FR2522443A1 - Multilayer photovoltaic solar cell - having three layers contg. light sensitive homo:junctions with tunnelling shorting junctions between them - Google Patents

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Abstract

A cell for use with a light concn. element comprises (a) a single crystal, single element substrate (11) without an internal light sensitive junction, capable of lattice matching to within -1% of GaO.88InO.12As; and (b) three superimposed homogeneous semiconductor layers (31,32,33) each having the same lattice constant as the substrate to within -1%, of, in order, GaO.88InO.12As, band gap 1.25eV; Ge0.69InO.31As0.5PO.5, band gap 1.5eV; and In0.5Ga0.5P, band gap 1.85eV; absorbing sunlight energy at three different wavelengths. Each of the three layers contains a light sensitive pn homojunction and a tunnelling, shorting heterojunction with the layers immediately above and below it; and each layer develops the same zero voltage light generated current as the other layer. The single wafer stack is lighter, cheaper and simpler than multiple wafer stacks. Theoretical efficiency is 50% at 1000 suns, compared with 44% for two layers, with good lattice matching providing near theroretical efficiency.

Description

L'invention concerne la conversion de l'énergie solaire en énergie électrique, et plus particulièrement une cellule photovoltaique multicouche effectuant cette conversion avec un rendement élevé. The invention relates to the conversion of solar energy into electrical energy, and more particularly a multilayer photovoltaic cell carrying out this conversion with a high efficiency.

Plusieurs formes de cellules photovoltaïques ont été développées pour convertir l'énergie solaire en énergie électrique ; cependant, le rendement des systèmes connus est faible et, lorsqu'on améliore le rendement par l'utilisation de convertisseurs plus efficaces, le coût de ces convertisseurs s'élève. Il a été proposé d'accroître le rendement de conversion en concentrant l'énergie solaire sur les convertisseurs au moyen de systèmes optiques. Avec ces systèmes, le rendement de conversion peut être encore augmenté. Une considération du coût de chacun des éléments d'un système de conversion montre que l'utilisation d'éléments de concentration de la lumière permet la mise en oeuvre de convertisseurs photovoltargues plus coûteux, mais que des limites économiques sont cependant imposées au. système de concentration.En outre, lorsque la concentration de la lumière arrivant au convertisseur devient plus intense, il faut dissiper l'échauffement résultant de la lumière concentrée, car le rendement de certains convertisseurs chute lorsque leur température augmente. Several forms of photovoltaic cells have been developed to convert solar energy into electrical energy; however, the efficiency of known systems is low and, when the efficiency is improved by the use of more efficient converters, the cost of these converters increases. It has been proposed to increase the conversion efficiency by concentrating solar energy on the converters by means of optical systems. With these systems, the conversion efficiency can be further increased. A consideration of the cost of each of the elements of a conversion system shows that the use of light concentration elements makes it possible to use more expensive photovoltaic converters, but that economic limits are however imposed on the. Concentration system.In addition, when the concentration of light arriving at the converter becomes more intense, it is necessary to dissipate the heating resulting from the concentrated light, because the efficiency of some converters drops when their temperature increases.

Une étude des considérations indiquées ci-dessus permet de voir que, avec l'utilisation de systèmes de concentration permettant de diminuer le coût de la conversion d'énergie en augmentant le rendement de cette conversion, il est possible de transférer le point important afin de le faire passer du coût de la cellule du convertisseur au rendement de la cellule. Par conséquent, si le rendement de la cellule peut être élevé suffisamment, un système de concentration peut produire de l'électricité à meilleur marché que la même surface d'un réseau de prix inférieur. A study of the considerations indicated above makes it possible to see that, with the use of concentration systems making it possible to reduce the cost of energy conversion by increasing the efficiency of this conversion, it is possible to transfer the important point in order to shift it from the cost of the converter cell to the cell efficiency. Therefore, if the cell efficiency can be high enough, a concentration system can generate electricity at a lower cost than the same area of a lower-priced network.

Ces observations conduisent à considérer des piles ou cellules solaires à jonctions multiples empilées, à haut rendement, réagissant chacune à une bande d'énergie différente du rayonnement solaire et équipées chacune d'un élément destiné à concentrer l'énergie et à agir sur la cellule afin qu'elle suive la source d'énergie. These observations lead to the consideration of high-efficiency stacked multiple-junction cells or solar cells, each reacting to a different energy band from solar radiation and each equipped with an element intended to concentrate energy and act on the cell. so that it follows the source of energy.

Des cellules photovoltaiques à couches multiples ont été essayées comme moyen de conversion de l'énergie solaire en énergie électrique. Une forme d'une telle cellule est décrite dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N0 4 017 332. Ce brevet suggère l'utilisation d'une cellule multicouches composée d'empilages de cellules à hétérojonction. A la différence du brevet précité, la présente invention a trait à une cellule photovoltalque multicouche composée d'empilages de cellules à homojonction. Multilayer photovoltaic cells have been tried as a means of converting solar energy into electrical energy. One form of such a cell is described in US Pat. No. 4,017,332. This patent suggests the use of a multilayer cell composed of stacks of heterojunction cells. Unlike the aforementioned patent, the present invention relates to a multilayer photovoltaic cell composed of stacks of homojunction cells.

On a également suggéré, pour les cellules photo voltalques à couches multiples de l'art antérieur, de réaliser des couches successives en matières semiconductrices réagissant à différentes bandes d'énergie interdites comme décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 4 017 332. Dans la cellule selon l'invention, on choisit plusieurs couches de manière qu'elles réagissent à des bandes d'énergie interdites différentes, toutes sensiblement au même niveau de courant, en évitant particulièrement la bande interdite d'énergie lumineuse affectée par des variations d'humidité et de la masse d'air. It has also been suggested, for multi-layer photo-voltaic cells of the prior art, to make successive layers of semiconductor materials reacting to different prohibited energy bands as described in US Pat. No. 4,017 332. In the cell according to the invention, several layers are chosen so that they react to different forbidden energy bands, all substantially at the same current level, in particular avoiding the forbidden band of light energy affected by variations in humidity and air mass.

Des cellules photovoltaîques multicouches antérieures ont été réalisées sur des substrats dont les réseaux ont été accordés sur les couches semiconductrices de la cellule et ces substrats ont été développés avec des jonctions séparées afin de participer à la conversion de la cellule globale, comme décrit également dans le brevet des Etats-Unis d'Am.érique N0 4 017 332. Dans la cellule décrite dans le présent mémoire, il est proposé un substrat relativement bon marché dont le réseau est spécifiquement accordé avec les couches semiconductrices et est spécifiquement conçu sans jonction interne afin d'éliminer toute sensibilité de la cellule à la fluctuation dans l'absorption infrarouge dans le spectre solaire sous l'effet des bandes de vibrations OH associées à la vapeur d'eau.La cellule solaire proposée par l'invention est donc moins sensible aux variations d'humidité et de masse d'air. Previous multilayer photovoltaic cells have been produced on substrates whose networks have been tuned on the semiconductor layers of the cell and these substrates have been developed with separate junctions in order to participate in the conversion of the overall cell, as also described in the United States of America patent No. 4,017,332. In the cell described herein, a relatively inexpensive substrate is proposed, the network of which is specifically tuned with the semiconductor layers and is specifically designed without internal junction to to eliminate any sensitivity of the cell to the fluctuation in infrared absorption in the solar spectrum under the effect of the OH vibration bands associated with water vapor. The solar cell proposed by the invention is therefore less sensitive to humidity and air mass variations.

Dans une publication antérieure de Lewis M. In an earlier publication by Lewis M.

Fraas et R. C. Knechtli, à l'occasion de la treizième
Conférence des spécialistes des techniques photovoltaîques de l'institut des ingénieurs électriciens et électroniciens ("IEEE", 5-8 juin 197Q, Washington, D. C. ) il est décrit une cellule photovoltalque multicouche ayant des rendements de l'ordre souhaité. La cellule photovoltaique décrite dans la présente demande se distingue de celles décrites jusqu'à présent par l'absence particulière d'une jonction dans le substrat et par la production supplémentaire de couches dont le réseau est accordé sur le substrat et qui contiennent des homojonctions pour produire la conversion électrique souhaitée avec le rendement souhaité.Fraas and RC Knechtli, on the occasion of the thirteenth
Conference of specialists in photovoltaic techniques from the Institute of Electrical and Electronics Engineers ("IEEE", June 5-8, 197Q, Washington, DC) there is described a multilayer photovoltaic cell having yields of the desired order. The photovoltaic cell described in the present application differs from those described so far by the particular absence of a junction in the substrate and by the additional production of layers whose network is tuned on the substrate and which contain homojunctions for produce the desired electrical conversion with the desired efficiency.

