WO2017009218A1 - Cellule photovoltaïque et procede de fabrication d'une cellule photovoltaïque - Google Patents

Cellule photovoltaïque et procede de fabrication d'une cellule photovoltaïque Download PDF

Info

Publication number
WO2017009218A1
WO2017009218A1 PCT/EP2016/066246 EP2016066246W WO2017009218A1 WO 2017009218 A1 WO2017009218 A1 WO 2017009218A1 EP 2016066246 W EP2016066246 W EP 2016066246W WO 2017009218 A1 WO2017009218 A1 WO 2017009218A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
photovoltaic cell
iii
cavity
microlens
Prior art date
Application number
PCT/EP2016/066246
Other languages
English (en)
Inventor
Cécilia Dupre
Yann Bogumilowicz
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives filed Critical Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
Priority to EP16736196.3A priority Critical patent/EP3320565A1/fr
Publication of WO2017009218A1 publication Critical patent/WO2017009218A1/fr

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/06—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers
    • H01L31/068—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices characterised by potential barriers the potential barriers being only of the PN homojunction type, e.g. bulk silicon PN homojunction solar cells or thin film polycrystalline silicon PN homojunction solar cells
    • H01L31/0687—Multiple junction or tandem solar cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/054—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H01L31/0543—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means comprising light concentrating means of the refractive type, e.g. lenses
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02367—Substrates
    • H01L21/0237—Materials
    • H01L21/02373—Group 14 semiconducting materials
    • H01L21/02381—Silicon, silicon germanium, germanium
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials
    • H01L21/02538—Group 13/15 materials
    • H01L21/02543—Phosphides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02521—Materials
    • H01L21/02538—Group 13/15 materials
    • H01L21/02546—Arsenides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612—Formation types
    • H01L21/02617—Deposition types
    • H01L21/0262—Reduction or decomposition of gaseous compounds, e.g. CVD
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02612—Formation types
    • H01L21/02617—Deposition types
    • H01L21/02636—Selective deposition, e.g. simultaneous growth of mono- and non-monocrystalline semiconductor materials
    • H01L21/02639—Preparation of substrate for selective deposition
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/544—Solar cells from Group III-V materials
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the field of the invention is that of photovoltaic cells and photovoltaic cell manufacturing processes. STATE OF THE PRIOR ART
  • III-V material is an alloy of one or more elements of column III of the Mendeleev table with one or more elements of column V of the Mendeleev table, excluding III-V materials containing nitrogen. or boron. This layer of III-V material generally forms a p-n junction on the silicon cell.
  • the epitaxy of a layer of III-V material on a silicon layer poses numerous problems, in particular because of the mesh parameter mismatch between these two materials.
  • the difference in mesh parameter between the III-V material and the silicon is about 4%, which creates dislocations in the III-V material with density of about 10 9 cm "2.
  • the III-V material and silicon have very different thermal expansion coefficients, which can crack the layer of III-V material. This phenomenon is named in the Furthermore, the fact that the chemical mismatch between the III-V material and the silicon induces a nucleating morphology of poor quality, which generates the creation of stacking defects (named "epilayer cracking").
  • the invention aims to overcome the drawbacks of the state of the art by proposing a solar cell having improved performance.
  • a first aspect of the invention proposes to grow the III-V material in cavities of a layer of transparent dielectric material to block laterally the propagation of dislocations. This prevents dislocations from propagating to the surface of the layer of III-V epitaxial material.
  • the disadvantage of such an approach is that the silicon substrate is not completely covered by the III-V material layer which is the light absorbing active layer.
  • a layer of microlenses is deposited on the photovoltaic cell thus formed in order to concentrate the light in the cavities which contain the active layer of III-V material.
  • the position of the focal point of each microlens of the microlens layer is adjusted by the presence of a transparent layer between the microlens layer and the upper surface of the cavities.
  • a photovoltaic cell comprising:
  • barrier layer a so-called “barrier” layer of transparent dielectric material, the barrier layer being deposited on the substrate, the barrier layer being traversed by at least one cavity;
  • interlayer a so-called "interlayer” layer of transparent dielectric material, the interlayer being deposited on the barrier layer;
  • the photovoltaic cell thus formed is therefore particularly advantageous in that it exhibits improved performances due to the decrease in the density of dislocations.
  • the layer III-V material due to the deposition of the layer of material III-V in a cavity of the barrier layer.
  • the fact that the layer of material III-V does not completely cover the silicon substrate does not penalize the operation of the cell thanks to the microlenses which make it possible to concentrate the light in the areas where the III-V material is located, that is to say in the cavities.
  • the interlayer makes it possible to adjust the position of the focal point of the microlenses so that this focal point is at the desired place. Indeed, one can choose the thickness of the interlayer so as to obtain the desired spacing between the microlens layer and the material III-V deposited in the cavity.
  • the photovoltaic cell according to the first aspect of the invention may also have one or more of the following features taken individually or in any technically possible combination.
  • the barrier layer is traversed by several cavities, a layer of material III-V being deposited in each cavity.
  • each microlens has a diameter of between 0.5 ⁇ and 50 ⁇ , and preferably between 5 ⁇ and 20 ⁇ .
  • each microlens is configured to have a focal length of between 0.5 ⁇ and 50 ⁇ , and preferably between 5 ⁇ and 20 ⁇ .
  • the interlayer has a thickness of between 50% and 100% of the focal length of the microlens.
  • the photovoltaic cell comprises in each cavity a layer of material III-V, the layer of material III-V being AIGaAs.
  • the photovoltaic cell comprises in each cavity a stack of layers of III-V material, the stack comprising at least two layers of III-V material, each layer of III-V material forming a p-n junction.
  • This embodiment makes it possible to have a better yield.
  • Each III-V material is preferably chosen according to its forbidden band parameter so as to absorb the maximum of photons coming from the solar spectrum and to respect the adjustment of the currents, that is to say they are of preference chosen so that each sub-cell put in series delivers the same current.
