WO2016132062A1 - Structure pour dispositifs photovoltaïques à bande intermédiaire - Google Patents

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WO2016132062A1
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semiconductor material
manufacturing
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Pablo GARCIA-LINARES
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Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
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Definitions

  • the present invention relates to the field of third generation photovoltaic devices and high efficiency solar cells. More specifically, the invention provides a method of manufacturing a structure for an intermediate band photovoltaic device such as an intermediate band solar cell. According to a second aspect, the invention relates to a method for manufacturing an intermediate band semiconductor layer stack for an intermediate band multi-junction photovoltaic device such as an intermediate band multi-junction photovoltaic solar cell. According to a third aspect, the invention relates to a structure for intermediate band photovoltaic devices and a stack of structures for multiband intermediate band photovoltaic devices.
  • CSBI intermediate band solar cell
  • This type of intermediate band cell is based on the realization of a new semiconductor material comprising an energy band within the forbidden band of the semiconductor material and which is placed between the conduction band and the valence band.
  • This intermediate band makes it possible to absorb photons of energies lower than the energy of the forbidden band of the semiconductor, thus widening the absorption range of the solar spectrum and producing a higher photo-generated current.
  • This is a photovoltaic concept of high current and high voltage that increases the efficiency of a mono-junction cell beyond the conventional threshold (40.7%) and up to 63.2% (theoretical value) for the maximum concentration level.
  • Such a cell can be made from two types of intermediate band materials: so-called "bulk” materials or nanomaterials; each of these materials being placed between an emitter layer of a p-type doped semiconductor material and an emitter layer of an n-type doped semiconductor material so as to separate the intermediate-band semiconductor material layer from the electrical contacts formed on the solar cell to extract the current.
  • 'bulk' intermediate band materials is achieved by introducing elements, sometimes called impurities, with a very high concentration in the volume of the semiconductor material constituting the crystal lattice commonly called 'matrix'.
  • Intermediate band nanomaterials are mainly obtained by growth of zero-dimensional nanometric structures that provide a confinement of electrons in the three spatial directions, such as quantum dots or dots, also known as quantum dots (QDs).
  • QDs quantum dots
  • the growth of the n-type or p-type emitter layer on the intermediate-band layer may require the use of high temperatures, in particular to achieve a very good crystallographic quality (few defects for a weak recombination).
  • the stability of the intermediate band material is not ensured at high temperatures. This material can be degraded and a diffusion of its impurities can take place to the transmitter.
  • the material used as a transmitter and the intermediate band material may have the same type of crystal lattice, but there may be a technical difficulty or impossibility of growing one of these materials in the same machine or growth system used to grow the other material.
  • the intermediate band material is based on a complex crystalline structure that requires special growth conditions (temperature, atmosphere, different crystal lattices ). In this case, it may happen that the layers corresponding to the p-type and / or n-type emitters (semiconductor material without an intermediate band) can not be formed by epitaxy with the necessary quality from this intermediate band material.
  • the growth of certain materials depending on their doping and their nature, is not feasible in the same growth system as the intermediate band material. For example, growing an SiTi intermediate band material on silicon requires increasing the temperature. The titanium then diffuses into the silicon so that the intermediate band material degrades.
  • the emitting layers and the intermediate band material do not necessarily have the same type of crystal lattice so that their growth can be performed in the same growth system.
  • growth methods adapted to each material must be applied so that the structure is complex to manufacture monolithically, with crystal continuity, without defects and with a pn junction.
  • the nanomaterial with an intermediate band is a material that is very sensitive to growth conditions.
  • the quantum dots present constraints or "stress", such as shear or fatigue-type mechanical stresses, originating from the semiconductor material from which they were manufactured. These constraints are accentuated by the epitaxial growth conditions of the material of the emitter layer formed on the intermediate band layer.
  • the purpose of the present invention is to overcome at least one of these disadvantages encountered in the manufacture of intermediate band photovoltaic device.
  • the present invention proposes a method for manufacturing a structure for photovoltaic devices with an intermediate band, such as a photovoltaic solar cell with an intermediate band, the structure comprising at least a first layer intended to form a first emitter, a second layer for forming a second emitter and an intermediate band layer interposed between the first layer and the second layer, the method comprising the steps of:
  • direct bonding technology also known as molecular bonding technology (unlike bonding using layers of adhesives, glue, etc.) it is possible to form a structure comprising a first layer, an intermediate band layer and a second layer by avoiding growth problems including the material of the first layer on the intermediate band material.
  • molecular bonding technology unlike bonding using layers of adhesives, glue, etc.
  • the intermediate band layer is formed of a semiconductor material comprising impurities capable of absorbing a longer wavelength than that absorbed by the semiconductor material, the impurities being present with a concentration greater than that making it possible to reach the Mott transition and preferably between 6.10el9 at.cm 3 and 6.10e20 at.cm 3 .
  • the Mott transition is a transition from which the semiconductor material has a metallic character. This Mott transition is well described in the document A. Luque, A. Marti, E. Antolin, and C. Tablera, "Intermediate bands versus levels in non-radiative recombination," Physica B, vol. 382, no. 2, pp. 320-327, 2006.
  • the intermediate band layer of at least one semiconductor material is formed by forming zero dimensional nanoscale structures so as to confine the electrons in the three spatial dimensions within said at least one semiconductor material, such as dots. quantum (quantum dots QDs).
  • quantum dots are "drops" or "nanocrystals" immersed in a matrix of larger bandgap material.
  • the zero-dimensional nature of quantum dots makes it possible to introduce isolated electronic levels within the forbidden band. The fact that these levels are isolated makes it possible to avoid the thermalization of the electrons between the bands so as to improve the possibilities of radiative and non-radiative recombination between the waves, to make possible the existence of three quasi-Fermi levels and to allow a absorption of photons with energies lower than the energy of the forbidden band of the semiconductor.
  • the method comprises a step i) carried out before step b), comprising an epitaxy of the intermediate band layer on a third substrate.
  • the third substrate serves as seed for the growth of the intermediate band layer.
  • an intermediate buffer layer between the substrate and the epitaxial layer may be used in particular to adapt the mesh parameter of the substrate to that of the epitaxial material if necessary.
  • the method comprises, before step b), a step j) of direct bonding of the intermediate band layer to the second layer and a step k) of removing the third substrate so as to form said elementary stack supplied to the step b).
  • the intermediate band layer formed with excellent quality on the third substrate perfectly adapted to the epitaxy of the intermediate band material, is then glued by direct bonding, also called molecular bonding, on the second layer.
  • direct bonding also called molecular bonding
  • the method comprises a step m) performed before step b) comprising an epitaxy of the intermediate band layer on the second layer so as to form said elementary stack provided in step b).
  • step m) performed before step b) comprising an epitaxy of the intermediate band layer on the second layer so as to form said elementary stack provided in step b).
  • step b) the method successively comprises the steps of:
  • an intermediate band layer is obtained from the first portion of the layer that has undergone implantation, the second non-implanted remaining portion of said layer thus forming the second layer.
  • the doping species may be implanted in ionic form and so as to obtain a concentration of dopant species that is typically greater than 6.10el9 at.cm -3 in the intermediate band layer At these concentration levels, these doping species are sometimes called impurities. .
  • this introduction of dopant species into the crystalline lattice of the matrix constituted by the semiconductor material may be obtained according to other techniques, such as evaporation or "sputtering" (physical vapor deposition), and chemical synthesis.
  • the present invention using direct bonding avoids growth of the first layer material on the intermediate band layer. Thus the use of very high growth temperature is avoided and the intermediate band layer is not degraded.
  • the aforementioned embodiments allow the manufacture of an intermediate band material of a different crystal lattice and or a mesh parameter different from that of the first and second underlying layers.
  • the method comprises a step q) carried out before step a) comprising an epitaxy of the first layer on the first substrate.
  • the method comprises a step r), carried out before step b), comprising an epitaxy of the second layer on the second substrate.
  • the second substrate is chosen to be the most suitable with the growth of the material of the second layer.
  • the first layer and / or the second layer is formed respectively by the first substrate and / or the second substrate.
  • the first and / or second layer is merged with the substrate, which is a configuration advantageously chosen when the first and / or the second substrate is in n-type or p-type doped material, and in the case where material is weakly absorbing at the desired wavelength.
  • the substrate is a configuration advantageously chosen when the first and / or the second substrate is in n-type or p-type doped material, and in the case where material is weakly absorbing at the desired wavelength.
  • first and / or second layer is not sufficient to obtain a satisfactory absorption efficiency, said layer is extended to the substrate itself to improve the absorption of the latter. This also avoids a step of removing the substrate.
  • this first and / or second layer thicker ensures a support of good mechanical rigidity to the formed structure.
  • the first layer and the second layer are p-type and n-doped, respectively, or vice versa.
  • the doping of these first and second layers is generally obtained during the growth of the materials. Electrical contacts are then formed on these layers in order to extract the current from the solar cell.
  • the present invention makes it possible to avoid the problems generated by the use of the same growth system, such as managing different doping and concentration of dopants different depending on the material formed, the risk of cross-contamination, pressure conditions or temperature of the machine does not allow the growth of all materials, even when crystalline networks of materials of the structure allow.
  • a BSF layer (of the acronym for Back Surface Field) underlying the lower layer or a window layer and a contact layer stacked on the upper layer of the structure (the upper layer being the layer of the structure which receives the solar rays first).