L'idée d'obtenir des rendements de conversion d'énergie très élevés par l'empilage optique de cellules solaires ayant des bandes d'énergie différentes est connue. The idea of obtaining very high energy conversion yields by the optical stacking of solar cells having different energy bands is known.

il existe cependant une motivation croissante pour prendre en considération la fabrication d'un tel empilage de cellules solaires de façon monolithique sur une tranche unique. Cette motivation résulte des applications spatiales, car une tranche ou un support unique est plus léger qu'un empilage de plusieurs supports, ainsi que d'applications terrestres utilisant des systèmes de concentration, car un seul support est susceptible d'être moins coûteux, plus simple et plus facile à refroidir qu'un empilage de plusieurs supports. Cependant, des limitations importantes s'appliquent à la conception et à la fabrication d'une telle cellule solaire à jonctions multiples, empilage monolithique et haut rendement.Deux des limitations affectant la conception sont qu'il faut, en premier lieu, que les matières semi-conductrices différentes constituant l'empilage aient leurs réseaux pratiquement accordés afin que l'intégrité cristalline puisse être maintenue et, en second lieu, si les jonctions photo sensibles doivent être connectées en série, que les bandes interdites soient telles que le courant résultant de la lumière soit réparti à peu près également entre les jonctions multiples. Un problème corollaire se pose pour la réalisation de la connexion en série souhaitée entre les jonctions actives sans pertes de tensions inacceptables aux jonctions inactives dans les structures empilées à considérer.however, there is a growing motivation to take into account the production of such a stack of solar cells in a monolithic fashion on a single wafer. This motivation results from space applications, since a single slice or support is lighter than stacking several supports, as well as from terrestrial applications using concentration systems, since a single support is likely to be less expensive, more simple and easier to cool than stacking several supports. However, important limitations apply to the design and manufacture of such a high-efficiency, monolithic stacking, multi-junction solar cell. Two of the design limitations are that the materials must first be different semiconductors constituting the stack have their networks practically tuned so that the crystal integrity can be maintained and, secondly, if the photo-sensitive junctions are to be connected in series, that the forbidden bands are such that the current resulting from the light is distributed almost equally between the multiple junctions. A corollary problem arises for the realization of the desired series connection between the active junctions without loss of unacceptable voltages at the inactive junctions in the stacked structures to be considered.

Conformément à ce qui précède, l'invention concerne une cellule photovoltaique à jonctions multiples comprenant des couches de phosphure d'indium et de gallium et d'anyiiUre d'indium et de gallium portées par un substrat de germanium. Les couches successives comprennent des jonctions situées dans des bandes d'adsorption différentes, alors que le substrat et les couches successives ont leurs réseaux accordés à moins de + 1 % de variation. In accordance with the above, the invention relates to a photovoltaic cell with multiple junctions comprising layers of indium and gallium phosphide and of indium and gallium alluvium carried by a germanium substrate. The successive layers include junctions located in different adsorption bands, while the substrate and the successive layers have their networks tuned to less than + 1% variation.

Avec un élément de concentration et des contacts, la cellule constitue un moyen efficace pour convertir l'énergie solaire en énergie électrique.With an element of concentration and contacts, the cell constitutes an efficient means to convert solar energy into electrical energy.

L'invention a pour objet principal une cellule photovoltalque efficace à jonctions multiples destinée à convertir l'énergie solaire en énergie électrique. The main object of the invention is an efficient photovoltaic cell with multiple junctions intended to convert solar energy into electrical energy.

L'invention a également pour objet une cellule photovoltalque multicouche pouvant être produite à partir de matériaux disponibles. The invention also relates to a multilayer photovoltaic cell which can be produced from available materials.

L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels
- la figure 1 est une élévation schématique partielle d'une cellule à deux jonctions selon l'invention en regard de laquelle sont indiquées les limites des bandes de conduction LBC ' et de valence LBV ;
- la figure 2 est une élévation schématique partielle d'une cellule à trois jonctions selon l'invention en regard de laquelle sont également indiquées les limites des bandes de conduction et de valence ;
- la figure 3 est un graphique donnant le courant en fonction de la tension de plusieurs cellules photovoltafques ;;
- la figure 4 est un graphique donnant le rendement des cellules solaires en fonction du nombre de cellules empilées
- la figure 5 est un graphique donnant l'dclaire- ment énergétique spectral du soleil en fonction de la longueur d'onde et de l'énergie des photons ; et
- la figure 6 est un schéma d'une chambre de croissance pour la fabrication des cellules photovoltaiques selon l'invention.The invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings by way of non-limiting examples and in which
- Figure 1 is a partial schematic elevation of a cell with two junctions according to the invention opposite which are indicated the limits of the conduction bands LBC 'and valence LBV;
- Figure 2 is a partial schematic elevation of a cell with three junctions according to the invention opposite which are also indicated the limits of the conduction and valence bands;
- Figure 3 is a graph showing the current as a function of the voltage of several photovoltaic cells;
- Figure 4 is a graph showing the performance of solar cells as a function of the number of stacked cells
FIG. 5 is a graph giving the spectral energy illumination of the sun as a function of the wavelength and of the energy of the photons; and
- Figure 6 is a diagram of a growth chamber for the manufacture of photovoltaic cells according to the invention.

Quelques définitions de termes utilisés dans le présent mémoire seront à présent données. Some definitions of terms used in this memo will now be given.

Dope
Un semiconducteur peut transporter un courant au moyen de porteurs chargés positivement ou de porteurs chargés négativement. Ces porteurs sont introduits dans le semiconducteur au moyen de traces d'impuretés chimiques appelées dopes. Si les dopes apportent au semiconducteur des porteurs de charges négatives, ils sont considérés comme dopant le semiconducteur au type n. Si les dopes introduisent des porteurs de charges positives, ils sont considérés comme dopant le semiconducteur au type p. Lorsque le semiconducteur est fortement dopé avec des concentrations élevées de charges négatives, rendant le semiconducteur semimétallique, il est dopé n+.Dope
A semiconductor can transport a current by means of positively charged carriers or negatively charged carriers. These carriers are introduced into the semiconductor by means of traces of chemical impurities called dopes. If the dopes bring negative charge carriers to the semiconductor, they are considered to dop the n-type semiconductor. If the dopes introduce positive charge carriers, they are considered to dop the p-type semiconductor. When the semiconductor is heavily doped with high concentrations of negative charges, making the semiconductor semimetallic, it is n + doped.

De façon similaire, des densités élevées de porteurs de charges positives dopent un semiconducteur p+. Un dope se distingue d'un élément chimique principal formant le semiconducteur par le fait qu'il est présent à < 1 % dans la composition atomique et par le fait qu'il ajoute des porteurs de charges au semiconducteur. Similarly, high densities of positive charge carriers boost a p + semiconductor. A dope is distinguished from a main chemical element forming the semiconductor by the fact that it is present at <1% in the atomic composition and by the fact that it adds charge carriers to the semiconductor.

Jonction
Une jonction dans un dispositif semiconducteur est une région plane sur un premier côté de laquelle les porteurs sont chargés positivement et sur l'autre côté de laquelle les porteurs sont chargés négativement.Junction
A junction in a semiconductor device is a planar region on a first side of which the carriers are positively charged and on the other side of which the carriers are negatively charged.

Homojonction
Une homojonction est une jonction pour laquelle la matière semiconductrice est la même ou homogène de part et d'autre de cette jonction. En d'autres termes, la seule différence chimique entre les deux côtés de la jonction est le choix des dopes présents à l'état de traces. Les éléments chimiques principaux formant le semiconducteur de chaque côté de la jonction sont identiques.Homojunction
A homojunction is a junction for which the semiconductor material is the same or homogeneous on both sides of this junction. In other words, the only chemical difference between the two sides of the junction is the choice of trace dopes. The main chemical elements forming the semiconductor on each side of the junction are identical.

