FR2524207A1 - Solar cell with junction having front layer - with graduated doping and thickness greater than 15 microns - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention a pour objet une pile solaire à jonction présentant une couche avant à dopage graduel. Elle trouve une application dans la conversion de l'énergie solaire en énergie électrique. The present invention relates to a junction solar cell having a front layer with gradual doping. It finds an application in the conversion of solar energy into electrical energy.
Les piles solaires à semiconducteur ut sent le plus couramment du silicium. Par dopage, on réalise dans le semiconducteur une jonction, laquelle doit être suffisamment proche de la surface pour. collecter l'essentiel des porteurs créés par le rayonnement solaire. Semiconductor solar cells most commonly use silicon. By doping, a junction is made in the semiconductor, which must be close enough to the surface for. collect most of the carriers created by solar radiation.
De telles piles présentent, dans le meilleur des cas, des rendements de conversion qui avoisinent 12% pour un spectre solaire hors atmosphère (spectre dit AMO). Pour accroître cette valeur, il faut employer d'autres semiconducteurs comme l'arséniure de gallium (As). In the best of cases, such cells have conversion efficiencies of around 12% for a solar spectrum outside the atmosphere (spectrum known as AMO). To increase this value, other semiconductors such as gallium arsenide (As) must be used.
Pourtant, la réalisation de structures pho tovoîtaigues avec ce matériau présente des difficultés. However, the realization of pho tovoîtaigues structures with this material presents difficulties.
En effet, pour un spectre solaire au sol (dit AM1) la moitié des porteurs sont engendrés dans une région dont la profondeur n'excède pas 0,2 um et, comme dans l'ar sénjure de gallium la vitesse de recombinaison des porteurs en surface est élevée, la plupart des porteurs engendrés se recombinent avant d'atteindre la jonction.Indeed, for a solar spectrum on the ground (known as AM1) half of the carriers are generated in a region whose depth does not exceed 0.2 µm and, as in the gallium arsenide the speed of recombination of the carriers in surface is high, most of the carriers generated recombine before reaching the junction.
I1 est donc impossible d'obtenir des rendements de conversion élevés. It is therefore impossible to obtain high conversion yields.
Une solution pour remédier à ces difficultés a consisté à réaliser des hétérostructures, c'estcà- dire des structures comprenant des matériaux différents ; pour cela on a conçu des piles munies d'une fine fenetre en alliage ternaire (Gal xAlxAs) dans laquelle la vitesse de recombinaison est plus faible. One solution to remedy these difficulties has consisted in making heterostructures, that is to say structures comprising different materials; for this we designed batteries with a thin window in ternary alloy (Gal xAlxAs) in which the recombination speed is lower.
On. atteint alors des rendements de conversion supérieurs à 20%. Cette technique est décrite notamment par
DUPUIS et al dans la revue "Applied Physics Lettes 31,201 (1977).We. then reaches conversion yields greater than 20%. This technique is described in particular by
DUPUIS et al in the journal "Applied Physics Lettes 31,201 (1977).
Cependant, la manipulation d'un matériau comme l'aluminium est très délicate et la difficulté du procédé de fabrication de la pile s'en trouve accrue. However, handling a material such as aluminum is very delicate and the difficulty of the battery manufacturing process is increased.
On peut préférer une autre solution qui consiste à revenir à l'nomojonction mais en utilisant une face avant amincie. Les porteurs sont alors créés en majorité au voisinage immédiat de la jonction et si cette dernière est très proche de la surface (à une centaine de mailles cristallines, soit environ 0,05 lux), le rendement de conversion de la pile est élevé. C1 est cette solution qui est décrite dans le brevet américain 4.227.941 du 14 Octobre 1980 intitulé "Shallow-homojonction solar cells". We can prefer another solution which consists in returning to the homojunction but by using a thinned front face. The carriers are then created in majority in the immediate vicinity of the junction and if the latter is very close to the surface (at a hundred crystal meshes, or approximately 0.05 lux), the conversion efficiency of the cell is high. C1 is this solution which is described in American patent 4,227,941 of October 14, 1980 entitled "Shallow-homojunction solar cells".
