premier temps, juste après le report, l'adhésion à l'interface est une adhésion moléculaire résultant de la simple mise en contact des deux surfaces en vis-à-vis (surfaces qui ont bien entendu fait l'objet d'un traitement approprié afin de présenter la rugosité la plus faible possible), c'est-à-dire par le seul effet de l'interaction de van der Waals.
Cette liaison faible peut être avantageusement renforcée par réaction chimique à l'interface, notamment par un recuit. Chacune des couches produit alors sous l'effet de la chaleur de l'hydrogène monoatomi- que, ces atomes se combinent en formant de l'hydrogène gazeux éliminé par diffusion et laissent subsister des liaison Si-As entre les couches en vis-à-vis.
D'autres modes de "bonding" sont possibles, par exemple par l'intermédiaire de matériaux électriquement conducteurs (oxydes métalli- ques) ou, au contraire, diélectriques (ces aspects seront détaillés plus loin, notamment en référence aux figures 3 et 5).
L'étape suivante consiste, à partir de la structure de la figure lb ainsi obtenue, à faire croître sur le substrat en couche mince 18 une cellule photovoltaïque 22 composée d'une ou plusieurs jonctions p-n re- liées par des jonctions tunnel. Cette cellule est épitaxiée sur la couche 18 de la même manière qu'elle aurait pu l'être sur un substrat de GaAs massif. La technique employée est classique et ne sera pas décrite plus en détail.
On peut notamment citer comme choix d'alliages III-V binaires, ternaires ou quaternaires épitaxiés sur la couche mince : — couches GaAs, AlGaAs, GalnP, AlAsP, AlPSb, GalnAsP, AlGaAsP, InAlAsP ou AlGaPSb épitaxiées sur substrat GaAs ;
— couches InP, GalnAs, GaAsSb, AlInAs, AlAsSb, AlPSb, GalnAsP, InGaAsP, InAlAsP, AlGaPSb ou AlGaAsSb épitaxiées sur substrat InP ;
— couches AlGaAs, AlInAs, GalnP, AlAsP ou AlPSb épitaxiées sur substrat GalnP ou AlGaAs.
Ces alliages peuvent également être des alliages II-VI, notamment ZnSe, ZnS, CdTe ou HgSe. Enfin, des contacts 24 et 26 sont déposés de part et d'autre du composant. L'électrode 24 est en contact avec le substrat 10, lui-même en liaison avec le substrat en couche mince GaAs 16 du fait de la présence d'une jonction tunnel entre les couches 14, 20 fortement dopées ; le contact 26, quant à lui, est en contact direct avec la cellule 22 épitaxiée sur le substrat GaAs 16.
Enfin, la cellule peut recevoir en surface divers traitements de finition, tels que traitement antireflets, en eux-mêmes connus et ne faisant pas partie de l'objet de l'invention.
Par ailleurs, bien que dans la suite on fasse référence, pour la cou- che mince 16, à un "substrat", c'est-à-dire une couche de base sur laquelle seront formés des composants par gravure, épitaxie, etc., cette couche mince 16, au lieu d'être un substrat pur et simple, peut déjà être pourvue au moment du report d'une ou plusieurs jonctions p-n réalisées préalablement sur le substrat par hétéroépitaxie ; dans ce dernier cas, c'est une cellule que l'on reporte directement sur le substrat silicium. En d'autres termes, au lieu de reporter un substrat en couche mince puis d'épitaxier dessus une cellule, on épitaxie d'abord la cellule sur la couche mince, puis on reporte l'ensemble couche mince+cellule sur le substrat massif de silicium. La figure 2 illustre une variante dans laquelle le substrat massif silicium 10, outre ses rôles de support mécanique et de conducteur électrique, incorpore une autre cellule solaire, référencée 28. La conduction entre la cellule 28 du substrat silicium et la couche 20 de GaAs dopée n++ est obtenue par jonction tunnel, la couche de surface 14 du substrat silicium étant, dans ce cas, dopée p++, contrairement au cas précédent. 10
La figure 3 illustre une variante de la structure de la figure le dans laquelle le substrat en couche mince de GaAs 16 est solidarisé au substrat massif silicium 10 par l'intermédiaire d'un composé métallique 30, typiquement un composé métallique à base d'indium ou de palladium, qui procure à la fois tenue mécanique ("bonding") et conductivité électrique.
