FR2518318A1 - Dispositif photovoltaique a capacite de production de courant plus importante - Google Patents

Abstract

LE DISPOSITIF 80 COMPREND UN SUBSTRAT 82, UNE COUCHE ISOLANTE 84, UNE COUCHE FORMANT ELECTRODE 86, UNE PREMIERE COUCHE D'ALLIAGE SEMI-CONDUCTEUR DOPEE 88, UN CORPS INTRINSEQUE 90 UNE SECONDE COUCHE D'ALLIAGE SEMICONDUCTEUR DOPEE 92 DE CONDUCTIVITE OPPOSEE A CELLE DE LA PREMIERE COUCHE, UNE COUCHE D'OXYDE CONDUCTEUR TRANSPARENT 94 SUR LEQUEL EST DEPOSEE UNE ELECTRODE A GRILLE 96, UNE COUCHE ANTI-REFLET 98 ETANT APPLIQUEE SUR L'ELECTRODE A GRILLE 96 ET PRESENTANT UNE SURFACE D'INCIDENCE DE RADIATION SOLAIRE 100. LE CORPS INTRINSEQUE 90 COMPREND DEUX COUCHES 90A ET 90B DE COMPOSITIONS DIFFERENTES.

Description

La présente invention concerne des dispositifs photovol-

talques et un procédé de fabrication de ces derniers selon lequel les dispositifs sont formés à partir de couches d'alliages semiconducteurs amorphes dans lesquels les bandes interdites ou intervalles de bandes peuvent être amenées à varier par degrés ou gradués de façon imperceptible Les dispositifs sont formés à partir de couches d'alliages de

silicium amorphe dont les intervalles de bande sont diffé-

rents Un avantage de cette conception de la graduation des matériaux vient de ce que les dispositifs présentent des caractéristiques photosensibles améliorées qui permettent d'obtenir des courants de court- circuit plus importants Un autre avantage, comme cela sera expliqué plus loin, vient de ce que les caractéristiques photosensibles améliorées des alliages de silicium amorphe fluoré peuvent être obtenues plus complètement dans des dispositifs photovoltaïques par mise en oeuvre de la présente invention L'application la

plus importante de l'invention est la fabrication de disposi-

tifs photovoltaïques améliorés en alliage de silicium amorphe de configuration p-i-n, se présentant sous forme de cellules uniques ou de cellules multiples comprenant un

grand nombre de cellules individuelles unitaires.

Il est bien connu que la graduation du silicium cristal-

lin à phase unique constitue une tache exceptionnellement

difficile sinon impossible du fait que les différents inter-

valles de bande et les défauts d'adaptation entre les ré-

seaux posent des problèmes insurmontables Ceci est particu-

lièrement le cas quand on utilise des matériaux à intervalle

de bande indirect et quand on a besoin de matériaux épais.

Lorsqu'il s'agit par exemple de matériaux amorphes, il ne suffit pas de constituer un vaste réseau de couches amorphes différentes susceptibles d'être graduées du fait que dans une cellule photovoltalque le paramètre important est la très faible densité d'états du matériau intrinsèque Il existe deux matériaux amorphes à faible densité d'états, l'un étant un matériau déposé à partir de silane et l'autre un matériau contenant du fluor (voir par exemple le brevet US N O 4 217 374 délivré aux noms de Stanford R Ovshinsky et Masatsugu Isu le 12 Août 1980 et intitulé "Amorphous Semiconductors Equivalent to Crystalline Semiconductorsn (Semiconducteurs amorphes équivalant à des semiconducteurs cristallins), et le brevet US N O 4 226 898 délivré aux noms de Stanford R Ovshinsky et Arun Madan le 7 Octobre 1980,

sous le même titre) Le matériau fluoré constitue un maté-

riau supérieur à tous points de vue, et ce sont les proprié-

tés intrinsèques d'ensemble de ce matériau qui en font la

base d'une cellule photovoltaique amorphe de qualité supé-

rieure Cependant, le fluor peut être également un décapant, ce qui peut être aussi bien un avantage qu'un inconvénient (voir par exemple la demande dé brevet US N O 331 259) Dans certains cas, ses aspects négatifs viennent de ce qu'en attaquant d'autres couches il peut contaminer le matériau intrinsèque en lui incorporant des éléments tels que du bore ou du phosphore Pour éviter ce problème et réaliser une

cellule perfectionnée, la présente demande décrit une inven-

tion o le fluor est utilisé pour sa qualité de base supé-

rieure et o on utilise une mince couche de matériau ne contenant pas de fluor pour constituer l'interface d'une couche de contact fortement dopée qui réagirait normalement

avec le fluor, la combinaison résultante apportant de nom-

breux avantages nouveaux La contamination potentielle des dopants contenus dans le matériau fluoré est moins importante, et il est possible de choisir un matériau non fluoré tel que celui déposé à partir de silane pour obtenir un intervalle de bande plus étroit Ceci augmente la quantité de courant sortant de ce dispositif multi-couches Du fait qu'il n'y a pas de réseaux, il n'y a pas de défauts d'adaptation entre réseaux et il est possible d'adapter les deux intervalles de

bande sans introduire d'autres matériaux susceptibles d'aug-

menter la densité des états et de dégrader-de ce fait les performances du dispositif Le dispositif résultant présente des jonctions nettes, et l'on peut en attendre également

d'autres avantages.

Le silicium est la base de l'immense industrie des semiconducteurs et il constitue le matériau avec lequel on a produit des cellules ou piles solaires cristallines coûteuses et à haut rendement ( 18 pour cent) destinées à des applica- tions spatiales Lorsque la technologie des semiconducteurs cristallins a atteint le niveau commercial, elle est devenue le fondement de l'immense industrie actuelle des dispositifs semiconducteurs Ceci a été da à la capacité des savants de

faire croître des cristaux de germanium et plus particulière-

ment de silicium pratiquement sans défaut, puis de les transformer en matériaux extrinsèques contenant des régions à conductivité de type p ou de type n Ce résultat a été obtenu en diffusant dans le matériau cristallin quelques

parties par million de matériau dopant doneur (n) ou accep-

teur (p) introduits en tant qu'impuretés de substitution dans les matériaux cristallins sensiblement purs, de manière à augmenter leur conductivité électrique et déterminer leur type de conduction p ou n Les procédés de fabrication utilisés pour réaliser des cristaux à jonction pn mettent en oeuvre des processus extrêmement compliqués, demandant-du temps et qui sontcoûteux C'est pourquoi ces matériaux cristallins qui sont utiles dans les cellules solaires et les dispositifs de commande du courant sont produits dans des conditions très soigneusement contr 8 léés en faisant croître des cristaux individuels de silicium-ou de germanium,

et quand on a besoin de jonctions p-n, en dopant les cris-

taux individuels avec des quantités extrêmement faibles et

critiques de dopants.

Ces procédés de croissance de cristaux produisent des cristaux relativement si petits' que les cellules solaires exigent l'assemblage de nombreux cristaux individuels pour couvrir la surface désirée d'un unique panneau à cellules solaires La quantité d'énergie nécessaire pour fabriquer

une cellule solaire selon ce procédé, les limitations provo-

quées par les limites de dimensions du cristal de silicium, et la nécessité de découper et d'assembler ce matériau cristallin, ont constitué une barrière économique impossible

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à franchir pour parvenir à une utilisation à grande échelle de cellules solaires à semiconducteurs cristallins en vue de la conversion de l'énergie En outre, le silicium cristallin comporte un rebord optique indirect entraînant une mauvaise absorption de la lumière dans le matériau Du fait de cette mauvaise absorption de la lumière, les cellules solaires cristallines doivent avoir une épaisseur d'au moins 50 microns pour absorber-la lumière solaire incidente Même si on remplace le matériau mono-cristallin par du silicium

polycristallin obtenu par des procédés moins coûteux, le -

rebord optique indirect existe toujours; de ce fait, l'épais-

seur du matériau n'est pas réduite Le matériau polycristal-

lin implique également l'addition de limites granulaires et

autres défauts posant des problèmes -

En résumé, les dispositifs à silicium cristallin présen-

tent des paramètres fixes que l'on ne peut faire varier comme on le désire, exigent de grandes quantités de matériau,

ne peuvent être produits qu'en éléments de surface relative-

ment réduite, leur fabrication étant coûteuse et demandant du temps Les dispositifs bases sur le silicium amorphe

peuvent éliminer ces inconvénients du silicium cristallin.