La présente invention a pour objet une pile solaire de ce dernier type. Pour cette raison, il convient d'en analyser en détail la structure et les caractéristiques. The present invention relates to a solar cell of the latter type. For this reason, its structure and characteristics should be analyzed in detail.
Une pile solaire conforme à cet art antérieur est représentée sur la figure 1. Elle comprend tout d'abord un substrat 10 formé par une couche de GaAs dopée p+. Cette couche est obtenue par dopage avec une impureté de type p comme le zinc avec une cOncentration de porteurs d'au moins 1018/cm3. L'épaisseur de ce substrat n'est pas critique et peut être située entre 1 et 500 Wfl. La pile comprend ensuite une couche 12, en
GaAs dopé p, avec une concentration de porteurs comprise entre 1014 et 1018/cm3. L'épaisseur de la couche 12 est comprise en général entre 1 et 5 Dm. Enfin, une couche 14, en GaRs dopé n+, recouvre l'ensemble. Ce type de dopage peut être obtenu par des impuretés de type n comme le soufre. La concentration de porteurs est d'au moins 1017/cm3.A solar cell according to this prior art is shown in FIG. 1. It firstly comprises a substrate 10 formed by a layer of GaAs doped with p +. This layer is obtained by doping with a p-type impurity such as zinc with a carrier concentra- tion of at least 1018 / cm3. The thickness of this substrate is not critical and can be between 1 and 500 Wfl. The stack then comprises a layer 12, in
GaAs doped p, with a concentration of carriers between 1014 and 1018 / cm3. The thickness of the layer 12 is generally between 1 and 5 Dm. Finally, a layer 14, made of n + doped GaRs, covers the assembly. This type of doping can be obtained by n-type impurities such as sulfur. The concentration of carriers is at least 1017 / cm3.
L'épaisseur de la couche avant 14 est très critique car c'est elle qui conditionne le rendement de conversion de la pile comme en témoigne la courbe de la figure 2, qui représente la variation du rendement quantique, représenté en ordonnée, en fonction de l'épaisseur de-la couche avant, exprimée en microns et portée en abscisses. La couche avant doit avoir une épaisseur d'environ 0,04 à 0,05 ~m si l'on veut obtenir un rendement acceptable. Au-delà de 0,15 um, le rendement tombe à des valeurs qui ne sont guère supérieures à celles des piles classiques. The thickness of the front layer 14 is very critical because it is this which conditions the conversion efficiency of the cell, as shown by the curve in FIG. 2, which represents the variation of the quantum efficiency, represented on the ordinate, as a function of the thickness of the front layer, expressed in microns and plotted on the abscissa. The front layer must have a thickness of approximately 0.04 to 0.05 ~ m if an acceptable yield is to be obtained. Above 0.15 μm, the yield drops to values which are hardly higher than those of conventional batteries.
La couche avant est donc extrêmement mince ce qui donne d'ailleurs à la pile son nom de dispositif "à couche avant amincie". The front layer is therefore extremely thin, which moreover gives the battery its name of device "with a thinned front layer".
En revenant à la figure 1, la pile représentée comprend enfin une couche antireflet 16, qui recouvre l'ensemble. Cette couche est obtenue par exemple par anodisation. Returning to FIG. 1, the stack shown finally comprises an anti-reflective layer 16, which covers the assembly. This layer is obtained for example by anodization.
Le dispositif de l'art antérieur qui vient d'être décrit présente un double inconvénient l'épaisseur de la couche avant est critique, ce qui rend le procédé de fabrication de la pile délicat et enraie des dispersions importantes dans les performances d'une pile à une autre. En outre, du fait même de la minceur de la couche avant, la prise de contact électrique est difficile. The device of the prior art which has just been described has a double drawback the thickness of the front layer is critical, which makes the method of manufacturing the cell delicate and prevents significant dispersions in the performance of a cell. to another. In addition, due to the thinness of the front layer, making electrical contact is difficult.
