EP0770268A1 - Procede de fabrication d'un materiau ou dispositif photovoltaique, materiau ou dispositif ainsi obtenu et photopile comprenant un tel materiau ou dispositif - Google Patents

Procede de fabrication d'un materiau ou dispositif photovoltaique, materiau ou dispositif ainsi obtenu et photopile comprenant un tel materiau ou dispositif

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EP0770268A1
EP0770268A1 EP95925885A EP95925885A EP0770268A1 EP 0770268 A1 EP0770268 A1 EP 0770268A1 EP 95925885 A EP95925885 A EP 95925885A EP 95925885 A EP95925885 A EP 95925885A EP 0770268 A1 EP0770268 A1 EP 0770268A1
Authority
EP
European Patent Office
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wafer
substructure
interfaces
thickness
hetero
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP95925885A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Zbigniew T. Kuznicki
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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 Centre National de la Recherche Scientifique CNRS filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP0770268A1 publication Critical patent/EP0770268A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01L31/18—Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/186—Particular post-treatment for the devices, e.g. annealing, impurity gettering, short-circuit elimination, recrystallisation
    • H01L31/1864—Annealing
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    • 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
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    • 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 present invention relates to the field of the conversion of radiated solar energy into electrical energy, on the basis of the photovoltaic effect, more particularly the increase in the yield and efficiency of solar cells or cells, and has for its object a method of manufacturing a photovoltaic material or device which can in particular absorb infrared radiation and convert with a quantum yield significantly exceeding the unit, the material or device thus obtained and a photocell or photovoltaic cell comprising such a material or device.
  • These cells which are widely marketed, are made of monocrystalline silicon material and generally have a base / rear field emitter structure with a single P-N junction.
  • the face exposed to photonic radiation normally undergoes a passivation operation and is coated with an anti-reflection layer.
  • the aforementioned proposals consisted, by implanting hydrogen and a subsequent thermal treatment, at transforming locally the crystalline structure of silicon to create a buried layer endowed with extrinsic levels.
  • JNDL Joint Near local Defect Layer
  • this discontinuous substructure without active interfaces eliminates any possibility of creating a second potential barrier necessary for the increase in open circuit voltage V oc and it also has a higher resistivity than that of the starting material. .
  • the local recombination speed inside the defect layer is very high and the electric field of the P-N junction is not sufficient to save the photogenerated carriers from the defect zone.
  • the average path length of the photogenerated carriers in the substructure is approximately equal to half the thickness of the substructure and the presence of recombination centers substantially reduces the effective lifetime of the carriers. Therefore, the probability of extraction of the photocarriers from the substructure before their recombination is very low in the devices and materials described in the aforementioned publications.
  • the modified layer in the submicron thickness emitter is composed of rare empty cavities (in English "bubbles") in which both silicon and hydrogen are absent, annealing reducing the geometric dimensions of these cavities.
  • the infrared photogeneration zones of the defect layer introduce new centers of recombination in the emitter thus degrading the lifetime even in the crystalline part.
  • the object of the present invention is in particular to overcome all of the aforementioned drawbacks, by proposing in particular a photovoltaic material which can, in addition to visible light, also absorb infrared radiation, even with a wavelength greater than 3200 nm, and deliver a corresponding additional photocurrent, thereby considerably increasing the efficiency of the solar cells comprising such a material.
  • Another object of the invention is to improve the efficiency of the photovoltaic conversion for ultra-violet (UV) radiation and that of the visible range.
  • the subject of the invention is a method of manufacturing a photovoltaic material or device based on monocrystalline or polycrystalline silicon with large grains which can in particular absorb infrared radiation, characterized in that it consists in obtaining a wafer, a slice or a region of monocrystalline or polycrystalline silicon chip having a diffusion length greater than the path of the minority carriers in the base to be formed or greater than the total thickness of said wafer, wafer or region of chip, then in treating the rear face of said wafer, wafer or region of chip, not intended to be exposed to photon radiation, so as to create a back field as well as zones or points of electrical contact, to then treat the front face so as to form a thin layer of emitter on the surface, a shallow PN junction, as well as at least one very heavily doped flat continuous substructure or substructure, buried in the emitter or in the base, very thin and provided with several crystalline and electrical interfaces, in particular of two interfaces of the LH type and of two crystalline hetero-interfaces and, finally,
  • the invention also relates to a wafer or wafer of photovoltaic material obtained by means of the manufacturing process described above, consisting essentially of monocrystalline or polycrystalline silicon with large grains and comprising a layer forming an emitter at its front face or intended for be exposed, a rear field structure at its rear face (normally not exposed) and a PN junction in the thickness of said wafer or plate, characterized in that it further comprises at least one substructure continuous and heavily doped with amorphized or modified silicon, buried in particular in the thickness of the emitter or in the base and very thin, said at least one substructure or each substructure having a resistivity lower than that of the material starting point and being delimited by crystalline and plane electrical interfaces, in particular by two hetero-crista interfaces flat lines and two LH homo-interfaces, whether or not confused with the hetero-interfaces and corresponding to the limits of the substructure after implantation of doping impurities or other agents and before formative annealing, said at least one substructure being, in addition, provided, on
  • the subject of the invention is a photovoltaic or photophilic cell, characterized in that it comprises, as active material, a portion of wafer or a wafer of photovoltaic material as described above, the exposed face of said portion of wafer or wafer was shaped and / or covered with a layer of a determined material so as to constitute an optical confinement, in particular for infrared radiation, in the thickness of said active material.
  • FIG. 1 is a view in schematic section of a solar cell comprising, as active material, a slice or plate of material obtained according to the process according to the invention
  • Figure 3 is a curve showing the doping profile of impurities measured on the sample of Figure 2 according to the secondary ion mass spectroscopy method, called SIMS
  • Figure 4 is a curve showing the spread resistance profile through a cavity of the sample shown in Figure 2;
  • FIG. 1 is a view in schematic section of a solar cell comprising, as active material, a slice or plate of material obtained according to the process according to the invention
  • Figure 3 is a curve showing the doping profile of impurities measured on the sample of Figure 2 according to the secondary ion mass spectroscopy method, called SIMS
  • Figure 4 is a curve showing the spread resistance profile through a cavity of the sample shown in Figure 2
  • FIG. 1
  • FIG. 5 shows the structural composition of an emitter implanted with phosphorus ions in accordance with a variant of the method according to the invention measured by the so-called Ru erford backscattering (RBS) method
  • FIG. 6 represents the curves of the doping profile and of the active doping profile recorded by the SIMS and spreading resistance memodes of a sample having an emitter formed by implantation of phosphorus ions, identical to that considered in FIG. 5
  • FIG. 7 represents curves of distribution of impurities or of free carriers in an emitter formed by implantation of phosphorus ions, identical to that considered in FIG. 6 and with the visualization of two crystalline hetero-interfaces and of the two homo-interfaces LH;
  • FIG. 8 represents curves of experimental implantation profiles obtained by the SIMS and resistance spreading methods and of partial implantation profile
  • FIG. 9 represents, in the form of curves, the optical absorption of a sample provided with an absorbent substructure and formed by implantation of phosphorus ions and of a sample of normal monocrystalline silicon
  • FIG. 10A represents, in the form of curves, the transmission on the rear face of the samples considered in FIG. 9
  • FIG. 10B represents, in the form of curves, the reflection on the front face of the samples considered in FIG. 9
  • FIGS. 11A and 11B show the current densities as a function of the wavelength, on the one hand, of a photovoltaic device or sample according to the invention and provided with an absorbent substructure and, on the other hand, of FIG.
