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La présente invention est relative à un appareil pour convertir l'énergie solaire en énergie électrique, et, plus particulièrement, à un appareil qui utilise l'énergie solaire pour charger une batterie d'accumu- lateurs.
Un objet de l'invention est de domestiquer l'énergie solaire pour engendrer de l'énergie électrique de manière économique et efficace, En uti- lisant l'énergie solaire, lorsqu'on peut en disposer, pour charger une bat- terie d'accumulateurs, on peut assurer une fourniture continue d'énergie électrique.
L'idée de convertir des radiations solaires en énergie électrique préoccupe l'esprit humaint depuis des années. La lumière solaire est la forme d'énergie la plus courante, la plus accessible et la plus économique à la surface de la terre. Bien qu'on ait déjà proposé un certain nombre d'ex- pédients pour domestiquer l'énergie solaire, aucun de ces expédients ne r s'est révélé suffisamment efficace pour être pratique. En prticulier il n'a pas été possible jusqu'à présent d'obtenir, de manière convenable, des rendements globaux appréciablement supérieurs à 1%.
Une des difficultés de base pour bbtenir des rendements élevés dans les techniques proposées jusqu'à présent a résidé dansle fait que ces techniques impliquaient, en général, l'utilisation d'énergie solaire comme aliment pour chauffer un agent approprié, après quoi on utilisait les diffé- rences de température se présentant dans l'agent en question pour engendrer de l'énergie électrique. Ces éxpédients sont intrinsèquement inefficaces à cause des grandes pertes par conduction thermique résultant du cycle de chauffage.
La présente invention vise à utiliser comme convertisseur d'éner- gie solaire une jonction p-n spécialement conçue et à haute efficacité dans un corps semi-conducteur.
La conduction s'opère dans les semi-conducteurs électroniques à l'aide des deux types de porteurs de charge, à savoir des électrons et des trous. Ces porteurs de charge peuvent être fournis dans le semi-conducteur de diverses manières, notamment par la présence de certains éléments dans la structure cristalline, qui possèdent un excès ou un déficit d'électrons de valence, en sorte qu'ils constituent une source d'électrons ou de trous non liés qui peuvent être déplacés par l'application d'énergie extérieure à faible niveau au cristal. De manière générique, les semi-conducteurs, dans desquels la conduction se fait essentiellement par des électrons sont dits du type n, tandis que ceux, dans lesquels la conduction se fait par trous, sont dits du type p.
La région de transition de la conductivité en- tre les zones de types de conductivité opposés dans un corps semi-conduc- teur est connue comme étant une jonction p-n.
On sait jusqu'à présent qu'une lumière de longueur d'onde appro- priée tombant sur une jonction p-n sert de source d'énergie extérieure pour engendrer des paires électrons-trous. A cause de la différence de poten- tiel qui existe à une jonction p-n, les trous et électrons traversent cette jonction en sens opposés, en donnant lieu à un flux de courant capble de fournir de l'énergie à un circuit extérieur. Toutefois, jusqu'à présent des dispositifs photovoltaiques, de ce genre n'ont pas été utilisés comme sour- ces d'énergie, car sous leur forme usuelle ils sont incapables de fournir efficacement une quantité appréciable d'énergie.
En particulier on n'a pas imaginé jusqu'à présent que ces dispositifs puissent être agencés de manié- re à fournir suffisamment d'énergie pour charger une batterie d'accumula- teurs capable d'effectuer un travail utile.
Toutefois, ces dispositifs conviennent particulièrement bien à
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cette fin, car une batterie sert de charge, dont la résistance varie avec le courant de chargement d'une manière qui correspond aux variations de résistance d'une jonction p-n sous l'influence d'un rayonnement incident, en sorte que le dispositif opère dans une charge bien équilibrée sur une large gamme de valeurs de la lumière incidente.
Il existe plusieurs facteurs qui militent en défaveur de rende- ments élevés. Tout d'abord, la surface semi-conductrice habituelle tend à réfléchir une grande fraction du rayonnement incident, ce qui réduit le rayonnement disponible pour la conversion. Au surplus, la recombinaison des paires électrons-trous avant qu'ils atteignent la jonction p-n peut être une source de pertes considérables. De plus, la pénétration dans un corps semi-conducteur du rayonnement solaire est extrêmement peu profonde dans la majeure partie du spectre utile, en sorte qu'il importe de placer la jonction ou barrière p-n aussi près que possible de la surface.