La présente invention a justement pour but de remédier à ces inconvénients. A cette fin, elle propose une pile solaire dans laquelle la couche avant peut présenter une épaisseur beaucoup plus élevée que dans l'art antérieur (par exemple 0,25 m au lieu de 0,15), avec un rendement équivalent. Ce résultat est obtenu en donnant à la couche avant un dopage-graduel qui fait naître un champ électrique à l'intérieur de celle-ci, lequel champ draine les porteurs engendrés à la surface de la couche avant vers la jonction et améliore donc le rendement. The object of the present invention is precisely to remedy these drawbacks. To this end, it offers a solar cell in which the front layer may have a much greater thickness than in the prior art (for example 0.25 m instead of 0.15), with an equivalent yield. This result is obtained by giving the front layer a gradual doping which gives rise to an electric field inside the latter, which field drains the carriers generated on the surface of the front layer towards the junction and therefore improves the efficiency. .
De -façon plus précise, la présente invention a pour objet une pile solaire comprenant trois couches d'un même matériau semiconducteur, à savoir successivement, une première couche dopée par des impuretés d'un premier type (p ou n) avec une première concentration (p+ ou n+), une deuxième couche dopée par des impuretés dudit premier type (p ou n) mais avec une seconde concentration < p ou n) inférieure à la première, une troisième couche ou couche avant, dopée par des impuretés d'un second type (n ou p) avec une troisième concentration, la deuxième et la troisième couches formant ainsi une homojonction ; cette pile étant caractérisée en ce que ladite concentration de la troisième couche est graduelle et va croissant de la jonction à la surface de la troisième couche. More specifically, the present invention relates to a solar cell comprising three layers of the same semiconductor material, namely successively, a first layer doped with impurities of a first type (p or n) with a first concentration. (p + or n +), a second layer doped with impurities of said first type (p or n) but with a second concentration <p or n) lower than the first, a third layer or front layer, doped with impurities of a second type (n or p) with a third concentration, the second and third layers thus forming a homojunction; this stack being characterized in that said concentration of the third layer is gradual and increases from the junction to the surface of the third layer.
Selon une prem#ière variante, la variation de concentration de la couche avant présente une allure exponentielle. According to a first variant, the variation in concentration of the front layer has an exponential appearance.
Selon une autre variante, la concentration de la couche avant varie par paliers. According to another variant, the concentration of the front layer varies in stages.
Dans ces deux variantes, c'est la surface de la couche avant qui présente le dopage le plus élevé, ce qui est de nature à faciliter le contact électrique. In these two variants, it is the surface of the front layer which has the highest doping, which is likely to facilitate electrical contact.
On observera que la pile de l'art antérieur cont-ient déjà un champ électrique dû à un gradient de concentration. Mais cet effet est obtenu à l'arrière de l'homojonction entre les couches 10 (p+) et 12 (p) et non à l'avant. La pile de l'invention est donc à double champ électrique, puisqu'elle associe au champ arrière un champ avant, ces deux champs ayant pour but d'accroître la collection des porteurs au niveau de la jonction. It will be observed that the battery of the prior art already contains an electric field due to a concentration gradient. But this effect is obtained at the rear of the homojunction between layers 10 (p +) and 12 (p) and not at the front. The battery of the invention is therefore with a double electric field, since it combines a front field with the rear field, these two fields having the aim of increasing the collection of carriers at the junction.
De toute façon, les caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux après la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explica tif et nullement limitatif. Cette description se réfère à des dessins annexés qui font suite aux dessins déjà décrits et sur lesquels - la figure 3 représente une pile solaire conforme à
l'invention selon deux variantes (p+pn ou n+np)., - la figure 4 représente une caractéristique# électrique
d'une pile selon l'invention, - la figure 5 représente les variations du rendement en
fonction de la longueur d'onde du rayonnement.In any case, the characteristics of the invention will appear better after the description which follows, of exemplary embodiments given by way of explanation and in no way limiting. This description refers to the accompanying drawings which follow the drawings already described and in which - FIG. 3 represents a solar cell conforming to
the invention according to two variants (p + pn or n + np)., - Figure 4 represents a characteristic # electrical
of a battery according to the invention, - Figure 5 represents the variations of the yield in
function of the wavelength of the radiation.