La figure 4 illustre une variante de la structure de la figure le dans laquelle le substrat en couche mince de GaAs 16 est mis en contact avec le substrat massif silicium 10 par l'intermédiaire d'un composé opti- quement inerte et électriquement conducteur 32. En particulier, des matériaux tels que les oxydes métalliques ITO (Indium-Tin Oxide, oxyde d'indium dopé étain), ou encore oxyde d'étain dopé antimoine, permettent d'assurer le contact ohmique et le passage du courant d'une couche semiconductrice à l'autre. Surtout, du fait de leur transparence ils permettent également à la partie du spectre lumineux non convertie en courant électrique par la cellule 22 épitaxiée sur GaAs d'être convertie par la cellule 28 incorporée au substrat silicium.
On peut éventuellement prévoir une grille 34 à la surface de la couche 32, de manière à disposer d'une prise de contact en point milieu entre chacune des deux cellules 22 et 28. Une grille semblable peut être également prévue à l'autre interface de la couche 32 avec le semiconducteur, afin d'optimiser le contact électrique.
On peut par ailleurs avantageusement déposer une couche dichroï- que entre le substrat en couche mince 16 et le substrat massif silicium 10, pour ne laisser passer que les photons d'énergie inférieure aux énergies de bandes interdites de la cellule 22, ceci afin d'optimiser la conversion photovoltaïque de cette dernière.
De la même façon, et de manière en elle-même connue, on peut épi- taxier sur le substrat en couche mince une pluralité de cellules solaires d'énergies de bande interdite échelonnées, de manière à réaliser un composant large spectre à très haut rendement de conversion.
La figure 5 illustre les étapes successives de réalisation d'un composant incluant deux cellules solaires électriquement indépendantes.
La première étape (figure 5a) consiste à réaliser un substrat massif silicium 10 incorporant une cellule solaire 28, de la même manière que 11
pour la structure de la figure 2.
Après l'épitaxie de la cellule solaire, on dépose sur ce substrat une grille métallique de contact 36, puis un matériau diélectrique optiquement inactif tel que SiO2 ou Si3N4, que l'on aplanit par polissage. De la même façon, on dépose sur le substrat GaAs 16 une métalli- sation 40 puis une couche diélectrique 42 que l'on polit.
Le substrat en couche mince GaAs 16 ainsi préparé est alors reporté sur le substrat massif silicium 10 (figure 5b), et l'on épitaxie une cellule 22 sur le substrat GaAs, de la même manière que dans le cas de la figure 1.
On dépose enfin les contacts d'extrémités 24, 26 (figure 5c). Il y a lieu de prendre soin que la grille supérieure de contact 13 ait une forme identique aux grilles enfouies 38, 40 afin de ne pas générer d'ombres supplémentaires sur la cellule solaire 28 incorporée au substrat sili- cium, de manière à en optimiser le rendement.
On obtient ainsi une structure comportant un empilement de deux cellules 22, 28 indépendantes, isolées électriquement l'une de l'autre par la couche diélectrique 44, avec chacune des prises de contact propres, respectivement 26, 40 et 24, 38. En rendant électriquement indépendantes les cellules solaires, on peut optimiser séparément la conversion photovoltaïque. Ici encore, on peut prévoir une couche dichroïque.
La figure 6 illustre une variante du composant de la figure 5, avec à l'interface entre la couche mince de GaAs et le substrat de silicium une couche dichroïque 46 ne laissant passer que les photons d'énergie trop faible pour être absorbés par la cellule 22 et optimisant la transformation photovoltaïque de cette cellule.