Hétérojonction
Une hétérojonction est une jonction pour laquelle les matières semiconductrices situées de part et d'autre de la jonction diffèrent non seulement par le type des porteurs, mais également par les compositions des éléments principaux. La composition chimique de part et d'autre de la jonction est hétérogène. En d'autres termes, le semiconducteur à porteurs chargés positivement est sensiblement différent, du point de vue chimique, du semiconducteur à porteurs chargés négativement. Parfois, il peut se produire un certain processus d'alliage lors de la formation d'une hétérojonction, de sorte que le changement de type de porteurs ne coïncide pas exactement avec l'interface hétérogène. Cependant, dans le présent mémoire, une telle jonction reste considérée comme une hétérojonction.Heterojunction
A heterojunction is a junction for which the semiconductor materials located on either side of the junction differ not only in the type of carriers, but also in the compositions of the main elements. The chemical composition on both sides of the junction is heterogeneous. In other words, the semiconductor with positively charged carriers is significantly different, from the chemical point of view, from the semiconductor with negatively charged carriers. Sometimes a certain alloying process can occur during the formation of a heterojunction, so that the change in carrier type does not exactly coincide with the heterogeneous interface. However, in the present specification, such a junction remains considered a heterojunction.

Energie de bande interdite
Un semiconducteur absorbe de la lumière avec des énergies de photons superieures à une certaine énergie et il transmet la lumière avec des énergies de photons inférieures à cette énergie.Band energy prohibited
A semiconductor absorbs light with photon energies higher than a certain energy and transmits light with photon energies lower than this energy.

L'énergie pour déclencher l'absorption est appelée l'énergie de bande interdite du semiconducteur. Des modifications de la composition chimique du semiconducteur conduisent à des modifications de cette énergie de bande interdite. The energy to trigger absorption is called the bandgap energy of the semiconductor. Changes in the chemical composition of the semiconductor lead to changes in this band gap energy.

Accord de réseau
Les atomes d'un cristal sont séparés par certains intervalles et des angles relatifs. Les sites sur lesquels se trouvent les atomes forment un réseau cristallin. Il est possible, dans certains cas, de modifier les atomes en passant d'une matière à une autre sans changer notablement le réseau cristallin. Par exemple, un cristal AlAs possède le même réseau cristallin qu'un cristal GaAs.Network agreement
The atoms of a crystal are separated by certain intervals and relative angles. The sites on which the atoms are located form a crystal lattice. It is possible, in certain cases, to modify the atoms while passing from a matter to another without appreciably changing the crystal lattice. For example, an AlAs crystal has the same crystal lattice as a GaAs crystal.

On remplace simplement un atome Al par un atome Ga. Lorsque deux cristaux possèdent le mêm#e réseau et lorsque les intervalles atomiques sont les mêmes, il existe un bon accord de réseaux et on peut faire croître un cristal en prolongement de l'autre.We simply replace an atom Al by a atom Ga. When two crystals have the same network and when the atomic intervals are the same, there is a good agreement of networks and one can grow a crystal in continuation of the other.

La figure 1 est une représentation schématique en coupe d'une cellule solaire photovoltaique multicouche selon l'invention. Les couches de la cellule ne sont pas représentées à l'échelle dans les directions verticale et horizontale, hormis que, dans la dimension verticale, les couches sont représentées à leurs épaisseurs relatives à peu près exactes. Comme représenté, un substrat il de germanium reçoit une surface 12 de contact sur un premier côté et est relié, par son autre côté, à une première cellule semiconductrice 13. Le substrat de germanium est de préférence un substrat à un seul élément, monocris- tallin, ayant une structure cristalline dont le réseau est capable d'être accordé sur celui d'une matière semiconductrice Ga0188In0,12As sensible à la bande de la lumière visible ou proche visible.Le substrat ne contient pas de jonction photosensible, mais on le fait croître volontairement sous la forme d'un cristal de germanium en raison de la structure du réseau qui permet l'accord avec la première couche d'une cellule multicouche capable de produire un courant engendré par la lumière, dans une plage pouvant être distribuée de manière souhaitable parmi d'autres couches d'une cellule multicouche. Figure 1 is a schematic sectional representation of a multilayer photovoltaic solar cell according to the invention. The layers of the cell are not shown to scale in the vertical and horizontal directions, except that, in the vertical dimension, the layers are shown at their approximately accurate relative thicknesses. As shown, a germanium substrate il receives a contact surface 12 on a first side and is connected, by its other side, to a first semiconductor cell 13. The germanium substrate is preferably a substrate with a single element, monocris- tallin, having a crystal structure whose network is capable of being matched on that of a semiconductor material Ga0188In0,12As sensitive to the visible or near visible light band. The substrate does not contain a photosensitive junction, but we do grow voluntarily in the form of a germanium crystal due to the structure of the network which allows the agreement with the first layer of a multilayer cell capable of producing a current generated by light, in a range that can be distributed so desirable among other layers of a multilayer cell.

La cellule 13 est de préférence réalisée en gallium, indium, et arsenic, ayant la composition Ga0,88In0112As et une bande interdite de 0,2 aJ. Une jonction 14 est représentée dans la-première couche 13. The cell 13 is preferably made of gallium, indium, and arsenic, having the composition Ga0.88In0112As and a band gap of 0.2 aJ. A junction 14 is shown in the first layer 13.

Le réseau de la première cellule 13 est accordé sur celui du substrat et est capable d'absorber la lumière visible ou proche visible, avec des énergies de photons supérieures à la valeur préférée de 0,196 aJ, et capables de générer un courant compatible avec la distribution souhaitée à l'intérieur de la cellule multicouche.The network of the first cell 13 is tuned to that of the substrate and is capable of absorbing visible or near visible light, with photon energies greater than the preferred value of 0.196 aJ, and capable of generating a current compatible with the distribution. desired inside the multilayer cell.

Une seconde cellule 15 est représentée en contact avec la première cellule 13. La cellule 15 est de préférence réalisée en gallium, indium et phosphore, avec la composition Ga0,43In0,57P et une bande interdite de 0,28 aJ. A second cell 15 is shown in contact with the first cell 13. The cell 15 is preferably made of gallium, indium and phosphorus, with the composition Ga0.43In0.57P and a band gap of 0.28 aJ.

Le réseau de la seconde cellule 15 est accordé sur celui de la première cellule et est capable d'absorber la lumière visible ou proche visible avec des énergies de photons supérieures à la valeur préférée de 0,28 aJ, et il est également capable de générer un courant compatible avec la distribution souhaitée à l'intérieur de la cellule multicouche.The array of the second cell 15 is matched to that of the first cell and is capable of absorbing visible or near visible light with photon energies greater than the preferred value of 0.28 aJ, and it is also capable of generating a current compatible with the desired distribution inside the multilayer cell.

Une couche conductrice et transparente 16 d'oxyde d'indium et d'étain ou d'oxyde d'antimoine et d'étain est déposée sur l'autre surface de la seconde cellule 15. Les compositions d'oxyde d'indium et d'étain et d'oxyde d'antimoine et d'étain sont des mélanges de deux oxydes, à savoir l'oxyde d'indium (In203) et l'oxyde d'étain (SnO2) dans la première composition, et l'oxyde d'antimoine (SbO2) et l'oxyde d'étain dans la seconde composition. Ces mélanges peuvent être constitués de toute proportion des deux oxydes, mais ils comprennent en général de 80 à 90 moles % d'oxyde d'indium dans la première composition et de 10 à 30 moles % d'oxyde d'antimoine dans la seconde composition. Ces compositions sont indiquées classiquement par les formules chimiques In2O3/SnO2 ou SnO/SbO2.  A conductive and transparent layer 16 of indium tin oxide or antimony and tin oxide is deposited on the other surface of the second cell 15. The compositions of indium oxide and d tin and antimony and tin oxide are mixtures of two oxides, namely indium oxide (In203) and tin oxide (SnO2) in the first composition, and oxide antimony (SbO2) and tin oxide in the second composition. These mixtures can consist of any proportion of the two oxides, but they generally comprise from 80 to 90 mol% of indium oxide in the first composition and from 10 to 30 mol% of antimony oxide in the second composition . These compositions are conventionally indicated by the chemical formulas In2O3 / SnO2 or SnO / SbO2.

Un ou plusieurs contacts 17 sont fixés à la surface extérieure de la couche 16. Des fils 18 et 19 conducteurs du courant électrique sont reliés aux contacts 12 et 17, respectivement. Un revêtement superficiel extérieur antiréfléchissant et transparent 20 est appliqué sur la couche 16 de surface et sur les contacts 17. One or more contacts 17 are fixed to the outer surface of the layer 16. Wires 18 and 19 conductors of the electric current are connected to the contacts 12 and 17, respectively. An external anti-reflective and transparent surface coating 20 is applied to the surface layer 16 and to the contacts 17.