La pile représentée sur la figure 3 comprend deux variantes complémentaires : p+p n sur la partie + + gauche et n n p sur la partie droite. De façon précise elle comprend un substrat 28 formé par une couche de
GaAs dopé p+ (ou n+) avec une concentration au moins égale à 10 18/cl3 et d'une épaisseur comprise entre 1 et 500 une une couche 20, dite couche tampon, en GaAs dopé (ou n+) avec une concentration au moins égale à 1018/cl3 et d'une épaisseur comprise entre 0,5 et 5 Bm, une couche 22 de type p (ou n) avec une concentration comprise entre 1014 et 1018/cm3 et d'épaisseur comprise entre 0,5 et 4 Bm et une couche avant 24, de type p+ (ou n+) à dopage graduel (exponentiel ou par paliers).La concentration en porteurs libres part de 10I4/cm3 à l'interface avec la couche 22 et s'élève jusqu'à des valeurs supérieures à 10 18/cm3. Cette gradation est obtenue pendant l'épitaxie.The stack represented in FIG. 3 comprises two complementary variants: p + pn on the left + + part and nnp on the right part. Specifically it comprises a substrate 28 formed by a layer of
GaAs doped p + (or n +) with a concentration at least equal to 10 18 / cl3 and with a thickness between 1 and 500 a layer 20, called buffer layer, in GaAs doped (or n +) with a concentration at least equal at 1018 / cl3 and with a thickness between 0.5 and 5 Bm, a p-type layer (or n) 22 with a concentration between 1014 and 1018 / cm3 and with a thickness between 0.5 and 4 Bm and a front layer 24, of p + (or n +) type with gradual doping (exponential or in stages). The concentration of free carriers starts from 10I4 / cm3 at the interface with layer 22 and rises to values greater than 10 18 / cm3. This gradation is obtained during the epitaxy.
L'épaisseur de la couche 24 peut être supérieure à 0,15 um et même supérieure à 0,25 A. The thickness of the layer 24 can be greater than 0.15 μm and even greater than 0.25 A.
La couche 26 est un dépôt antiréfléchissant qui accroît l'absorption des radiations du spectre so laire. Cette couche peut être réalisée par évaporation au canon à électrons de dioxyde de titane ou par anodisation pour obtenir un oxyde de gallium. Layer 26 is an anti-reflective deposit which increases the absorption of radiation from the solar spectrum. This layer can be produced by electron gun evaporation of titanium dioxide or by anodization to obtain a gallium oxide.
Un exemple de réalisation va maintenant être décrit. Les couches sont déposées par une technique d'épitaxie en phase vapeur. L-'arséniure de gallium est obtenu par pyrolyse d'un composé organométallique
Ga(CH3)3 et d'un hydrure (AsE). Le #éacteur est un tube horizontal de diamètre 10 cm. Le gaz vecteur, l'hydrogène, entraîne les composés vers le réacteur avec une vitesse qui peut s'étager entre 5 et 20 1/mn.An exemplary embodiment will now be described. The layers are deposited by a vapor phase epitaxy technique. Gallium arsenide is obtained by pyrolysis of an organometallic compound
Ga (CH3) 3 and a hydride (AsE). The #actor is a horizontal tube with a diameter of 10 cm. The carrier gas, hydrogen, drives the compounds to the reactor with a speed which can range between 5 and 20 l / min.
Les dopants sont introduits dans la phase vapeur en utilisant (C2H5)2Zn pour le dopant p et GeH4 ou H2Se-ou (CH3)4Sn pour le dopant n. Le suscepteur sur lequel l'échantillon d'AsGa est posé est légèrement incliné (de l'ordre de 100) psur améliorer l'uniformité de la croissance. La température de décomposition est comprise entre 600 et 7000C. Le chauffage est obtenu par induction haute fréquence.The dopants are introduced into the vapor phase using (C2H5) 2Zn for the p dopant and GeH4 or H2Se-or (CH3) 4Sn for the n dopant. The susceptor on which the AsGa sample is placed is slightly inclined (of the order of 100) to improve the uniformity of growth. The decomposition temperature is between 600 and 7000C. Heating is obtained by high frequency induction.