La figure 7 illustre une variante avantageuse de la structure de la figure 5 c, comprenant une couche d'un matériau conducteur et opti- quement inactif (par exemple un oxyde métallique tel qu'un ITO comme indiqué plus haut) en 48 et 50, entre la couche diélectrique 44 et, respectivement, chacune des électrodes enfouies 38, 40. Cette configuration permet une collecte efficace du courant électrique issu des cellules et autorise une réduction de la surface occupée par les grilles de con- tact, augmentant d'autant la surface illuminée. 12
La figure 8 illustre la possibilité d'empiler plusieurs films minces et leurs cellules respectives par itération du processus décrit plus haut, avec des matériaux de natures variées, choisis de manière que les énergies de bandes interdites des différentes jonctions aillent en décroissant dans le sens de parcours de la lumière (plus forte énergie de bande interdite en surface), en couvrant ainsi plus largement le spectre des énergies lumineuses. La structure illustrée sur cette figure 8 comporte ainsi successivement (les contacts aux interfaces étant identiques à ceux décrits précédemment) : — substrat massif silicium 10 (couche 12 dopée n+ et couche 14 fortement dopée n++),
— couche 32 de matériau optiquement inerte et conducteur électrique (typiquement un ITO),
— premier substrat en couche mince 16, par exemple substrat InP (couche dopée n+ 52 et couche fortement dopée n++ 54 à l'interface avec la couche n++ 14 du substrat silicium),
— première cellule 56, épitaxiée sur InP,
— couche intermédiaire 58 d'un matériau en accord de paramètre de maille avec celui de la cellule 56, — deuxième couche 32' d'ITO,
— deuxième substrat en couche mince 16', par exemple GaAs avec couches 18 et 20,
— deuxième cellule 22 épitaxiée sur GaAs.
Les deux cellules 22 et 56 sont électriquement en série, les prises de connexion étant réalisées par les contacts d'extrémités 24 et 26. Comme structures avantageuses de cellules, on peut prévoir :
— cellule 56 : substrat InP et épitaxie de couches InP, GalnAs, GaAsSb, AlInAs, ALAsSb ou AlPSb, et cellule 22 : substrat GaAs et épitaxie de couches GaAs, AlGaAs, GalnP, AlAsP ou AlPSb ; ou — cellule 56 : substrat GaAs et épitaxie de couches GaAs, AlGaAs, GalnP, AlAsP ou AlPSb, et cellule 22 : substrat GalnP ou AlGaAs et épitaxie de couches AlGaAs, AlInAs, GalnP, AlAsP ou AlPSb. Dans ce cas, on peut éventuellement prévoir une cellule solaire incorporée au substrat de silicium. Bien entendu toutes les variantes exposées à l'occasion des figures 13 précédentes sont applicables à cette configuration avec empilement de plusieurs films minces.

Claims

14REVENDICATIONS
1. Une structure à semiconducteurs de composant photovoltaïque, caractérisée en ce qu'elle comprend, en combinaison : — un substrat massif (10), notamment en silicium, et
— un substrat en couche mince (16) en matériau semiconducteur, notamment un matériau III-V, IV-IV ou II-VI binaire, ternaire ou quaternaire, reporté par un procédé d'implantation ionique en surface de ce substrat massif.
2. La structure de la revendication 1, comprenant en outre :
— au moins une cellule photovoltaïque (22), épitaxiée sur le substrat en couche mince, et
— de part et d'autre de la structure, des prises de contact (24, 26) au substrat massif et à la cellule épitaxiée .
3. La structure de la revendication 1, dans laquelle le substrat massif est en silicium et incorpore une autre cellule photovoltaïque (28).
4. La structure de la revendication 1, dans laquelle l'interface entre le substrat massif et le substrat en couche mince est électriquement conductrice.
5. La structure de la revendication 4, dans laquelle les surfaces en vis-à-vis du substrat massif et du substrat en couche mince sont accolées l'une à l'autre et comportent chacune des couches fortement dopées (14, 20) propres à former une jonction tunnel à ladite interface.