Comme représenté sur la figure 1, un élément 21 de concentration, montré sous la forme d'une lentille convergente, est placé au-dessus de la cellule dans une position telle qu'il concentre la lumière provenant d'une source 22, représentée dans ce cas sous la forme du soleil. As shown in FIG. 1, a concentrating element 21, shown in the form of a converging lens, is placed above the cell in a position such that it concentrates the light coming from a source 22, represented in this case in the form of the sun.

La figure 2 représente une cellule multicouche similaire dans laquelle trois couches 31, 32 et 33 sont assemblées entre le substrat 11 et la couche conductrice 16. Ces trois couches ont, dans leurs formes préférées, les compositions suivantes
couche 31 : Ga0,88In0,12As avec bande interdite de 0,2 aJ,
couche 32 : Ga0,69 In0,31As0,5P0,5 avec bande interdite
de 0,24 aJ
couche 33 : Tn0,5Ga0,5P avec bande interdite de 0,296 aJ.FIG. 2 represents a similar multilayer cell in which three layers 31, 32 and 33 are assembled between the substrate 11 and the conductive layer 16. These three layers have, in their preferred forms, the following compositions
layer 31: Ga0.88In0.12As with 0.2 aJ band gap,
layer 32: Ga0.69 In0.31As0.5P0.5 with band gap
from 0.24 aJ
layer 33: Tn0.5Ga0.5P with forbidden band of 0.296 aJ.

Dans la cellule multicouche de la figure 2, le substrat est de préférence un élément unique de germanium monocristallin ayant une structure de réseau capable d'être accordée sur le réseau Ga0,8-8In0112As, mais il ne contient pas de jonction et il ne réagit donc pas aux photons l'atteignant ou le traversant. La structure en réseau du substrat de germanium le rend particulièrement adapté à la réalisation de la cellule à trois couches ayant les compositions indiquées ci-dessus, par le fait, à la fois, que l'accord souhaité des réseaux cristallins peut être obtenu au moyen de la cellule à trois couches et que le courant photo-électrique souhaité se répartit de façon à peu près égale entre les jonctions multiples, permettant une connexion en série de ces jonctions. In the multilayer cell of FIG. 2, the substrate is preferably a single element of monocrystalline germanium having a network structure capable of being tuned on the Ga0,8-8In0112As network, but it does not contain a junction and it does not react therefore not to the photons reaching or crossing it. The network structure of the germanium substrate makes it particularly suitable for producing the three-layer cell having the compositions indicated above, by the fact that both the desired agreement of the crystal networks can be obtained by means of the three-layer cell and that the desired photoelectric current is distributed approximately equally between the multiple junctions, allowing a series connection of these junctions.

Les couches sont de préférence déposées sur le substrat 11 par des procédés de dépôt en phase vapeur d'une matière chimique organique sur métal de manière à former une couche ayant l'épaisseur et la composition souhaitées. The layers are preferably deposited on the substrate 11 by methods of vapor deposition of an organic chemical material on metal so as to form a layer having the desired thickness and composition.

La cellule à trois jonctions de la figure 2 présente un rendement de conversion de l'énergie solaire supérieur à celui de la cellule à deux jonctions de la figure 1 (voir figure 4). Une cellule à trois couches présente un rendement théorique de conversion de 50 % à une concentration de 1000 soleils, tandis que la cellule à deux couches présente un rendement théorique de 44 % à une concentration de 1000 soleils.  The three-junction cell in Figure 2 has a higher conversion efficiency of solar energy than the two-junction cell in Figure 1 (see Figure 4). A three-layer cell has a theoretical conversion efficiency of 50% at a concentration of 1000 suns, while the two-layer cell has a theoretical efficiency of 44% at a concentration of 1000 suns.

Bien que la cellule à trois jonctions ressemble à la cellule de la figure 1, elle en diffère par le fait que les compositions de la deuxième couche 32 de jonction et de la troisième couche 33 de jonction sont inédites. Although the three-junction cell resembles the cell in FIG. 1, it differs from it in that the compositions of the second junction layer 32 and of the third junction layer 33 are novel.

Ces couches sont choisies de manière à contenir In, Ga,
As et P afin que le même dispositif de dépôt en phase vapeur de matière chimique organique sur métal puisse être utilisé dans une séquence à une seule opération pour la préparation soit du dispositif de la figure 1, soit du dispositif de la figure 2. Les compositions sont choisies de façon spécifique afin que l'on observe un accord de réseaux dans la tolérance de 1 % pour les trois couches. En outre, les positions des bandes interdites déterminées par les compositions permettent la génération de courants égaux dans les trois couches.Cette exigence de courants égaux entraîne le décalage apparemment faible, mais très sensible, des compositions pour passer de In0,57Ga0,43P dans la couche 15 (figure 1) à In0,5Ga0,5P dans la couche 33 (figure 2). Si ce décalage n'est pas respecté, une chute d'environ 10 % affecte le rendement de la cellule à trois couches.These layers are chosen so as to contain In, Ga,
As and P so that the same device for vapor deposition of organic chemical material on metal can be used in a single-operation sequence for the preparation either of the device of FIG. 1, or of the device of FIG. 2. The compositions are chosen specifically so that we observe a network agreement within the tolerance of 1% for the three layers. Furthermore, the positions of the forbidden bands determined by the compositions allow the generation of equal currents in the three layers. This requirement of equal currents results in the apparently small, but very sensitive shift of the compositions to pass from In0.57Ga0.43P in the layer 15 (Figure 1) at In0.5Ga0.5P in layer 33 (Figure 2). If this offset is not respected, a fall of about 10% affects the efficiency of the three-layer cell.

La composition de la deuxième couche 32 montrée sur la figure 2, à savoir Ga016gIn0131As015POIgr ne résulte pas d'une modification de l'une ou l'autre des couches de la figure 1 et elle est donc inédite par rapport aux còmpositions de la cellule de la figure 1. Cette composition résulte d'une prise en considération de données concernant les bandes interdites et l'espacement des réseaux cristallins pour le système métallurgique quaternaire InGaAsP, ainsi que de la prise en considération des demandes en courant des cellules solaires, comme décrit précédemment. The composition of the second layer 32 shown in FIG. 2, namely Ga016gIn0131As015POIgr does not result from a modification of one or the other of the layers of FIG. 1 and it is therefore novel with respect to the compositions of the cell. FIG. 1. This composition results from a consideration of data concerning the forbidden bands and the spacing of the crystal lattices for the quaternary metallurgical system InGaAsP, as well as from the consideration of the current demands of the solar cells, as described previously.

Un procédé préféré pour réaliser la cellule à deux ou trois couches selon l'invention consiste à partir d'un substrat monocristallin, par exemple une tranche de germanium. Le substrat constitué par la tranche de germanium ne contient pas, de préférence, de jonction photosensible, tout d'abord parce qu'un substrat possédant une jonction est beaucoup plus coûteux à réaliser, car la pureté de la tranche de germanium comportant une jonction photosensible fonctionnelle est de l'ordre de 1 ppm ou moins, tandis que la tranche ne comportant pas de jonction n'exige un contrôle de pureté que de 1000 ppm ou moins, et ensuite parce qu'une jonction se trouvant dans la tranche de germanium réagirait à la bande de longueurs d'onde de la lumière la plus affectée par les fluctuations de l'humidité et de la masse d'air.Un autre avantage du substrat de germanium est qu'il constitue un semiconducteur élémentaire, comme le silicium, et qu'il est possible de le faire croître sous la forme d'un ruban, ce qui contribue à en diminuer le coût. En outre, le réseau du germanium est accordé avec les réseaux des couches 13 et 15 ou 31, 32 et 33 indiquées ci-dessus, à < 1 %, et il doit donc permettre au rendement de la cellule selon l'invention d'approcher davantage de la limite théorique. A preferred method for producing the cell with two or three layers according to the invention consists in starting from a monocrystalline substrate, for example a wafer of germanium. The substrate formed by the germanium wafer preferably does not contain a photosensitive junction, first of all because a substrate having a junction is much more expensive to produce, since the purity of the germanium wafer comprising a photosensitive junction functional is on the order of 1 ppm or less, while the wafer without a junction requires a purity check of only 1000 ppm or less, and then because a junction in the germanium wafer would react at the wavelength band of light most affected by fluctuations in humidity and air mass.Another advantage of the germanium substrate is that it constitutes an elementary semiconductor, like silicon, and that it is possible to grow it in the form of a ribbon, which contributes to reducing the cost thereof. In addition, the germanium network is tuned with the networks of layers 13 and 15 or 31, 32 and 33 indicated above, at <1%, and it must therefore allow the efficiency of the cell according to the invention to approach more than the theoretical limit.