  • FIG. 12 represents the comparison of the distributions of intrinsic electric fields in a thin substructure with and without doping according to the invention ( ⁇ -doping);
  • FIG. 13 represents the distribution of the electrical potential in a back field cell provided with a back field and a substructure according to the invention of thickness 40 nm, according to the lifetime of the carriers in said substructure ;
  • Figure 14 shows different electron current distributions
  • FIG. 15 represents, in a manner and under conditions similar to those of FIG. 14, different distributions of current of holes (minority carriers);
  • FIGS. 16 and 17 show, by way of comparison, respectively two distributions of electron currents and of holes, for thick structures of 160 nm having different lifetimes;
  • FIG. 18 represents the concentrations at equilibrium and in steady state under illumination of the holes for a lifetime in the substructure of 100 ⁇ s;
  • FIGS. 19A and 19B respectively show the comparative curves and the differential curve of the density of the photocurrent as a function of the wavelength in the UV and visible spectrum, between a reference cell of good quality (efficiency of 16%) and a photovoltaic device or sample according to the invention
  • FIGS. 20A and 20B respectively represent the curves of the photocurrent ratios between the reference cell and the photovoltaic device or sample used for FIGS. 19A and 19B, and the curves of the external quantum yields for the same cell and the same device or sample, obtained by two different luminous fluxes
  • FIG. 21 represents the curves of the intensities of the photon fluxes for two lamps (I and U) with different spectral characteristics, used to obtain the curves of FIGS. 20A and 20B
  • FIGS. 22A and 22B respectively represent the differential curves of the photocurrents generated by the device or sample used for the establishment of FIGS. 19A and 19B exposed to the lamps I and U and of the photon fluxes of these two lamps I and u;
  • FIGS. 23A and 23B respectively represent, for the two lamps I and II mentioned above, the ratios of the fluxes of photons produced by these two lamps and additional photocurrents generated in a photovoltaic device or sample according to the invention
  • FIG. 24 is a schematic sectional view representing the successive modifications at t, tj and 12 of the local mechanical stress field at the transition zone of a substructure during the thermal treatment carrying out epitaxy in solid phase.
  • the manufacturing process which is the subject of the present consists, first of all, of obtaining a wafer, a wafer or a region of monocrystalline silicon chip having a length of diffusion greater than the path of minority carriers in the base. forming or greater than the total thickness of said wafer, wafer or chip region, then treating the rear face of said wafer, wafer or chip region, not intended to be exposed to photon radiation, so as to create a field rear as well as zones or points of electrical contact and, where appropriate, zones amorphized in the volume of the base and near the rear face, to then treat the front face so as to form a thin layer of emitter in surface, a shallow PN junction, as well as at least one very continuous doped flat substructure, buried in particular in the transmitter, of very thin and provided with several crystalline and electrical interfaces, in particular two interfaces of the LH type and two crystalline hetero-interfaces and, finally, in subjecting said wafer, wafer or region of chip, in particular the face presenting the emitter
  • the treatment of the front face consists in introducing or implanting doping impurities according to a determined profile, in particular having a significant peak in the concentration of impurities coinciding with each substructure, the treatment consecutive thermal carrying out a determination of the geometry of each substructure, an activation of doping impurities and intrinsic fields localized in the transition zones and a cure of the implantation defects of ions of doping impurities in the thickness of the wafer, wafer or chip region, with a limited effect on each buried substructure (in terms of the healing effect).
  • the implantation energy of the doping impurities used is of the order of several tens or several hundreds of KeV, in particular greater than about 150 KeV, and the implantation dose used corresponds to an ion current of the order of a few ⁇ A.c ⁇ r ⁇ or a few fractions of ⁇ A. cm "2, in particular less than 1 ⁇ A. cm" * -.
  • provision may be made, during treatment of the front face, to carry out an epitaxy or an implantation at a given depth, of an active material, in particular of Ge, possibly followed by a thermal treatment and a possible epitaxy of silicon intended to form the surface front face of the transmitter, as well as active zones of generation by impact.
  • the treatment of the front face consists in achieving epitaxial growth of the emitter, with a doping profile of the ⁇ -doping type comprising in particular at least one very continuous doped planar continuous layer constituting the sub-structure (s) buried in the thickness of the emitter, then subjecting said face before implanting ions of a neutral agent such as, in particular, hydrogen, silicon or the like and at a heat treatment forming in particular the active zones of generation by impacts.
  • a neutral agent such as, in particular, hydrogen, silicon or the like
  • the role of the ions consists mainly in providing the energy necessary for the structural modification of a thin layer located in the emitter, intended to form said at least one amorphized substructure, either by an action destructive (hydrogen ions), or by a transformation of the crystal structure (silicon ions).
  • the emitter After implantation of the ions of a neutral agent mentioned above, it is necessary to subject, within the framework of the present alternative embodiment, in particular the emitter to a heat treatment capable, on the one hand, of carrying out a determination of the geometry of the substructure (s), activation of doping impurities and healing of implantation defects of neutral agent ions in the thickness of the wafer, the wafer or the chip region, with a limited effect in the buried sub-structure (s) and, on the other hand, to modify the crystallinity of the sub-structure (s) at the level of the electrical transition and stress zones and opto-electronic properties at the mesoscopic level by repositioning hetero-interfaces and LH homo-interfaces by a recrystallization and re-diffusion effect.
  • the above-mentioned epitaxial growth can, for example, be carried out by means of a molecular jet type (MBE) epitaxy.
  • MBE molecular jet type
  • the starting wafer or wafer provided with a rear field (BSF) and having a good crystalline quality, is firstly provided with at least one amorphized layer having optical properties allowing the absorption of infrared radiation, then subjected to a conventional epitaxial growth of an emitter with at least two doping levels: the lowest on the side of the PN junction and the highest on the side of the front face, these two regions of different doping levels being separated by at least one very thin and very heavily doped substructure or buried layer (doping density about a hundred times higher than that of the emitter - ⁇ -doping at the substructure) .
  • BSF rear field
  • the heat treatment mentioned several times above advantageously consists of a conventional annealing, known by a person skilled in the art under the designation CTA ("Classical Thermal Annealing"), carried out continuously or in successive or consecutive stages separated by intervals of observations, at a temperature less than or equal to approximately 500 ° C., optionally followed by rapid annealing, known by a person skilled in the art under the designation RTA ("Rapid Thermal Annealing”), at a temperature between 500 ° C.
  • CTA Classical Thermal Annealing
  • RTA Rapid Thermal Annealing
  • the duration of the conventional annealing is advantageously understood, depending on the quality of the material and the dimensions of the wafer, wafer or chip region, in a time interval of approximately 1 to 30 minutes (depending on the skin conditions and the treatments or possible consecutive thermal steps), the precise instant of the cessation of said dermal treatment being determined by checking the absorption of light radiation of a given wavelength or of a range of lengths d 'given waves, particularly in the red and near infrared, which allows very precise control of the activation of the Auger generation faculty (and possibly absorption of the infrared or a given frequency range) and, where appropriate, the optimization of the latter qualitatively or quantitatively.
  • annealing can be carried out in a suitable oven and generally affects the entire volume of the wafer, wafer or chip region, while rapid annealing, which affects only a surface or buried area thereof, can be produced by halogen lamps, a laser beam, an electron beam or the like and is followed by a quenching operation.
  • This conventional annealing carried out at a temperature less than or equal to approximately 500 ° C., preferably less than or equal to approximately 400 ° C., makes it possible to relax the average stress (in English "average strain") forming part of the post-damage damage constraints.
  • the above-mentioned rapid annealing carried out at a temperature greater than or preferably equal to 500 ° C., makes it possible to carry out a controlled partial recrystallization of the amorphized zone and a planification of the stress fields localized at the transition zones of the hetero-interfaces ⁇ -Si / c-Si of the buried substructure and due to damage to the crystal structure caused by the implantation of doping impurities, by self-implantation or by the implantation of a neutral agent.
  • the substructure (s) buried in the emitter is (are) intended (s) to present an effective photovoltaic conversion activity simultaneously in the UV and visible range and in the infrared range
  • there is instead of controlling the density of the bi-vacancies present in the transition zones by bringing into play the various parameters of the process of formation of the substructure namely, implantation dose (greater than that necessary for amorphization), conditions implantation methods (average temperature and temperature gradients in the substrate) and thermal annealing conditions (classic: around 500 ° C, fast: greater than or equal to 500 ° C or combined), with a view to achieving planification progressive and smoothly and to a solid phase epitaxy preserving a minimum thickness of the substructure to be effective in infrared absorption by increasing the effective optical path (approximately 20 to 100 nm thick) thanks to the optical confinement, relative to the substructure considered, and by further modifying the angle of incidence of the radiation reflected by the rear face.
  • the substructure buried in the emitter is only intended to present an activity of photovoltaic conversion extended in the UV and visible field (generation by impact), it is necessary to preserve as much as possible the bi-gaps present in the areas of transition by performing heat treatment resulting in progressive and smooth planification (uniformity of local mechanical stresses) and a pronounced thinning of the substructure (between twice the penetration distance of the transition zone in the amorphous silicon and around 20 nm), which simultaneously limits the harmful action , for infrared radiation, bi-vacancies present in the transition zones of the substructure considered.