6. La structure de la revendication 4, comportant entre les surfaces en vis-à-vis du substrat massif et du substrat en couche mince une couche intercalaire (30) en un matériau conducteur.
7. La structure de la revendication 6, dans laquelle le matériau conducteur de la couche intercalaire (30) est un composé métallique, 15
notamment un composé d'indium ou de palladium.
8. La structure des revendication 3 et 4 prises en combinaison, comportant entre les surfaces en vis-à-vis du substrat massif et du substrat en couche mince une couche intercalaire (32) en un matériau conducteur et optiquement inerte.
9. La structure de l'une des revendications 6 et 8, dans laquelle le matériau de la couche intercalaire (32) est un oxyde métallique, notam- ment un oxyde d'indium dopé étain ou un oxyde d'étain dopé antimoine.
10. La structure de la revendication 3, comportant entre les surfaces en vis-à-vis du substrat massif et du substrat en couche mince une couche intercalaire (44) en un matériau diélectrique et optiquement inerte, notamment un oxyde de silicium ou un nitrure de silicium, et comportant en outre de part et d'autre de cette couche intercalaire des prises enterrées (38, 40) de contact aux couches semiconductrices adjacentes.
11. La structure de la revendication 10, comportant en outre, de part et d'autre de la couche intercalaire en matériau diélectrique, et en contact avec les prises de contact enterrées, une couche (48, 50) de matériau conducteur et optiquement inerte, notamment un oxyde d'indium dopé étain ou un oxyde d'étain dopé antimoine.
12. La structure de la revendication 3, comprenant entre le substrat massif et le substrat en couche mince une couche dichroïque (46) propre à réfléchir les photons non absorbés d'énergie supérieure à l'énergie de bande interdite de la cellule photovoltaïque formée sur le substrat en couche mince, et à laisser passer les photons d'énergie inférieure vers la cellule photovoltaïque formée sur le substrat massif.
13. La structure de la revendication 1, dans laquelle le matériau semiconducteur III-V ou IV-IV binaire, ternaire ou quaternaire du substrat en couche mince (16) est choisi dans le groupe comprenant 16
GaAs, InP, GalnP, AlGaAs, SiC, SiGe et les alliages II-VI.
14. La structure de la revendication 2, dans laquelle le matériau de la cellule photovoltaïque (22) épitaxiée sur le substrat en couche mince est choisi dans le groupe comprenant : GaAs, AlGaAs, GalnP, AlAsP, AlPSb, GalnAsP, AlGaAsP, InAlAsP ou AlGaPSb sur un substrat en couche mince de GaAs ; InP, GalnAs, GaAsSb, AlInAs, AlAsSb, AlPSb, GalnAsP, InGaAsP, InAlAsP, AlGaPSb ou AlGaAsSb sur un substrat en couche mince d'InP ; AlGaAs, AlInAs, GalnP, AlAsP ou AlPSb sur un substrat en couche mince de GalnP ou AlGaAs ; et les alliages II-VI sur un substrat en couche mince de matériau II-VI.
15. La structure de la revendication 2, comprenant successivement : — un substrat massif (10), notamment en silicium,
— un substrat en couche mince (16) en matériau semiconducteur, notamment un matériau III-V, IV-IV ou II-VI binaire, ternaire ou quaternaire, reporté par un procédé d'implantation ionique en surface de ce substrat massif, — une première cellule photovoltaïque (56), épitaxiée sur ce premier substrat en couche mince,
— au moins un second substrat en couche mince (16') en matériau semiconducteur, notamment un matériau III-V, IV-IV ou II-VI binaire, ternaire ou quaternaire, reporté par un procédé d'implantation ionique en surface de la première cellule photovoltaïque, et
— au moins une seconde cellule photovoltaïque (22), épitaxiée sur ce second substrat en couche mince.
16. La structure de la revendication 15, dans laquelle le substrat massif est en silicium et incorpore une troisième cellule photovoltaïque
(28).
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