  • the withdrawal according to step k) and / or step d) is carried out by etching. It is understood that the etching reagent used is selective to the material of the substrate to be removed and that it does not damage the other layers of the structure.
  • step k) and / or step d) of withdrawal comprises the steps of:
  • Implanting ionic species forming an embrittlement plane in the first substrate, in the second substrate and / or in the third substrate,
  • the ionic species implanted can come from neutral gases such as hydrogen and helium, etc. or a combination of two elements with a sufficient dose for the formation of a weakening plane and which is a function of the material used and the nature of the implanted species.
  • the depth of the embrittlement plane formed in the substrate is mainly dictated by the chosen implantation energy. The detachment then takes place by separation at the level of the embrittlement plane by applying a mechanical stress and / or a thermal budget.
  • This method of removing the substrate may prove to be more expensive than a selective etching step, but it advantageously makes it possible to recover the negative of the substrate for recycling.
  • a new use of the substrate after preparation and polishing is possible in a new layer manufacturing process so that the excess costs incurred for implantation is quickly amortized.
  • step k) and / or step d) of withdrawal comprises the steps of:
  • the optically layer absorbent being formed of a material absorbing a specific wavelength
  • the optically absorbing layer Under the effect of absorption of radiation, the optically absorbing layer is no longer able to ensure the connection between the epitaxial layer and its substrate. It is assumed that the optically absorbing layer degrades and transforms under the effect of the energy provided by the absorbed radiation. Thus, the substrate is dissociated and can be separated from the epitaxial layer.
  • the substrate can be recycled and used again in a new layer growth process.
  • the optically absorbing layer is buried in an additional layer making it possible to form a thermal insulation screen and to prevent possible degradations of the epitaxial layer and the substrate.
  • the absorption layer and the additional layer may have been formed beforehand within the substrate, for example during a layer transfer on a support substrate to form the substrate in the form of a heterostructure.
  • step j) and / or step c) of direct bonding comprises the steps of:
  • the surface topology suitable for bonding is similar for intermediate band materials and for other conventional materials.
  • optically transparent bonding layer is meant herein a layer of a material which does not absorb at the absorption wavelengths of the underlying layer materials of the structure, so that not impact the operation of the junction blocking for example the transmission of photons in the lower layers.
  • the optically transparent bonding layer advantageously comprises a semiconductor material whose bandgap is greater than that of the underlying junction.
  • the optically transparent bonding layer comprises a semiconductor material whose forbidden band is equivalent to or very close to that of the overlying junction.
  • This bonding layer may be made of a semiconductor material, for example a material comprising elements chosen from columns III and V of the periodic table and preferably a ternary material formed from an alloy of three elements chosen from III / V.
  • this layer does not degrade the operation of the structure of the cell because it does not generate a pronounced optical absorption.
  • the bonding layer is very important in the direct bonding process because the quality of the bonding interface between two active layers is critical to obtain a direct bonding assembly which is of good quality. As previously indicated, the topology of the surfaces to be assembled must have a very high flatness with a long wavelength and a very low roughness with a short wavelength.
  • the bonding layer is then worked upstream of the bonding by chemical mechanical polishing (also known by the acronym acronym acronym CMP) without fear of losing too much material amount contrary to what would be the case if the CMP was performed only on the active layer.
  • CMP chemical mechanical polishing
  • the bonding layer advantageously has a thickness typically less than 100 nanometers having a very good uniformity over its entire surface.
  • the bonding layer in order to avoid a negative electrical impact, it is necessary for the bonding layer to have a low electrical resistivity.
  • the implementation of the direct bonding technology is accompanied by a sealing heat treatment to reduce the resistivity of the contact.
  • the present invention relates to a method for manufacturing an intermediate band semiconductor layer stack. for multi-junction photovoltaic devices with an intermediate band such as solar cells, the method comprising a step of:
  • step d) comprises removing the first substrate and removing the second substrate from the first structure and / or the second structure;
  • the bonding layer between the first structure and the second structure comprises a material preferably optically transparent to the wavelength of the intermediate band material which is traversed by the solar rays after the bonding layer.
  • the invention also relates to a structure for photovoltaic devices with an intermediate band, such as solar cells, the structure comprising:
  • an intermediate band layer made of an intermediate band semiconductor material, interposed between the first layer and the second layer, and
  • the intermediate band layer is made of semiconductor material doped with doping elements capable of absorbing a longer wavelength than that absorbed by said semiconductor material, the doping elements being present with a concentration between 6.10el9 at.cm 3 and 6.10e20 at.cm 3 .
  • the intermediate band layer is nanomaterials having zero-dimensional nanoscale structures of at least one semiconductor material so as to confine the electrons in the three spatial dimensions within said semiconductor material, such as quantum dots.
  • the invention also relates to a stack of intermediate band semiconductor layers for multi-junction photovoltaic devices with an intermediate band, such as solar cells, the stack comprising at least two structures as previously described, bonded by molecular adhesion. to one another via an optically transparent bonding layer.
  • the bonding layer is optically transparent to the absorption wavelength of the intermediate band layer of at least one of the two structures.
  • FIGS. 1 to 9 illustrate a first embodiment according to the invention of the method for manufacturing a structure for an intermediate band photovoltaic device.
  • Figures 10 to 15 illustrate a second embodiment of the method according to the invention.
  • Figures 16 to 21 illustrate a third embodiment of the method according to the invention.
  • FIG. 22 illustrates the fabrication of a stack 200 of intermediate band semiconductor material layers for an intermediate band multi-junction photovoltaic device according to one embodiment of the invention.
  • FIGS. 1 to 9 illustrate the manufacture of a structure 100 by direct bonding of active layers each formed on a seed substrate according to a first embodiment.
  • the process comprises as a step a) providing a first layer 1, for example a semiconductor material .5L Ga 0 n 0 .5 P doped n-type epitaxially grown to a thickness about ⁇ on a first n-type GaAs substrate 2 serving as a seed (step q).
  • FIG. 2 illustrates a step i) comprising an epitaxy of an intermediate band layer 5 on a third seed substrate 6 in i-GaAs.
  • the intermediate band layer 5 is made of an intermediate band semiconductor material obtained by producing a stack of layers, for example InAs and Al 0 . 4 Ga 0 .6As epitaxially grown and controlled at the monoatomic scale, to form quantum dots of As / AI 0 . 4 Ga 0 .6As.
  • This intermediate band layer 5 thus consists of zero-dimensional nanometric structures allowing the confinement of the electrons in the three spatial dimensions within said semiconductor material.
  • This intermediate band layer 5 has a crystalline lattice of zinc-blende type
  • a second layer 3 for example made of a p-type doped Al x Ga 1- x As semiconductor material, is epitaxially grown on a second p-type GaAs seed substrate 4 (step r).
  • the method comprises carrying out a direct bonding of the intermediate band layer 5 to the second layer 3 followed by the withdrawal of the third substrate 6 according to steps j and k) of the method, respectively.
  • Figure 4 illustrates the contacting of the intermediate band layer 5 with the second layer 3 for molecular bonding adhesion ( Figure 5).
  • Figure 5 illustrates the exposed surfaces of these layers 3.5 have been prepared to achieve the planarity and roughness required for this type of bonding.
  • the third substrate 6 is removed, for example by etching, until it reaches the underlying intermediate band layer 5.
  • an etch stop layer is used so as to precisely interrupt the etching at the appropriate place.
  • the direct bonding is carried out via a bonding layer deposited on at least one of the exposed surfaces of the layers to be bonded.
  • the bonding layer or layers Prior to contacting, the bonding layer or layers is prepared, in particular by CMP-type polishing until a roughness of less than or equal to about 1 nm RMS is achieved.
  • This polishing advantageously makes it possible to reduce the thickness of the bonding layer to a minimum, for example to a value of less than 100 nm, so as to be slightly interfering with the use of the structure 100.
  • the bonding layer is formed of an optically transparent material at the desired wavelengths. It may be a material formed from elements chosen from columns III and V of the periodic table, for example AIGaAs, chosen so that its bandgap does not affect the future efficiency of the cell. photovoltaic.
  • the method comprises a direct bonding step (step c) implemented between the intermediate band layer 5 and the first layer 1 to form the structure 100. It is also possible to realize this step through an optically transparent bonding layer. Then the first substrate 2 is removed from the elementary stack according to step d) of the method, for example by etching the n-GaAs material, so as to obtain the structure 100 for an intermediate band photovoltaic solar cell.
  • an etching stop layer is provided at the interface between the first substrate 2 and the first layer 1 or within the first substrate 2, if it is composite, so as to achieve etching selective until reaching the etch stop layer.
  • This first embodiment is also implemented from an intermediate band layer 5 formed from a material by volume, such as lno.75Gao.25N: Mn with a percentage of manganese higher than 1% and a crystal lattice, for example of wurtzite type.
  • This intermediate band layer 5 is in particular formed by epitaxy for example by MBE on a third substrate 6 i-GaAs serving as a seed.
  • step j direct bonding of the intermediate band layer 5 to a second layer 3 of p-ln ⁇ Gai_ x N of a wurtzite or zinc-blende crystal lattice, for example formed on a second substrate 4 of p-GaAs.
  • interlayer layers 5 of different materials and third substrates 6 also other materials than those previously described can be used in the present invention, especially when they have a mesh parameter and a coefficient of thermal expansion.
  • intermediate band nanomaterials by MBE type epitaxy of InAs quantum dots in a GaAs matrix.
  • the quantum dots of InAs are obtained by a growth of at least ten InAs / GaAs layers between a p-type doped GaAs emitter and an n-type doped GaAs emitter, according to a Stranski-Krastanov type growth.