  • these substructures can consist of one or more substructures active only in UV and visible radiation (arranged closest to the surface of the emitter) and a or several substructures active both in UV and visible radiation and in infrared radiation (these being arranged under the preceding substructure (s), further away from the surface of the emitter).
  • the creation of several substructures in the transmitter can be obtained by successively implanting an active material in a wafer or slice of monocrystalline silicon, followed by epitaxy in the liquid or gas phase (for example an epitaxy of the type known as MOCVD).
  • the method can also consist in creating at least one additional amorphized, very heavily doped (LH type doping) substructure, buried in the transmitter or in the base (in particular located at the rear face of the base), having a limited thickness (between 20 and 400 nm) and delimited by two interfaces of the LH type and by two crystalline hetero-interfaces, or by an interface of the LH type and by a crystalline hetero-interface, separate or combined, in the case of a substructure located at the level of the rear face of the base.
  • This additional substructure exhibits increased photovoltaic conversion activity for infrared radiation thanks to maximum elimination of the bi-vacancies during the mermic treatment fixing the dimensional, geometric and mo ⁇ hological parameters of the substructure and its interfaces.
  • this additional substructure can, for example, be obtained by creating a rear field in a wafer or wafer of monocrystalline silicon doped boron (5 x 101 cm --- 'to 5 x 10 * - 7 cm “ 3), by diffusion of aluminum, by operating a silicon auto ⁇ implantation with relatively high doses (> 10 ⁇ cm" * -) to obtain the amo ⁇ hisation of a layer (thickness: 20 at 400 nm) in the thickness of the substrate and, finally, by carrying out a thermal treatment of the wafer or wafer (conventional annealing, followed by rapid annealing) until arriving at a planification of the interfaces of said substructure and maximum suppression of the activity of the bi-vacancies (by applying a thermal energy 5 to 10 times greater than that used for the emitter substructures active in the UV and the visible).
  • this additional substructure can also be obtained by carrying out implantation at a high dose (> 10 - ** - * cm " 3) with a doping impurity forming the rear field (for example: Al) and the hetero-interface of type LH and then carrying out a heat treatment until arriving at a planification of the interfaces and transition zones of said substructure and at maximum elimination of the bi-vacancies.
  • the thermal treatment adapted to the aforementioned additional substructure preferably consists of conventional annealing at a temperature less than or equal to approximately 500 ° C. of the entire wafer, wafer or chip region, followed by rapid annealing at a temperature greater than or equal to 500 ° C. of the surface zone of the rear face, comprising in particular said additional substructure.
  • this additional substructure will be produced first, not being influenced by the consecutive heat treatments. applied during the formation of substructures buried in the emitter and active in the visible and UV thanks to impact generation.
  • the aforementioned heat treatments are advantageously followed by a low temperature passivation of the front face of the wafer, wafer or chip region intended to be exposed to light radiation, in particular by implementing a deposition chemical in the gas phase improved by low temperature plasma (PECVD) or an evaporation of SiO in a rarefied oxygen atmosphere of the order of approximately 10 " * * Torr, as described in particular by C. Leguijt et al. ( 7th International Photovoltaic Science and Engineering Conference, Nagoya, Japan, November 22-26, 1993), or an organic solvent to avoid as much as possible any risk of deterioration or destruction of the substructure.
  • PECVD low temperature plasma
  • SiO rarefied oxygen atmosphere of the order of approximately 10 " * * Torr
  • This passivation operation of the surface front face of the transmitter leads to a reduction in the speed of recombination in the passivated area and, in conjunction with the creation of the potential barrier at the level of the substructure (s) resulting from the insertion of the LH interfaces, at the wafer, wafer or chip region to present an effective confinement of the minority carriers in the emitter layer or layers located between the front face and the substructure the least buried, and between two consecutive substructures.
  • ⁇ thus forms one or more reservoirs of minority carriers of optimized thickness, in particular as a function of the initial doping, of between 50 and 700 nm approximately, depending on the depth or depths at which (at which) is (are) disposed ( s) the substructure (s) present in the transmitter.
  • infrared-absorbing sub-structure in order to increase their probability of absorption by this or the latter (s) and therefore the efficiency of the photogeneration of electron-hole pairs (intrinsic quantum yield)
  • it may be expected to achieve, by surface conformation and / or coating with a layer of a determined material, optical confinement internally or externally in the thickness of said wafer, wafer or chip region, in particular for red and infrared light radiation.
  • the optical confinement at the level of the substructure produced by an additional treatment at least of the front face and due to a change in the refractive index at the level of the hetero-interfaces marking the limits between the monocrystalline structure of l emitter and the modified crystal structure or amo ⁇ he, is supplemented by an optical confinement at the external interfaces (surfaces of the front and rear faces of the wafer, wafer or chip region), treatment of the rear face being necessary only when the latter does not have a continuous electrical contact surface covering the latter, forming a reflecting surface.
  • the starting silicon material forming the wafer, wafer or region of chip which will be implanted with doping impurities or which will serve as substrate for a possible epitaxial growth of the emitter, consists of silicon monocrystalline or polycrystalline (coarse-grained), with a concentration of doping impurities between 5 x 10 ⁇ cm "3 and 5 x 10 ⁇ cm" 3, said material not containing involuntary impurities which can be activated by energy implantation and heat treatment and having self-healing properties of its crystal structure during implantation and healing of its crystal structure by conventional annealing at low temperature, less than or equal to 500 ° C.
  • the final structure of the wafer, wafer or chip region is of the emitter / base / rear field region type with either, for an initial p doping, respective n + / p / p + dopings, the implanted doping impurities being chosen in the group formed by phosphorus, antimony and arsenic (in particular for the substructure (s) buried in the transmitter), or, for an initial doping n, of the respective dopings p + / n / n + , the doping impurities being chosen from the group formed by aluminum, boron, gallium and indium.
  • the rear field advantageously has a doping gradient as steep as possible to limit the thickness of the electronic transition zone and especially the doping level p + (or n + as the case may be), so that the speed of surface recombination on the rear side can be easily controlled.
  • the rear face can be passivated, at low temperature, in particular when the electrical contact zones or points are not continuous (contact in the form of a continuous metallic coating) and are for example under the shape of a grid.
  • the emitter of said wafer, wafer or chip region has a thickness of less than or equal to 1 ⁇ m and the PN junction and the LH junction forming the rear field have an interior depth at 1 ⁇ m.
  • the final thickness of the active area (s) of the transmitter and / or of the base is less than 1 ⁇ m and the PN junction and the LH junction forming the rear field have a depth of less than 1 ⁇ m.
  • the thickness of the substructure at least present in the emitter is between 20 and 100 nm. said substructure at least present being located at a distance comp ⁇ se between 50 and 700 mm from the front face of the wafer, wafer or chip region and having a strong selective conductivity of majority carriers thanks to its very high doping, superior in particular to about cm-3 preferably a hundred times superior to doping of the transmitter which combined with its very small thickness makes said substructure completely transparent to said majority carriers.
  • the thickness of the substructure possibly arranged in the base is, for its part, between 20 and 400 nm, said substructure being situated preferentially at the rear face (or at a certain distance from the rear face) and having a high selective conductivity of the majority carriers thanks to its very high doping, greater than about 1 - ⁇ cm "- *, preferably abrupt and at least 100 times greater than the doping of the base, which makes said substructure, in combination with its very small thickness, completely transparent for said majority carriers.
  • the silicon wafer or wafer may have either a total thickness of between 120 ⁇ m and approximately 300 ⁇ m, or an initial thickness, before possible epitaxial growth. comp ⁇ se between 3 ⁇ m and 120 ⁇ m and is laminated on a rigid support, for example on a thin stainless steel plate.
  • the heat treatment causes a healing effect around the substructure or buried layer of defects, coinciding with a very high concentration of impurities in the region located inside said substructure.
  • the diffusion of impurities was obtained by a conventional and rapid combined annealing of the sample and allowed the formation of a doping peak at a depth of 1.09 ⁇ m.
  • FIGS. 3 and 4 show, by way of illustration, the profiles of the resulting doping impurities measured by means of two complementary measurement mediods, namely, on the one hand, the so-called SIMS method (FIG. 3) and, on the other hand, the distributed resistance medode ( Figure 4), through a cavity.