  • the stack of layers of material III-V comprises:
  • the photovoltaic cell comprises, in each cavity, between the stack of layers of III-V material and the substrate, a germanium layer which makes it possible to reduce the defects in the III-V material layers and to better control growth. different layers.
  • the silicon substrate forms a p-n junction. This results in a multi-junction cell, which allows for better performance.
  • the photovoltaic cell further comprises a tunnel junction in each cavity, which makes it possible to promote the passage of electrons between the junction (s) p-n contained in each cavity and the junction p-n formed by the silicon substrate.
  • the barrier layer is a silicon oxide layer or a silicon nitride layer.
  • a second aspect of the invention relates to a method of manufacturing a photovoltaic cell comprising the following steps:
  • the method further comprises, between steps (c) and (d), a step of depositing a germanium layer.
  • the method further comprises a step of depositing a second layer of III-V material forming a p-n junction in the cavity.
  • the step (f) for forming the microlens layer comprises the following sub-steps:
  • FIG. 3 a schematic electrical representation of the photovoltaic cell of FIG. 1;
  • FIG. 6 an illustration of a substrate Si on which the photovoltaic cell according to the invention can be made.
  • a photovoltaic cell according to an embodiment of the invention will now be described with reference to Figures 1 to 3.
  • This photovoltaic cell comprises a silicon substrate 1.
  • the substrate preferably has a lifetime of minority carriers of the order of one millisecond.
  • the substrate has a thickness of between 10 and 500 ⁇ . In this embodiment, the substrate has a thickness of 200 ⁇ .
  • This silicon substrate preferably forms a p-n junction 27. This p-n junction is called "base junction" 27 in the following.
  • the silicon substrate 1 preferably comprises a p-doped zone 2 and an n-doped zone 3.
  • the base junction 27 is preferably homo-junction type.
  • the photovoltaic cell also comprises a so-called "barrier layer” layer 4.
  • This barrier layer 4 is deposited on the base junction 27.
  • the barrier layer 4 is preferably made of a non-crystalline transparent dielectric material. This material may for example be an oxide, for example SiO 2 or SiN.
  • the barrier layer 4 preferably has a thickness e 4 of between 0.5 ⁇ and 30 ⁇ , and more preferably between 2 ⁇ and 5 ⁇ .
  • the thickness of the barrier layer 4 is chosen to be large enough to block the dislocations of a material III-V deposited in its cavities. In this embodiment, the barrier layer has a thickness of 4 ⁇ .
  • the barrier layer 4 is traversed by at least one cavity 5, and preferably by several cavities 5.
  • Each cavity 5 passes through the barrier layer 4 from one side to the other.
  • Each cavity preferably extends in a direction perpendicular to the surface of the substrate 1.
  • Each cavity preferably has a width l 5 between 0.5 and 5 ⁇ ⁇ , and more preferably between 1 and 3 ⁇ ⁇ to block dislocations laterally. In this embodiment, each cavity has a width of 2 ⁇ .
  • the photovoltaic cell also comprises in each cavity at least one p-n junction 6 formed by a III-V material.
  • each cavity is filled with a layer of material III-V.
  • the material III-V used in this embodiment is preferably AIGaAs.
  • the layer of material III-V has a lower portion 7 in which the dislocations are concentrated. Indeed, thanks to the presence of the barrier layer 4, the density of dislocations in the layer of material III-V 20 is reduced, and furthermore, these dislocations are only located in the lower part 7 of the layer of material III. V 20.
  • the layer of III-V material 20 also includes an upper part 6 that has a very low dislocation density, that is to say less than 10 5 cm "2
  • the upper part 6 comprises a solid portion lll- P-doped V 17 and a n + 18 doped lll-V material zone.
  • the cavity is preferably sufficiently deep so that the upper part 6 absorbs most of the light in its absorption range and, since it has a low density of dislocations, the photogenerated carriers do not recombine.
  • the photovoltaic cell also preferably comprises a tunnel junction 8.
  • the tunnel junction makes it possible to promote the transport of the electrons from the pn junction 6 to the base junction 27.
  • the tunnel junction 8 has been represented between the parts lower 7 and upper 6 of the layer of material III-V 20.
  • the tunnel junction could also be located at another place, for example between the lower portion 7 of the layer of material III-V and the base junction 27 .
  • the photovoltaic cell also comprises a layer of microlenses 10.
  • This layer of microlenses 10 comprises several microlenses 1 1 integral with each other. Each microlens 1 1 preferably has a hemispherical shape.
  • the microlens layer 10 is preferably made of resin, more generally in a material transparent in the wavelength range of interest and which can be shaped by micro-moldings and / or by heat treatments associated with trench definitions Each microlens 1 1 is positioned above a cavity 5, in order to concentrate the light in this cavity 5.
  • the microlens layer 10 therefore comprises as many microlenses 1 1 as the barrier layer 4 has cavities 5. Each microlens 1 1 is configured to focus the received light in the cavity 5 which is below it.
  • each microlens 1 1 preferably has a focal point located in the cavity which is below this microlens.
  • Each microlens 1 1 preferably has a focal length of between 2 and 5 ⁇
  • Each microlens 1 1 preferably has a diameter of between 5 and 20 ⁇ . In this embodiment, each microlens has a diameter of 10 ⁇ .
  • the photovoltaic cell also comprises an intermediate layer 9 disposed between the microlens layer 10 and the barrier layer 4. More specifically, the intermediate layer 9 is deposited on the barrier layer 4 and the microlens layer 10 is deposited on the intermediate layer 9.
  • the intermediate layer 9 is made of a transparent dielectric material. This transparent dielectric material may be an oxide such as SiO 2, SiN, a resin, it can also be "spin-on-glass", that is to say beads of silicas dissolved in a solvent that is deposited by centrifugation.
  • the intermediate layer 9 makes it possible to adjust the distance between the microlens layer 10 and the layer III V material contained in each cavity 5 of the barrier layer 4. In fact, the thickness e 9 of the intermediate layer 9 is chosen in depending on the desired position for the focal point of each microlens.
  • the photovoltaic cell also comprises front metal contacts 12 which make it possible to interconnect the p-n junctions 6 in adjacent cavities.
  • the p-n junctions 6 in adjacent cavities can thus be connected in parallel.
  • Each front metal contact 12 preferably surrounds one of the pn junctions 6 by contacting both a portion of the upper surface 13 of the barrier layer 4 and a portion of the upper surface 20 of the pn junction 6.
  • the front metal contacts 12 are interconnected by a metal line 19.
  • the metal lines 19 are then interconnected by additional lines to form an upper electrode.
  • the photovoltaic cell also comprises at least one rear metal contact 14.
  • This rear metal contact 14 is preferably formed by a metal layer 15 deposited on a lower surface 16 of the substrate 1.