  • the first embodiment is also implemented from an intermediate band layer formed by a "Intermediate" intermediate band material comprising a doping oxygen concentration with advantageously 6.10 e 19at.cm-3 in a ZnTe matrix (elements of columns II and VI of the periodic table).
  • This material is epitaxially grown on a third substrate 6 of i-GaAs before being transferred with direct bonding (step j) onto a second layer 3 of the p-Ga x lni_ x P emitter type, itself previously formed by epitaxy. on a second substrate 4 of p-GaAs.
  • the advantage of the nature of the third substrate 6 is that the GaAs is easily removed according to step k) of the method by conventional etching.
  • the third substrate 6 is removed from the elementary stack by uncoupling at its interface with the intermediate band layer 5. It can thus be recovered for recycling.
  • FIG. 10 indeed illustrates the provision of an elementary stack 7 comprising an intermediate band layer 5 on a second layer 3, intended to form an emitter, itself disposed on a second substrate 4.
  • This elementary stack 7 is formed in FIG. prior to epitaxial growth of the second layer 3 of p-doped GaAs material on a second substrate 4 made of GaAs material serving as a seed according to step r) of the process.
  • an intermediate strip layer 5 made of material comprising quantum dots by superposition of As / Al 0 layers. 4 Ga 0 . 6 As formed by MBE on the second layer 3.
  • FIG. 10 indeed illustrates the provision of an elementary stack 7 comprising an intermediate band layer 5 on a second layer 3, intended to form an emitter, itself disposed on a second substrate 4.
  • This elementary stack 7 is formed in FIG. prior to epitaxial growth of the second layer 3 of p-doped GaAs material on a second substrate 4 made of GaAs material serving as a seed according to step r) of the process.
  • FIG. 11 illustrates the provision of a first n-doped GaAs layer 1 on a first sapphire substrate 2 between which an optically absorbing layer 8 is arranged, for example formed of a material of type SixNy: Hz, such as Si 3 N 4 .
  • the formation of this optically absorbing layer 8 is obtained for example during the transfer of the GaAs layer 1 by direct bonding to a first sapphire substrate 2 between which an additional layer of SiO 2 bonding is formed, and wherein the optically absorbing layer 8 of Si 3 N 4 is buried.
  • the layer 1 of GaAs is formed by epitaxy on a seed layer (not shown) previously transferred to the first support 2 in sapphire via the optically absorbing layer 8 of SixNy: Hz.
  • the intermediate band layer 5 is brought into contact and glued by direct bonding to the first layer 1 according to step c) of the method (FIG. 13).
  • the first substrate 2 is removed according to step d) of the method illustrated in FIG. 14.
  • a YAG laser irradiates the optically absorbing layer 8 at the determined wavelength of absorption, such that 273 nm for Si 3 N 4 ⁇ laterally to structure 100 or through first substrate 2 Sapphire transparent to this wavelength so as to break the SixNy layer 8 or at least allow to separate the first layer 1 of the first substrate 2 to finally obtain the structure 100 ( Figure 15).
  • Figures 16 to 21 illustrate a third embodiment in which the intermediate band layer 5 is formed by implantation of dopant species in a very large proportion in a layer 9 into a second semiconductor material.
  • a first layer 1 of n-Si material is epitaxially formed on a first substrate 2 of n-Si and supplied according to step a) of the process for direct bonding.
  • an implantation of a dose of approximately 10E16at.cm -2 of ionic titanium species is carried out in a first portion of a layer 9 into a second p-Si semiconductor material so as to form the band layer intermediate 5 comprising a titanium concentration of the order of 6.10el9 at.cm "3 and to exceed the transition of Mott.
  • the intermediate band layer 5 thus has the desired metallic character.
  • the second non-implanted residual portion of said layer 9 then forms the second layer 3 of p-doped semiconductor material, according to step o) of the method.
  • a particularity of this embodiment lies in the fact that the second layer 3 is so thick that it itself forms the second complete substrate 4 of p-Si. Indeed, the p-Si material does not have a very high solar radiation absorption capacity. This low capacitance is compensated by a greater thickness of layer 3, which moreover makes it possible to reach the mechanical strength sufficient to be self-supporting and to act as a second substrate 4.
  • this embodiment of an intermediate band layer 5 by implantation of doping ionic species is also feasible in a layer of a semiconductor material disposed on a second support substrate 4 distinct from said layer 9.
  • a heat treatment is applied at least on the first portion of said layer 9 which has been implanted so as to cure the crystalline defects generated by the ion implantation (step p).
  • This heat treatment is in particular carried out by KrF excimer laser used in pulsed mode.
  • Each of the pulses of the laser is performed over a period of about 20 ns with an energy density in a range of 0.6-0.8 J / cm 2.
  • the intermediate band layer 5 is glued by direct bonding to the first layer 1 according to step c) of the method.
  • the first substrate 2 is removed according to step d) of the process (FIG. 21).
  • the removal of the first substrate 2 comprises beforehand an implantation of ionic species carried out in the first substrate 2 so as to create an embrittlement plan. Then an epitaxy of the first layer 1 is carried out on the first substrate 2 under conditions, and in particular with a low thermal budget, to avoid fracture at the weakening plane. After direct bonding of the first layer 1 with the intermediate band layer 5, the first substrate 2 is removed by separation at the weakening plane. This separation is generated by application of a mechanical stress at the weakening plane and / or the application of a fracture heat treatment.
  • the implantation of ionic species is carried out so as to create the embrittlement plane near the surface of the first substrate 2 on which the first layer 1 is epitaxially grown.
  • the negative of the first implanted substrate 2 is cleaned to be recycled and reused in a new method for transferring the first layer 1.
  • FIG. 22 illustrates the fabrication of a stack 200 of intermediate band semiconductor layers obtained by direct bonding of a first intermediate band structure 100 to a second intermediate band structure 100 'via an optically transparent bonding layer.
  • the nature of the materials is, of course, chosen so as to optimize the absorption of the solar spectrum and to increase the efficiency of the cell.
  • the intermediate band layers consist of As / AI 0 . 4 Ga 0 .6As for the upper structure and Si doped with titanium for the lower structure.
  • This stack 200 is intended for example for the manufacture of multi-junction photovoltaic device with intermediate band such as solar cells.
  • the present invention provides a decisive improvement in the state of the prior art by proposing a method for manufacturing a structure comprising a layer of a nanomaterial with a bandgap whose Electrical properties are not degraded by the growth conditions of the other layers of structure 100, nor by the stresses generated, dislocations in other layers or other parameters influencing the quality of the nanomaterial.
  • the structure 100 for photovoltaic cell is thus optimized and achieves improved efficiency.

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Abstract

L'invention concerne une structure (100) à bande intermédiaire, la structure (100) comportant au moins une première couche (1) destinée à former un premier émetteur, une seconde couche (3) destinée à former un second émetteur et une couche à bande intermédiaire (5) intercalée entre la première couche (1) et la seconde couche (3),et un procédé de procédé de fabrication de la structure (100) comprenant les étapes de: a) Fournir la première couche (1) en un premier matériau semiconducteur sur un premier substrat (2), b) Fournir un empilement élémentaire comprenant la couche à bande intermédiaire(5)en un matériau semiconducteur à bande intermédiaire sur la seconde couche (3) en un deuxième matériau semiconducteur sur un deuxième substrat (4), c) Coller par collage direct la couche à bande intermédiaire (5) à la première couche (1), et d) Retirer au moins un substrat parmi le premier substrat (2)et le deuxième substrat (4)de sorte à obtenir la structure (100).

Description

Structure pour dispositifs photovoltaïques à bande intermédiaire
La présente invention concerne le domaine des dispositifs photovoltaïques de troisième génération et des cellules solaires de haut rendement. Plus précisément, l'invention propose un procédé de fabrication d'une structure pour dispositif photovoltaïque à bande intermédiaire telle qu'une cellule solaire à bande intermédiaire. Selon un second aspect, l'invention concerne un procédé de fabrication d'un empilement de couches de semi-conducteur à bande intermédiaire pour dispositif photovoltaïque multi-jonctions à bande intermédiaire telle qu'une cellule solaire photovoltaïque multi-jonctions à bande intermédiaire. Selon un troisième aspect, l'invention concerne une structure pour dispositifs photovoltaïques à bande intermédiaire et un empilement de structures pour dispositifs photovoltaïques multi- jonctions à bande intermédiaire.
Le concept de cellule solaire à bande intermédiaire (CSBI) a par exemple été décrit dans l'article "The Intermediate Band Solar Cell: progress toward the realization of an attractive concept," de A. Luque et A. Marti, Adv. Mater., vol. 22, pp. 160-174, 2010. Ce type de cellule à bande intermédiaire est fondé sur la réalisation d'un nouveau matériau semi-conducteur comportant une bande énergétique au sein de la bande interdite du matériau semi-conducteur et qui est placée entre la bande de conduction et la bande de valence. Cette bande intermédiaire permet d'absorber des photons d'énergies inférieures à l'énergie de la bande interdite du semi-conducteur, élargissant ainsi la plage d'absorption du spectre solaire et produisant un courant photo-généré plus élevé . Il s'agit ainsi d'un concept photovoltaïque de haut courant et de haute tension qui augmente l'efficacité d'une cellule mono-jonction au-delà du seuil classique (40.7%) et pouvant atteindre 63.2% (valeur théorique) pour le niveau de concentration maximal.