  • FIG. 3 clearly shows a doping peak indicating the existence and the situation of the substructure and it appears from FIG. 4 that below the solvency limit of boron without silicon all the impurities in such a peak are ionized.
  • the dotted curve in Figure 3 roughly indicates the shape of such a doping peak.
  • the electrically active impurities are clamped between two relatively steep LH interfaces and cause local growth of the conductivity in the continuous substructure, which has been observed experimentally.
  • the aforementioned LH interfaces create an intrinsic electric field at the ends of the substructure.
  • the average route of minority carriers photogenerated by abso ⁇ tion infrared is equal to only a quarter of the thickness of said substructure. The transit time is thus reduced, the effective lifetime of said carriers increases and their extraction from said sub-layer is more effective.
  • the continuous substructure of modified material creates a second potential barrier (in addition to the P-N junction) which has the ability to increase the open circuit voltage by increasing the concentrations of photogenerated carriers.
  • an infrared absorbent substructure was formed simultaneously with the emitter (doping profile) by implanting phosphorus ions with a field of 180 KeV in a p-doped monocrystalline silicon substrate. , then by applying a thermal treatment of the type mentioned above.
  • the aforementioned process allowed the formation, on the one hand, of a strongly doped continuous substructure, with a thickness of 70 nm and located at a depth of 97.5 nm from the surface of the front face of the sample, and, on the other hand, a PN junction at a depth of 0.5 ⁇ m.
  • FIG. 5 of the appended drawings shows the structural composition of the emitter thus formed, making it possible to note the complex interface constituted by the substructure with strong doping whose impurities are practically all ionized.
  • the doping profile (atomic profile of impurities) and the active doping profile were measured respectively by the SIMS and "resistance spreading" (FIG. 6) on a sample implanted as above, but in channeling mode, which allows a better visualization of the activation effect of the impurities according to the occupation of substitutional and interstitial sites by the atoms of phosphorus.
  • the modified / amo ⁇ hized substructure and the PN junction are also shown. We see that the channeling effect is very well visualized in the results obtained by the method called "spreading resistance". A small fraction of unactivated impurities appear to occur below the substructure at a depth of 300 nm and they appear to occupy interstitial sites (see Figure 8).
  • FIG. 7 represents, by way of comparison, the distributions / distributions: theoretical of random implantation of phosphorus (1), experimental of free carriers by channeling implantation (2- resistance spreading profile) and theoretical of free carriers around a homo abrupt LH interface (3), said LH interfaces (front and rear) having been positioned from the bending point corresponding to the concentration n mo of the distribution curves of the free carriers.
  • FIG. 8 represents, for comparison, the distributions / distributions in a phosphorus implanted sample, by pipeline: experimental profile by the so-called SIMS method (1), two experimental profiles of active impurities by the resistance spreading method (2) and profile theoretical of random phosphorus implantation (3).
  • This figure also shows the evolution of the substructure during the thermal treatment (thinning of the area between the broken vertical lines / to give the area between the solid vertical lines).
  • Figure 9 shows the spectral distribution of the optical absorption
  • the absorption measurements were supplemented by transmission and reflection measurements carried out on the same samples for wavelengths ⁇ such as 800 nm ⁇ ⁇ 3200 nm.
  • FIG. 10A shows the very clear difference in transmission which, from around 1200 nm, increases towards the long wavelengths, in favor of the transmitter obtained according to the method according to the invention.
  • the emitter comprising a modified absorbent substructure has a reflection different from that of the monocrystalline silicon sample (see FIG. 10B).
  • the sample with the substructure reflects more, while in a second spectral range (1160 ⁇ ⁇ 1960 nm), it reflects less.
  • the reflection is non-linear as a function of the wavelength and the difference between the two extreme values of the reflection is 12%, which is approximately ten times greater than that of the reference sample in monocrystalline silicon.
  • the lower reflection in the range of high wavelengths can easily be explained by a significant absorption of these radiations by the substructure.
  • Such a photovoltaic device according to the invention makes it possible to observe the changes in the photocurrent in comparison with a conventional reference cell with rear field (of 250 ⁇ m) having a good efficiency of approximately 16%.
  • FIGS. 11A and 11B show the photocurrents corresponding in particular to the infrared absorption measured simultaneously for the device or the photovoltaic sample having at least one substructure in accordance with the invention (Cl) and the aforementioned cell (Reference). It can be observed in these figures that the difference in absorption and generation of photocurrent is very clearly visible for- ⁇ ⁇ 1800 nm in two cases of lamps with different spectra.
  • the characteristic infrared photocurrent ranges correspond to those detected during optical absorption measurements except with regard to the activity gap of the bi-vacancies around approximately 1800 nm (see FIG. 9).
  • the invention also relates to a wafer or wafer of photovoltaic material which can absorb, in addition to the fundamental photonic radiation of silicon, red and infrared radiation and which can generate by impact excess carriers thanks to the energy of UV and visible photons.
  • a wafer or wafer of photovoltaic material which can absorb, in addition to the fundamental photonic radiation of silicon, red and infrared radiation and which can generate by impact excess carriers thanks to the energy of UV and visible photons.
  • the wafer or wafer may comprise only a single substructure buried in the emitter and intended to present an effective photovoltaic conversion activity simultaneously in the UV and visible range and in the infrared domain.
  • the wafer or wafer may comprise several sub-structures distributed over the thickness of the transmitter, each of which is provided with two combined fields, namely a field of mechanical stresses and a electric field, at least one of said substructures having an increased or extended activity of photovoltaic conversion in the UV and visible range.
  • the substructure (s) buried in the transmitter is (are) in principle intended (s) to generate by impact (which corresponds to a quantum yield exceeding unity) and the sub-structure (s) str ⁇ cture (s) buried in the base is (are) intended (s) for the widening (extension) of the infrared abs ⁇ laditeion, said base substructure (s) having a resistivity much lower than that of the starting silicon material and being delimited by at least one crystalline and planar electrical interface, in particular by a crystalline hetero-interface and an LH homo-interface. confused or not with the hetero-interface.
  • interfaces correspond to the limit of the substructure after formation of the rear field zone by implantation of doping impurities or by diffusion of doping impurities followed by implantation of a neutral agent or of amo ⁇ hisante self-implantation .
  • the aforementioned electrical interface (s) constitute (s) an intrinsic electric field favoring the extraction of minority carriers photogenerated in said substructure and forming a screen for the minority carriers of the base relative to the center of recombination of said substructure.
  • said wafer or plate may also include at least one additional amo ⁇ hized sub-structure, very heavily doped, buried in the transmitter or in the base, in particular located for example at the face rear of the base, having a limited thickness, preferably between 20 and 400 nm, and delimited by two interfaces of the LH type and by two crystalline hetero-interfaces when said additional substructure is arranged in the base or the transmitter or by an interface of the LH type and by a crystalline hetero-interface when said additional substructure is located directly at the rear face.
  • This additional substructure is advantageously located in the base, preferably directly at the rear face, and has a high selective conductivity of majority carriers thanks to very active doping. high, in particular greater than approximately 10 ⁇ 9 cm "-" -, preferably approximately one hundred times greater than that of the surrounding areas of the base.
  • said section or wafer can comprise at least two types of substructure, each of which is active in parts of different spectra, namely one, located in the transmitter, active in UV and visible and having generation centers under gap in the transmitter grouped in one or more thin substructure (s), and the other, preferably located in the base, having centers of photogeneration under gap in the base grouped in at least one larger substructure.
  • hetero-interfaces at the level of the limits of each substructure, said hetero-interfaces being provided during their formation with electrical properties of the L-H type;
  • the L-H homo-interfaces are located inside each substructure defined by the hetero-interfaces after annealing, or frame the latter between themselves by being located on either side thereof;
  • the transmitter has a thickness of less than 1 ⁇ m and the P-N junction and the L-H junction forming the rear field have a depth of less than 1 ⁇ m.
  • the thickness of the substructure (s) present in the transmitter is advantageously between 20 and 100 nm, said at least one substructure being located at a distance between 50 and 700 nm from the front face of the wafer, wafer or chip region and having a high selective conductivity of majority carriers thanks to its very high doping, greater in particular about 10 ⁇ cm ⁇ 3, preferably about a hundred times greater than at least that of the zones of l 'neighboring transmitter.