  • a photovoltaic cell is thus obtained whose electrical diagram is shown in FIG. 3.
  • the pn junctions 6 which are located in adjacent cavities are connected in parallel with each other and then in series with the base junction 27.
  • the pn junctions 6 When the material III-V is connected in series with the base junction 27, it is necessary to adjust the forbidden band energy of the material III-V used as well as the thickness of the p-doped zone 17 of each pn junction 6 in order to each of the pn junctions 6 and the base junction 27 produce the same current.
  • This technique of adjusting currents is known from the prior art under the name of "current matching". It will be noted that the photovoltaic cell according to the invention shown in FIG. 1 (but also in FIG.
  • the single cell is a single cell based on a Si substrate 1 on which a plurality of cavities 5 formed in the barrier layer 4 are made and as many microlenses 1 1.
  • the single cell comprises a single layer of Si forming a pn junction and a plurality of cavities each having at least one pn junction and the same number of microlenses as cavities.
  • This cell can be manufactured on the whole of an Si substrate, for example on a substrate of the "pseudo square" type (ie a substantially square substrate with beveled corners). Two examples of "pseudo square" substrate with different dimensions are shown in FIG. 6.
  • FIG. 4 represents a photovoltaic cell according to one embodiment of the invention.
  • the photovoltaic cell comprises in each cavity 5 a germanium base layer 21.
  • On this germanium base layer is deposited at least a first layer of material III-V 20a.
  • a second layer of material III-V 20b is deposited on the first layer of III-V material 20a.
  • the deposition of this germanium base layer 21 at the bottom of the cavity is particularly advantageous because the growth of the germanium layers in the cavity is particularly well controlled.
  • the growth of the layers of material III-V 20a, 20b then takes place on germanium instead of taking place on silicon, which limits the density of dislocations in the layers of material III-V 20a, 20b.
  • the first layer of material III-V 20a is made of GaAs and the second layer of material III-V 20b is InGaP since these materials have the same mesh parameter as the base layer of germanium 21. Thus, no additional dislocation is introduced into the layers of material III-V 20a, 20b.
  • Another advantage lies in the fact that the growth of InGaP and GaAs layers on germanium is very well controlled and can be carried out on an industrial scale.
  • each photovoltaic cell preferably comprises:
  • the method firstly comprises a step 101 for forming a pn junction from a n-doped silicon substrate 1.
  • This silicon pn junction is called a base junction 27.
  • the base junction forming step 101 preferably comprises the following substeps:
  • This first diffusion barrier 24 may for example be a bilayer comprising a 100 nm SiO 2 layer and a 50 nm SiN layer.
  • This dopant may be, for example, BCI 3 ;
  • This removal step may be carried out by wet etching, for example with hydrofluoric acid (HF);
  • This second diffusion barrier may for example be a bilayer comprising a 100 nm SiO 2 layer and a 50 nm SiN layer;
  • This dopant may for example be POCI 3 ;
  • This removal step may be carried out by wet etching, for example with hydrofluoric acid (HF);
  • the method then comprises a step 102 of depositing a layer 4 called "barrier layer", a transparent non-crystalline dielectric material on an upper surface 28 of the base junction 27.
  • this barrier layer 4 is Si0 2 , it can for example be deposited by chemical vapor deposition.
  • the method then comprises a step 103 for forming cavities 5 in the barrier layer 4.
  • This cavity-forming step 103 is preferably carried out by lithography and dry etching then wet or only by dry etching. This dry etching step is advantageous because it is anisotropic.
  • the barrier layer is etched by wet etching so as to form through cavities. This etching step is isotropic, but it does not damage the crystalline properties of the base junction 27.
  • the method then comprises a step 104 of depositing a layer of material III-V in the cavities 5.
  • the growth of the material III-V in the cavities 5 is carried out by epitaxy, for example in an equipment of MOCVD (according to the English term MetalOrganic Chemival Vapor Deposition) making it possible to make epitaxy in phase steam.
  • MOCVD MetalOrganic Chemival Vapor Deposition
  • organometallic precursors typically tributylarsenic and trimethylgalium. It is also possible to use triethylarsenic or arsine and phosphine hydride compounds.
  • the precursors are diluted in hydrogen.
  • a first nucleation layer of III-V material preferably at a low temperature T n , that is to say at a temperature of between 150 ° C. and 450 ° C. and at a high pressure P n , will be carried out. that is to say at a pressure of between 80 Torr and 720 Torr.
  • the first nucleation layer preferably has a thickness of between 5 nm and 150 nm.
  • a growth layer is then produced at a higher temperature, that is to say at a temperature of between 450 ° C.
  • a mixture of the arsenic and gallium precursors is preferably sent to the growth reactor.
  • the partial pressure of the precursor of arsenic is higher than that of gallium.
  • one or more thermal cycles can be carried out at temperatures of between 500 ° C. and 950 ° C. in order to reduce the density of emerging dislocations in the layers.
  • the method may then comprise a step 105 of making metal contact before and rear metal contact.
  • the method then comprises a step 106 of depositing on the surface of the barrier layer 4 an interlayer 9 of transparent dielectric material.
  • the intermediate layer 9 is Si0 2 , it may for example be deposited by chemical vapor deposition.
  • the interlayer is resin, it can be deposited by spin coating (or "spin coating" in English).
  • the method then comprises a step 107 of depositing a layer of microlenses 10 on the barrier layer 9.
  • a resin layer 30 is first deposited on the barrier layer 9.
  • the resin layer 30 may for example be deposited by spinning.
  • trenches 31 in this resin layer 30 The portions of the resin layer between two consecutive trenches 31 form pads 32.
  • the resin pads 32 are then caused to be cured by a heat treatment so as to form the microlenses 11. Indeed, during the heat treatment step, the resin pads 32 minimize their surface energy, and therefore their surface.
  • the surface of each stud 32 is therefore modified to take a hemispherical shape.
  • the method has been described in the case where a single p-n junction is formed in each cavity.
  • a similar method could also be implemented to manufacture photovoltaic cells having several p-n junctions in each cavity.
  • the method instead of a step of depositing a single layer of III-V material, the method could include a step of depositing a stack of layers of III-V material.
  • the method prior to the step of depositing the layer or layers of III-V material, the method could include a step of depositing a germanium layer in each cavity.
  • the photovoltaic cells could comprise other III-V materials than those described.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