Une telle cellule peut être réalisée à partir de deux types de matériaux à bande intermédiaire: les matériaux dits « en volume » ou les nanomatériaux; chacun de ces matériaux étant placé entre une couche émetteur d'un matériau semiconducteur dopé de type p et une couche émetteur d'un matériau semiconducteur dopé de type n de sorte à séparer la couche de matériau semiconducteur à bande intermédiaire des contacts électriques réalisée sur la cellule solaire pour en extraire le courant.
L'obtention des matériaux à bande intermédiaire dits 'en volume' est réalisée par l'introduction d'éléments, parfois appelés impuretés, avec une très forte concentration dans le volume du matériau semiconducteur constituant le réseau cristallin communément appelé 'matrice'.
Les nanomatériaux à bande intermédiaire sont eux principalement obtenus par croissance de structures nanométriques zéro-dimensionnelles qui fournissent un confinement des électrons dans les trois directions spatiales, tel que les points ou boites quantiques, aussi appelés « quantum dots » (QDs).
Toutefois, afin de réaliser une cellule à bande intermédiaire, en plus de la nécessité d'utiliser deux types de matériaux, c'est à dire un matériau semiconducteur sans bande intermédiaire et un autre matériau avec une bande intermédiaire, il est nécessaire qu'à l'interface entre les deux types de matériaux, la meilleure continuité possible du réseau cristallin soit obtenue, ce qui est complexe à réaliser pour différentes raisons :
- la croissance de la couche émetteur de type n ou p sur la couche à bande intermédiaire peut nécessiter d'utiliser de hautes températures, notamment pour atteindre une très bonne qualité cristallographique (peu de défauts pour une faible recombinaison). Or, la stabilité du matériau à bande intermédiaire n'est pas assurée en cas de fortes températures. Ce matériau peut notamment se dégrader et une diffusion de ses impuretés peut avoir lieu vers l'émetteur.
- le matériau utilisé en tant qu'émetteur et le matériau à bande intermédiaire peuvent avoir le même type de réseau cristallin, mais pour autant, il peut exister une difficulté ou impossibilité technique de faire croître l'un de ces matériaux dans la même machine ou système de croissance utilisée pour faire croître l'autre matériau. Dans la plupart des cas, le matériau à bande intermédiaire est basé sur une structure cristalline complexe qui nécessite des conditions de croissance spéciales (température, atmosphère, réseaux cristallins différents...). Dans ce cas, il peut arriver que les couches correspondantes aux émetteurs (matériau semiconducteur sans bande intermédiaire) de type p ou/et de type n ne puissent pas être formées par épitaxie avec la qualité nécessaire à partir de ce matériau à bande intermédiaire. Dans un cas extrême, la croissance de certains matériaux, selon leur dopage et leur nature, n'est pas réalisable dans le même système de croissance que le matériau à bande intermédiaire. Par exemple, la croissance d'un matériau à bande intermédiaire de SiTi sur du silicium nécessite d'augmenter la température. Le titane diffuse alors dans le silicium de sorte que le matériau à bande intermédiaire se dégrade.
- les couches émetteurs et le matériau à bande intermédiaire n'ont pas obligatoirement le même type de réseau cristallin de sorte que leur croissance ne peut être effectuée dans un même système de croissance. Ainsi, des méthodes de croissance adaptées à chaque matériau doit être appliquée de sorte que la structure est complexe à fabriquer de manière monolithique, avec une continuité cristalline, sans défauts et avec une jonction p-n.
- le nanomatériau à bande intermédiaire est un matériau très sensible aux conditions de croissance. Notamment, les points quantiques présentent des contraintes ou « stress », telle que des contraintes mécaniques de type cisaillement ou fatigue, provenant du matériau semi-conducteur à partir duquel ils ont été fabriqués. Ces contraintes sont accentuées par les conditions de croissance épitaxiale du matériau de la couche émetteur formé sur la couche à bande intermédiaire.
Ainsi, le but de la présente invention vise à pallier l'un au moins de ces inconvénients rencontrés lors de la fabrication de dispositif photovoltaïque à bande intermédiaire. A cet effet, la présente invention propose un procédé de fabrication d'une structure pour dispositifs photovoltaïques à bande intermédiaire, telle qu'une cellule solaire photovoltaïque à bande intermédiaire, la structure comportant au moins une première couche destinée à former un premier émetteur, une seconde couche destinée à former un second émetteur et une couche à bande intermédiaire intercalée entre la première couche et la seconde couche , le procédé comprenant les étapes de :
a) Fournir la première couche en un premier matériau semiconducteur sur un premier substrat,
b) Fournir un empilement élémentaire comprenant la couche à bande intermédiaire en un matériau semiconducteur à bande intermédiaire sur la seconde couche en un deuxième matériau semiconducteur sur un deuxième substrat,
c) Coller par collage direct la couche à bande intermédiaire à la première couche, et
d) Retirer au moins un substrat parmi le premier substrat et le deuxième substrat de sorte à obtenir la structure.
Ainsi, en mettant en œuvre la technologie de collage direct, également connue sous le nom de technologie de collage par adhésion moléculaire (à la différence du collage utilisant des couches d'adhésifs, glue, etc.) il est possible de former une structure comportant une première couche, une couche à bande intermédiaire et une seconde couche en se soustrayant des problèmes de croissance notamment du matériau de la première couche sur le matériau à bande intermédiaire. Peu importe les différences de réseaux cristallins, les différences de paramètres de maille, les méthodes de croissance incompatibles et les températures trop élevées. Il est en effet possible de décorreler la formation de la première couche du reste de la structure. I l est également possible de choisir le substrat le plus adapté pour la croissance de chacun des matériaux. Ainsi, une croissance cristalline de très bonne qualité avec peu de défa uts et peu de contraintes internes est possible. Une structure optimale pour cellule photovoltaïque à haut rendement est ainsi obtenue par ce procédé.
Selon une possibilité, la couche à bande intermédiaire est formée en un matériau semiconducteur comprenant des impuretés aptes à absorber une longueur d'onde supérieure à celle absorbée par le matériau semiconducteur, les impuretés étant présentes avec une concentration supérieure à celle permettant d'atteindre la transition de Mott et, de préférence, comprise entre 6.10el9 at.cm 3 et 6.10e20 at.cm 3. I l est entendu dans la présente demande que la transition de Mott est une transition à partir de laquelle le matéria u semi-conducteur présente un caractère métallique. Cette transition de Mott est bien décrite dans le document de A. Luque, A. Marti, E. Antolin, and C. Tablera, "I ntermediate bands versus levels in non-radiative recombination," Physica B, vol. 382, no. 2, pp. 320-327, 2006.
Selon une autre possibilité, la couche à bande intermédiaire en au moins un matériau semiconducteur est réalisée par formation de structures nanométriques zéro-dimensionnelles de sorte à confiner les électrons dans les trois dimensions spatiales au sein dudit au moins un matériau semiconducteur, tel que des points quantiques (quantum dots QDs).
Fondamentalement, les points quantiques sont des « gouttes » ou des « nanocristaux » immergés dans une matrice d'un matériau de bande interdite plus importante. La nature zéro-dimensionnelle des points quantiques permet en effet d'introduire des niveaux électroniques isolés au sein de la bande interdite. Le fait que ces niveaux sont isolés permet d'éviter la thermalisation des électrons entre les bandes de sorte à améliorer les possibilités de recombinaison radiative et non radiative entre les ba ndes, de rendre possible l'existence de trois niveaux quasi-Fermi et permettre une absorption des photons d'énergies inférieures à l'énergie de la bande interdite du semi-conducteur.
Selon une autre possibilité, le procédé comprend une étape i) réalisée avant l'étape b), comprenant une épitaxie de la couche à bande intermédiaire sur un troisième substrat. Dans ce cas, le troisième substrat sert de germe pour la croissance de la couche à bande intermédiaire. Bien entendu, dans tous les cas, une couche tampon intermédiaire entre le substrat et la couche épitaxiée peut être utilisée notamment pour adapter le paramètre de maille du substrat à celui du matériau à épitaxier si nécessaire.
Avantageusement, le procédé comprend avant l'étape b), une étape j) de collage direct de la couche à bande intermédiaire sur la seconde couche et une étape k) de retrait du troisième substrat de sorte à former ledit empilement élémentaire fourni à l'étape b). Ainsi, la couche à bande intermédiaire, formée avec une excellente qualité sur le troisième substrat parfaitement adapté à l'épitaxie du matériau à bande intermédiaire, est ensuite collée par collage direct, aussi appelé collage par adhésion moléculaire, sur la seconde couche. Chacune des couches actives de la structure est obtenue séparément sur un substrat adapté aux conditions, à la méthode de croissance, et aux particularités de chacun des matériaux à faire croître. Il en résulte une excellente qualité cristalline pour chacun des matériaux.
Selon une alternative, le procédé comprend une étape m) réalisée avant l'étape b) comprenant une épitaxie de la couche à bande intermédiaire sur la seconde couche de sorte à former ledit empilement élémentaire fourni à l'étape b). Cette variante est notamment avantageuse lorsque le matériau de la couche à bande intermédiaire et celui de la seconde couche présentent un réseau cristallin identique et un paramètre de maille très proche.
Selon une autre possibilité, avant l'étape b), le procédé comprend successivement les étapes de :
n) Fournir une couche formée dans le deuxième matériau semiconducteur sur le deuxième substrat,
o) Implanter des espèces dopantes dans une première portion de ladite couche, destinée à former la couche à bande intermédiaire, la seconde portion de ladite couche formant la seconde couche,
p) Appliquer un traitement thermique de reconstruction du réseau cristallin de la première portion, notamment par laser puisé, de sorte à obtenir la couche à bande intermédiaire.