Un alliage de silicium amorphe comprend un rebord d'absorp-

tion optique présentant des propriétés similaires à celles d'un semiconducteur a intervalle direct et il suffit que le

matériau ait une épaisseur de un micron ou moins pour absor-

ber la même quantité de lumière solaire que le silicium cristallin ayant une épaisseur de 50 microns En outre, les alliages de silicium amorphe peuvent être obtenus plus rapidement, plus facilement et en éléments de plus grande

surface que le silicium cristallin.

En conséquence, des efforts considérables ont été entre-

pris pour mettre au point des procédés permettant de déposer facilement des alliages ou des films semiconducteurs amorphes, pouvant chacun couvrir des surfaces relativement importantes si on le désire, et limitées seulement par les dimensions de l'équipement de dépôt, et qui pourraient être facilement dopés pour former des matériaux de type p'et de type n, les dispositifs à jonction p-n obtenus de ces derniers étant équivalants à ceux produits au moyen de leurs contreparties cristallines Pendant de nombreuses années, ces travaux ont été pratiquement sans résultats Les films de silicium ou de germanium amorphe (groupe IV) sont normalement coordonnés quatre fois et on a constaté qu'ils comprennent des micro-

vides et des liaisons non saturées et autres défauts produi-

sant une forte densité d'états localisés dans leur interval-

le de bande ou bande interdite La présence d'une forte densité d'états localisés dans l'intervalle de bande de films semiconducteurs de siliciumamorphe se traduit par un faible degré de photoconductivité et une courte durée de vie des porteurs, rendant ces films inadaptés à des applications

o l'on fait appel à des caractéristiques de photosensibilité.

De plus, ces films ne peuvent être dopés avec succès ou modifiés de toute autre manière pour décaler le niveau de Fermi près des bandes de conduction ou de valence, ce qui les rend inutilisables pour constituer des jonctions p-n pour cellules ou piles solaires et pour les applications

concernant des dispositifs de commande de courant.

Pour réduire les problèmes qui viennent d'être mention-

nés et constatés avec le silicium et le germanium amorphes, W E Spear et P G Le Comber du Carnegie Laboratory of Physics, Université de Dundee, Dundee, Ecosse, ont effectué des recherches sur le "Substitutional Doping of Amorphous Silicon M (Dopage par substitution du silicium amorphe), ayant fait l'objet d'un rapport publié dans "Solid State Communications", vol 17, pages 1193 à 1196, 1975, en vue de réduire les états localisés dans l'intervalle de bande du silicium ou du germanium amorphes et rapprocher ces derniers du silicium et du germanium cristallins intrinsèques et pour doper par substitution lesdits matériaux amorphes au moyen de dopants classiques et appropriés, comme pour le dopage de matériaux cristallins, pour les rendre du type extrinsèque

et de conduction de type p ou n.

La réduction des états localisés a été obtenue par dépôt par décharge luminescente de films de silicium amorphe o on a fait passer un gaz de silane (Si H 4) dans un tube à réaction o le gaz est décomposé par décharge luminescente à haute fréquence et déposé sur un substrat dont la température est d'environ 500 K à 600 K ( 227 C à 327 C) Le matériau ainsi déposé sur le substrat est un matériau amorphe intrinsèque consistant en silicium et en hydrogène Pour obtenir un matériau amorphe dope, on a pré-mélangé dans le gaz de silane un gaz de phosphine {PH 3) pour obtenir une conduction de type n, ou un gaz de diborane (B 2 H 6) pour obtenir une conduction de type p, mélange que l'on fait passer dans le tube à réaction à décharge luminescente dans les mêmes conditions de traitement La concentration gazeuse des dopants utilisés était située entre environ 5 x 10-6 et 10-2 parties par volume On a constaté que le matériau ainsi déposé était extrinsèque et du type à conduction N ou p. Bien que ces chercheurs ne l'aient pas su, on sait

maintenant par les travaux d'autres chercheurs que l'hydro-

gène contenu dans le silane se combine à une température optimale à de nombreuses liaisons non saturées du silicium pendant le dép St par décharge luminescente, ce qui permet de réduire sensiblement la densité des états localisés dans

l'intervalle de bande en vue d'obtenir des propriétés électro-

niques du matériau amorphe se rapprochant le plus de celles

du matériau cristallin correspondant.

L'incorporation d'hydrogène dans le procédé ci-dessus présente cependant des limites provenant du rapport fixe entre l'hydrogène et le silicium dans le silane, et des diverses configurations de la liaison Si:H qui introduisent de nouveaux états anti-liaison Il existe donc des limites

fondamentales à la réduction de la densité des états locali-

sés dans ces matériaux.

On a préparé des alliages de silicium amorphe fortement améliorés contenant des proportions nettement réduites

d'états localisés dans leurs intervalles de bande et présen-

tant des propriétés électroniques de grande qualité par

décharge luminescente, comme décrit dans le brevet US N -

4 226 898 intitulé "'Amorphous Semiconductors Equivalent to Crystalline Semiconductors (Semiconducteurs amorphes équivalant à des semiconducteurs cristallins) aux noms de Stanford R Ovshinsky et de Arun Madan, délivré le 7 Octobre 1980, et par dépôt de vapeur comme le décrit complètement le brevet US N O 4 217 374 publié sous le même titre aux noms de Stanford R Ovshinsky et Masatsugu Izu et délivré le 12 Août 1980 Comme le décrivent ces brevets, qui sont incorporés aux présentes à titre de référence, le fluor est introduit dans l'alliage semiconducteur de silicium amorphe pour réduire sensiblement la densité des états localisés de ce

semiconducteur Le fluor activé se diffuse de façon particu-

lièrement facile et établit des liaisons avec le silicium amorphe dans le corps amorphe, ce qui diminue sensiblement la densité des états localisés défectueux contenus, du fait que la faible dimension des atomes de fluor leur permet d'être facilement introduits dans le corps amorphe Le-fluor se lie aux liaisons non saturées du silicium et forme ce que l'on pense être une liaison stable partiellement-ionique avec des angles de liaison souples, ce qui a pour résultat une compensation ou une modification plus stable et plus efficace que celle formée par l'hydrogène oet autres agents

compensateurs ou modificateurs Le fluor se combine égale-

ment d'une manière préférée avec le silicium et l'hydrogène, en utilisant l'hydrogène d'une façon plus souhaitable, du fait que l'hydrogène présente plusieurs options pour ses liaisons Sans fluor, il est possible que l'hydrogène ne se lie pas de façon souhaitable dans le matériau, provoquant des états défectueux additionnels dans l'intervalle de bande aussi bien que dans le matériau lui-même C'est pourquoi-on considère que le fluor constitue un élément compensateur ou

modificateur plus efficace que l'hydrogène quand on l'utili-

se seul ou avec l'hydrogène du fait de sa forte réactivité, de sa spécificité dans la liaison chimique, et de sa forte électro-négativité. A titre d'exemple, on peut obtenir une compensation avec du fluor seul ou en combinaison avec de l'hydrogène en ajoutant ce ou ces éléments en très faibles quantités (par exemple par fractions de un pour cent atomique) Cependant-, les quantités de fluor et d'hydrogène que l'on utilise de préférence sont beaucoup plus importantes que ces petits

pourcentages de manière à former un alliage de silicium-

25183 i 8 hydrogène-fluor A titre d'exemple, les quantj téslde fluor et d'hydrogène constituant l'alliage peuvent être comprises entre 1 et 5 pour cent ou plus On pense que l'alliage ainsi formé comprend une densité plus faible d'états défectueux dans l'intervalle de bande que celle que l'on obtient-par une simple neutralisation des liaisons non saturées et des états défectueux de mime type On pense en particulier que cette quantité importante de fluor participe sensiblement à

la nouvelle configuration structurelle d'un matériau conte-

nant du silicium amorphe et facilite l'addition d'autres-

matériaux d'alliage tels que du germanium En plus de ses autres caractéristiques mentionnées i:ci, on pense que le fluor est un organisateur de la stucture locale de l'alliage

contenant du silicium au moyen d'effets inductifs et ioniques.