L'invention concerne une cellule photovoltaïque et un procédé de fabrication d'une cellule photovoltaïque comportant : • - un substrat (1) en silicium formant une jonction p-n; • - une couche dite « barrière » (4) en matériau diélectrique transparent, la couche barrière (4) étant déposée sur le substrat (1), la couche barrière (4) étant traversée par plusieurs cavités (5); • - une couche en matériau lll-V (20, 20a, 20b) formant une jonction p-n étant déposée dans chaque cavité (5); • - une couche dite « intercalaire » (9) en matériau diélectrique transparent, la couche intercalaire (9) étant déposée sur la couche barrière (4); • - une couche de microlentilles (10) déposée sur la couche intercalaire (9), la couche de microlentilles (10) comportant plusieurs microlentilles (11), chaque microlentille (11) présentant

Description

CELLULE PHOTOVOLTAÏQUE ET PROCEDE DE FABRICATION D'UNE CELLULE
PHOTOVOLTAÏQUE
DOMAINE TECHNIQUE
Le domaine de l'invention est celui des cellules photovoltaïques et des procédés de fabrication de cellules photovoltaïques. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEUR
Actuellement, la technologie dominante pour les cellules solaires est basée sur l'utilisation du matériau silicium, sous sa forme mono- ou poly-cristalline. Une possibilité pour augmenter le rendement d'une cellule solaire à base de silicium consiste à ajouter sur cette dernière une couche de matériau lll-V. Un matériau lll-V est un alliage d'un ou plusieurs éléments de la colonne III du tableau de Mendeleïev avec un ou plusieurs éléments de la colonne V du tableau de Mendeleïev, à l'exclusion des matériaux lll-V contenant de l'azote ou du bore. Cette couche de matériau lll-V forme généralement une jonction p-n sur la cellule en silicium.
Toutefois, l'épitaxie d'une couche de matériau lll-V sur une couche de silicium pose de nombreux problèmes, notamment du fait du désaccord de paramètre de maille entre ces deux matériaux. Ainsi, dans le cas où le matériau lll-V est du GaAsP, la différence de paramètre de maille entre le matériau lll-V et le silicium est d'environ 4%, ce qui créé des dislocations dans le matériau lll-V avec une densité d'environ 109cm"2. En outre, le matériau lll-V et le silicium présentent des coefficients d'expansion thermiques très différents, ce qui peut faire fissurer la couche en matériau lll-V. Ce phénomène est nommé dans la littérature en langue anglaise « epilayer cracking ». A cela s'ajoute le fait que le désaccord chimique entre le matériau lll-V et le silicium induit une morphologie de nucléation de mauvaise qualité, ce qui génère la création de défauts d'empilement (nommé dans la littérature en langue anglaise « stacking faults ») et de micro fissures (nommé dans la littérature en langue anglaise « microtwins »). Enfin, la croissance d'un matériau polaire (lll-V) sur un matériau qui ne l'est pas (Si) va induire la présence de parois d'antiphase dans la couche de lll-V. Ces parois sont un défaut où l'on va avoir des liaisons entres atomes d'éléments III entres eux, ou bien atomes d'éléments V entres eux, alors que dans un cristal sans défaut, on devrait uniquement avoir des liaisons entres atomes d'éléments III avec des atomes d'éléments V. L'ensemble de ces défauts cristallins entraîne une dégradation des performances de la cellule solaire.
EXPOSE DE L'INVENTION
L'invention vise à remédier aux inconvénients de l'état de la technique en proposant une cellule solaire présentant des performances améliorées.
Pour ce faire, un premier aspect de l'invention propose de faire croître le matériau lll-V dans des cavités d'une couche de matériau diélectrique transparent afin de bloquer latéralement la propagation des dislocations. On évite ainsi que les dislocations ne se propagent jusqu'à la surface de la couche de matériau lll-V épitaxiée. Toutefois, l'inconvénient d'une telle approche est que le substrat en silicium n'est pas entièrement recouvert de la couche en matériau lll-V qui est la couche active absorbant la lumière. Pour remédier à ce problème, une couche de microlentilles est déposée sur la cellule photovoltaïque ainsi formée afin de concentrer la lumière dans les cavités qui contiennent la couche active en matériau lll-V. En outre, la position du point focal de chaque microlentille de la couche de microlentilles est ajustée grâce à la présence d'une couche transparente entre la couche de microlentilles et la surface supérieure des cavités.
Plus précisément, un premier aspect de l'invention concerne une cellule photovoltaïque comportant :
- un substrat en silicium ;
- une couche dite « barrière » en matériau diélectrique transparent, la couche barrière étant déposée sur le substrat, la couche barrière étant traversée par au moins une cavité ;
au moins une couche en matériau lll-V formant une jonction p-n, la couche en matériau lll-V étant déposée dans la cavité ;
- une couche dite « intercalaire » en matériau diélectrique transparent, la couche intercalaire étant déposée sur la couche barrière;
- une couche de microlentilles déposée sur la couche intercalaire, la couche de microlentilles comportant au moins une microlentille, la microlentille présentant un point focal situé dans la cavité. La cellule photovoltaïque ainsi formée est donc particulièrement avantageuse en ce qu'elle présente des performances améliorées grâce à la diminution de la densité de dislocations dans la couche en matériau lll-V du fait du dépôt de la couche en matériau lll-V dans une cavité de la couche barrière. Par ailleurs, le fait que la couche en matériau lll-V ne recouvre pas totalement le substrat en silicium ne pénalise pas le fonctionnement de la cellule grâce aux microlentilles qui permettent de concentrer la lumière dans les zones où le matériau lll-V se trouve, c'est-à-dire dans les cavités. La couche intercalaire permet d'ajuster la position du point focal des microlentilles de façon à ce que ce point focal se trouve à l'endroit voulu. En effet, on peut choisir l'épaisseur de la couche intercalaire de façon à obtenir l'écartement voulu entre la couche de microlentilles et le matériau lll-V déposé dans la cavité. La cellule photovoltaïque selon le premier aspect de l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-après prises individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles.
Avantageusement, la couche barrière est traversée par plusieurs cavités, une couche en matériau lll-V étant déposée dans chaque cavité.
Avantageusement, chaque microlentille présente un diamètre compris entre 0.5 μηι et 50 μηι, et de préférence entre 5 μηι et 20 μηι. Avantageusement, chaque microlentille est configurée de façon à présenter une distance focale comprise entre 0.5 μηι et 50 μηι, et de préférence entre 5μηι et 20μηι.
Avantageusement, la couche intercalaire présente une épaisseur comprise entre 50% et 100% de la distance focale de la microlentille.
Selon un premier mode de réalisation, la cellule photovoltaïque comporte dans chaque cavité une couche en matériau lll-V, la couche en matériau lll-V étant en AIGaAs.
Selon un deuxième mode de réalisation, la cellule photovoltaïque comporte dans chaque cavité un empilement de couches en matériau lll-V, l'empilement comportant au moins deux couches en matériau lll-V, chaque couche en matériau lll-V formant une jonction p-n. Ce mode de réalisation permet d'avoir un meilleur rendement.
Chaque matériau lll-V est de préférence choisi en fonction de son paramètre de bande interdite de façon à absorber le maximum de photons issus du spectre solaire et à respecter l'ajustement des courants, c'est-à-dire qu'ils sont de préférence choisis de façon à ce que chaque sous cellule mise en série délivre le même courant.
Ainsi selon un mode de réalisation, l'empilement de couches en matériau lll-V comporte :
- une couche en GaAs ;
- une couche en InGaP.
Avantageusement, la cellule photovoltaïque comporte, dans chaque cavité, entre l'empilement de couches en matériau lll-V et le substrat, une couche en germanium qui permet de réduire les défauts dans les couches en matériau lll-V et de mieux maîtriser la croissance des différentes couches.
Avantageusement, le substrat en silicium forme une jonction p-n. On obtient ainsi une cellule multi-jonctions, ce qui permet d'avoir un meilleur rendement. Avantageusement, la cellule photovoltaïque comporte en outre une jonction tunnel dans chaque cavité, ce qui permet de favoriser le passage des électrons entre la ou les jonction(s) p-n contenues dans chaque cavité et la jonction p-n formée par le substrat en silicium.