Ainsi, une couche à bande intermédiaire est obtenue à partir de la première portion de la couche qui a subi l'implantation, la seconde portion restante non implantée de ladite couche forme ainsi la seconde couche.
Les espèces dopantes peuvent être implantées sous forme ionique et de sorte à obtenir une concentration volumique des espèces dopantes typiquement supérieure à 6.10el9 at.cm"3 dans la couche à bande intermédiaire. A ces niveaux de concentration, ces espèces dopantes sont parfois appelées impuretés. Selon une variante, cette introduction d'espèces dopantes dans le réseau cristallin de la matrice constituée par le matériau semi-conducteur peut être obtenue selon d'autres techniques, telles que l'évaporation ou « sputtering » (dépôt physique en phase vapeur), et la synthèse chimique.
La présente invention utilisant un collage direct évite une croissance du matériau de la première couche sur la couche à bande intermédiaire. Ainsi l'utilisation de température de croissance très élevées est évitée et la couche à bande intermédiaire n'est pas dégradée.
De plus, les modes de réalisation précités permettent la fabrication d'un matériau à bande intermédiaire d'un réseau cristallin différent et ou un paramètre de maille différent de celui des première et seconde couches sous jacentes.
Selon une possibilité, le procédé comprend une étape q) réalisée avant l'étape a) comprenant une épitaxie de la première couche sur le premier substrat.
Selon une possibilité, le procédé comprend une étape r), réalisée avant l'étape b), comprenant une épitaxie de la seconde couche sur le deuxième substrat. Là encore, le deuxième substrat est choisi pour être le plus adéquat avec la croissance du matériau de la seconde couche.
La première couche et/ou la seconde couche est formée respectivement par le premier substrat et/ou le deuxième substrat.
Ainsi, la première et/ou la seconde couche est confondue au substrat, ce qui est une configuration avantageusement choisie lorsque le premier et /ou le deuxième substrat est en un matériau dopé de type n ou de type p, et dans le cas où ce matériau est faiblement absorbant à la longueur d'onde souhaitée. En effet, lorsqu'une épaisseur fine de première et/ ou de seconde couche n'est pas suffisante pour obtenir une efficacité d'absorption satisfaisante, ladite couche est étendue au substrat lui-même pour améliorer l'absorption de cette dernière. Ceci évite également une étape de retrait du substrat. De plus, cette première et/ou seconde couche plus épaisse permet d'assurer un support d'une bonne rigidité mécanique à la structure formée.
De préférence, la première couche et la seconde couche sont respectivement dopée de type p et dopée de type n ou inversement. Le dopage de ces première et seconde couches est généralement obtenu lors la croissance des matériaux. Des contacts électriques sont ensuite formés sur ces couches afin d'en extraire le courant de la cellule solaire.
Ainsi, la présente invention permet de se soustraire des problèmes générés par l'utilisation d'un même système de croissance, tel que de gérer différents dopages et concentration de dopants différente selon le matériau formé, le risque de contamination croisée, les conditions de pression ou de température de la machine ne permettant pas la croissance de tous les matériaux, même lorsque les réseaux cristallins des matériaux de la structure le permettent.
Bien entendu, d'autres couches peuvent être intercalées entre les substrats, les couches correspondantes aux émetteurs selon les besoins futurs de la structure, par exemple une couche BSF (de l'acronyme anglosaxon Back Surface Field) sous-jacente à la couche inférieure ou une couche fenêtre et une couche contact empilées sur la couche supérieure de la structure (la couche supérieure étant la couche de la structure qui reçoit les rayons solaires en premier).
Selon une possibilité le retrait selon l'étape k) et/ou l'étape d) est réalisée par gravure. Il est entendu que le réactif de gravure utilisé est séléctif au matériau du substrat à retirer et qu'il n'endommage pas les autres couches de la structure.
Selon une alternative de réalisation, l'étape k) et/ou l'étape d) de retrait comprend les étapes de :
- Implanter des espèces ioniques formant un plan de fragilisation dans le premier substrat, dans le deuxième substrat et/ou dans le troisième substrat,
- Détacher le premier substrat, le deuxième substrat et/ou le retrait du troisième substrat au niveau du plan de fragilisation respectif.
Les espèces ioniques implantées peuvent provenir de gaz neutres tel que l'hydrogène et l'hélium, etc. ou d'une combinaison de deux éléments avec une dose suffisante pour la formation d'un plan de fragilisation et qui est fonction du matériau utilisé et de la nature des espèces implantées. La profondeur du plan de fragilisation formée dans le substrat est principalement dictée par l'énergie d'implantation choisie. Le détachement a ensuite lieu par séparation au niveau du plan de fragilisation par application d'une contrainte mécanique et/ou d'un budget thermique.
Ce mode de retrait du substrat peut s'avérer être plus coûteux qu'une étape de gravure sélective, mais elle permet avantageusement de récupérer le négatif du substrat pour un recyclage. Une nouvelle utilisation du substrat après préparation et polissage est possible dans un nouveau procédé de fabrication de couche de sorte que le surplus de frais engagés pour l'implantation est rapidement amorti.
Selon une autre variante permettant également le recyclage d'une partie au moins du substrat, l'étape k) et/ou l'étape d) de retrait comprend les étapes de :
- formation d'une couche optiquement absorbante entre le premier substrat et la première couche, entre le deuxième substrat et la seconde couche et/ou entre le troisième substrat et la couche à bande intermédiaire, la couche optiquement absorbante étant formée en un matériau absorbant une longueur d'onde déterminée et
- irradiation de ladite couche optiquement absorbante à la longueur d'onde déterminée d'absorption, notamment par laser.
Sous l'effet de l'absorption du rayonnement, la couche optiquement absorbante n'est plus en mesure d'assurer la liaison entre la couche épitaxiée et son substrat. Il est supposé que la couche optiquement absorbante se dégrade et se transforme sous l'effet de l'énergie apportée par le rayonnement absorbé. Ainsi, le substrat est désolidarisé et peut être séparé de la couche épitaxiée.
Le substrat peut être recyclé et être à nouveau utilisé dans un nouveau procédé de croissance de couche.
De préférence, la couche optiquement absorbante est enterrée dans une couche additionnelle permettant de former un écran d'isolation thermique et empêcher d'éventuelles dégradations de la couche épitaxiée et du substrat.
La couche d'absorption et la couche additionnelle peuvent avoir été formées au préalable au sein du substrat, par exemple au cours d'un report de couche sur un substrat support pour former le substrat sous la forme d'une hétérostructure.
Avantageusement, l'étape j) et/ou l'étape c) de collage direct comprend les étapes de :
- Déposer une couche de collage optiquement transparente sur la surface exposée de la couche à bande intermédiaire et/ou sur la surface exposée de la première couche et/ou sur la surface exposée de la seconde couche, et
- Préparer la surface de la ou des couche(s) de collage et/ou la surface exposée de la couche à bande intermédiaire et/ou sur la surface exposée de la première couche et/ou sur la surface exposée de la seconde couche de sorte à obtenir une topologie de surface adaptée au collage direct, notamment par polissage mécano- chimique, et notamment jusqu'à obtenir une surface plane et une rugosité inférieure ou égale à environ 1 nm RMS. La topologie de surface adaptée au collage est similaire pour les matériaux à bande intermédiaire et pour les autres matériaux classiques.
Les valeurs de rugosité RMS (abréviation anglo-saxonne de Root Mean
Square) décrites dans ce document sont déterminées par microscopie à force atomique AFM sur un champ de 20x20 micromètres.
La planéité de la surface est déterminée par une valeur de flèche, qui doit notamment être inférieure à 50 micromètres pour un diamètre de couche de 100 nm pour permettre le collage direct. Par l'expression 'couche de collage optiquement transparente' on entend dans le présent document une couche d'un matériau qui n'absorbe pas aux longueurs d'onde d'absorption des matériaux des couches sous-jacente de la structure, afin de ne pas impacter le fonctionnement de la jonction en bloquant par exemple la transmission des photons dans les couches inférieures.
La couche de collage optiquement transparente comprend avantageusement un matériau semi-conducteur dont la bande interdite est supérieure à celle de la jonction sous-jacente.
De préférence, la couche de collage optiquement transparente comprend un matériau semi-conducteur dont la bande interdite est équivalente ou très proche de celle de la jonction sus-jacente.
Cette couche de collage peut être constituée dans un matériau semiconducteur, par exemple un matériau comprenant des éléments choisis parmi les colonnes III et V du tableau périodique et de préférence un matériau ternaire formé d'un alliage de trois éléments choisis parmi les lll/V. Ainsi, cette couche ne dégrade pas le fonctionnement de la structure de la cellule car celle-ci ne génère pas une absorption optique prononcée.
La couche de collage est très importante dans le procédé de collage direct du fait que la qualité de l'interface de collage entre deux couches actives est critique pour obtenir un assemblage par collage direct qui soit de bonne qualité. Comme précédemment indiqué, la topologie des surfaces à assembler doit présenter une très grande planéité à grande longueur d'onde et une très faible rugosité à faible longueur d'onde. La couche de collage est alors travaillée en amont du collage par polissage mécano-chimique (aussi connu sous l'acronyme anglosaxon CMP) sans craindre de perdre une quantité de matière trop importante contrairement à ce qui serait le cas si le CMP était réalisée uniquement sur la couche active.