  • the wafer or wafer has effective containment of minority carriers in the emitter layer located between the front face and the at least present substructure or the least buried substructure and, where appropriate if necessary, between the different substructures present in the transmitter, thanks to a low temperature passivation of said front face and to the creation of a potential barrier at the level of each substructure resulting from the insertion of the interfaces thus forming a tank of minority carriers of optimized thickness, in particular as a function of the initial doping, of between 50 and 700 nm approximately.
  • the wafer or wafer may have either a total thickness of between approximately 120 ⁇ m and approximately 300 ⁇ m, or a thickness of between 3 ⁇ m and
  • FIGS. 12 to 18 In order to explain the various advantageous properties conferred, in terms of electronic transport, by the substructure forming a complex interface described above as well as the important parameters of the latter, reference will now be made in particular to FIGS. 12 to 18 attached drawings.
  • the electric field of the complex L-H interface keeps minority carriers away from the recombination zone, a lower effective concentration of the minority then implying a lower probability of recombination (BSF and HLE).
  • I sc notwithstanding the presence of additional recombination centers, in particular in the substructure.
  • the accumulation layer several fractions of confined majority carriers have more or less two-dimensional micro-movements and the cross section of the recombination centers changes to proximity to LH interfaces.
  • the LH potential barrier acts selectively on the minority carriers in the volume (identical to the PN junction but in an opposite direction), said carriers thus being kept away from the recombination centers of the substructure. due to the screen formed by said barriers potential, which makes it possible to maintain good volume parameters of the back field cell.
  • the effective concentration of minorities between the PN junction and the substructure can be lower by the HLE effect (see above) in comparison with a cell only with a conventional back field (without substructure, nor HLE) thus reducing the dark saturation current I Q and advantageously increasing the open circuit voltage V oc .
  • the photovoltaic material according to the invention simultaneously presents a significant increase in the photocurrent and the photoexcited potential, compared to the active material used in current cells.
  • the PN / sub-structure junction distance and the thickness of said sub-structure which must be sufficiently small to allow relatively large fields (of stress and electric) to be preserved thickness.
  • Figures 14 and 15 show respectively, for comparison, different components of electrons (Figure 14) and holes (Figure 15) of the total current in three different emitters each provided with a thin highly doped substructure conforming to invention as a function of the position of the latter relative to the front face, the only parameter which differs between the three curves being the thickness of the substructure (curve 1: 160 nm, curve 2: 80 nm, curve 3: 40 nm), these results taking into account only the improvement in the infrared.
  • Figures 16 and 17 show respectively, for comparison, two components of electrons (Figure 16) and holes (Figure 17) of the total current in two emitters each with a 160 nm thick substructure, depending of the position relative to the front face, the only parameter differing between the two curves being the effective service life in the substructure (curve 1: 10 " 6 ⁇ s, curve 2: 100 ⁇ s).
  • the complex interface is not only a screen for the wearers to the equilibrium but also the photogenerated carriers in the frontal area of the transmitter located between the substructure and the front face.
  • the concentration of carriers in steady state under illumination at the front side of the transmitter allows the formation of a reservoir of carriers (see Figure 18 - substructure with ⁇ -doping: 10 ⁇ 0 cm " - ** depth: 0.5 nm and thickness: 40 nm).
  • the open circuit voltage is a function of the concentration of carriers, a higher concentration of carriers reducing the production of entropies of the electron gas by photons and consequently involves , advantageously, an increase in the open circuit voltage.
  • Figures 14 and 15 show an evolution of the components of the density of the photocurrent.
  • the transport changes in nature by passing from conduction by broadcasting of minority interests to conduction by contribution of majority interests. Minority carriers blocked in their movement towards the P-N junction form a concentration hump (coming from the equilibrium and steady state distributions) near the edge of the substructure (see Figure 16).
  • the curve C1 corresponds to a photovoltaic device obtained by the method according to the invention while the curve C2 corresponds to the reference cell.
  • This improvement in photogeneration for a photovoltaic device according to the invention can be explained by the combined actions of the high doping of the substructure ( ⁇ -doping, electric field emptying the substructure of minority carriers), of the intrinsic field of constraints in the ⁇ -Si / c-Si transition zone and geometric factors such as the position of the substructure (s) with respect to the hot carrier generation zones (Auger).
  • the first characteristic range can be easily explained by the presence of numerous recombination centers at the level of the front face, not having undergone passivation, of the cell according to the invention.
  • the second characteristic range it can only be explained by the fact that the energy of a photon is used to generate more than two free carriers. This observation is confirmed by results on the external quantum efficiencies which are illustrated in FIG. 20B, where it is noted that the value much greater than the unit of the factor EQE (external quantum efficiency) for wavelengths less than 1000 nm means that more than two carriers can be generated by a photon.
  • the explanation for this phenomenon is found in the presence of a low-energy impact generation mechanism, which constitutes a kind of impact ionization.
  • FIG. 21 of the appended drawings represents the intensity of the flux and the number of photons emitted, after correction, by each of the two lamps, the first with a stronger light intensity and the second with a weaker light intensity.
  • FIGS. 22A and 22B of the appended drawings show the relationship between the photon fluxes and the photocurrents generated by means of the differential values of the photon fluxes with respect to the differential values of the photocurrents for the two aforementioned lamps.
  • FIGS. 23A and 23B of the appended drawings make it possible to compare, for the two above-mentioned lamps, the ratios of the photon fluxes with the ratios of the additional photocurrents generated in a photovoltaic device or sample according to the invention.
  • the intrinsic stress field combined with the intrinsic electric field existing at the transition zones of the substructure (s) cause (following a reorientation after application of thermal energy - heat treatment of the substructure) a configuration of the bi-vacancies favorable to the generation of the abovementioned secondary carriers and a reduction in the energy necessary for the generation of the electron hole pairs.
  • the monocrystalline upper layer facilitates the action of two phenomena, namely, fundamental photogeneration in the surface area
  • the cell or the photovoltaic device according to the invention therefore comprises two regions namely active, optical (fundamental abso ⁇ tion) and electronic (generation by impacts).
  • ⁇ - ( ⁇ ) the coefficient of absorption
  • g r is a geometric factor of the device considered taking take into account the effective length of the optical path (especially for infrared radiation).
  • the factor ⁇ r ( ⁇ ) represents the generation efficiency of electron / hole pairs (quantum efficiency).
  • V ⁇ a ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ M ⁇ i ⁇ ( ⁇ ) (Eq.2)
  • p ⁇ i represents the probability of i events per photon
  • ⁇ ( ⁇ )> ⁇ r ( ⁇ ) is the absorption efficiency in the presence of an amo ⁇ hized underground structure or layer
  • ⁇ ( ⁇ ) (( * "- + ⁇ ) Oi r + ⁇ g)
  • ⁇ ( ⁇ ) represents the additional complex abso ⁇ tion linked to a deeper penetration of photons with light intensity
  • ⁇ g is the corresponding geometric factor, namely, a complex function of the situation / position of the buried layer and the profile of distribution of the abso ⁇ tion in the thickness of the photovoltaic device or sample.
  • ⁇ M i The multiplication by ⁇ M i depends on the energy of the incident photons.
  • multiplicative factors ⁇ -, ⁇ 2 , ..., ⁇ n correspond to average efficiencies (varying between 1 and 2) of one, two or n events per photon, their product therefore not being less than unity.
  • the wafer, wafer or chip region comprises several sub -structures distributed in the thickness of the emitter, each of which is provided with two combined mechanical / electrical stress fields, at least one of said substructures having an increased or extended activity of photovoltaic conversion in the UV and visible.
  • At least one additional amo ⁇ hized substructure very heavily doped, buried in the transmitter or in the base, in particular located for example at the rear face of the base, having a limited thickness, preferably between 20 and 400 nm, and delimited by at least one LH type interface and by at least one crystalline hetero-interface.
  • This additional substructure will present an increased activity of photovoltaic conversion for the infrared radiation thanks to a maximum suppression of the bi-vacancies during the heat treatment fixing the dimensional, geometrical and mo metrehological parameters of the substructure and its interfaces.
  • the invention also relates to a photovoltaic or photocell cell which comprises, as active material, a portion of wafer, a wafer or a wafer of photovoltaic material as described above and obtained by means of the manufacturing process described herein.