Avantageusement, la couche barrière est une couche d'oxyde de silicium ou une couche de nitrure de silicium.
Un deuxième aspect de l'invention concerne un procédé de fabrication d'une cellule photovoltaïque comportant les étapes suivantes :
- (a) formation d'une jonction p-n à partir d'un substrat en silicium,
- (b) dépôt d'une couche dite « barrière » en matériau diélectrique transparent sur le substrat (1 ) en silicium,
- (c) réalisation de cavités dans la couche barrière, les cavités traversant la couche barrière ;
- (d) dépôt dans chaque cavité d'au moins une couche en matériau lll-V formant une jonction p-n;
- (e) dépôt sur la couche barrière d'une couche dite « intercalaire » en matériau diélectrique transparent;
- (f) formation d'une couche de microlentilles sur la couche intercalaire, la couche de microlentilles comportant plusieurs microlentilles, chaque microlentille étant positionnée au-dessus d'une cavité et présentant un point focal situé dans la cavité qui se trouve en-dessous de cette microlentille. Le procédé peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-après prises indépendamment ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles. Avantageusement, le procédé comporte en outre, entre les étapes (c) et (d), une étape de dépôt d'une couche de germanium.
Avantageusement, le procédé comporte en outre une étape de dépôt d'une seconde couche en matériau lll-V formant une jonction p-n dans la cavité.
Avantageusement, l'étape (f) de formation de la couche de microlentilles comporte les sous- étapes suivantes :
- dépôt d'une couche de résine sur la couche intercalaire ;
- réalisation d'au moins quatre tranchées dans la couche de résine;
- traitement thermique de façon à faire fluer une partie de la couche de résine délimitée par les quatre tranchées.
BREVES DESCRIPTION DES FIGURES
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description détaillée qui suit, en référence aux figures annexées, qui représentent :
- La figure 1 , une représentation schématique en coupe d'une cellule photovoltaïque selon un mode de réalisation de l'invention ;
- La figure 2, une représentation schématique en vue de dessus de la cellule photovoltaïque de la figure 1 ;
- La figure 3, une représentation électrique schématique de la cellule photovoltaïque de la figure 1 ;
- La figure 4, une représentation schématique en coupe d'une cellule photovoltaïque selon un autre mode de réalisation de l'invention ;
- Les figures 5a à 5i, une représentation schématique des étapes d'un procédé de fabrication d'une cellule photovoltaïque selon un mode de réalisation de l'invention ;
- La figure 6, une illustration d'un substrat Si sur lequel la cellule photovoltaïque selon l'invention peut être réalisée.
DESCRIPTION DETAILLEE D'AU MOINS UN MODE DE REALISATION
Une cellule photovoltaïque selon un mode de réalisation de l'invention va maintenant être décrite en référence aux figures 1 à 3.
Cette cellule photovoltaïque comporte un substrat 1 en silicium. Le substrat présente de préférence une durée de vie des porteurs minoritaires de l'ordre de la milliseconde. Le substrat présente une épaisseur comprise entre 10 et 500 μηι. Dans ce mode de réalisation le substrat présente une épaisseur de 200 μηι. Ce substrat en silicium forme de préférence une jonction p-n 27. Cette jonction p-n est appelée « jonction de base » 27 dans la suite. Pour ce faire, le substrat en silicium 1 comporte de préférence une zone dopée p 2 et une zone dopée n 3. La jonction de base 27 est de préférence de type homo-jonction.
La cellule photovoltaïque comporte également une couche dite « couche barrière » 4. Cette couche barrière 4 est déposée sur la jonction de base 27. La couche barrière 4 est de préférence réalisée dans un matériau diélectrique transparent non cristallin. Ce matériau peut par exemple être un oxyde, par exemple du Si02 ou du SiN. La couche barrière 4 présente de préférence une épaisseur e4 comprise entre 0 .5 μηι et 30 μηι, et de manière plus préférentielle entre 2 μηι et 5 μηι. L'épaisseur de la couche barrière 4 est choisie de façon à être suffisamment importante pour bloquer les dislocations d'un matériau lll-V déposé dans ses cavités. Dans ce mode de réalisation la couche barrière présente une épaisseur de 4 μηι.
La couche barrière 4 est traversée par au moins une cavité 5, et de préférence par plusieurs cavités 5. Chaque cavité 5 traverse la couche barrière 4 de part en part. Chaque cavité s'étend de préférence suivant une direction perpendiculaire à la surface du substrat 1 . Chaque cavité présente de préférence une largeur l5 comprise entre 0.5 μηι et 5 μηι, et de manière plus préférentielle entre 1 μηι et 3 μηι de façon à bloquer les dislocations latéralement. Dans ce mode de réalisation chaque cavité présente une largeur de 2 μηι.
La cellule photovoltaïque comporte également dans chaque cavité au moins une jonction p-n 6 formée par un matériau lll-V.
Dans le mode de réalisation de la figure 1 , chaque cavité est remplie par une couche en matériau lll-V 20. Le matériau lll-V utilisé dans ce mode de réalisation est de préférence de l'AIGaAs. La couche en matériau lll-V 20 comporte une partie inférieure 7 dans laquelle sont concentrées les dislocations. En effet, grâce à la présence de la couche barrière 4, la densité de dislocations dans la couche en matériau lll-V 20 est réduite, et en outre, ces dislocations sont uniquement localisées dans la partie inférieure 7 de la couche en matériau lll-V 20. Ainsi, la couche en matériau lll-V 20 comporte également une partie supérieure 6 qui présente une densité de dislocations très faible, c'est-à-dire inférieure à 105cm"2 La partie supérieure 6 comporte une zone de matériau lll-V dopée p 17 et une zone de matériau lll-V dopée n+ 18. La cavité est de préférence suffisamment profonde pour que la partie supérieure 6 absorbe l'essentiel de la lumière dans sa gamme d'absorption et, étant donné qu'elle présente une faible densité de dislocations, les porteurs photogénérés ne recombinent pas.
La cellule photovoltaïque comporte également de préférence une jonction tunnel 8. La jonction tunnel permet de favoriser le transport des électrons de la jonction p-n 6 vers la jonction de base 27. Dans ce mode de réalisation, la jonction tunnel 8 a été représentée entre les parties inférieure 7 et supérieure 6 de la couche en matériau lll-V 20. Toutefois, la jonction tunnel pourrait également être située à un autre endroit, par exemple entre la partie inférieure 7 de la couche en matériau lll-V et la jonction de base 27.
La cellule photovoltaïque comporte également une couche de microlentilles 10. Cette couche de microlentilles 10 comporte plusieurs microlentilles 1 1 solidaires les unes des autres. Chaque microlentille 1 1 présente de préférence une forme hémisphérique. La couche de microlentilles 10 est de préférence réalisée en résine, de manière plus générale dans un matériau transparent dans la gamme de longueur d'onde d'intérêt et que l'on peut mettre en forme par des micro-moulages et/ou par des traitements thermiques associés à des définitions de tranchées Chaque microlentille 1 1 est positionnée au-dessus d'une cavité 5, afin de concentrer la lumière dans cette cavité 5. La couche de microlentilles 10 comporte donc autant de microlentilles 1 1 que la couche barrière 4 comporte de cavités 5. Chaque microlentille 1 1 est configurée de façon à focaliser la lumière reçue dans la cavité 5 qui se trouve en dessous d'elle. Plus précisément, chaque microlentille 1 1 présente de préférence un point focal situé dans la cavité qui se trouve en dessous de cette microlentille. Chaque microlentille 1 1 présente de préférence une distance focale comprise entre 2 et 5 μηι Chaque microlentille 1 1 présente de préférence un diamètre du compris entre 5 et 20μηι. Dans ce mode de réalisation chaque microlentille présente un diamètre de 10 μηι.