En finalité, la couche de collage présente avantageusement une épaisseur typiquement inférieure à 100 nanomètres présentant une très bonne uniformité sur toute sa surface.
Par ailleurs, afin d'éviter un impact électrique négatif, il est nécessaire que la couche de collage présente une faible résistivité électrique. A cet effet, la mise en œuvre de la technologie de collage direct est accompagnée d'un traitement thermique de scellement pour diminuer la résistivité du contact.
Selon un second aspect, la présente invention concerne un procédé de fabrication d'un empilement de couche de semiconducteur à bande intermédiaire pour dispositifs photovoltaïques multi-jonctions à bande intermédiaire telles que des cellules solaires, le procédé comprenant une étape de :
- fournir au moins une première structure et une deuxième structure fabriquées par le procédé tel que précédemment décrit et dans lequel l'étape d) comprend le retrait du premier substrat et le retrait du deuxième substrat de la première structure et/ou de la deuxième structure,
- former une couche de collage optiquement transparente à la longueur d'onde du matériau à bande intermédiaire, sur la première structure et/ou sur la deuxième structure, et
- coller la première structure et la deuxième structure par collage direct par l'intermédiaire d'au moins la ou des couches de collage optiquement transparentes.
Il est ainsi possible d'obtenir un empilement de plusieurs structures formant chacune une jonction à bande intermédiaire pour la fabrication de dispositifs photovoltaïques multi-jonctions à bande intermédiaire telles que des cellules solaires multi-jonctions à bande intermédiaire, permettant d'augmenter le rendement du dispositif. Les applications visées pour ces structures sont nombreuses, elles concernent également le domaine photovoltaïque à concentration, les détecteurs photovoltaïques, etc. Il est entendu que la couche de collage entre la première structure et la deuxième structure comprend un matériau de préférence optiquement transparent à la longueur d'onde du matériau à bande intermédiaire qui est traversé par les rayons solaires après la couche de collage.
Selon un autre aspect, l'invention concerne également une structure pour dispositifs photovoltaïques à bande intermédiaire, tel que des cellules solaires, la structure comprenant :
- une première couche en un premier matériau semiconducteur, destinée à former un premier émetteur,
- une seconde couche en un deuxième matériau semiconducteur, destinée à former un second émetteur,
- une couche à bande intermédiaire en un matériau semiconducteur à bande intermédiaire, intercalée entre la première couche et la seconde couche, et
- une couche de collage direct entre la couche à bande intermédiaire et la première couche et/ou la seconde couche.
Selon une disposition, la couche à bande intermédiaire est constituée en matériau semiconducteur dopé par des éléments dopants aptes à absorber une longueur d'onde supérieure à celle absorbée par ledit matériau semiconducteur, les éléments dopants étant présents avec une concentration comprise entre 6.10el9 at.cm 3 et 6.10e20 at.cm 3.
Selon une alternative, la couche à bande intermédiaire est constituée de nanomatériaux comportant des structures nanométriques zéro-dimensionnelles d'au moins un matériau semiconducteur de sorte à confiner les électrons dans les trois dimensions spatiales au sein dudit matériau semiconducteur, tel que des points quantiques.
L'invention concerne également un empilement de couches de semi- conducteur à bande intermédiaire pour dispositifs photovoltaïques multi-jonctions à bande intermédiaire, telles que des cellules solaires, l'empilement comprenant au moins deux structures telles que précédemment décrites, collées par adhésion moléculaire l'une à l'autre par l'intermédiaire d'une couche de collage optiquement transparente.
Bien entendu, la couche de collage est optiquement transparente à la longueur d'onde d'absorption de la couche à bande intermédiaire d'au moins l'une des deux structures.
D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description suivante de trois modes de réalisation de celle-ci, donnée à titre d'exemples non limitatifs et faite en référence aux dessins annexés. Les figures ne respectent pas nécessairement l'échelle de tous les éléments représentés de sorte à améliorer leur lisibilité. Dans la suite de la description, par souci de simplification, des éléments identiques, similaires ou équivalents des différentes formes de réalisation portent les mêmes références numériques.
Les figures 1 à 9 illustrent un premier mode de réalisation selon l'invention du procédé de fabrication d'une structure pour dispositif photovoltaïque à bande intermédiaire.
Les figures 10 à 15 illustrent un deuxième mode de réalisation du procédé selon l'invention.
Les figures 16 à 21 illustrent un troisième mode de réalisation du procédé selon l'invention.
La figure 22 illustre la fabrication d'un empilement 200 de couches de matériaux semi-conducteurs à bande intermédiaire pour dispositif photovoltaïque multi-jonctions à bande intermédiaire selon un mode de réalisation de l'invention.
Les figures 1 à 9 illustrent la fabrication d'une structure 100 par collage direct de couches actives formées chacune sur un substrat germe selon un premier mode de réalisation. Comme illustré à la figure 1, le procédé comprend selon une étape a) la fourniture d'une première couche 1, par exemple en matériau semiconducteur Ga0.5l n0.5 P dopé de type n, épitaxiée jusqu'à atteindre une épaisseur d'environ Ιμιη sur un premier substrat 2 de GaAs de type n servant de germe (étape q).
La figure 2 illustre une étape i) comprenant une épitaxie d'une couche à bande intermédiaire 5 sur un troisième substrat 6 germe en i-GaAs. La couche à bande intermédiaire 5 est en matériau semiconducteur à bande intermédiaire, obtenu par réalisation d'un empilement de couches, par exemple d'InAs et d'AI0.4Ga0.6As épitaxiées et contrôlées à l'échelle monoatomique, afin de former des points quantiques de lnAs/AI0.4Ga0.6As. Cette couche à bande intermédiaire 5 est ainsi constituée de structures nanométriques zéro-dimensionnelles permettant le confinement des électrons dans les trois dimensions spatiales au sein dudit matériau semiconducteur. Cette couche à bande intermédiaire 5 présente un réseau cristallin de type zinc-blende
Comme illustré à la figure 3 une seconde couche 3, par exemple en un matériau semiconducteur de AlxGai_xAs dopé de type p est épitaxiée sur un deuxième substrat 4 germe de GaAs de type p (étape r).
Puis, comme illustré aux figures 4 à 6, le procédé comprend la réalisation d'un collage direct de la couche à bande intermédiaire 5 sur la seconde couche 3 suivi du retrait du troisième substrat 6 selon respectivement les étapes j et k) du procédé. En effet, la figure 4 illustre la mise en contact de la couche à bande intermédiaire 5 avec la seconde couche 3 pour un collage par adhésion moléculaire (figure 5). Au préalable, les surfaces exposées de ces couches 3,5 ont été préparées pour atteindre la planarité et la rugosité requise pour ce type de collage. Puis, comme illustré à la figure 6, le troisième substrat 6 est retiré, par exemple par gravure, jusqu'à atteindre la couche à bande intermédiaire 5 sous-jacente. Selon un mode de réalisation, une couche d'arrêt de gravure est utilisée de sorte à interrompre précisément la gravure à l'endroit approprié.
Selon une alternative non illustrée, le collage direct est réalisé par l'intermédiaire d'une couche de collage déposée sur au moins l'une des surfaces exposées des couches à coller. Au préalable de la mise en contact, la ou les couches de collage est préparée, notamment par polissage de type CMP jusqu'à atteindre une rugosité inférieure ou égale à environ 1 nm RMS. Ce polissage permet avantageusement de réduire l'épaisseur de la couche de collage au minimum, par exemple à une valeur inférieure à 100 nm de sorte à peu interférer lors de l'utilisation de la structure 100. De préférence, la couche de collage est formée d'un matériau optiquement transparent aux longueurs d'onde souhaitées. Il peut s'agir d'un matériau formé à partir d'éléments choisis parmi les colonnes III et V du tableau périodique, par exemple l'AIGaAs, choisi de sorte que sa bande interdite n'altère pas l'efficacité future de la cellule photovoltaïque.
Enfin, comme illustré aux figures 7 à 9, le procédé comprend une étape de collage direct (étape c) mise en œuvre entre la couche à bande intermédiaire 5 et la première couche 1 pour former la structure 100. Il est également possible de réaliser cette étape par l'intermédiaire d'une couche de collage optiquement transparente. Puis le premier substrat 2 est retiré de l'empilement élémentaire selon l'étape d) du procédé par exemple par gravure du matériau n-GaAs, de sorte à obtenir la structure 100 pour cellule solaire photovoltaïque à bande intermédiaire.
Selon une possibilité non illustrée, une couche d'arrêt de gravure est prévue à l'interface entre le premier substrat 2 et la première couche 1 ou au sein du premier substrat 2, si celui-ci est composite, de sorte à réaliser une gravure sélective jusqu'à atteindre la couche d'arrêt de gravure.
Ce premier mode de réalisation est également mis en œuvre à partir d'une couche à bande intermédiaire 5 formée à partir d'un matériau en volume, tel que le lno.75Gao.25N : Mn avec un pourcentage de manganèse supérieur à 1 % et un réseau cristallin par exemple de type wurtzite. Cette couche à bande intermédiaire 5 est notamment formée par épitaxie par exemple par MBE sur un troisième substrat 6 i-GaAs servant de germe. Ceci permet avantageusement de procéder au report par collage direct (étape j) de la couche à bande intermédiaire 5 sur une seconde couche 3 de p-lnxGai_xN de réseau cristallin de type wurtzite ou zinc-blende, par exemple formée sur un deuxième substrat 4 de p-GaAs.