On pense que le fluor influence également la liaison de l'hydrogène en agissant de façon avantageuse pour diminuer la densité des états défectueux, l'hydrogène contribuant à cette action tout en agissant en tant qu'élément réducteur de la densité des états Le rôle ionique joué par -le fluor

dans un tel alliage constitue, pense-t-on, un facteur impor-

tant du point de vue du rapport avec le voisin le plus proche. Des alliages de silicium amorphe contenant seulement du fluor, ou du fluor avec de l'hydrogène, ont ainsi montré qu'ils présentaient des caractéristiques fortement améliorées en vue d'applications photovoltaiques, par comparaison avec des alliages de silicium amorphe contenant seulement de l'hydrogène en tant qu'élément réducteur de la densité des états Cependant, on a observé que lorsque des alliages de silicium amorphe contenant du fluor sont déposés sur des couches d'alliages de silicium amorphe dopé, par exemple par dépôt par décharge luminescente de tétrafluorure de silicium et d'hydrogène, il est possible que de petites quantités de

matériau contenant le dopant de la couche dopée et préalable-

ment déposée soient retirées et redéposées avec la nouvelle couche d'alliage Ceci peut conduire à la création d'une région relativement mince du matériau entre la couche dopée et la couche intrinsèque et présentant des phases multiples,

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d'éventuels gradients de potentiel et une forte densité des

états, tout ceci pouvant avoir un effet nocif sur les carac-

téristiques électriques et photosensibles des dispositifs photovoltaïques dans lesquels ces alliages sont employés On pense que les matériaux de départ utilisés pour l'alliage silicium-fluor, quand ils sont décomposés dans le plasma de la décharge luminescente, deviennent décapants vis-àvis de

la couche précédemment déposée et retirent de faibles quanti-

tés du matériau par décapage Ce décapage ne se poursuit que pendant une courte période de temps jusqu'à ce qu'un alliage sensiblement pur de silicium amorphe et de fluor commence à être déposé, avec pour résultat la formation d'une région

relativement mince de matériau nocif entre les deux couches.

Ce qui précède prend une importance particulière dans la fabrication de dispositifs photovoltaïques de configuration p-i-n Les dispositifs de ce type exigent le dépôt d'une

première couche dopée suivi par le dépÈt d'une couche intrin-

sèque Si l'on veut bhnéficier pleinement des caractéristi-

ques supérieures des alliages de silicium amorphe et de fluor, il est nécessaire de déposer des alliages intrinsèques de silicium amorphe, de fluor et d'hydrogène sans retirer et

redéposer le matériau de la couche dopée.

On a découvert une nouvelle structure du dispositif et un nouveau procédé pour le fabriquer qui permet d'obtenir tous les avantages des alliages de silicium amorphe et de

fluor dans un dispositif photovoltalque dont la configura-

tion est par exemple p-i-n, sans la formation de la région nocive indiquée ci-dessus entre la première couche dopée et la couche intrinsèque En outre, on peut également utiliser avec avantage le dispositif et le procédé de la présente invention pour obtenir des structures à cellules multiples

comprenant un grand nombre de cellules unitaires individuel-

les L'invention permet également de régler les intervalles de bande des couches intrinsèques et des couches dopées de

manière à porter au maximum leurs caractéristiques photo-

sensibles, et de produire des dispositifs photovoltaïques à cellules semiconductrices amorphes uniques et multiples présentant des capacités de production de courant plus

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fortes et un meilleur rendement.

Selon la présente invention, on augmente le courant de court-circuit et le rendement des dispositifs photosensibles à semiconducteur amorphe de l'art antérieur en déposant sur une couche d'alliage semiconducteur dopé et précédemment

déposée un corps d'alliages semiconducteurs amorphes intrin-

sèques comprenant une première couche intrinsèque, contre la couche dopée, formée à partir du dépôt d'un matériau de départ non décapant et d'une seconde couche intrinsèque dont la composition est différente de celle de la première couche intrinsèque La seconde couche intrinsèque comprend de

préférence du silicium et du fluor de même que de l'hydrogè-

ne alors que la première couche d'alliage amorphe intrinsè-

que ne comprend pas de fluor La première couche intrinsèque

peut être constituée par décomposition par décharge lumines-

cente de gaz de silane seul; Les épaisseurs des première et seconde couches intrinsèques sont de préférence réglées de

façon à faire coïncider leurs chutes de potentiel respecti-

ves, la première couche intrinsèque étant relativement

mince par comparaison avec la seconde couche intrinsèque.

Ainsi est produite la majorité des paires trous-électrons engendrés photoélectriquement dans l'alliage préféré de

silicium amorphe-fluor-hydrogène.

La seconde couche d'alliage amorphe intrinsèque peut donc incorporer l'élément préféré de réduction de la densité des états, c'est-à-dire le fluor L'élément compensateur ou d'altération, c'est-à-dire le fluor, et/ou d'autres éléments, peuvent être ajoutés pendant le dépôt ou ensuite On peut donc obtenir tous les avantages des alliages de silicium amorphe et de fluor sans créer une région nocive entre la

première couche dopée et le corps intrinsèque.

Il y a augmentation additionnelle du courant de court-

circuit venant du fait que les alliages de silicium amorphe

déposés par la décomposition du silane par décharge lumines-

cente et sans éléments de réglage de l'intervalle de bande présentent un intervalle de bande plus étroit que les alliages de silicium amorphe et de fluor déposés sans élément de réglage de l'intervalle de-bande La première couche il intrinsèque a donc un intervalle de bande plus étroit que la seconde couche intrinsèque De plus, les éléments de réglage de l'intervalle de bande peuvent être ajoutés aux alliages en vue de régler les intervalles de bande de chaque couche d'alliage ou de graduer l'intervalle de bande de la totalité du corps intrinsèque pour augmenter encore plus le courant de court-circuit Par exemple on-peut ajouter au corps de l'alliage intrinsèque, pendant le dépôt, des éléments qui diminuent l'intervalle de bande tels que du germanium, de

l'étain ou du plomb et des éléments qui augmentent l'inter-

valle de bande tels que du carbone ou de l'azote.

Les dispositifs et le procédé de la présente invention peuvent être également utilisés pour la fabrication de dispositifs à cellules multiples tels que des cellules en tandem Là encore, du fait qu'il est possible-de régler l'intervalle de bande des couches intrinsèques, la capacité de génération de courant de chaque cellule peut être portée à son maximum sur une partie différente et donnée du spectre de la lumière solaire On peut donc également fabriquer des

cellules multiples permettant d'obtenir un courant de court-

circuit plus fort en utilisant les alliages intrinsèques préférés à base de silicium amorphe sans créer de régions

nocives entre la première couche dopée et le corps intrinsèque.

La présente invention est particulièrement indiquée pour

la fabrication de dispositifs photovoltaïques de configura-

tion p-i-n Une autre couche d'alliage de silicium amorphe dopé est déposée sur le corps intrinsèque pour créer un champ interne sur toute la couche intrinsèque et permettre

la collecte des paires électrons-trous engendrées photoélec-

triquement On peut utiliser pour les couches dopées des alliages p ou N à large intervalle de bande, et on peut

également prévoir un élément réflecteur arrière.

En conséquence, un premier objet de l'invention est de créer un dispositif photovoltaïque à couches multiples d'alliages semiconducteurs déposées sur un substrat, ce dispositif permettant d'obtenir un courant de court-circuit plus fort et comprenant un corps constitué par une couche semiconductrice amorphe intrinsèque déposée sur une première couche d'alliage semiconducteur dopé et une seconde couche d'alliage semiconducteur amorphe dopé déposée sur ladite couche intrinsèque et de conductivité opposée a celle de ladite première couche de semiconducteur dopé, caractérisé en ce que ledit corps intrinsèque comprend-une première couche adjacente à ladite couche dopée et une seconde couche de composition différente de celle de la première couche et

adjacente à ladite couche d'alliage dopé.

Un second objet de l'invention est de créer un disposi-

tif photovoltaïque à cellules multiples formées à partir de

couches multiples d'alliages semiconducteurs amorphes dépo-

sées suriun substrat comprenant plusieurs cellules unitaires individuelles disposées en série, chaque cellule unitaire individuelle comprenant un corps constitué par une couche de semiconducteur amorphe intrinsèque déposée sur une première couche d'un alliage-semiconducteur dopé et une seconde couche d'un alliage semiconducteur amorphe dopé dont la conductivité est opposée à celle de ladite première couche de semiconducteur dopé, caractérisée en ce que ledit corps intrinsèque comprend une première couche adjacente à ladite

première couche dopée et une seconde couche dont la composi-

tion est différente de celle de la première couche et

adjacente à ladite seconde couche dopée.