Dans la forme préférée de la cellule décrite dans le présent mémoire, la couche de germanium constituant le substrat a une épaisseur comprise entre 200 et 300 micromètres, et de préférence égale à 250 micromètres. In the preferred form of the cell described in this specification, the germanium layer constituting the substrate has a thickness of between 200 and 300 micrometers, and preferably equal to 250 micrometers.

La limite inférieure de l'épaisseur est déterminée à la fois par les conditions de fonctionnement qui établissent les caractéristiques de conduction du substrat et par la résistance physique du substrat dans sa fonction de base de la cellule multicouche. La limite supérieure de la dimension du substrat dépend principalement de raisons économiques, car la fabrication de substrats plus épais est plus coûteuse et demande un plus grand volume de matériau coûteux.The lower limit of the thickness is determined both by the operating conditions which establish the conduction characteristics of the substrate and by the physical resistance of the substrate in its basic function of the multilayer cell. The upper limit of the size of the substrate depends mainly on economic reasons, since the production of thicker substrates is more expensive and requires a larger volume of expensive material.

Il est proposé une méthode de croissance qui permet des dépositions successives de couches d'alliage III-V sur de grandes surfaces de substrats. Ce type de déposition est connu et décrit dans le brevet des Etats
Unis d'Amérique NO 4 128 733. La figure 6 montre une chambre de croissance mettant en oeuvre une telle méthode appelée dépôten#iasevapeursous basse pression d'une matière chimique organique sur mutai (MO-CVD). Selon cite méthode, on introduit du gallium-trialkyle ou de l'indium-trialkyle ou un mélange de ces substances ainsi que de la phosphine ou de l'arsine ou un mélange de ces substances, dans une chambre à pyrolyse. Ces composés réagissent sur le substrat de germanium pour former les alliages demandés
InGaAs ou InGaP.Un exemple de la réaction est
(l-x) Ga(C2H5)3 + x In(C2H5)3 + AsH3
600 C Ga (1-x) InxAs + sous-produits dan#s laquelle x a une valeur supérieure à O et inférieure à 1.A growth method is proposed which allows successive depositions of layers of III-V alloy on large surfaces of substrates. This type of deposition is known and described in the patent of the States
United States of America NO 4,128,733. Figure 6 shows a growth chamber implementing such a method called low pressure vapor deposition of organic chemical on mutai (MO-CVD). According to this method, gallium-trialkyl or indium-trialkyl or a mixture of these substances, as well as phosphine or arsine or a mixture of these substances, are introduced into a pyrolysis chamber. These compounds react on the germanium substrate to form the required alloys
InGaAs or InGaP. An example of the reaction is
(lx) Ga (C2H5) 3 + x In (C2H5) 3 + AsH3
600 C Ga (1-x) InxAs + by-products in # s which x has a value greater than O and less than 1.

Le produit est un film semiconducteur déposé sur le substrat de germanium. The product is a semiconductor film deposited on the germanium substrate.

Le semiconducteur est dopé au type p par addition de vapeurs de zinc-dialkyle, de cadmium-dialkyle ou de béryllium -dialkyle et de triméthylamine, et au type n par l'addition de vapeurs d'hydrogène sulfuré, d'étain tétralkyle ou de tellurure d'un dialkyle. On fait croître les unes d la suite des autres toutes les couches d'alliage III-V ayant la composition prédéterminée, au moyen d'un régulateur de débit de gaz programmable. The semiconductor is doped with type p by addition of zinc-dialkyl, cadmium-dialkyl or beryllium-dialkyl and trimethylamine vapors, and with type n by addition of hydrogen sulfide, tetralkyl tin or telluride of a dialkyl. All the layers of III-V alloy having the predetermined composition are grown one after the other by means of a programmable gas flow regulator.

Dans la fabrication de la cellule de la figure 1, il est proposé d'empiler des cellules à homojonctions et réseaux accordés en plaçant des jonctions tunnel de court-circuit aux interfaces. A partir d'un substrat de germanium contenant un dope de type p+, la couche suivante de la cellule est formée par dépôt épitaxial d'une couche de type p+ d'arséniure de gallium et d'indium ayant de préférence une composition d'alliage Ga0,881n0,12As.  In the fabrication of the cell of FIG. 1, it is proposed to stack cells with homojunctions and tuned networks by placing short circuit tunnel junctions at the interfaces. From a germanium substrate containing a p + type dope, the next layer of the cell is formed by epitaxial deposition of a p + type layer of gallium and indium arsenide preferably having an alloy composition Ga0.881n0.12As.

Pendant le déroulement du dépôt de cette couche semiconductrice, la concentration du dope est réduite pour produire une couche de type p- et le dope est finalement changé pour produire une jonction p/n et une transition vers une couche de type n-. La poursuite de l'opération de déposition accroit l'épaisseur de la première couche et une partie de finition est déposée avec une concentration de dope telle que l'on obtient une couche n+ à la limite de la première couche. During the deposition of this semiconductor layer, the concentration of the dope is reduced to produce a p- type layer and the dope is finally changed to produce a p / n junction and a transition to an n- type layer. The continuation of the deposition operation increases the thickness of the first layer and a finishing part is deposited with a concentration of dope such that an n + layer is obtained at the edge of the first layer.

Une seconde couche semiconductrice est ensuite appliquée par dépôt épitaxial sur la surface extérieure de la première couche, initialement avec un dope et à une concentration de dope tels que l'on obtient une couche p+ à l'interface. La seconde couche semiconductrice est constituée de phosphure d'indium et de gallium ayant une composition d'alliage préférée In Ga P Pendant la déposition de cette couche semiconductrice, la concentration du dope est réduite pour produire une couche de type p- et, finalement, le dope est changé pour que l'on obtienne une jonction p/n et une transition vers une couche de type n-.La poursuite de la déposition accrolt l'épaisseur de la seconde couche avec une transition de la composition de dopage telle que l'on obtient une couche n+ à la limite de la seconde couche. A second semiconductor layer is then applied by epitaxial deposition on the outer surface of the first layer, initially with a dope and at a concentration of dope such that a p + layer is obtained at the interface. The second semiconductor layer consists of indium and gallium phosphide having a preferred alloy composition In Ga P During the deposition of this semiconductor layer, the concentration of the dope is reduced to produce a p-type layer and, finally, the dope is changed so that a p / n junction and a transition to an n- type layer are obtained. Continued deposition increases the thickness of the second layer with a transition of the doping composition such that l 'an n + layer is obtained at the boundary of the second layer.

Une couche conductrice extérieure est ensuite déposée sur la surface extérieure de la seconde couche pour achever la cellule photovoltalque à deux couches. An outer conductive layer is then deposited on the outer surface of the second layer to complete the two-layer photovoltaic cell.

La couche conductrice peut également être un revêtement antiréfléchissant. La couche conductrice est constituée de préférence d'une composition d'alliage d'oxyde d'indium et d'étain (In203/SnO2), désignée classiquement par l'abréviation ITO.The conductive layer can also be an anti-reflective coating. The conductive layer preferably consists of an alloy composition of indium tin oxide (In203 / SnO2), conventionally designated by the abbreviation ITO.

Pour achever la cellule photovoltaïque, deux conducteurs sont fixés chacun à une surface extérieure du substrat et aux couches ITO. To complete the photovoltaic cell, two conductors are each attached to an outer surface of the substrate and to the ITO layers.