20
A titre d'exemple, une couchep 20 d'épaisseur 3,2 m est d'abord déposée sur un substrat d'As Ga -28adJ*E (100) légèrement désorienté de 20 vers l'axe 110, avec une concentration en porteurs libres de 1018/cm3. Cette couche20 améliore la qualité cristalline de la couche suivante 22. Elle permet également de créer- le champ électrique arrière. Une couche 22 dopée p à 3.1017/cm3 est ensuite déposée avec une épaisseur de 3,2 '#im et sert de couche active. Enfin, la couche 24 de type n+, de concentration en porteurs libres gra duellement croissante jusqu'à la surface, sert à créer la jonction et à provoquer un champ électrique avant gâce à la variation de dopage.Elle est dopée au germanium par l'utilisation de GeH4 et le dopage s'étage entre 5 1016/cm3 au niveau de la jonction et 10 18/cm3 en surface. L'épaisseur de cette couche est d'environ 0,25 une Une grille de contact est réalisée par photolithographie. Elle comprend 14 doigts de largeur 35 m et de longueur 2,5 mm espacés de 390 um,-en métallisa tion Au Ge/Au. Un contact arrière sur toute la surface du substrat est obtenu par une métallisation AuBe/Au.20
For example, a 3.2 m thick layerp 20 is first deposited on an As Ga substrate -28adJ * E (100) slightly disoriented by 20 towards the axis 110, with a concentration of carriers free of 1018 / cm3. This layer 20 improves the crystalline quality of the next layer 22. It also makes it possible to create the rear electric field. A p-doped layer 22 at 3.1017 / cm3 is then deposited with a thickness of 3.2 '#im and serves as an active layer. Finally, the n + type layer 24, with a concentration of free carriers which increases gradually to the surface, serves to create the junction and to cause an electric field before due to the doping variation. It is doped with germanium by the use of GeH4 and doping ranges between 5 1016 / cm3 at the junction and 10 18 / cm3 at the surface. The thickness of this layer is approximately 0.25. A contact grid is produced by photolithography. It includes 14 fingers 35 m wide and 2.5 mm long spaced 390 µm, - in Au Ge / Au metallization. A rear contact over the entire surface of the substrate is obtained by AuBe / Au metallization.
Une couche antireflet 26 est déposée par oxydation anodique de As Ga jusqu'à une épaisseur de 0,085 m.An anti-reflective layer 26 is deposited by anodic oxidation of As Ga up to a thickness of 0.085 m.
Toutes ces opérations sont réalisées avec un équipement standard, communément utilisé pour les travaux sur le silicium. All these operations are carried out with standard equipment, commonly used for work on silicon.
Pour
Pour obtenir une concentration n variant par paliers, avec des paliers d'épaisseur 0,04 Fun, on peut faire varier la concentration molaire de GeR4 par sauts selon le tableau suivant
Fraction molaire dopage (/cm3)
5.10-9 4.1016
î##8 2.1017 2,3.l0#8 4.1017
5.10-8 6.1017
7.1017 2,3.10 7 9.1017
5.10-7 1ol8
Ces valeurs correspondent aux conditions opératoires suivantes : la température de croissance est de 6600C, le débit d'hydrogène est de 10 1/mn, la pression dans le réacteur est de 76 torr, les fractions molaires sont respectivement de l,2.10#2 pour AsH3, pour 3.10-4 pourGa(CH3)3 pour le substrat, 10 6 pour la couche active 22 et 10 7 pour la couche tampon 20. For
To obtain a concentration n varying in steps, with steps of thickness 0.04 Fun, the molar concentration of GeR4 can be varied by jumps according to the following table
Doping molar fraction (/ cm3)
5.10-9 4.1016
î ## 8 2.1017 2,3.l0 # 8 4.1017
5.10-8 6.1017
7.1017 2.3.10 7 9.1017
5.10-7 1ol8
These values correspond to the following operating conditions: the growth temperature is 6600C, the hydrogen flow rate is 10 1 / min, the pressure in the reactor is 76 torr, the molar fractions are respectively 2.10 # 2 for AsH3, for 3.10-4 for Ga (CH3) 3 for the substrate, 10 6 for the active layer 22 and 10 7 for the buffer layer 20.