Un troisième objet de l'invention est de créer un procé-

dé de fabrication d'un dispositif photovoltaïque à couches multiples d'alliages semiconducteurs amorphes déposées sur un substrat, ledit procédé comprenant le fait de déposer un corps constitué par une couche de semiconducteur amorphe

intrinsèque sur une première couche de semiconducteur amor-

phe dopé et une seconde couche de semiconducteur amorphe dopé sur ledit corps intrinsèque, caractérisé en ce que le fait de déposer ledit corps intrinsèque comprend le dépôt d'une première couche d'un alliage de semiconducteur amorphe intrinsèque réalisée à partir d'un matériau de départ non

décapant sur ladite première couche dopée, et le dépôt -

d'une seconde couche d'un alliage semiconducteur amorphe intrisèque sur ladite première couche intrinsèque à partir d'un matériau de départ différent dudit matériau de départ

non décapant.

Diverses autres caractéristiques de l'invention ressor-

tent d'ailleurs de la description détaillée qui suit.

Des formes de réalisation de l'objet de l'invention sont représentées à titre d'exemples non limitatifs au dessin annexe. La figure 1 est une représentation schématique d'un système de dépât par décharge luminescente que l'on peut utiliser pour la mise en oeuvre du procédé de la présente invention afin de réaliser le dispositif photovoltaique de l'invention. Lafigure 2 est une vue su coupe d'une partie du système

de la figure 1, selon la ligne 2-2 de celle-ci.

LA figure 3 est une vue en coupe d'un dispositif photo-

voltaïque p-i-n structuré selon un premier mode de réalisa-

tion de la présente invention.

La figure 4 est un graphique montrant la courbe du potentiel dans la région de la charge d'espace des alliages de silicium amorphe-hiydrogène et de silicium amorphe-fluor que l'on peut utiliser pour régler l'épaisseur des première et seconde coucues intrinsèques et adapter leurs chutes de

potentiel respectives selon la présente invention.

La figure 5 est une vue en coupe d'un autre dispositif photovoltaïque p-in mettant en oeuvre la présente invention

La figure 6 est une vue en coupe d'un dispositif photo-

voltalque p-i-n utilisant un corps constitué par des allia-

ges intrinsèques comprenant trois couches intrinsèques selon

un autre mode de réalisation de l'invention.

La figure 7 est une vue en coupe d'une cellule solaire multiple comportant plusieurs cellules photovoltaïques individuelles p-i-n disposées selon une configuration en

tandem et conforme à la présente invention.

Si on se réfère maintenant plus particulièrement à la

figure 1, celle-ci représente un système de dépÈt par dé-

charge luminescente 10 comprenant un logement 12 Le loge-

ment 12 entoure une chambre à vide 14 et comporte une chambre

d'entrée 16 et une chambre de sortie 18 Un organe de sup-

port de cathode 20 est monté dans la chambre à vide 11, avec

interposition d'un isolant 22.

L'organe de support 20 comprend un manchon isolant 24 entourant circonférentiellement l'organe de support 20 Un

bouclier 26 délimitant un espace sombre est écarté du man-

chon 24 qu'il entoure circonférentiellement Un substrat 28 est fixé à l'extrémité interne 30 de l'organe de support 20, au moyen d'un élément de retenue 32 L'élément de retenue 32 peut être vissé ou fixé de toute autre manière connue à

l'organe de support 20 et en contact électrique avec celui-

ci. L'élément de support de cathode 20 comprend un puits 34 dans lequel est inséré un élément chauffant électrique 36 destiné à chauffer l'organe de support 20 et de ce fait le substrat 28 L'élément de support de cathode 20 comprend également une sonde 38 sensible à la température et destinée à mesurer la température de l'organe de support 20 La sonde à température 38 est utilisée pour contrôler l'excitation de l'élément chauffant 36 et maintenir l'organe de support 20

et le substrat 28 à la température désirée.

Le système 10 comprend également une électrode 40 faisant saillie du logement 12 et pénétrant dans la chambre à vide

14 en étant espacée de l'organe de support de cathode 20.

L'électrode 40 porte un bouclier 42 qui l'entoure et qui supporte à son tour un substrat 44 L'électrode 40 comprend un puits 46 dans lequel est inséré un élément chauffant d'électrode 48 L'électrode 40 comprend également une sonde

sensible à la température et destinée à mesurer la tempé-

rature de l'électrode 40 et de ce fait du substrat 44 La sonde 50 est utilisée pour contrôler l'énergie fournie à l'élément chauffant 48 et maintenir l'électrode 40 et le substrat 44 à toute température désirée, indépendamment de

l'organe 20.

Un plasma de décharge luminescente se développe dans l'espace 52 entre les substrats 28 et 34 du fait de la puissance engendrée par une source régulée S de courant à haute fréquence, de courant alternatif ou de courant continu, qui est couplée à l'organe de support de cathode 20 et de là, par l'espace 52, à l'électrode 40 qui est reliée à la terre La chambre à vide 14 est mise sous vide pour parvenir à la pression désirée par une pompe à vide 54 couplée à la

chambre 14 par l'intermédiaire d'une trappe à particules 56.

Un manomètre 58 est couplé au système à vide et utilisé pour commander la pompe 54 et maintenir le système 10 à la pres-

sion désirée.

La chambre d'entrée 16 du logement 12 est de préférence munie de plusieurs conduites 60 destinées à introduire des substances dans le système 10 o elles doivent être mélangées et déposées dans la chambre 14, dans l'espace 52 destiné au plasma de la décharge luminescente, sur les substrats 28 et 44 Si on le souhaite, la chambre d'entrée 16 peut être

située dans un endroit éloigné et les gaz peuvent être pré-

mélangés avant d'être envoyés dans la chambre 14 Les subs-

tances gazeuses sont envoyées dans les conduites 60 en passant par un filtre ou tout autre dispositif purificateur

62 selon un débit contrôlé par un clapet 64.

Lorsqu'un matériau ne se trouve pas initialement sous forme gazeuse, ma 4 S sous forme liquide ou solide, il peut être placé dans un récipient fermé de façon étanche 66, comme indiqué en 68 Le matériau 68 est alors chauffé par un élément chauffant 70 pour en augmenter la pression de vapeur dans le récipient 66 Un gaz approprié tel que de l'argon est envoyé par un tube plongeant 72 dans le matériau 68 pour capter les vapeurs du matériau 68 et acheminer les vapeurs au travers d'un filtre 62 ' et d'un clapet 64 ' pour parvenir

dans les conduites 60 et de là dans le système 10.

La chambre d'entrée 16 et la chambre de sortie 18 com-

prennent de préférence des moyens 74 formant écran et desti-

nés à retenir le plasma dans la chambre 14 et principalement

entre les substrats 28 et 44.

Les matériaux qui sont envoyés par les conduites 60 sont mélangés dans la chambre d'entrée 16 puis envoyés dans l'espace 52 o s'effectue la décharge luminescente pour maintenir le plasma et déposer l'alliage sur les substrats, avec incorporation de silicium, de fluor, d'oxygène et des

autres éléments modificateurs désirés tels que de l'hydro-

gène et/ou des dopants ou autres matériaux désirés.

En fonctionnement et pour déposer des couches d'alliages de silicium amorphe intrinsèque, le système 10 est d'abord soumis à un pompage jusqu'à ce qu'il atteigne une pression de dépôt désirée, inférieure par exemple à 20 mtorrs avant le dépôt Les matériaux de départ ou les gaz de la réaction tels qu'un matériau de départ non décapant comme du gaz de silane (Si H 4) ou du tétrafluorure de silicium (Si F 4) et de l'hydrogène moléculaire (H 2) et/ou du silane sont envoyés dans la chambre d'entrée 16 en passant par les conduites

séparées 60 et sont ensuite mélangés dans la chambre d'en-

trée Le mélange gazeux est envoyé dans la chambre à vide en vue de maintenir une pression partielle d'environ 0,6 torr dans celle-ci Le plasma est engendré dans l'espace 52 entre les substrats 28 et 44, en utilisant soit une tension en courant continu supérieure à 1000 volts, soit un courant haute fréquence d'environ 50 watts, cette fréquence étant de

13,56 M Hz ou de toute autre valeur désirée.