La cellule photovoltaïque comporte également une couche intercalaire 9 disposée entre la couche de microlentilles 10 et la couche barrière 4. Plus précisément, la couche intercalaire 9 est déposée sur la couche barrière 4 et la couche de microlentilles 10 est déposée sur la couche intercalaire 9. La couche intercalaire 9 est réalisée dans un matériau diélectrique transparent. Ce matériau diélectrique transparent peut être un oxyde comme par exemple du Si02, du SiN, une résine, il peut être également du « spin-on-glass », c'est-à-dire des billes de silices dissoutes dans un solvant que l'on dépose par centrifugation. La couche intercalaire 9 permet d'ajuster la distance entre la couche de microlentilles 10 et la couche en matériau III V contenue dans chaque cavité 5 de la couche barrière 4. En effet, l'épaisseur e9 de la couche intercalaire 9 est choisie en fonction de la position voulue pour le point focal de chaque microlentille.
La cellule photovoltaïque comporte également des contacts métalliques avant 12 qui permettent de relier entre elles les jonctions p-n 6 se trouvant dans des cavités 5 adjacentes. Les jonctions p-n 6 se trouvant dans des cavités adjacentes peuvent ainsi être reliées en parallèle. Chaque contact métallique avant 12 entoure de préférence une des jonctions p-n 6 en contactant à la fois une partie de la surface supérieure 13 de la couche barrière 4 et une partie de la surface supérieure 20 de la jonction p-n 6. Les contacts métalliques avant 12 sont reliés entre eux par une ligne métallique 19. Les lignes métalliques 19 sont ensuite reliées entre elles par des lignes additionnelles afin de former une électrode supérieure.
La cellule photovoltaïque comporte également au moins un contact métallique arrière 14. Ce contact métallique arrière 14 est de préférence formé par une couche métallique 15 déposée sur une surface inférieure 16 du substrat 1 .
On obtient ainsi une cellule photovoltaïque dont le schéma électrique est représenté sur la figure 3. Les jonctions p-n 6 qui sont situées dans des cavités adjacentes sont connectées en parallèle entre elles, puis en série avec la jonction de base 27. Les jonctions p-n 6 en matériau lll-V étant reliées en série à la jonction de base 27, il convient d'ajuster l'énergie de bande interdite du matériau lll-V 20 utilisé ainsi que l'épaisseur de la zone dopée p 17 de chaque jonction p-n 6 afin que chacune des jonctions p-n 6 et la jonction de base 27 produisent le même courant. Cette technique d'ajustement des courants est connue de l'art antérieur sous le nom de « current matching ». On notera que la cellule photovoltaïque selon l'invention représentée en figure 1 (mais également en figure 4) est une unique cellule à base d'un substrat 1 en Si sur lequel sont réalisées une pluralité de cavités 5 formées dans la couche barrière 4 et autant de microlentilles 1 1 . Ainsi, la cellule unique comporte une couche unique de Si formant une jonction p-n et une pluralité de cavités comportant chacune au moins une jonction p-n et le même nombre de microlentilles que de cavités. Cette cellule peut être fabriquée sur l'ensemble d'un substrat Si, par exemple sur un substrat du type « pseudo square » (i.e. un substrat sensiblement carré avec coins biseautés). Deux exemples de substrat « pseudo square » avec des dimensions différentes sont représentés en figure 6. A titre illustratif, en prenant un substrat « pseudo square » ayant des dimensions 156nmx156nm et en réalisant la cellule selon l'invention sur un tel substrat, avec les dimensions de la cellule décrite précédemment et donc avec des microlentilles de diamètre 10 μηι, on obtient une unique cellule comportant 239 millions de microlentilles (et autant de cavités) pour une surface du substrat Si de 239 cm2.
La figure 4 représente une cellule photovoltaïque selon un mode de réalisation de l'invention. Dans ce mode de réalisation, la cellule photovoltaïque comporte dans chaque cavité 5 une couche de base en germanium 21 . Sur cette couche de base en germanium, est déposée au moins une première couche en matériau lll-V 20a. Dans ce mode de réalisation, une deuxième couche en matériau lll-V 20b est déposée sur la première couche en matériau III- V 20a. Le dépôt de cette couche de base en germanium 21 au fond de la cavité est particulièrement avantageux car la croissance des couches de germanium en cavité est particulièrement bien maîtrisée. En outre, la croissance des couches en matériau lll-V 20a, 20b a ensuite lieu sur du germanium au lieu d'avoir lieu sur du silicium, ce qui limite la densité de dislocations dans les couches en matériau lll-V 20a, 20b. C'est particulièrement vrai lorsque la première couche en matériau lll-V 20a est en GaAs et que la deuxième couche en matériau lll-V 20b est en InGaP puisque ces matériaux présentent le même paramètre de maille que la couche de base en germanium 21 . Ainsi, aucune dislocation additionnelle n'est introduite dans les couches en matériau lll-V 20a, 20b. Un autre avantage réside dans le fait que la croissance des couches de InGaP et de GaAs sur du germanium est très bien maîtrisée et peut être réalisée à l'échelle industrielle.
Afin d'améliorer la conduction des porteurs à l'intérieur de chaque cellule photovoltaïque, dans ce mode de réalisation, chaque cellule photovoltaïque comporte de préférence :
- une première jonction tunnel entre la première couche en matériau lll-V 20a et la deuxième couche 20b en matériau lll-V ;
une deuxième jonction tunnel entre la première couche en matériau lll-V 20a et la couche de base 21 .
Dans ce cas le silicium sert uniquement de support et n'est pas actif contrairement au cas décrit en référence à la figure 1 . Un procédé de réalisation d'une cellule photovoltaïque selon un mode de réalisation de l'invention va maintenant être décrit en référence aux figures 5a à 5i. Le procédé comporte tout d'abord une étape 101 de formation d'une jonction p-n à partir d'un substrat 1 en silicium légèrement dopé n. Cette jonction p-n en silicium est appelée jonction de base 27. L'étape 101 de formation de la jonction de base comporte de préférence les sous-étapes suivantes :
- Dépôt d'une première barrière à la diffusion 24 sur la face avant 23 du substrat 1 .
Cette première barrière à la diffusion 24 peut par exemple être une bicouche comportant une couche de Si02 de 100 nm et une couche de SiN de 50 nm.
- Diffusion d'un dopant de type p. Ce dopant peut être par exemple du BCI3 ;
- Recuit ;
- Retrait de la première barrière à la diffusion. Cette étape de retrait peut être effectuée par gravure humide, par exemple à l'acide fluorhydrique (HF) ;
Dépôt sur une face arrière 25 du substrat d'une deuxième barrière à la diffusion 26. Cette deuxième barrière à la diffusion peut par exemple être une bicouche comportant une couche de Si02 de 100 nm et une couche de SiN de 50 nm ;
- Diffusion d'un dopant de type n. Ce dopant peut par exemple être du POCI3 ;
- Recuit ;
- Retrait de la deuxième barrière à la diffusion. Cette étape de retrait peut être effectuée par gravure humide, par exemple à l'acide fluorhydrique (HF) ;
- Passivation par oxydation.
Le procédé comporte ensuite une étape 102 de dépôt d'une couche 4 dite « couche barrière », d'un matériau diélectrique transparent non cristallin sur une surface supérieure 28 de la jonction de base 27. Lorsque cette couche barrière 4 est en Si02, elle peut par exemple être déposée par dépôt chimique en phase vapeur.
Le procédé comporte ensuite une étape 103 de formation de cavités 5 dans la couche barrière 4. Cette étape 103 de formation de cavités est de préférence effectuée par lithographie et gravure sèche puis humide ou alors seulement par gravure sèche. Cette étape de gravure sèche est avantageuse car elle est anisotrope. Ensuite, la couche barrière est gravée par gravure humides de façon à former des cavités 5 traversantes. Cette étape de gravure est isotrope, mais elle permet de ne pas détériorer les propriétés cristallines de la jonction de base 27.