Le rendement de conversion de la pile ainsi obtenue a été mesuré sous un simulateur solaire avec une lampe au xénon filtrée. La puis#sance lumineuse incidente est ajustée à 100 mW/cm2. On utilise pour cela l'étalonnage du courant de court-circuit d'une pile
As Ga effectué sous le spectre solaire au sol et à l'aide d'un pyrhéliomètre. Les mesures sont effectuées à 200C, sous un spectre solaire proche de AM1, en prenant uniquement en compte la surface active de la pile. The conversion efficiency of the battery thus obtained was measured in a solar simulator with a filtered xenon lamp. The incident light power is adjusted to 100 mW / cm2. This is done by calibrating the short-circuit current of a battery
As Ga performed under the solar spectrum on the ground and using a pyrheliometer. The measurements are made at 200C, under a solar spectrum close to AM1, taking into account only the active surface of the battery.
On obtient dans ces conditions, une tension de circuit ouvert de 0,901 V, une densité de courant de courtcircuit de 24,94 mA/cm2, un facteur de forme de 0,74, ce qui donne un rendement de conversion de 16,7% (voir figure 4). Under these conditions, an open circuit voltage of 0.901 V, a short-circuit current density of 24.94 mA / cm2, a form factor of 0.74 is obtained, which gives a conversion efficiency of 16.7%. (see figure 4).
La réponse spectrale de la pile est donnée figure 5. Le rendement quantique atteint 80%. Sur cette même figure est indiquée en tirets la réponse spectrale d'une pile sans champ électrique dans la couche avant (donc conforme à l'art antérieur), cette couche ayant une épaisseur de 0,07 um. On voit que, pour qu'elle atteigne des caractéristiques analogues, elle doit avoir une couche avant beaucoup plus mince(0,07 um au lieu de 0,25 lux). The spectral response of the stack is given in FIG. 5. The quantum yield reaches 80%. In this same figure is indicated in dashes the spectral response of a battery without an electric field in the front layer (therefore in accordance with the prior art), this layer having a thickness of 0.07 μm. We see that, for it to achieve similar characteristics, it must have a much thinner front layer (0.07 µm instead of 0.25 lux).
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8205182A FR2524207B1 (en) | 1982-03-26 | 1982-03-26 | JUNCTION SOLAR CELL HAVING GRADUAL DOPING FRONT LAYER |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR8205182A FR2524207B1 (en) | 1982-03-26 | 1982-03-26 | JUNCTION SOLAR CELL HAVING GRADUAL DOPING FRONT LAYER |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR2524207A1 true FR2524207A1 (en) | 1983-09-30 |
| FR2524207B1 FR2524207B1 (en) | 1985-06-28 |
Family
ID=9272431
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR8205182A Expired FR2524207B1 (en) | 1982-03-26 | 1982-03-26 | JUNCTION SOLAR CELL HAVING GRADUAL DOPING FRONT LAYER |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2524207B1 (en) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR1434391A (en) * | 1963-04-01 | 1966-04-08 | Electronique & Physique | High efficiency photovoltaic cells manufacturing process |
| US4227941A (en) * | 1979-03-21 | 1980-10-14 | Massachusetts Institute Of Technology | Shallow-homojunction solar cells |
-
1982
- 1982-03-26 FR FR8205182A patent/FR2524207B1/en not_active Expired
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR1434391A (en) * | 1963-04-01 | 1966-04-08 | Electronique & Physique | High efficiency photovoltaic cells manufacturing process |
| US4227941A (en) * | 1979-03-21 | 1980-10-14 | Massachusetts Institute Of Technology | Shallow-homojunction solar cells |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| EXBK/70 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR2524207B1 (en) | 1985-06-28 |
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