Bien entendu, des couches à bande intermédiaire 5 de matériaux différent et des troisièmes substrats 6 également d'autres matériaux que ceux précédemment décrits peuvent être utilisés dans la présente invention, notamment lorsque ceux-ci présentent un paramètre de maille et un coefficient de dilation thermique adaptés. Par exemple, il est possible d'obtenir des nanomatériaux à bande intermédiaire par épitaxie de type MBE de points quantiques d'InAs dans une matrice de GaAs. Les points quantiques d'InAs sont obtenus par une croissance d'au moins une dizaine de couches InAs/GaAs entre un émetteur de GaAs dopé de type p et un émetteur de GaAs dopé de type n, selon une croissance de type Stranski-Krastanov.
Selon une variante non illustrée, le premier mode de réalisation est également mis en œuvre à partir d'une couche à bande intermédiaire 5 formée par un matériau à bande intermédiaire dit 'en volume' comprenant une concentration d'oxygène dopant avec avantageusement 6.10e19at.cm-3 dans une matrice ZnTe (éléments des colonnes II et VI du tableau périodique). Ce matériau est épitaxié sur un troisième substrat 6 de i-GaAs avant d'être transféré avec collage direct (étape j) sur une seconde couche 3 de type émetteur de p-Gaxlni_xP, elle-même formée au préalable par épitaxie sur un deuxième substrat 4 de p-GaAs. L'avantage de la nature du troisième substrat 6 réside en ce que le GaAs est facilement retiré selon l'étape k) du procédé par gravure classique. Toutefois, selon une alternative non illustrée, le troisième substrat 6 est retiré de l'empilement élémentaire par désolidarisation au niveau de son interface avec la couche à bande intermédiaire 5. Il peut ainsi être récupéré pour être recyclé.
Les figures 10 à 15 illustrent un deuxième mode de réalisation du procédé selon l'invention. La figure 10 illustre en effet la fourniture d'un empilement élémentaire 7 comprenant une couche à bande intermédiaire 5 sur une seconde couche 3, destinée à former un émetteur, elle-même disposée sur un deuxième substrat 4. Cet empilement élémentaire 7 est formé au préalable par épitaxie de la seconde couche 3 en matériau GaAs dopé p sur un deuxième substrat 4 en matériau GaAs servant de germe selon l'étape r) du procédé. Puis selon une étape m) une couche à bande intermédiaire 5 en matériau comprenant des points quantiques par superposition de couches d'lnAs/AI0.4Ga0.6As formées par MBE sur la seconde couche 3. La figure 11 illustre la fourniture d'une première couche 1 en GaAs dopé n sur un premier substrat 2 en saphir entre lesquels une couche optiquement absorbante 8 est disposée, par exemple formée en un matériau de type SixNy:Hz, tel que Si3N4. Dans ce cas de figure, la formation de cette couche optiquement absorbante 8 est obtenue par exemple lors du report de la couche 1 en GaAs par collage direct sur un premier substrat 2 en saphir entre lesquels une couche additionnelle de collage de Si02 est formée, et dans laquelle la couche optiquement absorbante 8 de Si3N4 est enterrée. Selon une variante, la couche 1 en GaAs est formée par épitaxie sur une couche germe (non illustrée) préalablement reportée sur le premier support 2 en saphir par l'intermédiaire de la couche optiquement absorbante 8 de SixNy:Hz.
Comme illustré à la figure 12, la couche à bande intermédiaire 5 est mise en contact puis collée par collage direct sur la première couche 1 selon l'étape c) du procédé (figure 13). Enfin, le premier substrat 2 est retiré selon l'étape d) du procédé illustré à la figure 14. Pour ce faire, un laser de type YAG irradie la couche optiquement absorbante 8 à la longueur d'onde déterminée d'absorption, telle que 273 nm pour le Si3N4< latéralement à la structure 100 ou à travers le premier substrat 2 de saphir transparent à cette longueur d'onde de sorte à décomposer la couche 8 de SixNy ou tout du moins permettre de séparer la première couche 1 du premier substrat 2 pour enfin obtenir la structure 100 (figure 15).
Les figures 16 à 21 illustrent un troisième mode de réalisation dans lequel la couche à bande intermédiaire 5 est formée par implantation d'espèces dopantes dans une très grande proportion dans une couche 9 en un deuxième matériau semiconducteur.
Comme illustré à la figure 16, une première couche 1 en un matériau de n-Si est formée par épitaxie sur un premier substrat 2 de n-Si et fourni selon l'étape a) du procédé en vu d'un collage direct. En parallèle, une implantation d'une dose d'environ 10E16at.cm"2 d'espèces ioniques de titane est réalisée dans une première portion d'une couche 9 en un deuxième matériau semiconducteur p-Si de sorte à former la couche à bande intermédiaire 5 comprenant une concentration en titane de l'ordre de 6.10el9 at.cm"3 et à dépasser la transition de Mott. La couche à bande intermédiaire 5 présente ainsi le caractère métallique souhaité. La seconde portion résiduelle non implantée de ladite couche 9 forme alors la seconde couche 3 de matériau semiconducteur dopé p, selon l'étape o) du procédé. Comme il est visible sur les figures 17et 18 une particularité de ce mode de réalisation réside en ce que la seconde couche 3 est tellement épaisse qu'elle forme elle-même le deuxième substrat 4 complet de p-Si. En effet, le matériau de p-Si n'a pas une capacité d'absorption du rayonnement solaire très élevée. Cette faible aptitude est compensée par une épaisseur de couche 3 plus importante, qui permet par ailleurs d'atteindre la résistance mécanique suffisante pour être auto-portée et agir comme un deuxième substrat 4.
Bien entendu, ce mode de réalisation d'une couche à bande intermédiaire 5 par implantation d'espèces ioniques dopantes est également réalisable dans une couche en un matériau semi-conducteur disposée sur un deuxième substrat 4 support distinct de ladite couche 9.
Puis, comme illustré à la figure 19, un traitement thermique est appliqué au moins sur la première portion de ladite couche 9 qui a été implantée de sorte à guérir les défauts cristallins générés par l'implantation ionique (étape p). Ce traitement thermique est notamment réalisé par laser à excimer de KrF utilisé en mode puisé. Chacune des impulsions du laser est réalisée sur une durée d'environ 20 ns avec une densité d'énergie dans une plage de 0.6-0.8 J/cm2. Comme illustré à la figure 20, la couche à bande intermédiaire 5 est collée par collage direct à la première couche 1 selon l'étape c) du procédé. Enfin, le premier substrat 2 est retiré selon étape d) du procédé (figure 21).
Selon une possibilité non illustrée, le retrait du premier substrat 2 comprend au préalable une implantation d'espèce ionique réalisée dans le premier substrat 2 de sorte à y créer un plan de fragilisation. Puis une épitaxie de la première couche 1 est réalisée sur le premier substrat 2 dans des conditions, et notamment avec un faible budget thermique, permettant d'éviter la fracture au niveau du plan de fragilisation. Après collage direct de la première couche 1 avec la couche à bande intermédiaire 5, le premier substrat 2 est retiré par séparation au niveau de plan de fragilisation. Cette séparation est engendrée par application d'une contrainte mécanique au niveau du plan de fragilisation et/ou l'application d'un traitement thermique de fracture. De préférence, l'implantation d'espèces ioniques est réalisée de sorte à créer le plan de fragilisation à proximité de la surface du premier substrat 2 sur laquelle la première couche 1 est épitaxiée. Dans cette variante, le négatif du premier substrat 2 implanté est nettoyé pour être recyclé et réutilisé dans un nouveau procédé de transfert de la première couche 1.
La figure 22 illustre la fabrication d'un empilement 200 de couches de semi-conducteur à bande intermédiaire obtenue par collage direct d'une première structure 100 à bande intermédiaire à une seconde structure 100' à bande intermédiaire via une couche de collage optiquement transparente. La nature des matériaux est bien entendue choisie de sorte à optimiser l'absorption du spectre solaire et d'augmenter l'efficacité de la cellule. Par exemple, les couches à bande intermédiaires sont constituées d'lnAs/AI0.4Ga0.6As pour la structure supérieure et de Si dopé par du titane pour la structure inférieure. Cet empilement 200 est destiné par exemple pour la fabrication de dispositif photovoltaïque multi-jonctions à bande intermédiaire telle que des cellules solaires.
L'opération de collage direct d'une structure 100 à bande intermédiaire sur une seconde structure 100' suivi du retrait éventuel d'un substrat altérant l'absorption peut être répétée plusieurs fois jusqu'à l'obtention d'un empilement 200 de couches de semi-conducteur à bande intermédiaire pour l'obtention d'un dispositif photovoltaïque multi-jonctions d'une efficacité optimale, notamment avec l'obtention d'une tension très importante.
Ainsi, la présente invention apporte une amélioration déterminante à l'état de la technique antérieure en proposant un procédé de fabrication d'une structure comprenant une couche d'un nanomatériau à bande interdite dont les propriétés électriques ne sont pas dégradées par les conditions de croissance des autres couches de la structure 100, ni par les contraintes générées, les dislocations dans les autres couches ou d'autres paramètres influençant la qualité du nanomatériau. La structure 100 pour cellule photovoltaïque est ainsi optimisée et permet d'atteindre une efficacité améliorée.