Ceci est toutefois, incompatible avec le fait que, pour obtenir des pertes faibles, il faut que la résistance de la couche superficielle et des contacts établis avec elle soit facile.
La présente invention fournit un élément ou cellule photosensible p-n, qui résoud de manière satisfaisante tous ces problèmes et permet d'ob- tenir des rendements supérieurs à 5%.
L'invention concerne, en principe, un corps en silicium, à cris- tal unique photosensible et semi-conducteurs, qui comporte une zone du type n à faible résistivité et une mince zone du type à faible résistivité, comportant une quantité prédominante d'impuretés significatives de bore et constituant la surface qui doit être exposée au rayonnement solaire. Dans une forme d'exécution préférée, la zone du type p est formée par la diffu- sion d'impuretés de bore dans un corps du type n.
Le choix du silicium comme matière semi-conductrice procure cer- tains avantages initiaux. Le silicium se trouve en grandes quantités; en effet, il constitue après l'oxygène l'élément le plus abondant dans la croute terrestre. De plus, l'utilisation de silicium facilite le problème de la réduction des pertes par réflexion. Lorsqu'elle est exposée à l'at- mosphère en l'absence d'un revêtement protecteur, la surface du silicium se couvre d'une pellicule d'oxyde qui présente un indice de réfraction com- pris entre celui du corps de silicium et celui de l'atmosphère , en sorte que la réflexion est réduite à un minimum.' Ceci réduit la nécessité de pré- voir un revêtement protecteur et permet l'utilisation de minces revête- ments protecteurs.
Au surplus, le silicium est très stable aux températures normalement attendues au cours de cette utilisation.
Le choix du bore comme impureté significative en conjonction avec le corps de silicium de manière à former la couche superficielle du type p procure d'autres avantages importants. Comme on le sait, des techniques sont à présent disponibles pour la diffusion de bore à l'état de vapeur dans un corps en silicium-du type p, de manière à former des couches superficielles du type p à faible résistivité et très minces. Ceci permet d'obtenir une couche du type p suffisamment minces que pour être quasi trans- parente vis-à-vis du rayonnement incident et à résistance suffisamment fai- ble pour éviter des pertes internes élevées.
Au surplus, il s'est avéré possible de former directement une couche par électroplacage sur la mince couche lisse de bore diffusé, de manière à établir une connexion ohmique à faible résistance avec cette dernière couche. Ceci est à l'opposé de ce qui se faisait avec divers autres types de couches, qui nécessitaient un traitement par jets de sable préalablement à l'électroplacage, ce qui n'est pas approprié dans le présente cas, à moins que des mesures soient d'abord
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prises pour accroitre l'épaisseur de la zone du type p. En outre, on a cons- taté qu'une couche de bore diffusé de ce genre extrêmement stable, ce qui permet une marche sûre du dispositif pendant une période prolongée.
Dans une forme d'exécution illustrative de l'invention, une plu- ralité de cellules ou éléments de silicium du type décrit plus haut sont connectés en série pour charger une batterie d'accumulateurs. L'expres- sion "batteries d'accumulateurs" doit être prise dans un sens générique.
Dans les agencements de ce genre, il importe d'isoler les cellules de silicium de la batterie à certains moments, lorsque ces cellules ne char- gent pas la batterie, de façon à éviter que ces cellules agissant comme charge et que la batterie de décharge. A cette fin, on connecte en série à la batterie et aux cellules en silicium un éléments unilatéralement con- ducteur, qui présente une faible impédance vis-à-vis des courants de char- gement de la batterie et une impédance élevée vis-à-vis des courants de déchargement de la batterie.
Des agencements de ce genre conviennent particulièrement bien c; pour servir à alimenter en énergie des stations répétitrices "transistori- sées" dans une installation téléphonique rurale. Dans une telle installa- tion, les stations répétitrices sont réparties dans des endroits éloignés et il est extrêmement couteux de les alimenter en énergie par les moyens conventionnels.
Une station répétitrice de ce genre à besoin d'une puis- sance d'environ 0,2 watt', pour fonctionner, On peut s'attendre à ce que dans la plupart des endroits un convertisseur solaire, qui fournit une puis- sance d'environ 1 watt dans les conditions Habituelles de lumière solaire sera adéquat pour maintenir chargée une batterie d'accumulateurs convenant poursservir de source d'énergie pour une telle station répétitrice.