Le procédé comporte ensuite une étape 104 de dépôt d'une couche de matériau lll-V 20 dans les cavités 5. La croissance du matériau lll-V 20 dans les cavités 5 est réalisée par épitaxie, par exemple dans un équipement de MOCVD (d'après le terme anglais MetalOrganic Chemival Vapor Déposition) permettant de faire de l'épitaxie en phase vapeur. On pourra pour ce faire utiliser des précurseurs organométalliques, typiquement du tributylarsenic et du trimethylgalium. On pourrait également utiliser du triethylarsenic, ou des composés hydrures type arsine et phosphine. Les précurseurs sont dilués dans de l'hydrogène. Après un nettoyage de la surface supérieure 28 de la jonction de base 27, par exemple dans des bains chimiques, avec une finition, on pourra procéder à un recuit sous hydrogène à une température comprise entre 600 et 1000°C. Puis, on réalisera une première couche de nucléation de matériau lll-V, de préférence à basse température Tn, c'est-à-dire à une température comprise entre 150°C et 450°C et à une pression Pn élevée, c'est-à-dire à une pression comprise entre 80 Torr et 720 Torr. La première couche de nucléation présente de préférence une épaisseur comprise entre 5 nm et 150 nm. On réalise ensuite une couche de croissance à plus haute température, c'est-à-dire à une température comprise entre 450°C et 750°C, et à pression plus faible, c'est-à-dire à une pression comprise entre 5 Torr et 80 Torr. Lors de l'étape de réalisation de la couche de nucléation comme lors de l'étape de croissance, on envoie de préférence dans le réacteur de croissance un mélange des précurseurs de l'arsenic et du gallium. La pression partielle du précurseur de l'arsenic est supérieure à celle du gallium. On pourra effectuer en fin de croissance un ou plusieurs cycles thermique(s) à des températures comprises entre 500°C et 950°C afin de diminuer la densité de dislocations émergentes dans les couches.
Le procédé peut ensuite comporter une étape 105 de réalisation de contact métalliques avant et de contact métallique arrière.
Le procédé comporte ensuite une étape 106 de dépôt à la surface de la couche barrière 4 d'une couche intercalaire 9 en matériau diélectrique transparent. Lorsque la couche intercalaire 9 est en Si02, elle peut par exemple être déposée par dépôt chimique en phase vapeur. Lorsque la couche intercalaire est en résine, elle peut être déposée par dépôt à la tournette (ou « spin coating » en anglais).
Le procédé comporte ensuite une étape 107 de dépôt d'une couche de microlentilles 10 sur la couche barrière 9. Pour cela, une couche de résine 30 est tout d'abord déposée sur la couche barrière 9. La couche de résine 30 peut par exemple être déposée par dépôt à la tournette. On réalise ensuite des tranchées 31 dans cette couche de résine 30. Les parties de la couche de résine entre deux tranchées 31 consécutives forment des plots 32. On fait ensuite fluer les plots 32 de résine par un traitement thermique de façon à former les microlentilles 1 1 . En effet, lors de l'étape de traitement thermique, les plots 32 de résine minimisent leur énergie de surface, et donc leur surface. La surface de chaque plot 32 se modifie donc pour prendre une forme hémisphérique.
Naturellement l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits en référence aux figures et des variantes pourraient être envisagées sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, le procédé a été décrit dans le cas où une seule jonction p-n est formée dans chaque cavité. Toutefois, un procédé analogue pourrait également être mis en œuvre pour fabriquer des cellules photovoltaïques comportant plusieurs jonctions p-n dans chaque cavité. Dans ce cas, au lieu d'une étape de dépôt d'une seule couche de matériau lll-V, le procédé pourrait comporter une étape de dépôt d'un empilement de couches en matériau lll-V. Par ailleurs, préalablement à l'étape de dépôt de la ou des couches en matériau lll-V, le procédé pourrait comporter une étape de dépôt d'une couche de germanium dans chaque cavité. En outre, les cellules photovoltaïques pourraient comporter d'autres matériaux lll-V que ceux décrits.
Par ailleurs, l'invention a été décrite dans le cas de jonction pn. Toutefois, les jonctions pn pourraient également être remplacées par des jonctions np. Dans ce cas, le dopage de chaque couche sera inversé.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Cellule photovoltaïque comportant :
- un substrat (1 ) en silicium formant une jonction p-n ;
- une couche dite « barrière » (4) en matériau diélectrique transparent, la couche barrière (4) étant déposée sur le substrat (1 ), la couche barrière (4) étant traversée par plusieurs cavités (5), une couche en matériau l ll-V (20, 20a, 20b) formant une jonction p-n étant déposée dans chaque cavité (5);
- une couche dite « intercalaire » (9) en matériau diélectrique transparent, la couche intercalaire (9) étant déposée sur la couche barrière (4);
ladite cellule photovoltaïque étant caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une couche de microlentilles (10) déposée sur la couche intercalaire (9), la couche de microlentilles (10) comportant plusieurs microlentilles (1 1 ), chaque microlentille (1 1 ) étant positionnée au- dessus d'une cavité et présentant un point focal situé dans la cavité (5) qui se trouve en- dessous de cette microlentille.
2. Cellule photovoltaïque selon la revendication précédente, dans laquelle chaque microlentille (1 1 ) présente un diamètre (du) compris entre 0.5 μηι et 50 μηι, et de préférence entre 5 μηι et 20 μηι.
3. Cellule photovoltaïque selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle chaque microlentille est configurée de façon à présenter une distance focale comprise entre 0.5 μηι et 50 μηι, et de préférence entre 5μηι et 20μηι.
4. Cellule photovoltaïque selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle la couche intercalaire présente une épaisseur comprise entre 50% et 100% de la distance focale de la microlentille.
5. Cellule photovoltaïque selon l'une des revendications 1 à 4, comportant dans la cavité (5) une couche en matériau lll-V (20), la couche en matériau lll-V (20) étant en AIGaAs.
6. Cellule photovoltaïque selon l'une des revendications 1 à 4, comportant, dans la cavité (5), un empilement de couches en matériau lll-V, l'empilement comportant au moins deux couches en matériau lll-V (20a, 20b), chaque couche en matériau lll-V formant une jonction p-n.
7. Cellule photovoltaïque selon la revendication précédente, dans laquelle l'empilement de couches en matériau lll-V comporte :
- une couche en GaAs (20a) ;
- une couche en InGaP (20b).
8. Cellule photovoltaïque selon la revendication précédente, comportant, dans la cavité, entre l'empilement de couches en matériau lll-V (20a, 20b) et le substrat (1 ), une couche en germanium (21 ).
9. Cellule photovoltaïque selon l'une des revendications précédentes, comportant en outre une jonction tunnel (20) dans la cavité (5).
10. Procédé de fabrication d'une cellule photovoltaïque comportant les étapes suivantes :
- (a) formation d'une jonction p-n à partir d'un substrat (1 ) en silicium,
- (b) dépôt d'une couche dite « barrière » (4) en matériau diélectrique transparent sur le substrat (1 ) en silicium,
- (c) réalisation de cavités (5) dans la couche barrière (4), les cavités (5) traversant la couche barrière (4);
- (d) dépôt dans chaque cavité (5) d'au moins une couche en matériau lll-V (20, 20a, 20b) formant une jonction p-n;
- (e) dépôt sur la couche barrière (4) d'une couche dite « intercalaire » (9) en matériau diélectrique transparent;
- (f) formation d'une couche de microlentilles (10) sur la couche intercalaire (9), la couche de microlentilles (10) comportant plusieurs microlentilles (1 1 ), chaque microlentille (1 1 ) étant positionnée au-dessus d'une cavité et présentant un point focal situé dans la cavité (5) qui se trouve en-dessous de cette microlentille.
1 1 . Procédé selon la revendication précédente, comportant en outre, entre les étapes (c) et (d), une étape de dépôt d'une couche de germanium (21 ).
12. Procédé selon l'une des revendications 1 1 ou 12, comportant en outre une étape de dépôt d'une seconde couche en matériau lll-V (20a) formant une jonction p-n dans la cavité (5).
13. Procédé selon l'une des revendications 1 1 à 13, dans lequel l'étape (f) de formation de la couche de microlentilles (10) comporte les sous-étapes suivantes :
- dépôt d'une couche de résine (30) sur la couche intercalaire (9);
- réalisation d'au moins quatre tranchées (31 ) dans la couche de résine (30);
- traitement thermique de façon à faire fluer une partie (32) de la couche de résine délimitée par les quatre tranchées (31 ).
PCT/EP2016/066246 2015-07-10 2016-07-08 Cellule photovoltaïque et procede de fabrication d'une cellule photovoltaïque WO2017009218A1 (fr)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP16736196.3A EP3320565A1 (fr) 2015-07-10 2016-07-08 Cellule photovoltaïque et procede de fabrication d'une cellule photovoltaïque