Il va de soi que l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits ci-dessus à titre d'exemples mais qu'elle comprend tous les équivalents techniques et les variantes des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d'une structure (100) pour dispositifs photovoltaïques à bande intermédiaire, telle qu'une cellule solaire, la structure (100) comportant au moins une première couche (1) destinée à former un premier émetteur, une seconde couche (3) destinée à former un second émetteur et une couche à bande intermédiaire (5) intercalée entre la première couche (1) et la seconde couche (3), le procédé comprenant les étapes de :
a) Fournir la première couche (1) en un premier matériau semiconducteur sur un premier substrat (2),
b) Fournir un empilement élémentaire (7) comprenant la couche à bande intermédiaire (5) en un matériau semiconducteur à bande intermédiaire sur la seconde couche (3) en un deuxième matériau semiconducteur sur un deuxième substrat (4),
c) Coller par collage direct la couche à bande intermédiaire (5) à la première couche (1), et
d) Retirer au moins un substrat parmi le premier substrat (2) et le deuxième substrat (4) de sorte à obtenir la structure (100).
2. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel la couche à bande intermédiaire (5) est formée en un matériau semiconducteur comprenant des éléments dopants aptes à absorber une longueur d'onde supérieure à celle absorbée par ledit matériau semiconducteur, les éléments dopants étant présents avec une concentration supérieure à celle permettant la transition de Mott et, de préférence, comprise entre 6.10el9 at.cm 3 et 6.10e20 at.cm 3.
3. Procédé de fabrication selon la revendication 1, dans lequel la couche à bande intermédiaire (5) en au moins un matériau semiconducteur est réalisée par formation de structures nanométriques zéro-dimensionnelles de sorte à confiner les électrons dans les trois dimensions spatiales au sein dudit au moins un matériau semiconducteur, tel que des points quantiques.
4. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le procédé comprend une étape i), réalisée avant l'étape b), comprenant une épitaxie de la couche à bande intermédiaire (5) sur un troisième substrat (6).
5. Procédé de fabrication selon la revendication 4, dans lequel le procédé comprend avant l'étape b), une étape j) de collage direct de la couche à bande intermédiaire (5) sur la seconde couche (3) et une étape k) de retrait du troisième substrat (6) de sorte à former ledit empilement élémentaire (7) fourni à l'étape b).
6. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le procédé comprend une étape m) réalisée avant l'étape b) comprenant une épitaxie de la couche à bande intermédiaire (5) sur la seconde couche (3) de sorte à former ledit empilement élémentaire (7) fourni à l'étape b).
7. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 2, dans lequel, avant l'étape b), le procédé comprend successivement les étapes de :
n) Fournir une couche (9) formée dans le deuxième matériau semiconducteur sur le deuxième substrat (4),
o) Implanter des espèces dopantes dans une première portion de ladite couche (9), destinée à former la couche à bande intermédiaire (5), la seconde portion de ladite couche (9) formant la seconde couche (3),
p) Appliquer un traitement thermique de reconstruction du réseau cristallin de la première portion, notamment par laser puisé, de sorte à obtenir la couche à bande intermédiaire (5).
8. Procédé de fabrication selon la revendication 1 à 7, dans lequel le procédé comprend une étape q) réalisée avant l'étape a) comprenant une épitaxie de la première couche (1) sur le premier substrat (2).
9. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le procédé comprend une étape r), réalisée avant l'étape b), comprenant une épitaxie de la seconde couche (3) sur le deuxième substrat (4).
10. Procédé de fabrication selon la revendication 1 à 7, dans lequel la première couche (1) et/ou la seconde couche (3) est formée respectivement par le premier substrat (2) et/ou le deuxième substrat (4).
11. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel la première couche (1) et la seconde couche (3) sont respectivement dopée de type p et dopée de type n, ou inversement.
12. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 11, dans lequel le retrait selon l'étape k) et/ou l'étape d) est réalisée par gravure.
13. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 11, dans lequel l'étape k) et/ou l'étape d) de retrait comprend les étapes de :
- implanter des espèces ioniques formant un plan de fragilisation dans le premier substrat (2), dans le deuxième substrat (4) et/ou dans le troisième substrat (6), et
- détacher le premier substrat (2), le deuxième substrat (4) et/ou le retrait du troisième substrat (6) au niveau du plan de fragilisation respectif.
14. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 11, dans lequel l'étape k) et/ou l'étape d) de retrait comprend les étapes de :
- formation d'une couche optiquement absorbante (8) entre le premier substrat (2) et la première couche (1), entre le deuxième substrat (4) et la seconde couche (3) et/ou entre le troisième substrat (6) et la couche à bande intermédiaire (5), la couche optiquement absorbante (8) étant formée en un matériau absorbant une longueur d'onde déterminée, et
- irradiation de ladite couche optiquement absorbante (8) à la longueur d'onde déterminée d'absorption, notamment par laser.
15. Procédé de fabrication selon l'une des revendications 1 à 14, dans lequel l'étape j) et/ou l'étape c) de collage direct comprend les étapes de :
- Déposer une couche de collage optiquement transparente sur la surface exposée de la couche à bande intermédiaire (5) et/ou sur la surface exposée de la première couche (1) et/ou sur la surface exposée de la seconde couche (3), et
- préparer la surface de la ou des couche(s) de collage optiquement transparente(s) et/ou la surface exposée de la couche à bande intermédiaire (5) et/ou sur la surface exposée de la première couche (1) et/ou sur la surface exposée de la seconde couche (3) de sorte à obtenir une topologie de surface permettant le collage direct, notamment par polissage mécano-chimique, et notamment jusqu'à obtenir une rugosité inférieure ou égale à environ 1 nm RMS.
16. Procédé de fabrication d'un empilement (200) de couches de semi- conducteur à bande intermédiaire pour dispositifs photovoltaïques multi-jonctions à bande intermédiaire, telle que des cellules solaires photovoltaïques multi-jonctions à bande intermédiaire, le procédé comprenant les étape de :
- fournir au moins une première structure (100) et une deuxième structure (100') fabriquées par le procédé selon l'une des revendications 1 à 15 dans lequel l'étape d) comprend le retrait du premier substrat (2) et le retrait du deuxième substrat (4) de la première structure (100) et/ou de la deuxième structure (100' ),
- former une couche de collage sur la première structure (100) et/ou sur la deuxième structure (100'), la couche de collage étant optiquement transparente à la longueur d'onde absorbée par le matériau à bande intermédiaire de la première structure (100) et/ou de la deuxième structure (100'), et
- coller la première structure (100) et la deuxième structure (100') par collage direct par l'intermédiaire d'au moins la ou les couches de collage optiquement transparentes.
17. Structure (100) pour dispositifs photovoltaïques à bande intermédiaire, tel que des cellules solaires, la structure comprenant :
- une première couche (1) en un premier matériau semiconducteur, destinée à former un premier émetteur,
- une seconde couche (3) en un deuxième matériau semiconducteur, destinée à former un second émetteur,
- une couche à bande intermédiaire (5) en un matériau semiconducteur à bande intermédiaire, intercalée entre la première couche (1) et la seconde couche (3), et
- une couche de collage optiquement transparente entre la couche à bande intermédiaire et la première couche (1) et/ou la seconde couche (3).
18. Structure (100) selon la revendication 17 dans laquelle la couche à bande intermédiaire (5) est constituée en matériau semiconducteur dopé par des éléments dopants aptes à absorber une longueur d'onde supérieure à celle absorbée par ledit matériau semiconducteur, les éléments dopants étant présents avec une concentration comprise entre 6.10el9 at.cm 3 et 6.10e20 at.cm 3.
19. Structure (100) selon la revendication 17 dans lequel la couche à bande intermédiaire (5) est constituée de nanomatériaux comportant des structures nanométriques zéro-dimensionnelles d'au moins un matériau semiconducteur de sorte à confiner les électrons dans les trois dimensions spatiales au sein dudit matériau semiconducteur, tel que des points quantiques.
20. Empilement (200) de couches de semi-conducteur à bande intermédiaire pour dispositifs photovoltaïques multi-jonctions à bande intermédiaire, telles que des cellules solaires, l'empilement (200) comprenant au moins deux structures (100, 100') selon l'une des revendications 17 à 19 collées par adhésion moléculaire l'une à l'autre par l'intermédiaire d'une couche de collage optiquement transparente.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011004036A1 (fr) * 2009-07-09 2011-01-13 Universidad Politécnica de Madrid Matériaux de silicium à bande intermédiaire
US20120097228A1 (en) * 2010-10-21 2012-04-26 Sharp Kabushiki Kaishao Solar cell
US20140326299A1 (en) * 2011-06-21 2014-11-06 Elisa Antolín Fernández Solar cell with an intermediate band comprising non-stressed quantum dots

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011004036A1 (fr) * 2009-07-09 2011-01-13 Universidad Politécnica de Madrid Matériaux de silicium à bande intermédiaire
US20120097228A1 (en) * 2010-10-21 2012-04-26 Sharp Kabushiki Kaishao Solar cell
US20140326299A1 (en) * 2011-06-21 2014-11-06 Elisa Antolín Fernández Solar cell with an intermediate band comprising non-stressed quantum dots

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A. LUQUE; A. MARTI: "The Intermediate Band Solar Cell: progress toward the realization of an attractive concept", ADV. MATER., vol. 22, 2010, pages 160 - 174
A. LUQUE; A. MARTI; E. ANTOLIN; C. TABLERO: "Intermediate bands versus levels in non-radiative recombination", PHYSICA B, vol. 382, no. 2, 2006, pages 320 - 327

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