En plus des alliages de silicium amorphe intrinsèque déposés de la manière décrite ci-dessus, les dispositifs de la présente invention illustrés dans les divers modes de réalisation qui seront décrits plus loin utilisent également des alliages de silicium amorphe dopé Ces couches d'alliage dopé ont une conductivité du type p, p+, N ou n+, et elles peuvent être formées en introduisant un dopant approprié dans la chambre à vide, seul avec le-matériau de départ intrinsèque non décapant tel que du silane (Si H 4) ou du tétrafluorure de silicium (Si F 4), et/ou de l'hydrogène et/ou

du silane.

En ce qui concerne les couches dopées N ou p, le matériau peut être dopé avec 5 à 100 ppm de matériau dopant à mesure qu'il est déposé Pour obtenir des couches dopées n+ ou p+,

le matériau est dopé avec un matériau dopant dont la propor-

tion est comprise entre 100 ppm et plus de 1 % à mesure qu'il est déposé Les dopants de type N peuvent être du phosphore, de l'arsenic, de l'antimoine ou du bismuth De préférence,

les couches dopées N sont déposées par décomposition par.

décharge luminescente de tétrafluorure de silicium (Si F 4) et de phosphine (PH 3) au moins On peut également ajouter à ce

mélange de l'hydrogène et/ou du gaz de silane (Si H 4).

Les dopants de type p peuvent être du bore, de l'alumi-

nium, du gallium, de l'indium ou du thallium De préférence, les couches dopées de type p sont déposées par décomposition par décharge luminescente de silane et de diborane (B 2 H 6) au moins, ou de tétrafluorure de silicium et de diborane On peut également ajouter au tétrafluorure de silicium et au

diborane de l'hydrogène et/ou du silane.

Les couches dopées des dispositifs sont déposées à des

températures diverses comprises entre 2000 C et 10000 C envi-

ron, en fonction de la forme du matériau utilisé et du type

du substrat utilisé Quand il s'agit de substrats en alumi-

nium, les températures employées ne doivent pas dépasser environ 6001 C, et quand il s'agit d'acier inoxydable, elles peuvent dépasser 10001 C environ En ce qui concerne les alliages intrinsèques et dopés, initialement compensés par de l'hydrogène, comme ceux qui sont déposés à partir d'un

matériau de départ constitué par du gaz de silane, la tempé-

rature du substrat doit être inférieure à environ 400 c et

être de préférence d'environ 300 WC.

D'autr-?is matériaux et éléments d'alliage peuvent égale-

ment être ajoutés aux couches intrinsèques et dopées pour obtenir une génération optimale de courant Ces autres matériaux et éléments sont décrits plus loin en liaison avec les diverses configurations des dispositifs mettant en oeuvre la présente invention et illustrés aux figures 3 et 5 à 7. Si on se réfère maintenant à la figure 3, celle-ci représente en coupe un dispositif p-i-n structuré selon un premier mode de réalisation de la présente invention Le dispositif 80 comprend un substrat 82 qui peut être en verre ou en un voile flexible constitué en acier inoxydable ou en

aluminium Le substrat 82 a la largeur et la longueur dési-

* rées, et son épaisseur est de préférence de 0,075 mm Le substrat comprend une couche isolante 84 déposée en utilisant un procédé classique tel qu'un dépit chimique, un dép 8 t de

vapeur ou une anodisation dans le cas d'un substrat d'alumi-

nium La couche 84 par exemple,dont l'épaisseur est de microns environ, peut être réalisée en un oxyde métalli- que Quand il s'agit d'un substrat d'aluminium, il est préférable qu'il soit en oxyde d'aluminium (A 1203), et quand il s'agit d'un substrat en acier inoxydable, il peut être en dioxyde de silicium (Si O 2) ou en tout autre verre approprié. Une électrode 86 est déposée sous forme d'une ou plusieurs couches, sur la couche 84, pour former une électrode de base

pour la cellule 80 La ou les couches 86 de l'électrode sont-

déposées par dép 8 t de vapeur, ce qui constitue un procédé de dépôt relativement rapide De préférence, les couches de l'électrode sont des électrodes métalliques réfléchissantes en argent, enl molybdène, en aluminium, en chrome, en cuivre ou en acier inoxydable quand il s'agit d'une cellule solaire d'un dispositif photovoltalque Une électrode réfléchissante est préférable du fait que, dans une cellule solaire, la

lumière non absorbée qui traverse le dispositif est réflé-

chie par les couches d'électrode 86 et passent à nouveau par le dispositif qui absorbe alors plus d'énergie lumineuse, ce

qui augmente le rendement du dispositif.

Le substrat 82 est ensuite placé dans l'environnement du

dépôt par décharge luminescente Une première couche d'allia-

ge de silicium amorphe dopé 88 est déposée sur le substrat.

La couche 88 telle qu'elle est représentée comprend une région p+ 88 a et une région p 88 b La région p+ est aussi mince que possible et de l'ordre de 50 à 150 angstrôms

d'épaisseur, ce qui est suffisant pour que la région p±

établisse un bon contact ohmique avec l'électrode 86 La région p 88 b a une épaisseur de l'ordre de 50 à 500 angstrôms et sert à établir un gradient de potentiel aux bornes du

dispositif pour faciliter la collecte des paires électrons-

trous induites photoélectriquement sous forme de courant électrique La couche p+ 88 a et la région p 88 b peuvent être déposées à partir de l'un quelconque des mélanges gazeux

précédemment mentionnés pour le dépôt de ce matériau.

On dépose ensuite un corps en un alliage de silicium amorphe intrinsèque 90 au-dessus de la première couche dopée 88 Le corps intrinsèque 90 comprend une première couche 90 a adjacente à la première couche dopée 88 et une seconde

couche 90 b La première couche intrisèque 90 a est relative-

ment mince, de l'ordre de 500 angstrôms, et elle est déposée à partir d'un matériau de départ non décapant tel que du gaz de silane (Si H 4) La seconde couche intrinsèque 90 b est relativement épaisse, de l'ordre de 4500 A, et elle est déposée à partir de tétrafluorure de silicium et d'hydrogène et/ou de silane Du fait de la présence de la première couche intrinsèque, les espèces du plasma dissociées du tétrafluorure de silicium ne sont pas exposées à un matériau dopé préalablement déposé provoquant un décapage et un nouveau dépôt La jonction formée entre la première couche dopée 88 et le corps intrinsèque ne comprend donc pas de région étroite en matériau nocif présentant une forte densité

d'états, des gradients de potentiel ou des phases mélangées.

Cependant, la majeure partie du corps intrinsèque contient l'alliage de silicium amorphe préféré qui est compensé avec

du fluor o est engendrée la majorité des paires d'électrons-

trous il en découle une augmentation du courant de court-

circuit du dispositif par les effets combinés de la jonction

propre entre la première couche dopée 88 et le corps intrin-

sèque 90 et la partie qui engendre les électrons-trous et

qui est constituée essentiellement par un alliage de sili-

cium amorphe et de fluor.

Une autre couche dopée 92 dont la conductivité est opposée à celle de la première couche dopée 88 est déposée

sur le corps intrinsèque 90, contre la seconde couche intrin-

sèque 90 b Elle comprend une région de conductivité N 92 a et une région de conductivité n+ 92 b La région N et la région n+ sont déposées à partie de l'un quelconque des mélanges de gaz auxquels il a été précédemment fait référence pour le dépôt de ce matériau La région N 92 a est déposée jusqu'à ce

que son épaisseur soit comprise entre 50 et 500 angstr 5 ms.

La région n+ 92 b est déposée jusqu'à ce que son épaisseur soit comprise entre 50 et 150 angstr 3 ms, pour constituer une

couche de contact.

On dépose ensuite sur la seconde couche dopée 92 une couche d'oxyde conducteur transparent (OCT) 94 La couche OCT 94 peut être déposée dans un environnement de dépôt de vapeur et elle peut être constituée par exemple par de l'oxyde d'indium et d'étain (OIT), de stannate de cadmium

(Cd 2 Sn O 4), ou de l'oxyde-d'étain dopé (Sn O 9.