Lors de la fabrication de la cellule de la figure 2, le substrat est produit comme décrit pour la cellule de la figure 1, puis la première couche de la composition Ga0,88In0112As à réseau accordé est appliquée par dépôt épitaxial, suivie de la deuxième couche de Ga01691n0,31As015P015, puis de la troisième couche de
In 015Ga0,5P et enfin de la couche conductrice extérieure avec revêtement antiréfléchissant. Dans cette cellule à trois couches, la composition de chacune des couches est dosée afin que l'on obtienne l'accord de réseaux souhaité tout en développant sensiblement le même courant photo-électrique sous tension nulle pour produire une cellule solaire photovoltaTque à jonctions multiples et haut rendement.Chaque couche contient une homojonction p/n photosensible et une hétérojonction tunnel de courtcircuit, ces jonctions étant formées avec les couches situées immédiatement au-dessus et au-dessous de ladite couche.During the fabrication of the cell of FIG. 2, the substrate is produced as described for the cell of FIG. 1, then the first layer of the composition Ga0,88In0112As with tuned network is applied by epitaxial deposition, followed by the second layer of Ga01691n0,31As015P015, then of the third layer of
In 015Ga0,5P and finally the outer conductive layer with anti-reflective coating. In this three-layer cell, the composition of each of the layers is dosed so that the desired network agreement is obtained while developing substantially the same photoelectric current under zero voltage to produce a photovoltaic solar cell with multiple junctions and Each layer contains a photosensitive p / n homojunction and a short-circuit tunnel heterojunction, these junctions being formed with the layers located immediately above and below said layer.

Il convient de noter que les jonctions formées dans la cellule photovoltaique sont des homojonctions et que les couches empilées ont leurs réseaux accordés. It should be noted that the junctions formed in the photovoltaic cell are homojunctions and that the stacked layers have their networks tuned.

En outre, des jonctions tunnel sont formées aux interfaces entre les cellules. Ce procédé de fabrication permet d'obtenir des jonctions tunnel plus efficaces. Etant donné que l'amplitude des courants de tunnel à travers une barrière dépend de la hauteur de la barrière ainsi que de la largeur de la barrière, la mise en place d'une jonction tunnel à une interface ou hétéroface donne une hauteur de barrière égale à celle de la matière ayant la bande interdite la plus basse et constituant l'interface.In addition, tunnel junctions are formed at the interfaces between the cells. This manufacturing process makes it possible to obtain more efficient tunnel junctions. Since the amplitude of tunnel currents through a barrier depends on the height of the barrier as well as the width of the barrier, the installation of a tunnel junction at an interface or heteroface gives an equal barrier height to that of the material having the lowest forbidden band and constituting the interface.

Dans la cellule voltaïque multicouche décrite ci-dessus, la première couche présente une bande interdite de 0,2 aJ et la seconde couche présente une bande interdite de 0,28 aJ. Dans la forme de réalisation à homojonction décrite dans le présent mémoire, la hauteur de la barrière tunnel est de 0,2 aJ. In the multilayer voltaic cell described above, the first layer has a band gap of 0.2 aJ and the second layer has a band gap of 0.28 aJ. In the homojunction embodiment described in this specification, the height of the tunnel barrier is 0.2 aJ.

Dans la forme préférée de réalisation décrite dans le présent mémoire, l'épaisseur de chacune des couches semiconductrices déposées est comprise entre 2 et 6 micromètres et elle est de préférence égale à environ 4 micromètres. La couche de jonction tunnel fortement dopée, située sur le côté à bande interdite basse de la cellule à homojonction, doit être assez mince pour ne pas absorber une quantité appréciable de lumière, c'est-à-dire doit avoir une épaisseur inférieure à 100 nm. Ce critère n'est pas difficile à satisfaire, car la longueur d'absorption est juste supérieure, mais proche de la bande interdite d'un semiconducteur, c'est h-dire la zone intéressante pour une cellule à jonctions multiples. Cette couche doit également avoir une épaisseur suffisante pour ne pas s'appauvrir complètement, c'est-àdire une épaisseur supérieure à 10 nm. In the preferred embodiment described in this specification, the thickness of each of the deposited semiconductor layers is between 2 and 6 micrometers and it is preferably equal to approximately 4 micrometers. The highly doped tunnel junction layer, located on the low band gap side of the homojunction cell, must be thin enough not to absorb an appreciable amount of light, i.e. must have a thickness of less than 100 nm. This criterion is not difficult to satisfy, because the absorption length is just greater, but close to the forbidden band of a semiconductor, ie the zone of interest for a multiple-junction cell. This layer must also have a thickness sufficient not to become completely depleted, that is to say a thickness greater than 10 nm.

La figure 6 représente une forme d'appareil permettant de déposer les couches de la cellule photovoltalque selon l'invention. L'appareil est représenté sous la forme schématique d'un système de dépôt pyrolytique en phase vapeur d'une matière chimique. Le système comprend une chambre 61 délimitée globalement par des lignes pointillées 60. Le vide est fait dans la chambre par une pompe 62. Une plaque 63 de support de substrat est montée à l'intérieur de la chambre, à proximité d'un élément chauffant 64. FIG. 6 represents a form of apparatus making it possible to deposit the layers of the photovoltaic cell according to the invention. The apparatus is represented in the schematic form of a pyrolytic vapor deposition system of a chemical material. The system comprises a chamber 61 generally delimited by dotted lines 60. The vacuum is created in the chamber by a pump 62. A substrate support plate 63 is mounted inside the chamber, near a heating element 64.

Ce dernier est alimenté par une source 65 d'énergie et par l'intermédiaire d'un dispositif 66 de commande. Un thermocouple 67 détecte la température régnant à l'intérieur de la chambre 61.The latter is supplied by a source 65 of energy and by means of a control device 66. A thermocouple 67 detects the temperature prevailing inside the chamber 61.

Des matières organiques métalliques sous forme gazeuse arrivent à la chambre 61 par un conduit 68 d'entrée. Un second conduit 69 d'entrée introduit dans la chambre 61 des hydrures sous forme gazeuse. Les divers gaz réagissent à la température et à la pression régnant dans la chambre pour déposer la composition d'alliage semiconducteur souhaité, avec le type de dope souhaité, afin de produire la croissance épitaxiale d'une cellule photovoltarque à réseaux accordés. Un procédé de dépôt en phase vapeur d'une matière chimique est décrit dans le brevet des
Etats-Unis d'Amérique NO 4 128 733 précité ainsi que dans l'ouvrage "Journal of Vacuum Science Technology", vol. 15, NO 1, janvier/février 1978, pages 119-122.Metallic organic materials in gaseous form reach the chamber 61 through an inlet pipe 68. A second inlet pipe 69 introduced into the chamber 61 hydrides in gaseous form. The various gases react at the temperature and pressure prevailing in the chamber to deposit the desired semiconductor alloy composition, with the type of dope desired, in order to produce the epitaxial growth of a photovoltaic cell with tuned networks. A process for vapor deposition of a chemical material is described in the patent for
United States of America NO 4 128 733 cited above as well as in "Journal of Vacuum Science Technology", vol. 15, NO 1, January / February 1978, pages 119-122.

Après que les couches successives de la cellule photovoltalque multicouche ont été déposées, une couche transparente de matière conductrice est déposée. Une forme préférée de matière pour la couche conductrice transparente est l'oxyde d'indium et d'étain, bien que d'autres matières en combinaison telles que de l'oxyde d'antimoine et d'étain peuvent être déposées pourvu que soient satisfaites les conditions de conductivité et de transparence de la couche à l'énergie lumineuse arrivant aux couches actives de la cellule. After the successive layers of the multilayer photovoltaic cell have been deposited, a transparent layer of conductive material is deposited. A preferred form of material for the transparent conductive layer is indium tin oxide, although other materials in combination such as antimony tin oxide can be deposited provided that they are satisfied the conditions of conductivity and transparency of the layer to the light energy arriving at the active layers of the cell.

La couche conductrice transparente de la cellule multicouche a une épaisseur comprise de préférence entre 0,2 et 2,0 micromètres, une épaisseur d'environ 1 micromètre étant très souhaitable. La limite inférieure de l'épaisseur de la couche conductrice extérieure est déterminée par ses caractéristiques de fonctionnement, tandis que la limite supérieure est basée sur les questions des coûts des matières et du dépôt. The transparent conductive layer of the multilayer cell has a thickness preferably between 0.2 and 2.0 micrometers, a thickness of about 1 micrometer being very desirable. The lower limit of the thickness of the outer conductive layer is determined by its operating characteristics, while the upper limit is based on the issues of material costs and deposition.