L'invention sera mieux comprise par la description plus détaillée suivante, faite en référence aux @dessins ci-annexés, dans lesquels : - la figure 1 montre en coupe un corps en siliciumppen convenant pour servir de cellule suivant l'invention, et - la figure 2 montre schématiquement une pluralité de cellules du type montré à la figure 1, connectées en série pour changer une batte- rie d'accumulateurs conformément à l'invention.
La cellule 10 représentée à la figure 1 sera décrite, à titre d'exemple illustratif en se référant spécifiquement à une cellule qui a été construite et qui a permis la transmission d'énergie du rayonnement solaire, à une charge à raison de plus 55-watts par métre-carré de surface de là cellule. -La cellule est constituée par un corps 11 en silicium, qui présente de grandes surfaces rectangulaires. Le corps 11 comporte une zone intérieure 12 du type n présentant une résistivité d'environ 0,1 ohm cm et une zone extérieure 13 de bore diffisé du type p présentant une résis- tivité de 0,001 ohm cm.
Il est souhaitable que chacune des zones ait une faible résistivité de manière à minimiser les pertes internes et à augmen- ter au maximum la tension de sortie disponible, mais il est également avan- tageux que les résistivités des deux zones présentent entre elles une dif- férence, de manière à éviter des caractéristiques médiocres de courant in- verse. Il est également spécialement important que la zone du type p soit de faible résistivité, de manière à faciliter l'établissement de connexions ohmiques à faible résistance avec cette zone. En conséquence, la différence désirée entre les résistivités des deux trous formant les jonctions p-n est réaliséele plus avantageusement en conférant la résistivité la plus élevée à la zone du type n.
Par ailleurs pour obtenir l'utilisation la plus efficace possible du rayonnement incident, il est avantageux que la zone 13 du type¯p soit extrêmement mince, tout au moins à la surface frontale 14, de façon à être ausslitransparente que possible pour le rayonnement
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incident qui doit pénétrer jusqu'à une distance aussi faible que possible de la jonction p-n, de façon que les pertes de recombinaison soient rédui- tes à un minimum. En particulier, il importe, pour obtenir un rendement appréciable, que la couche du type p ne soit pas plus que l'ordre de la longueur ou distance de diffusion des porteurs minoritaires que sont les électrons dans la zone du type p.
Dens la forme d'exécution décrite ici, la couche 13 du type p a une épaisseur qui n'excède pas-8,1 millième de pouce, tandis que la couche du type n a une épaisseur d'environ 40 millième de pouce. Un tel corps peut être formé en chauffant une plaquette de silicium du type n présentant une résistivité de 0,3 ohm cm à une température de 1000 C pendant 5,5 heures dans une atmosphère de trichlorure de bore et sous une pression de 15 cm de mercure. La couche extérieure du type p est enlevée le long d'une partie centrale de la surface postérieure 15, de manière à déouvrir une bande de la zone du type n, pour établir une connexion ohmique avec cette zone.
Des connexions à faible résistance sont établies avec les zones du type n et du type p, par électroplacage de revêtements en un métal non contaminant approprié, tel que le rhodium, sous forme de bandes allongées 17,18 et 19 sur la surface postérieure 15 de la cellule, la surface fronta- le 14 étant laissée complètement exposée au rayonnement incident. La bande de revêtement intermédiaire 17 établit une connexion à sa surface exposée avec la zone de type n, tandis que les bandes de revêtemment 18 et 19 prévues de part et d'autre de la bande 17 établissent une connexion avec la zone du type p.
Comme on l'a signalé bièvement plus haut, un avantage de la couche du type p contenant du bore diffusé réside dans le fait qu'on peut y appliquer directement du rhodium par électroplacage, sans qu'il soit besoin de décaper d'abord la surface. %,'importance de cet avantage apparai- tra plus clairement, si l'on veut se rappeler que la couche du type p n'a avantageusement qu'une épaisseur d'environ 0,1 millième de pouce, Ceci est à l'opposé de ce qui se passe avec les cellules en silicium, dans lesquelles une zone intérieure du type p est revêtue d'une mince couche du type n con- tenant du phosphore diffusé, ces dernières cellules constituant des subs- tituts de qualité inférieure des cellules du type décrit.
Des conducteurs en cuivre peuvent être connectés aux bandes de revêtement précitées, de ma- nière à prélever l'énergie engendrée, les conducteurs reliés aux bandes 18 et 19 étant positif par rapport au conducteur relié à la bande 17.