Une électrode à grille 96 réalisée en un métal de bonne conductivité electrique est déposée sur la surface de la couche OCT 94 La grille peut être constituée par des lignes

reliées orthogonalement de matériau conducteur n'occupant -

qu'une partie mineure de la surface de la région métallique, et dont le reste doit être exposé à l'énergie solaire -A titre d'exemple, la grille 96 peut n'occuper que de 5 à 10 %

de la totalité de la surface de la région-métallique 152.

L'électrode à grille 96 collecte de façon-uniforme le courant

provenant de la couche OCT 94 de manière à conférer au -

dispositif une bonne résistance série de bas niveau.

Pour terminer le dispositif 80, on applique une couche anti-reflet (AR) 98 sur l'électrode à grille 96 et sur les surfaces de la couche OCT 94 situées entre les régions laissées libres par l'électrode à grille La couche AR 98 comprend une surface d'incidence des radiations solaires 100 sur laquelle viennent frapper les radiations solaires Par exemple, la couche AR 98 peut avoir une épaisseur de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde du point d'énergie maximal du spectre des radiations solaires, divisé par quatre fois l'indice de réfraction de la couche antireflet 98 Une couche AR 98 appropriée peut être constituée par de l'oxyde de zirconium ayant une épaisseur d'environ 500 A et un

indice de réfraction de 2,1.

Le courant de court-circuit du dispositif est également

amélioré du fait que les première et seconde couches intrin-

sèques 90 a et 90 b ont des intervalles de bande différents.

L'intervalle de bande de-la couche 90 a qui est un alliage de silicium amorphe et d'hydrogène, est d'environ 1,6-à 1,7 ev, alors que l'intervalle de bande de la couche 90 b qui est un alliage de silicium amorphe et de fluor est d'environ 1,7 à

1,8 ev Il en résulte que l'intervalle de bande de la secon-

de couche intrinsèque 90 b est plus important que l'intervalle de bande de la première couche intrinsèque 90 a Ceci permet d'utiliser de façon plus efficace l'énergie solaire incidente

dans le but d'engendrer et de collecter des paires d'électrons-

trous. Il est possible de régler l'intervalle de bande des

couches intrinsèques 90 a et 90 b en vue d'obtenir des caracté-

ristiques photosensibles spécifiques Par exemple, on peut incorporer dans la première couche intrinsèque 90 a un ou plusieurs éléments qui réduisent l'intervalle de bande, tel que du germanium, de l'étain ou du plombe en vue de diminuer son intervalle de bande (voir par exemple le brevet US i O 4 342 044 délivré aux noms de Stanford R Ovshinsky et de Masatsugu Izu le 27 Juillet 1982 et intitulé n Method for Optimizing Photoresponsive Amorphous Alloys and Devicesl' "Procédé pour optimaliser des alliages et des dispositifs amorphes photosensibles") On peut obtenir ce résultat en introduisant par exemple du gaz de germane (Ge H 4) dans le mélange gazeux à partit duquel est déposée la couche 90 a On peut également y incorporer un ou plusieurs éléments qui augmentent l'intervalle de bande, tels que de l'azote ou du carbone, dans la seconde couche intrinsèque 90 b, pour en augmenter la largeur (voir par exemple la demande de brevet US associée n 206 476 déposée au nom de Stanford R Ovshinsky le 13 Novembre 1980 et intitulée "Method for Increasing the Band Gap in Photoresponsive Amorphous Alloys and Devices" "Procédé pour augmenter l'intervalle de bande d'alliages et de dispositifs amorphes photosensibles") On peut obtenir ce résultat en introduisant par exemple du gaz d'ammoniac (NH 3) ou du gaz de méthane (CH 4) dans le mélange gazeux à partir

duquel est déposée la couche 90 b.

Pour obtenir un plein avantage des dispositifs nouveaux et perfectionnés de la présente invention, il est très souhaitable de régler les épaisseurs de la première et de la seconde couches intrinsèques 90 a et 90 b en vue de faire coincider leurs chutes de potentiel respectives au niveau de leur interface On peut apporter la démonstration de ceci par référence à la figure 4 qui représente les courbes de potentiel de l'alliage de silicium amorphe-hydrogène et de l'alliage silicium amorphe- fluore-hydrogène dans leur région

de charge d'espace crée par une barrière de Schottky 102.

La largeur de la zone d'épuisement de l'alliage silicium amorphehydrogène est représentée par W 1 et la largeur de la zone d'épuisement de l'alliage silicium amorphe-fluor est représentée par W 2 On notera que pour une épaisseur d 1 de la première couche d'alliage intrinsèque a-Si:H, la chute de

potentiel résultante-est représentée par un point 104.

L'épaisseur appropriée de la seconde couche d'alliage intrin-

sèque a-Si:F est déterminée par l'interception de la courbe du potentiel de a-Si:F par la chute de potentiel définie par le point 104 Le résultat est le point 106 L'épaisseur de la couche d'alliage intrinsèque a-Si:F doit être suffisante pour s'étendre du point 106 jusqu'à l'extrémité de la largeur de la zone d'épuisement De ce fait, l'épaisseur de la seconde couche intrinsèque doit être de d 2 pour être adaptée à la chute de potentiel de la première couche d'alliage intrinsèque. Si on se réfère maintenant à la figure 5, celle-ci représente un autre dispositif 110 mettant en oeuvre la présente invention Le dispositif 110 est semblable au dispositif de la figure 3, sauf que la configuration du substrat est différente et que les couches de type p et n sont inversées Le substrat 112 du dispositif 110 peut Etre du verre ou de l'acier inoxydable par exemple, et une couche

réfléchissante 114 est déposée sur lui La couche réfléchis-

sante 114 peut être déposée en ayant recours à l'un quelcon-

que des procédés précédemment indiqués pour réaliser une couche de ce type, et elle peut être formée à partir d'argent,

d'aluminium ou de cuivre par exemple.

Une première couche dopée 116 dont la conductivité est n+, comme illustré, est déposée sur la couche réfléchissante

114 La couche n+ 116 peut incorporer un élément qui augmen-

te l'intervalle de bande, tel que de l'azote ou du carbone, de manière à former une couche n+ à large intervalle de bande. Un corps intrinsèque 118 est déposé sur la couche n+ 116, et comme pour le corps intrinsèque 90 du dispositif 80,

il comporte une première couche d'alliage intrinsèque amor-

phe Si:H 118 a formée à partir d'un matériau de départ non décapant tel que du silane, et une seconde couche d'alliage

intrinsèque amorpne 118 b qui est différente par sa composi-

tion de la première couche 118 a De préférence, la seconde

couche intrinsèque 118 b est un alliage amorphe de silicium-

fluor, dont l'épaisseur est telle que la chute de potentiel de la couche 118 b coïncide avec la chute de potentiel de la

couche 118 a.

Une autre couche dopée 120 dont la conductivité est opposée à celle de la première couche dopée 116 est déposée sur le corps intrinsèque 118 Il en résulte que la seconde

couche dopée 120 a une conductivité p+, et qu'elle est -

constituée de préférence par une couche p+ à large intervalle

de bande et incorporant du carbone et/ou de l'azote.

On termine le dispositif en formant une couche OCT 122 sur la couche p+ 120, une électrode à grille 124 sur la couche OCT 122, et une couche antireflet 126 Ces opérations peuvent être réalisées de la manière décrite avec référence

au dispositif 80 de la figure 3.

Comme dans le cas du mode de réalisation précédent, les

intervalles de bande de l'une ou des deux couches-intrinsè-

ques 118 a et 118 b peuvent être réglés en vue d'obtenir une

caractériqtique photosensible particulère, avec incorpora-

tion dans les couches d'éléments qui augmentent ou diminuent l'intervalle de bande La couche p+ 120 et la couche n+ 116 peuvent également être inversées de manière que la couche p+ soit contre le substrat et que la couche n+ soit contre la

seconde couche intrinsèque 118 b.

A titre d'autre variante, l'intervalle de bande du corps intrinsèque 118 peut être graduel de manière à augmenter graduellement à partir de l'interface situé entre la première couche dopée 116 et la première couche intrinsèque 118 a jusqu'à l'autre couche dopée 120 (voir par exemple la demande de brevet US associée n 306 579 déposée aux noms de Stanford

R Ovshinsky et de David Adler le 13 Novembre 1980 et intitu-

lée "Methods for Grading the Band Gaps of Amorphous Alloys and Devices" "Procédé pour rendre graduels les intervals de bande d'alliages et de dispositifs amorphes") Par exemple, lorsque les première et seconde couches intrinsèques 118 a et 118 b sont déposées, on peut incorporer dans les alliages et

selon une concentration diminuant graduellement un ou plu-

sieurs éléments qui diminuent l'intervalle de bande, tels que du germanium, de l'étain ou du plomb On peut introduire par exemple du gaz de germane (Ge H 4) dans la chambre de dépôt par décharge luminescente à partir d'une concentration relativement élevée au début et diminuant graduellement ensuite à mesure que les couches intrinsèques sont déposées,

jusqu'à un point o il est mis fin à cette introduction.