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1556597 2015-07-10
FR1556597A FR3038776B1 (fr) 2015-07-10 2015-07-10 Cellule photovoltaique et procede de fabrication d'une cellule photovoltaique

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017009218A1 true WO2017009218A1 (fr) 2017-01-19

Family

ID=54478155

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2016/066246 WO2017009218A1 (fr) 2015-07-10 2016-07-08 Cellule photovoltaïque et procede de fabrication d'une cellule photovoltaïque

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP3320565A1 (fr)
FR (1) FR3038776B1 (fr)
WO (1) WO2017009218A1 (fr)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070217019A1 (en) * 2006-03-16 2007-09-20 Wen-Kuei Huang Optical components array device, microlens array and process of fabricating thereof
US20080257409A1 (en) * 2007-04-09 2008-10-23 Amberwave Systems Corporation Photovoltaics on silicon
US20090065047A1 (en) * 2007-09-07 2009-03-12 Amberwave Systems Corporation Multi-Junction Solar Cells
US20150115320A1 (en) * 2006-03-24 2015-04-30 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Lattice-Mismatched Semiconductor Structures and Related Methods for Device Fabrication

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070217019A1 (en) * 2006-03-16 2007-09-20 Wen-Kuei Huang Optical components array device, microlens array and process of fabricating thereof
US20150115320A1 (en) * 2006-03-24 2015-04-30 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Lattice-Mismatched Semiconductor Structures and Related Methods for Device Fabrication
US20080257409A1 (en) * 2007-04-09 2008-10-23 Amberwave Systems Corporation Photovoltaics on silicon
US20090065047A1 (en) * 2007-09-07 2009-03-12 Amberwave Systems Corporation Multi-Junction Solar Cells

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JONGSEUNG YOON ET AL: "Ultrathin silicon solar microcells for semitransparent, mechanically flexible and microconcentrator module designs", NATURE MATERIALS, vol. 7, no. 11, 5 October 2008 (2008-10-05), GB, pages 907 - 915, XP055276191, ISSN: 1476-1122, DOI: 10.1038/nmat2287 *

Also Published As

Publication number Publication date
FR3038776B1 (fr) 2018-05-25
FR3038776A1 (fr) 2017-01-13
EP3320565A1 (fr) 2018-05-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9368671B2 (en) Bifacial tandem solar cells
US20110303273A1 (en) Photovoltaic cell
JP2007123852A (ja) ゲルマニウム光検出装置の製造方法
EP2975643B1 (fr) Matrice de photodiodes cdhgte a faible bruit
EP2884547B1 (fr) Procédé de fabrication d'un photo-détecteur.
EP3011602B1 (fr) Cellule solaire a heterojonction de silicium
WO2012172226A1 (fr) Procede de realisation d'une cellule photovoltaique a emetteur selectif
FR2981195A1 (fr) Multi-jonctions dans un dispositif semi-conducteur forme par differentes techniques de depot
EP4184594B1 (fr) Photodiode germanium a courant d obscurite reduit comportant une portion intermediaire peripherique a base de sige/ge
EP2801113B1 (fr) Procédé de production à basse température de nanostructures semi-conductrices à jonction radiale, dispositif a jonction radiale et cellule solaire comprenant des nanostructures à jonction radiale
EP3651214A1 (fr) Procédé de réalisation d'une photodiode et photodiode
WO2017009218A1 (fr) Cellule photovoltaïque et procede de fabrication d'une cellule photovoltaïque
FR3078197A1 (fr) Dispositif de transistor bipolaire et procede de fabrication correspondant
EP3594997B1 (fr) Procede de fabrication d'au moins une structure semiconductrice comportant une etape de separation vis-a-vis du substrat de croissance
WO2016203013A1 (fr) Procede de realisation d'une cellule photovoltaique a heterojonction
US20060260676A1 (en) Photodetector
EP2965350A1 (fr) Substrat semi-conducteur monolithique à base de silicium, divisé en sous-cellules
FR2969813A1 (fr) Procédé de fabrication d'un dispositif semi-conducteur
EP3586376B1 (fr) Cellule photovoltaïque multi-jonctions de type iii-v sur substrat silicium et son procédé de fabrication
WO2022136500A1 (fr) Procédé de réalisation de composant verticaux à base de matériaux iii-n
WO2017129810A1 (fr) Cellule photovoltaïque et procede de fabrication d'une cellule photovoltaïque
EP2782145A1 (fr) Procédé de fabrication d'un dispositif photovoltaïque multi-jonctions et dispositif photovoltaïque multi-jonctions ainsi obtenu
EP4348720A1 (fr) Dispositif optoélectronique et procédé de fabrication
EP3878005A1 (fr) Procede de fabrication collective d'une pluralite de structures semi-conductrices
FR3107783A1 (fr) Procédé de fabrication d’un transistor bipolaire et transistor bipolaire susceptible d’être obtenu par un tel procédé

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16736196

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2016736196

Country of ref document: EP