Comme indiqué plus haut, pour réduire à un minimum les pertes par réflexion ,il est souhaitable de traiter la surface frontale 14 de la cellule . A cette fin, il est avantageux de prévoir une mince revête- ment 20 de polystyrène sur cette surface. Le polystyrène a un indice de réfraction d'environ 1,6 ,qui constitue sensiblement la moyenne géométri- que de l'indice de réfraction de l'air libre et de celui du silicium puri- fié, en sorte que le polystyrène sert à minimiser les pertes par réflexion.
La surface du silicium peut aussi être exydée par chauffage en présence de vapeur d'eau et le revêtement d'oxyde obtenu sert à minimiser les pertes par réflexion.
Il est également souhaitable de maintenir une résistance de fuite élevée entre les revêtements 18,19 et le revêtement 17. A cette fin, il est avantageux de recouvrir les régions intermédiaires 21,22 entre les revê- tements en question à l'aide de cire ou d'un autre composé approprié, de façon à empêcher l'accés de l'humidité et à assurer un trajet de fuite à résistance élevée.
A présent il s'avère préférable de limiter les dimensions de la surface d'une cellule, car si le trajet des porteurs de charge dans le corps est trop long, les pertes internes sont élevées. Pour obtenir de grands courants, plusieurs cellules sont combinées en parallèle, pour obtenir de
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fortes tensions, plusieurs cellules sont combinées en série. Dans les for- mes d'exécution du type décrit qui ont été construites, une tension en cir- cuit ouvert d'environ 0,52 volt par cellule est obtenue.
La figure 2 illustre schématiquement un dispositif pour charger à l'aide du rayonnement solaire, une batterie d'accumulateurs 30, qui ali- mente une charge représentée schématiquement par la résistance 32. Plusieurs cellules 10 du type décrit plus haut sont connectées en série, de manière à fournir une tension nette adéquate pour le chargement de la batterie.
Dans des installations spécifiques, il peut être souhaitable d'utiliser un certain nombre de cellules en parallèle, pour obtenir un courant de charge- ment plus élevé que celui que fournit une seule cellule. Une caractéristi- que de ces cellules réside dans le faitrque, lorsqu'elles sont actives, le flux de courant induit dans la cellule est dirigé en sens inverse. En con- séquence, lorsqu'elles sont passives, ces cellules seront polarisées dans le sens dirigé vers l'avant ou dans le sens de faible résistance par la bat- terie chargée 30, en sorte qu'elles représentent pour cette dernière une charge à faible résistance qui tend à décharger la batterie.
Pour obvier à cette difficulté, il importe de monter en série avec les cellules 10 et la batterie 30 un élément unilatéralement conducteur 31, telle qu'une dio-. de 5. cristal, polarisé pour présenter une faible résistance aux courants de chargement développés par les cellules , mais une résistance élevée pour les courants de déchargement de la batterie.
En pratique, il est avantageux de supporter les diverses cellules dans une position inclinée par rapport à l'horizontale, le degré optimum d'inclinaison dépendant de la latitude de l'endroit. Il peut être avantageux d'utiliser des cellules inclinées à des degrés différents de manière à ob- tenir un effet moyen sur une journée. Il peut également être souhaitable de prévoir des dispositifs pour concentrer la lumière solaire sur les cel- lules. Un réflecteur cylindrique ou parabolique aidera à concentrer les ra- yons solaires sur les cellules dans une mesure quelque peu indépendante de la position exacte du soleil. Il va de soi que diverses techniques de ce genre peuvent être employées pour augmenter la quantité de lumière solaire frappant les cellules.
REVENDICATIONS
1. Dispositif pour utiliser le rayonnement solaire en vue de main- tenir chargée une batterie d'accumulateurs, comprenant une batterie d'accu- mulateurs à charger, au moins un élément photosensible constitué par un corps en silicium comportant une zone du type n contigue à une zone du type p présentant une certaine concentration en impuretés de bore, l'épaisseur de la zone du type p étant de l'ordre de la distance de diffusion des électrons dans-;
cette zone, ainsi qu'un élément unilatéralement conducteur connecté en série à la batterie d'accumulateurs et à l'élément photosensible et polari- sé de manière à laisser passer les courants de chargement engendrés par l'élément photosensible et de manière à empêcher le passage de courants de déchargement de la batterie à l'élément photosensible.
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