Le corps intrinsèque qui en résulte contient donc un élément qui réduit l'intervalle de bande, tel que du germanîum, selon des concentrations qui diminuent graduellement à partir de l'interface de la première couche intrinsèque 118 et la première couche dopée 116 en direction de la seconde

couche dopée 120.

Si on se réfère maintenant à la figure 6, celle-ci montre que l'on peut utiliser un nombre quelconque de couches intrinsèques pour former le corps intrinsèque Dans ce cas,' un dispositif 130 comprend un substrat 132 formé à partir

d'un métal de bonne conductivité tel que de l'acier inoxy-

dable Une couche p+ 134 est déposée sur le substrat Un corps intrinsèque 136 est formé sur-la couche p+ 134, et une couche n+ 138 est déposée sur le corps intrinsèque Le dispositif est terminé par formation d'une couche OTC 140, une grille formant électrode 142 et une couche anti-reflet 144.

Le corps intrinsèque 136 comprend trois couches intrinsè-

ques d'alliage de silicium amorphe 136 a, 136 b et 136 c La première couche intrinsèque 136 a est déposée à partir d'un matériau de départ non décapant, tel que du silane, pour former un alliage a-Si:H La seconde couche intrinsèque 136 b et la troisième couche intrinsèque 136 c sont de préférence constituées par des alliages de a-Si:F De préférence, on choisit l'épaisseur des couches-intrinsèques 136 a, 136 b et 136 c de manière que la chute de potentiel de la couche 136 b coïncide avec la chute de potentiel de la couche 136 a, et que la chute de potentiel de la couche 136 c coïncide avec la chute de potentiel de la couche 136 b On peut réaliser ce

-18318

choix de la manière décrite pour les courbes de potentiel de

la figure 4.

On peut régler les intervalles de bande des trois couches

intrinsèques de la manière précédemment décrite Le disposi-

tif 130 ayant une surface d'incidence d'énergie radiante 146, on peut augmenter l'intervalle de bande de la troisième couche 136 c en incorporant par exemple de l'azote ou du carbone dans cftte couche 136 c L'intervalle de bande de la

seconde couche intrinsèque 136 b peut être soit son interval-

le de bande intrinsèque d'environ 1,9 ev, soit un intervalle de bande légèrement diminué par incorporation de germanium,

d'étain ou de plomb On peut diminuer plus fortement l'inter-

valle de bande de la première couche intrinsèque 136 a en y incorporant des pourcentages plus élevés d'un ou plusieurs éléments qui réduisent l'intervalle de bande, tel que du

germanium, de l'étain ou du plomb.

Si on se réfère maintenant à la figure 7, celle-ci représente un disposit if tl cellules multiples 150 vu en coupe et disposé selon une configuration en tandem Le

dispositif 150 comprend deux cellules unitaires individuel-

les 152 et 154 dispo E es en série par mise en oeuvre de la prdsenteinvention On comprendra que l'on puisse utiliser plus de deux de ces cellules unitaires individuelleso Le dispositif 150 comprend un substrat 156 formé à partir d'un métal a bonne conductivité électrique tel que de l'acier inoxydable ou de l'aluminium La première cellule unitaire 152 comprend une première couche d'alliage de silicium amorphe dopé de type p+ 158 déposée sur le substrat

156 La couche p+ peut être déposée à partir de l'un quelcon-

que des matériaux de départ précédemment mentionnés pour le

dép 8 t de ce matériau.

Un premier corps en un alliage intrinsèque de silicium amorphe 160 est déposé sur la couche p+ Le premier corps en alliage intrinsèque 160 comprend, en accord avec la présente invention, une première couche intrinsèque 160 a et une

seconde couche intrinsèque 160 b La première couche intrin-

sèque 160 a est déposée à partir d'un matériau de départ non décapant tel que du silane La seconde couche intrinsèque b est déposée à partir d'un matériau de départ différent et est de préférence un alliage de silicium amorphe et de fluor On choisit de préférence l'épaisseur de la seconde couche 160 b de manière à adapter la chute de tension de la couche 160 b à la chute de tension de la couche 160 a - Une autre couche d'alliage de silicium amorphe dopé 162 est déposée sur la seconde couche intrinsèque 160 b Sa conductivité est opposée à la conductivité de la première

couche dopée 158 et constitue donc une couche n+.

La seconde cellule unitaire 154 est essentiellement identique et comprend une première couche dopée p+ 164, un

corps intrinsèque 166 comportant une première couche intrin-

seque 166 a et une seconde couche intrinsèque 166 b dont les chutes de potentiel sont adaptées l'une à l'autre, et une autre couche dopée n+ 168 Le dispositif 150 est terminé par une couche OCT 170, une électrode formant grille 172 et une

couche anti-reflet 174.

Comme dans le cas du dispositif précédemment décrit, il est possible d'inverser le type de conductivité des couches

dopées respectives De même, la couche dopée 168 peut égale-

ment être constituée par une couche dopée à large intervalle de bande en y introduisant un ou plusieurs éléments qui augmentent l'intervalle de bande tel que de l'azote ou du

carbone, de la manière précédemment décrite.

Les intervalles de bande des couches intrinsèques sont de préférence réglés de manière que l'intervalle de bande de la couche 166 b soit plus important que l'intervalle-de bande de la couche 166 a, que V'intervalle de bande de la couche 166 a soit plus important que l'intervalle de bande de la couche 166 b, et que l'intervalle de bande de la couche 160 b soit plus important que l'intervalle de bande de la couche a A cette fin, la couche de formation d'alliage 166 b peut comprendre un ou plusieurs éléments qui augmentent

l'intervalle de bande, tel que de l'azote ou du carbone.

Pour obtenir une concentration plus faible, la couche de formation d'alliage 166 a peut également comprendre un ou plusieurs éléments qui augmentent l'intervalle de bande Les

alliages intrinsèques formant les couches intrinsèques 160 b-

et 160 a peuvent comprendre un ou plusieurs éléments qui diminuent l'intervalle de bande, tel que du germanium, de l'étain ou du plomb La concentration dans la couche de formation d'alliage 160 a du ou des éléments qui réduisent l'intervalle de bande est plus forte que la concentration de ces éléments dans l'alliage de la couche 160 b Naturellement,

quand on règle les intervalles de bande des couches intrinsè-

ques 166 b, 166 a, 160 b et 160 a dans l'ordre mentionné ci-

dessus, il peut être souhaitable de ne pas régler l'une des couches d'alliage intrinsèque située au milieu du dispositif,

et dans ce cas la couche 160 b ou 166 a.

On peut déduire de la figure que chaque seconde couche intrinsèque de chaque cellule unitaire est plus épaisse que sa première couche intrinsèque correspondante, pour obtenir l'adaptation des chutes de potentiel On peut également voir qu'aussi bien la première que la seconde couche intrinsèques de la cellule unitaire 154 sont plus minces que les première et seconde couches intrinsèques correspondantes de la cellule unitaire 152 Ceci permet d'utiliser, en vue de la génération

de paires d'électrons-trous, la totalité du spectre utilisa-

ble de l'énergie solaire.

Bien qu'un mode de réalisation à cellules en tandem dit été représenté et décrit ici, les cellules unitaires peuvent être également isolées les unes des autres par des couches

d'oxyde par exemple, de manière à former une cellule multi-

ple empilée Chaque cellule pourrait comprendre une paire d'électrodes collectrices pour faciliter la liaison en série

des cellules avec le câblage externe.

A titre d'autre variante et comme mentionné avec référence aux cellules individuelles précédemment décrites, un ou plusieurs des corps intrinsèques des cellules unitaires peuvent comprendre des alliages dont les intervalles de bande sont amenées à varier graduellement Dans ce but, on

peut incorporer dans les alliages intrinsèques l'un quelcon-

que ou plusieurs des éléments précédemment mentionnés qui augmentent ou diminuent l'intervalle de bande On peut également faire référence à la demande de brevet US associée n O 206 579 déposée aux noms de Stanford R Ovshinsky et de David Adler le 13 Novembre 1980 et intitulée "Multiple Cell Photoresponsive Amorphous-Alloys and Devices" (Alliages et

dispositifs amorphes photosensibles à cellules multiples).