Dans une forme préférée, un revêtement superficiel extérieur transparent et antiréfléchissant 20 est appliqué sur la couche conductrice. Cette couche antiréfléchissante réduit les pertes dues à la réflexion de l'énergie lumineuse et elle accroît donc le rendement de la cellule. La matière utilisée pour ce revêtement est choisie parmi les composés tels que le monoxyde de silicium, l'oxyde de tantale ou l'oxyde de titane. In a preferred form, a transparent and anti-reflective outer surface coating 20 is applied to the conductive layer. This anti-reflective layer reduces losses due to the reflection of light energy and therefore increases the efficiency of the cell. The material used for this coating is chosen from compounds such as silicon monoxide, tantalum oxide or titanium oxide.

Le réseau de chaque couche de la cellule multicouche est accordé avec celui de la couche voisine, avec une variation constante maximale de réseau de + 1,0 %. The network of each layer of the multilayer cell is matched with that of the neighboring layer, with a maximum constant network variation of + 1.0%.

Cet accord ou adaptation est important, car une adaptation faible ou inexistante des réseaux entraîne une dégradation de la cristallinité du système de la cellule et conduit à la formation d'une structure ayant une forte densité de dislocations de cristaux et, dans le pire des cas, conduit même à la formation de limites de grains.This agreement or adaptation is important, since a weak or nonexistent adaptation of the networks leads to a degradation of the crystallinity of the cell system and leads to the formation of a structure having a high density of crystal dislocations and, in the worst case , even leads to the formation of grain boundaries.

Ces dislocations deviennent ensuite des sites pour une recombinaison des porteurs de charges engendrés par la lumière, ce qui réduit l'amplitude du courant produit.These dislocations then become sites for a recombination of the charge carriers generated by the light, which reduces the amplitude of the current produced.

Ces dislocations établissent également des circuits de dérivation du courant qui réduisent davantage les tensions à circuit ouvert.These dislocations also establish current bypass circuits which further reduce open circuit voltages.

L'adaptation ou accord des réseaux est obtenue par le choix approprié de la composition et des quantités relatives des matières entrant dans les différentes couches. Le procédé de croissance, avec un réglage spécial de la température, est également important pour la formation de couches monocristallines de haute qualité.  The adaptation or agreement of the networks is obtained by the appropriate choice of the composition and the relative quantities of the materials entering the different layers. The growth process, with a special temperature control, is also important for the formation of high quality monocrystalline layers.

Les couches de la cellule multicouche préférée déposées sur le substrat de germanium, ont toutes leurs réseaux accordés sur la constante de réseau du germanium de 0,566 nm, à + 1,0 %. The layers of the preferred multilayer cell deposited on the germanium substrate all have their networks tuned on the lattice constant of germanium of 0.566 nm, at + 1.0%.

Le graphique de la figure 3, qui donne le courant en fonction de la tension, illustre le comportement de plusieurs cellules photovoltaiques différentes. Les courbes indiquent à une extrémité la tension maximale produite pour un courant sensiblement nul et, à l'autre extrémité, le courant maximal sous une tension sensiblement nulle ou en "court-circuit". Le point de fonctionnement préféré d'une cellule unique telle que la cellule A est le point de puissance maximale ou le point de la courbe caractéristique où la droite 41 du courant et la droite 42 de la tension ont leurs valeurs maximales, comme c'est le cas au point 43. Dans la cellule multicouche décrite dans le présent mémoire, l'interconnexion en série exige que chacune des couches séparées produise sensiblement le même courant.Il résulte de cette contrainte que la conception optimale d'une cellule à jonctions multiples, ayant un rendement maximal, exige que les cellules de l'empilage produisent sensiblement les mêmes courants de court-circuit. La figure 3 illustre ce point à l'aide des courbes caractéristiques des cellules A, B et C. The graph in FIG. 3, which gives the current as a function of the voltage, illustrates the behavior of several different photovoltaic cells. The curves indicate at one end the maximum voltage produced for a substantially zero current and, at the other end, the maximum current under a substantially zero voltage or in "short circuit". The preferred operating point of a single cell such as cell A is the point of maximum power or the point of the characteristic curve where the line 41 of the current and the line 42 of the voltage have their maximum values, as is the case in point 43. In the multilayer cell described in this specification, the interconnection in series requires that each of the separate layers produce substantially the same current. It follows from this constraint that the optimal design of a cell with multiple junctions, having maximum efficiency, requires that the stack cells produce substantially the same short-circuit currents. Figure 3 illustrates this point using the characteristic curves of cells A, B and C.

Conformément à ce qui précède, une cellule multicouche, comprenant une cellule ayant la courbe caractéristique A et une cellule ayant la courbe caractéristique B, travaille en série, de façon additive, à un niveau de courant auquel les deux courbes se coupent en 44. De la même façon, des cellules ayant les courbes caractéristiques B et C sont le plus efficaces au niveau de courant auquel les courbes sont à la même valeur de courant, comme c'est le cas au point 45. Sur cette figure, la cellule à jonctions multiples, composée des cellules B et C, dépasse sensiblement une cellule composée des cellules A et B / voir "Solar Energy", vol. 22, page 383 (1979)/.  In accordance with the above, a multilayer cell, comprising a cell having the characteristic curve A and a cell having the characteristic curve B, works in series, additively, at a current level at which the two curves intersect at 44. From in the same way, cells with characteristic curves B and C are most efficient at the current level at which the curves are at the same current value, as is the case in point 45. In this figure, the junction cell multiple, composed of cells B and C, substantially exceeds a cell composed of cells A and B / see "Solar Energy", vol. 22, page 383 (1979) /.

La figure 4 montre les limites de l1accroisse- ment du nombre de cellules d'une cellule multicouche pour augmenter le rendement. Sur cette figure, le rendement est indiqué en ordonnées et le nombre de cellules en abscisses. Dans l'ouvrage "Thirteenth IEEE Photovoltaic
Specialists Conference - 1978", page 868 A. Bennett et
L. L. Olsen décrivent une méthode de calcul indiquant un rendement maximal d'environ 60 % pour 1000 soleils avec 6 jonctions actives dans la cellule multicouche.FIG. 4 shows the limits of the increase in the number of cells of a multilayer cell in order to increase the yield. In this figure, the yield is indicated on the ordinate and the number of cells on the abscissa. In the book "Thirteenth IEEE Photovoltaic
Specialists Conference - 1978 ", page 868 A. Bennett and
LL Olsen describe a calculation method indicating a maximum yield of around 60% per 1000 suns with 6 active junctions in the multilayer cell.

Avec la cellule multicouche selon l'invention, il est prévu qu'une structure multicouche, renfermant deux jonctions, l'une à 0,288 aJ dans InGaP et l'autre à 0,192 aJ dans GaInAs, possède un rendement théorique d'environ 40 % et, du fait que les couches de Ge,
GaInAs et InGaP ont leurs réseaux accordés à < 1 %, il est possible de prévoir un rendement approchant, en pratique, la limite théorique.With the multilayer cell according to the invention, it is expected that a multilayer structure, containing two junctions, one at 0.288 aJ in InGaP and the other at 0.192 aJ in GaInAs, has a theoretical yield of approximately 40% and , because the layers of Ge,
GaInAs and InGaP have their networks tuned to <1%, it is possible to predict a yield approaching, in practice, the theoretical limit.

La figure 5 est un graphique donnant l'éclairement énergétique spectral du soleil, en ordonnées, en fonction de la longueur d'onde et de l'énergie des photons, indiquées en abscisses, la bande spectrale solaire englobant les longueurs d'onde de la bande visible jusqu'à la bande infrarouge. Dans la cellule photovoltalque selon l'invention, il est préférable de faire fonctionner les cellules individuelles aux longueurs d'onde où le spectre de la lumière du soleil offre l'énergie maximale. Le spectre des longueurs d'onde du rayonnement solaire s'étend d'environ 0,3 à environ 2,5 micromètres, avec un maximum à environ 0,45 micromètre. L'énergie des photons de la lumière du soleil est comprise entre 0,64 et 0,104 aJ, avec une énergie maximale à 0,4 aJ. Le graphique de la figure 5 correspond à une masse d'air de 1 représentant l'éclairement énergétique spectral avec le soleil au zénith. FIG. 5 is a graph giving the spectral irradiance of the sun, on the ordinate, as a function of the wavelength and of the energy of the photons, indicated on the abscissa, the solar spectral band encompassing the wavelengths of the visible band up to the infrared band. In the photovoltaic cell according to the invention, it is preferable to operate the individual cells at wavelengths where the spectrum of sunlight provides maximum energy. The spectrum of wavelengths of solar radiation ranges from about 0.3 to about 2.5 microns, with a maximum at about 0.45 microns. The photon energy of sunlight is between 0.64 and 0.104 aJ, with a maximum energy of 0.4 aJ. The graph in FIG. 5 corresponds to an air mass of 1 representing the spectral energy illumination with the sun at its zenith.