  • the front or exposed face of at least said portion of wafer, wafer or wafer being shaped and / or covered with a layer of a material determined so as to constitute an optical confinement, in particular for infrared radiation, in the thickness of said active material, therefore between the front and rear faces of said cell or between the substructures.
  • said photocell will include various other coatings and layers and will be subject to additional treatments, not described herein, but which are known to those skilled in the art.
  • FIG. 1 represents the constitution of an exemplary embodiment of a very high or ultra high efficiency multi-interface solar cell comprising a modified substructure absorbing the infrared buried in the transmitter.
  • frontal passivation layer (electronic activity - limitation of the rate of recombination of the frontal surface or of the exposed or front face)
  • emitter optical and electronic activities - conversion of light at short wavelengths, impact generation, light trapping, excess carrier reservoir, electronic transport
  • - between 3 and 5 optically active zone; monocrystalline region of absorption of sunlight at short wavelengths; most efficient photogeneration area, screen for minority carriers of the saturation current; - 5: rear limit of the absorption of short wavelength sunlight in the transmitter;
  • minority carrier pool composed of two distinct sub-regions: photon / photocarrier conversion and electronic transport of excess carriers.
  • substructure optical and electronic activities, conversion of UV and visible light with a yield exceeding unity, optical confinement, preservation of minority carriers, creation of a potential barrier, electronic transport
  • - 6 frontal limit of the upper L-H accumulation layer
  • - between 6 and 7 upper accumulation layer at shallow depth
  • - 7 frontal LH interface: electrical limit of the substructure
  • - between 7 and 8 frontal electrical extension of the substructure; monocrystalline structure
  • - in 8 front interface of the substructure; structural or hetero-interface limit; - between 8 and 9: optically active zone; region with modified crystallinity, if necessary amo ⁇ he, for impact generation, associated with instantaneous evacuation of the photogenerated minority carriers;
  • - 9 rear interface of the substructure; structural or hetero-interface limit; - between 9 and 10: rear electrical extension of the substructure; monocrystalline structure;
  • - 10 rear L-H interface; electrical limit of the substructure; - between 10 and 1 1: deep accumulation layer; bidimensionalization of the micromotion of majority carriers; - 11: rear limit of the deep L-H accumulation layer;
  • P-N junction optical and electronic activities - collection of excess minority photocarriers, creation of a potential barrier, electronic transport
  • - 12 limit of non-linear P-N distributions inside the transmitter
  • - 13 frontal limit of the volume load P-N; - between 13 and 14: layer of the volume load of the donors with a negligible concentration of free carriers;
  • volume charge layer of acceptors with a negligible concentration of free carriers - 15: rear limit of the volume load P-N;
  • region H of an LH interface (p + in an n + / p / p + cell), this region possibly constituting, following a high-dose self-implantation and an adapted heat treatment, additional amo ⁇ hized substructure 25 dedicated exclusively to the photovoltaic conversion of infrared radiation.
  • rear passivation layer (electronic activity; limitation of the recombination rate of the rear surface)
  • - 20 rear interface between the monocrystalline and passivation layers; unnecessary local recombination of free carriers; - 21: interface of the rear metal / semiconductor contact zone; useful local recombination of free carriers;
  • the invention it is therefore possible to manufacture, easily and industrially, a silicon-based material absorbing infrared radiation as well as the fundamental radiation normally absorbed by the silicon and converting, into a corresponding exploitable additional photocurrent, said infrared abso ⁇ tion, by implanting in the emitter zone a strongly doped continuous substructure and delimited by two homo-interfaces LH and two hetero-interfaces, so as to constitute an interface complex forming a second potential barrier and comprising an intrinsic field ensuring effective extraction of the pairs of photogenerated carriers in said substructure by the absorption of light radiation of long wavelength (red, infrared).
  • the heavily doped substructure thus gives the solar cell new optical and electronic properties, namely:

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Abstract

La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'un matériau ou dispositif photovoltaïque, un matériau ou dispositif ainsi obtenu et une photopile comprenant un tel matériau ou dispositif. Procédé caractérisé en ce qu'il consiste à traiter la face arrière d'une plaquette, tranche ou région de puce en silicium monocristallin, de manière à créer un champ arrière ainsi que des zones ou points de contact électrique, à traiter ensuite la face avant de manière à former une couche mince d'émetteur en surface, une jonction P-N de faible profondeur, ainsi qu'au moins une sous-structure continue plane très fortement dopée, enterrée dans l'émetteur et/ou dans la base, de très faible épaisseur et dotée de plusieurs interfaces cristallines et électriques, notamment de deux interfaces du type L-H et de deux hétéro-interfaces cristallines et, enfin, à soumettre ladite tranche, plaquette ou région de puce, à un traitement thermique de manière à obtenir dans la couche d'émetteur une hétéro-structure de matériaux différents ou de matériaux de cristallinités différentes, coïncidant avec le profil de dopage adopté.

Description

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

Claims

REVENDICATIONS .
1. Procédé de fabrication d'un matériau ou dispositif photovoltaique à base de silicium monocristallin ou polycristallin à gros grains pouvant absorber notamment le rayonnement infrarouge, caractérisé en ce qu'il consiste à obtenir une plaquette, une tranche ou une région de puce de silicium monocristallin ou polycristallin à gros grains présentant une longueur de diffusion supérieure au parcours des minoritaires dans la base ou supérieure à l'épaisseur totale de ladite plaquette, tranche ou région de puce, puis à traiter la face arrière de ladite plaquette, tranche ou région de puce, non destinée à être exposée au rayonnement photonique, de manière à créer un champ arrière ainsi que des zones ou points de contact électrique, à traiter ensuite la face avant de manière à former une couche mince d'émetteur en surface, une jonction P-N de faible profondeur, ainsi qu'au moins une sous-structure continue plane très fortement dopée, enterrée dans l'émetteur ou dans la base, de très faible épaisseur et dotée de plusieurs interfaces cristallines et électriques, notamment de deux interfaces du type L-H et de deux hétéro-interfaces cristallines et, enfin, à soumettre ladite tranche, plaquette ou région de puce, notamment la face présentant l'émetteur, à un traitement thermique, à des températures et pendant des durées déterminées, de manière à obtenir dans la couche d'émetteur une hétéro-structure de matériaux différents ou de matériaux de cristallinités différentes, notamment une structure à au moins trois couches du type silicium monocristallin/silicium amoφhe ou modifié/silicium monocristallin, coïncidant avec le profil de dopage adopté et comportant des champs intrinsèques de contraintes mécaniques et électriques au niveau des zones de transition.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le traitement de la face avant consiste à introduire ou à implanter des impuretés dopantes selon un profil déterminé, présentant notamment un pic important de la concentration des impuretés coïncidant avec chaque sous-structure, le traitement tiiermique consécutif réalisant une détermination de la géométrie de chaque sous- structure, une activation des impuretés dopantes et de champs intrinsèques localisés dans les zones de transition et une guérison des défauts d'implantation d'ions d'impuretés dopantes dans l'épaisseur de la tranche, de la plaquette ou de la région de puce, avec un effet limité au niveau de chaque sous-structure enterrée.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste, lors du traitement de la face avant, à réaliser une épitaxie ou une implantation à une profondeur donnée, d'un matériau actif, notamment de Ge, suivie éventuellement d'un traitement tiiermique et d'une éventuelle épitaxie de silicium destinée à former la face avant superficielle de l'émetteur, ainsi que des zones actives de génération par impact.
4. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'U consiste à à pourvoir la tranche, plaquette ou région de puce munie d'un champ arrière et présentant une bonne qualité cristalline, d'abord d'au moins une couche amoφhisée ayant des propriétés optiques permettant l'absoφtion du rayonnement infrarouge, puis à la soumettre à une croissance épitaxiale classique d'un émetteur à au moins deux niveaux de dopage, le plus faible du côté de la jonction P-N et le plus élevé du côté de la face avant, ces deux régions de niveaux de dopage différents étant séparées par au moins une sous-structure ou couche enterrée très mince et très fortement dopée
5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le traitement de la face avant consiste à réaliser une croissance épitaxiale de l'émetteur, avec un profil de dopage comprenant notamment au moins une couche continue plane très fortement dopée constituant la ou les sous-structure (s) enterrée(s) dans l'épaisseur de l'émetteur, puis à soumettre ladite face avant à l'implantation d'ions d'un agent neutre tel que, notamment, l'hydrogène, le silicium ou analogue et à un traitement thermique formant notamment les zones actives de génération par impacts.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'U consiste, après l'implantation d'ions d'un agent neutre, à soumettre notamment l'émetteur à un traitement thermique susceptible, d'une part, de réaliser une détermination de la géométrie de la ou des sous-structure(s), une activation des impuretés dopantes et une guérison des défauts d'implantation d'ions d'agent neutre dans l'épaisseur de la tranche, de la plaquette ou de la région de puce, avec un effet limité dans la ou les sous-structure(s) enterrée(s) et, d'autre part, de modifier la cristallinité de la ou des sous-structure(s) au niveau des zones de transition électrique et de contraintes et les propriétés opto-électroniques au niveau mésoscopique par un repositionnement des hétéro-interfaces et des homo-interfaces L-H par un effet de recristallisation et de rediffusion.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le traitement thermique consiste en un recuit classique, continu ou par paliers successifs, à une température égale ou inférieure à 500° C environ, suivi éventuellement d'un recuit rapide à une température comprise entre 500° C et 1200° C, préférentiellement située autour de 1000° C environ, de la zone superficielle face avant uniquement, produisant une planéification et une formation cristalline et électrique définitive des interfaces de la ou des substructure(s) plane(s) enterrée(s) dans l'émetteur, aboutissant à la formation, d'une part, de deux homo-interfaces L-H planes, graduelles ou abruptes, situées au niveau des limites de chaque substructure après l'opération de dopage par épitaxie ou implantation et, d'autre part, de deux hétéro-interfaces planes délimitant chaque substructure après la modification cristalline et la formation des zones de transition dues au recuit.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la durée du recuit classique est comprise dans un intervalle de temps d'environ 1 à 30 minutes, en fonction des étapes thermiques consécutives éventuelles et des conditions thermiques du substrat, l'instant précis de l'arrêt dudit traitement thermique étant déterminé par la vérification de l'absoφtion d'un rayonnement lumineux d'une longueur d'onde donnée ou d'une plage de longueurs d'ondes données, particulièrement dans le domaine du rouge et du proche infrarouge.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que les homo-interfaces L-H sont confondues, deux à deux, avec les hétéro-interfaces, au niveau des limites de chaque sous-structure, lesdites hétéro-interfaces étant pourvues durant leur formation de propriétés électriques du type L-H.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que les homo-interfaces L-H sont situées à l'intérieur de chaque sous-structure définie par les hétéro-interfaces après recuit, ou encadrent cette dernière entre-elles en étant situées de part et d'autre de celle-ci.
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que, pour une sous-structure donnée, l'un des couples homo- interface L-H/hétéro-interface est confondu et en ce que l'autre couple homo- interface L-H/hétéro-interface est séparé ou distinct.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser, après l'opération de traitements tiiermiques, une passivation basse température de la face avant de la tranche, plaquette ou région de puce destinée à être exposée au rayonnement lumineux.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le matériau de silicium de départ consiste en du silicium monocristallin ou polycristallin, avec une concentration d'impuretés dopantes comprise entre 5 x 10^ cm"-* et 5 x ÎO*-"*7 cm"3, ledit matériau ne comportant pas d'impuretés pouvant être activées par l'énergie d'implantation et le traitement thermique et présentant des propriétés d'autoguérison de sa structure cristalline durant l'implantation et de guérison de sa structure cristalline par recuit classique à basse température, inférieure à 500° C.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que l'émetteur présente une épaisseur inférieure à 1 μm et en ce que la jonction P-N et la jonction L-H formant le champ arrière présentent une profondeur inférieure à 1 μm.
15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que l'épaisseur finale de la ou des sous-structure(s) présente(s) dans l'émetteur est comprise entre 20 et 100 nm, ladite sous-structure au moins présente étant située à une distance comprise entre 50 et 700 mm de la face avant de la tranche, plaquette ou région de puce et présentant une forte conductivité sélective de porteurs majoritaires grâce à son dopage très élevé, supérieur notamment à environ 10^ cm"3, préférentiellement environ cent fois supérieur au dopage de l'émetteur.
16. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 et 7 à 15, caractérisé en ce que l'énergie d'implantation des impuretés dopantes utilisée est de l'ordre de plusieurs dizaines ou centaines de KeV, notamment supérieure à environ 150 KeV, et en ce que la dose d'implantation utilisée correspond à un courant d'ions de l'ordre de quelques μA. cm"*-- ou de quelques fractions de μA. cm"*--, notamment inférieure à 1 μA.cm"^.
17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé que ce qu'il consiste à réaliser une unique sous-structure enterrée dans l'émetteur et destinée à présenter une activité de conversion photovoltaique efficace simultanément dans le domaine UV et visible et dans le domaine infrarouge.
18. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce qu'il consiste à réaliser plusieurs sous-structures réparties dans l'épaisseur de l'émetteur, dont chacune est dotée de deux champs combinés, à savoir un champ de contraintes mécaniques et un champ électrique, en effectuant successivement une implantation d'un matériau actif dans une plaquette ou tranche de silicium monocristallin, suivi d'une épitaxie en phase solide, liquide ou gazeuse.
19. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce qu'il consiste à créer au moins une sous-structure supplémentaire amoφhisée, très fortement dopée, enterrée dans l'émetteur ou dans la base, en particulier située par exemple au niveau de la face arrière de la base, présentant une épaisseur limitée et délimitée par deux interfaces du type L-H et par deux hétéro-interfaces cristallines ou une interface du type LTH et une hétéro-interface cristalline lorsque la sous-structure supplémentaire est située au niveau de la face arrière.
20. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce qu'U consiste à réaliser la sous-structure supplémentaire, présentant une activité accrue de conversion photovoltaique pour le rayonnement infrarouge, en créant un champ arrière dans une plaquette ou tranche de silicium monocristallin dopé bore, par diffusion d'aluminium par exemple, en opérant une auto-implantation de silicium avec des doses relativement élevées, notamment supérieures à 10^ cm"-* par exemple, pour obtenir l'amoφhisation d'une couche, dont l'épaisseur est par exemple comprise entre 20 et 400 nm, dans l'épaisseur du substrat et, enfin, en réalisant un traitement tiiermique de la plaquette ou tranche, jusqu'à aboutir à une planéification des interfaces de ladite sous-structure et des zones de transition, et à une suppression maximale de l'activité des bi-lacunes.
21. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce qu'U consiste à réaliser la sous-structure supplémentaire, présentant une activité accrue de conversion photovoltaique pour le rayonnement infrarouge, en effectuant une implantation à dose élevée, notamment supérieure à 10^ cm"3, avec une impureté dopante, telle que par exemple Al, formant le champ arrière et l'hétéro-interface de type L-H et en effectuant ensuite un traitement thermique jusqu'à aboutir à une planéification des interfaces et des zones de transition de ladite sous-structure , et à une suppression maximale des bi-lacunes.
22. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 et 20, caractérisé en ce que le traitement tiiermique consiste en un recuit classique à une température inférieure ou égale à 500° C environ de l'ensemble de la tranche, plaquette ou région de puce, suivi d'un recuit rapide à une température supérieure ou égale à 500° C de la zone superficielle de la face arrière, comprenant notamment ladite sous-structure supplémentaire.
23. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 22, caractérisé en ce que la structure finale de la tranche ou plaquette, initialement dopée p, est du type émetteur/base/région de champ arrière avec des dopages respectifs n+/p/p+, les impuretés dopantes implantées étant choisies dans le groupe formé par le phosphore, l'antimoine et l'arsenic, notamment pour la ou les sous-structure(s) enterrée(s) dans l'émetteur.
24. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 22, caractérisé en ce que la structure finale de la tranche ou plaquette, initialement dopée n, est du type émetteur base/région de champ arrière avec des dopages respectifs p+/n/n+, les impuretés dopantes étant choisies.dans le groupe formé par l'aluminium, le bore, le gallium et l'indium.
25. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 24, caractérisé en ce que la tranche ou plaquette de silicium présente une épaisseur totale comprise entre 120 μm et environ 300 μm.
26. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 24, caractérisé en ce que la tranche ou plaquette de silicium initiale présente une épaisseur comprise entre 3 μm et 120 μm et est contrecollée sur un support rigide, par exemple sur une plaque mince en acier inoxydable.
27. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 26, caractérisé en ce que la tranche, plaquette ou région de puce présente un confinement effectif des porteurs minoritaires dans la couche d'émetteur située entre la face avant et la sous-structure au moins présente ou la sous-structure la moins enterrée et, le cas échéant, entre les différentes sous-structures présentes dans l'émetteur, grâce à une passivation basse température de ladite face avant et à la création d'une barrière de potentiel au niveau de chaque sous-structure résultant de l'insertion des interfaces formant ainsi un réservoir de porteurs minoritaires d'épaisseur optimisée, en fonction notamment du dopage initial, comprise entre 50 et 700 nm environ.
28. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 27, caractérisé en ce qu'U consiste à réaliser un traitement supplémentaire au moins de la face avant de la tranche, plaquette ou région de puce, par conformation superficielle et/ou revêtement par une couche d'un matériau déterminé, de manière à réaliser un confinement optique interne ou externe dans l'épaisseur de ladite tranche, plaquette ou région de puce, notamment pour le rayonnement lumineux rouge et l'infrarouge.
29. Tranche ou plaquette de matériau photovoltaique obtenue au moyen du procédé de fabrication selon l'une quelconque des revendications 1 à 28, consistant essentiellement en du silicium monocristallin ou polycristallin à gros grains et comprenant une couche formant émetteur au niveau de sa face avant ou destinée à être exposée, une structure de champ arrière au niveau de sa face arrière et une jonction P-N dans l'épaisseur de ladite tranche ou plaquette, caractérisée en ce qu'eUe comporte, en outre, au moins une sous-structure continue et fortement dopée de silicium amoφhisé ou modifié, enterrée dans l'épaisseur de l'émetteur et/ou dans l'épaisseur de la base et de très faible épaisseur, ladite sous-structure présentant une résistivité inférieure à celle du matériau de départ et étant délimitée par des interfaces cristallines et électriques planes, notamment par deux hétéro-interfaces cristallines planes et deux homo-interfaces L-H, confondues ou non avec les hétéro-interfaces et correspondant aux limites de la sous-structure après implantation des impuretés dopantes ou d'autres agents et avant recuit formateur, ladite au moins une sous-structure étant, en outre, pourvue, d'une part, de champs électriques intrinsèques opposés formés au niveau de chaque homo- interface L-H favorisant l'extraction des porteurs minoritaires photogénérés dans ladite sous -structure et, d'autre part, de champs de contraintes intrinsèques formés au niveau de chaque hétéro-interface α-Si/c-Si favorisant la préservation des centres de génération par impact, ladite tranche ou plaque constituant ainsi un dispositif photovoltaique multi-interface.
30. Tranche ou plaquette selon la revendication 29, caractérisée que ce qu'eUe comporte une unique sous-structure enterrée dans l'émetteur et destinée à présenter une activité de conversion photovoltaique efficace simultanément dans le domaine UV et visible et dans le domaine infrarouge.
31. Tranche ou plaquette selon la revendication 29, caractérisée en ce qu'elle comporte plusieurs sous-structures réparties dans l'épaisseur de l'émetteur, dont chacune est dotée de deux champs combinés, à savoir un champ de contraintes mécaniques et un champ électrique, l'une au moins desdites sous- structures présentant une activité accrue ou étendue de conversion photovoltaique dans le domaine des UV et du visible.
32. Tranche ou plaquette selon l'une quelconque des revendications 29 à 31, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins une sous-structure supplémentaire amoφhisée, très fortement dopée, enterrée dans l'émetteur ou dans la base, en particulier située par exemple au niveau de la face arrière de la base, présentant une épaisseur limitée, préférentiellement entre 20 et 400 nm, et délimitée par deux interfaces du type L-H et par deux hétéro-interfaces cristallines lorsque ladite sous-structure supplémentaire est disposée dansla base ou l'émetteur ou par une interface du type L-H et par une hétéro-interface cristalline lorsque ladite sous-structure supplémentaire est située directement au niveau de la face arrière.
33. Tranche ou plaquette selon l'une quelconque des revendications 29 à 32, caractérisée en ce que les homo-interfaces L-H sont confondues avec les hétéro-interfaces, au niveau des limites de chaque sous-structure, lesdites hétéro- interfaces étant pourvues durant leur formation de propriétés électriques du type L-H.
34. Tranche ou plaquette selon l'une quelconque des revendications 29 à 32, caractérisée en ce que les homo-interfaces L-H sont situées à l'intérieur de chaque sous-structure définie par les hétéro-interfaces après recuit, ou encadrent cette dernière entre-elles en étant situées de part et d'autre de celle-ci.
35. Tranche ou plaquette selon l'une quelconque des revendications
29 à 32, caractérisée en ce que, pour une sous-structure donnée, l'un des couples homo-interface L-H/hétéro-interfaces est confondu et en ce que l'autre couple homo-interface L-H/hétéro-interface est séparé ou distinct.
36. Tranche ou plaquette selon l'une quelconque des revendications 29 à 35, caractérisée en ce que l'émetteur présente une épaisseur inférieure à 1 μm et en ce que la jonction P-N et la jonction L-H formant le champ arrière présentent une profondeur inférieure à 1 μm.
37. Tranche ou plaquette selon l'une quelconque des revendications 29 à 36, caractérisée en ce que l'épaisseur de la sous-structure au moins présente dans l'émetteur est comprise entre 20 et 100 nm, ladite spus-structure étant située à une distance comprise entre 50 et 700 nm de la face avant de la tranche, plaquette ou région de puce et présentant une forte conductivité sélective de porteurs majoritaires grâce à son dopage actif très élevé, supérieur notamment à environ 10^9 cm"-*, préférentiellement environ cent fois supérieur à celui des zones de l'émetteur avoisinantes.
38. Tranche ou plaquette selon la revendication 32, caractérisée en ce que la sous-structure supplémentaire est située dans la base, préférentieUement directement au niveau de la face arrière, et présente une forte conductivité sélective de porteurs majoritaires grâce à un dopage actif très élevé, notamment supérieur à environ 10^9 cm"-*, préférentiellement environ cent fois supérieur à celui des zones de la base avoisinantes.
39. Tranche ou plaquette selon l'une quelconque des revendications 29 à 38, caractérisée en ce qu'elle comporte au moins deux types de sous-structure dont chacun est actif dans des parties de spectres différentes, à savoir l'un, situé dans l'émetteur, actif dans l'UV et le visible et ayant des centres de génération sous gap dans l'émetteur regroupés dans une ou plusieurs sous-structure(s) mince(s), et l'autre, préférentiellement situé dans la base, ayant des centres de photogénération sous gap dans la base regroupés dans au moins une sous-structure plus large.
40. Tranche ou plaquette selon l'une quelconque des revendications 29 à 39, caractérisée en ce que la tranche ou plaquette de silicium présente un confinement effectif des porteurs minoritaires dans la couche d'émetteur située entre la face avant et la sous-structure au moins présente dans l'émetteur ou la sous-structure la moins enterrée et, le cas échéant, entre les différentes sous- structures présentes dans l'émetteur, grâce à une passivation basse température de ladite face avant et à la création d'une barrière de potentiel au niveau de chaque sous-structure résultant de l'insertion des interfaces formant ainsi un réservoir de porteurs minoritaires d'épaisseur optimisée, en fonction notamment du dopage initial, comprise entre 50 et 700 nm environ.
41. Tranche ou plaquette selon l'une quelconque des revendications 29 à 40, caractérisée en ce qu'elle présente une épaisseur totale comprise entre environ 120 μm et environ 300 μm.
42. Tranche ou plaquette selon l'une quelconque des revendications
29 à 40, caractérisée en ce qu'elle présente une épaisseur comprise entre 3 μm et 120 μm environ et est contrecollée sur un support rigide, par exemple sur une plaque mince en acier inoxydable.
43. Cellule photovoltaique ou photopile, caractérisée en ce qu'elle comporte en tant que matériau actif une portion de tranche, une tranche ou une plaquette de matériau photovoltaique selon l'une quelconque des revendications 29 à 42, la face exposée au moins de ladite portion de tranche ou plaquette étant conformée et ou recouverte d'une couche d'un matériau déterminé de manière à constituer un confinement optique interne et/ou externe, notamment pour le rayonnement infrarouge, dans l'épaisseur dudit matériau actif.
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