Pour chaque mode de réalisation de l'invention qui est décrit ici, les couches d'alliage autres que les couches d'alliages intrinsèques peuvent ne pas être des couches

amorphes et être par exemple des couches polycristallines.

(Le terme de "amorphe" désigne ici un alliage ou un matériau présentant un désordre de grande amplitude, bien qu'il puisse comporter un ordre court ou intermédiaire ou même

contenir parfois quelques inclusions cristallines).

Des modifications et variantes peuvent être apportées à la présente invention, dans le cadre de l'enseignement décrit ci-dessus On comprendra donc que l'invention puisse être mise en oeuvre de façon différente de celles qui ont été spécifiquement décrites à condition de rester dans le

cadre des revendications annexées.

Claims (17)

REVENDICATIONS

1 Dispositif photovoltalque formé à partir de couches multiples d'alliages semiconducteurs déposés sur un substrat, et qui fournit un courant de court-circuit plus fort, ledit

dispositif comprenant une première couche d'alliage semicon-

ducteur dopé déposée sur ledit substrat, un corps en un alliage semiconducteur amorphe intrinsèque déposé sur ladite couche dopée, et une autre couche d'alliage semiconducteur dopé déposée sur ledit corps intrinsèque et qui est de conductivité opposée à celle de la ladite couche d'alliage

semiconducteur amorphe dopé premièrement mentionnée, carac-

térisé en ce que: ledit corps intrinsèque ( 90, 118, 136, 160, 166) comprend une première couche ( 90 a, 118 a, 136 a, 160 a, 166 a) adjacente à ladite couche dopée formée par dép 8 t d'un matériau de départ non décapant, et ledit corps intrinsèque comprend également une seconde couche intrinsèque ( 90 b, 118 b, 136 b, 160 b, 166 b) dont la composition est différente de celle de ladite première couche. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune desdites première ( 9 Oa, 118 a, 136 a, 160 a, 166 a) et seconde ( 90 b, 118 b, 136 b, 160 b, 166 b) couches d'alliage intrinsèque a un intervalle de bande, l'intervalle de bande de la seconde couche d'alliage intrinsèque étant différent de l'intervalle de bande de la première couche

d'alliage intrinsèque.

3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en

ce que l'intervalle de bande de ladite seconde couche d'allia-

ge intrinsèque ( 90 b, 118 b, 136 b, 160 b, 166 b) est plus impor-

tant que l'intervalle de bande de ladite première couche

d'alliage intrinsèque ( 90 a, 118 a, 136 a, 160 a, 166 a).

4 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3,

caractérisé en ce qu'au moins l'une desdites couches d'allia-

ge semiconducteur dopé ( 88, 92, 116, 120, 134, 138, 158,

162, 164, 168) est polycristalline.

Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3,

caractérisé en ce que lesdites couches d'alliage semiconduc-

teur dopé ( 88, 92, 116, 120, 134, 138, 158, 162, 164, 168)

sont amorphes.

6 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit corps d'alliage-intrinsèque ( 90, 118, 136, 160, 166) a un intervalle de bande, ledit intervalle de bande variant à partir de l'interface de ladite première couche d'alliage dopé ( 88, 116, 134, 158, 164) et ladite première couche d'alliage intrinsèque ( 90 a, 118 a, 136 a, 160 a, 166 a) jusqu'à ladite autre couche d'alliage dopé ( 92, 120, 138,

, 166).

7 Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en

ce que ledit intervalle de bande augmente à partir de l'inter-

face de ladite première couche d'alliage dopé ( 88, 116, 134, 158, 164) et la première couche d'alliage intrinsèque ( 90 a,

118 a, 136 a, 160 a, 166 a) jusqu'à ladite autre couche d'allia-

ge dopé ( 92, 120, 138, 162, 168).

8 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdites couches d'alliage dopé ( 88, 92, 116, 120,

134, 138, 158, 162, 164, 168) et d'alliage amorphe intrinsè-

que ( 90 a, 90 b, 118 a, 118 b, 136 a, 136 b, 160 a, 160 b, 166 a,

166 b) comprennent au moins du silicium.

9 Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que ladite seconde couche d'alliage de silicium amorphe intrinsèque ( 90 b, 118 b, 136 b, 16 Db, 166 b) comprend au moins un élément réducteur de-la densité des états, cet élément

étant du fluor.

Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la seconde couche intrinsèque ( 90 b, 118 b, 136 b, 160 b, 166 b) a une épaisseur prédéterminée pour s'adapter à la cnute de potentiel de ladite première couche intrinsèque

( 90 a, 118 a, 136 a, 160 a, 166 a).

11 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite première couche intrinsèque ( 90 a, 118 a, 136 a, 160 a, 166 a) est relativement mince par comparaison avec l'épaisseur de ladite seconde couche intrinsèque ( 90 b, 118 b,

136 b, 160 b, 166 b).

12 Dispositif photovoltaique à cellules multiples

formées à partir de couches multiples d'alliages semiconduc-

teurs amorphes déposées sur un substrat, ledit dispositif

comprenant plusieurs cellules unitaires individuelles dispo-

sées en série, chacune desdites cellules unitaires indivi-

duelles comprenant une première couche d'alliage semiconduc- teur amorphe dopé, un corps en un alliage semiconducteur amorphe intrinsèque déposé sur ladite couche dopée, une autre couche d'alliage semiconducteur amorphe dopé déposée sur ledit corps intrinsèque et de conductivité opposée à celle de la couche d'alliage semiconducteur amorphe dopé premièrement mentionné, caractérisé en ce que: ledit corps intrisèque ( 90, 118,-136, 160, 166) comprend une première couche ( 160 a, 166 a) adjacente à ladite couche dopée formée par dépôt d'un matériau de départ non décapant, et ledit corps intrinsèque comprend également une seconde

couche intrinsèque ( 160 b, 166 b) différente par sa composi-

tion de ladite première couche.

13 Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que chacune desdites première ( 160 a, 166 a) et seconde ( 160 b, 166 b) couches d'alliage intrinsèque de chacune desdites cellules unitaires ( 152, 154) a un intervalle de bande,

l'intervalle de bande de la seconde couche d'alliage intrin-

sèque d'une cellule unitaire donnée étant plus important que

2 _ l'intervalle de bande de la première couche d'alliage intrin-

sèque de ladite cellule unitaire donnée.

14 Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que ladite seconde couche intrinsèque ( 160 b, 166 b) de

chacune desdites cellules unitaires ( 152, 154) a une épais-

seur prédéterminée pour adapter la chute de potentiel de chaque seconde couche intrinsèque à la chute de potentiel de cnaque première couche intrinsèque correspondante ( 160 a,

166 a).

Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que lesdites premières couches intrinsèques ( 90 a, 118 a, 136 a, 160 a) sont relativement mince-par comparaison avec l'épaisseur desdites secondes couches intrinsèques ( 90 b,

118 b, 136 b, 160 b).

3.2 16 Procédé de fabrication d'un dispositif photovoltaïque comprenant des couches multiples d'alliages semiconducteurs amorphes déposées sur un substrat, ledit procédé comprenant

le fait de déposer une première couche d'alliage semiconduc-

teur amorphe dopé sur ledit substrat, déposer un corps constitué par une couche d'alliage semiconducteur amorphe intrinsèque sur ladite première couche dopée, et déposer une autre couche d'alliage semiconducteur amorphe dopé sur ladite couche intrinsèque à partir d'un matériau de départ dopant qui rend ladite autre couche dopée de conductivité

opposée à celle de ladite première couche-d'alliage semicon-

ducteur amorphe dopé, caractérisé en ce que: le fait de déposer ladite couche intrinsèque comprend le dépôt d'une première couche d'alliage semiconducteur amorphe intrinsèque sur ladite couche dopée à partir d'un matériau de départ non décapant, et le dépôt d'une seconde couche d'alliage semiconducteur amorphe intrinsèque sur ladite première couche intrinsèque à partir d'un matériau de départ qui est différent par sa

composition dudit matériau de départ non décapant.