Les éléments entrant dans les diverses couches des figures 1 et 2 se trouvent tous dans les colonnes
IIIA et VA du Tableau Périodique et sont d'une utilisation préférée selon l'invention. Cependant, d'autres matières semiconductrices peuvent être utilisées selon l'invention.The elements entering the various layers of Figures 1 and 2 are all found in the columns
IIIA and VA of the Periodic Table and are of a preferred use according to the invention. However, other semiconductor materials can be used according to the invention.

Par exemple, des composés formés d'éléments des colonnes
IIB et VIA tels que CdS et CdTe peuvent être utilisés des composés IB-IIIA-VIA tels que CuInS ou des variantes de ces composés, dans lesquelles, par exemple, Se est substitué à S ou Ga à In, peuvent également être utilisés des composés IIB--IVA-VA tels que ZnSnP peuvent également être utilisés. De plus, d'autres composés IIIA-VA peuvent être utilisés à la place des composés IIIA-VA préférés et décrits précédemment.For example, compounds made up of column elements
IIB and VIA such as CdS and CdTe can be used compounds IB-IIIA-VIA such as CuInS or variants of these compounds, in which, for example, Se is substituted for S or Ga for In, can also be used compounds IIB - IVA-VA such as ZnSnP can also be used. In addition, other IIIA-VA compounds can be used in place of the preferred IIIA-VA compounds described above.

Sur la figure 6, on indique en ArE des ailettes refroidies par eau, en BT des boucliers thermiques, en
AGR un analyseur de gaz résiduel, en T.M. une liaison avec un thermocouple et un manomètre et en JI une jauge à ionisation.In FIG. 6, water-cooled fins are shown in ArE, in thermal shields in BT, in
AGR a residual gas analyzer, in TM a connection with a thermocouple and a manometer and in JI an ionization gauge.

Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à la cellule décrite et représentée sans sortir du cadre de l'invention.  It goes without saying that numerous modifications can be made to the cell described and shown without departing from the scope of the invention.

Claims (10)

REVENDICATIONS 1. Cellule solaire photovoîtaique à jonctions multiples et haut rendement, destinée à être utilisée avec un élément (21) de concentration de la lumière et caractérisée en ce qu'elle comporte un substrat (11) constitué d'un seul élément monocristallin ne comportant pas de jonction intérieure sensible à l'énergie solaire, le réseau de ce substrat pouvant être accordé, à moins de + 1 %, sur celui d'une matière semiconductrice Ga0,881n0,12As qui est sensible à la bande spectrale solaire, la cellule comportant également une première couche homogène (31) de matière semiconductrice déposée sur le substrat, dont le réseau est accordé sur celui de ce dernier et ayant sensiblement la composition Ga0,881n0,12As avec une bande interdite de 0,2 aJ, cette couche absorbant l'énergie du spectre solaire à une première longueur d'onde, une deuxième couche homogène (32 > de matière semiconductrice déposée sur la première couche, dont le réseau est accordé sur celui de cette première couche homogène et ayant sensiblement la composition Ga0,691n0,31As0,5P0,5 avec une bande interdite de 0,24 aJ, cette deuxième couche absorbant l'énergie du spectre solaire à une deuxième longueur d'onde, une troisième couche homogène (33) de matière semiconductrice déposée sur la deuxième couche, dont le réseau est accordé sur celui de cette deuxième couche et ayant sensiblement la composition 1n0,5Ga0,5P, avec une bande interdite de 0,296 aJ, cette troisième couche absorbant l'énergie du spectre solaire à une troisième longueur d'onde, les première, deuxième et troisième couches ayant chacune la même constante de réseau que le substrat monocristallin, à moins de + 1 %, les première, deuxième et troisième couches contenant chacune une homojonction p/n sensible à l'énergie solaire et chaque couche réalisant une hétérojonction de court-circuit à effet tunnel avec la couche située immédiatement au-dessus d'elle et avec la couche située au-dessous d'elle, les première, deuxième et troisième couches produisant sensiblement le même courant, sous tension nulle, engendré par l'énergie solaire, que les autres couches. 1. Photovoltaic solar cell with multiple junctions and high efficiency, intended to be used with an element (21) for concentrating light and characterized in that it comprises a substrate (11) consisting of a single monocrystalline element not comprising inner junction sensitive to solar energy, the network of this substrate can be tuned, at less than + 1%, on that of a semiconductor material Ga0,881n0,12As which is sensitive to the solar spectral band, the cell comprising also a first homogeneous layer (31) of semiconductor material deposited on the substrate, the network of which is tuned on that of the latter and having substantially the composition Ga0,881n0,12As with a forbidden band of 0.2 aJ, this layer absorbing the energy of the solar spectrum at a first wavelength, a second homogeneous layer (32> of semiconductor material deposited on the first layer, the network of which is tuned on that of this first homogeneous layer and ay ant substantially the composition Ga0.691n0.31As0.5P0.5 with a forbidden band of 0.24 aJ, this second layer absorbing the energy of the solar spectrum at a second wavelength, a third homogeneous layer (33) of material semiconductor deposited on the second layer, the network of which is tuned on that of this second layer and having substantially the composition 1n0.5Ga0.5P, with a band gap of 0.296 aJ, this third layer absorbing the energy of the solar spectrum at a third wavelength, the first, second and third layers each having the same lattice constant as the monocrystalline substrate, at less than + 1%, the first, second and third layers each containing an energy sensitive p / n homojunction solar and each layer performing a tunnel circuit short circuit heterojunction with the layer located immediately above it and with the layer located below it, the first, second and third layers producing substantially the same current, at zero voltage, generated by solar energy, as the other layers. 2. Cellule solaire photovoltaique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche du substrat est en germanium. 2. Photovoltaic solar cell according to claim 1, characterized in that the layer of the substrate is made of germanium. 3. Cellule solaire photovoltaïque selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre une couche superficielle extérieure (16) en oxyde d'indium et d'étain, déposée sur la dernière couche semiconductrice déposée. 3. Photovoltaic solar cell according to claim 1, characterized in that it further comprises an outer surface layer (16) of indium tin oxide, deposited on the last semiconductor layer deposited. 4. Cellule solaire photovoltaïque selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche de substrat a une épaisseur comprise entre 200 et 300 micromètres. 4. Photovoltaic solar cell according to claim 1, characterized in that the substrate layer has a thickness between 200 and 300 micrometers. 5. Cellule solaire photovoltalque selon la revendication 1, caractérisée en ce que la couche du substrat a une épaisseur d'environ 250 micromètres. 5. Photovoltaic solar cell according to claim 1, characterized in that the layer of the substrate has a thickness of about 250 micrometers. 6. Cellule solaire photovoltafque selon la revendication 1, caractérisée en ce que chacune des couches semiconductrices déposées a une épaisseur comprise entre 2 et 6 micromètres. 6. Photovoltaic solar cell according to claim 1, characterized in that each of the semiconductor layers deposited has a thickness of between 2 and 6 micrometers. 7. Cellule solaire photovoltaïque selon la revendication 1, caractérisée en ce que chacune des couches semiconductrices déposées a une épaisseur d'environ 4 micromètres. 7. Solar photovoltaic cell according to claim 1, characterized in that each of the semiconductor layers deposited has a thickness of about 4 micrometers. 8. Cellule solaire photovoltalque selon la revendication 3, caractérisée en ce que la couche superficielle extérieure a une épaisseur comprise entre 0,2 et 2,0 micromètres. 8. Photovoltaic solar cell according to claim 3, characterized in that the outer surface layer has a thickness of between 0.2 and 2.0 micrometers. 9. Cellule solaire photovoltarque selon la revendication 3, caractérisée en ce que la couche superfidielle extérieure a une épaisseur d'environ 1 micromètre. 9. photovoltaic solar cell according to claim 3, characterized in that the outer surface layer has a thickness of about 1 micrometer. 10. Cellule solaire photovoltalque selon la revendication 1, caractérisée en ce que la variation maximale constante de réseau entre couches, à partir de 0,566 nm, est de + 1,0 %.  10. Photovoltaic solar cell according to claim 1, characterized in that the maximum constant variation of network between layers, from 0.566 nm, is + 1.0%.
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