FR2464565A1 - Laser treatment of semiconductor material - uses low and high power dosages to crystallise or anneal controlled thickness of amorphous structure, grown on non-crystalline substrate - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE LES PILES SOLAIRES AU SILICIUM AMORPHE. ELLE SE RAPPORTE A UNE PILE SOLAIRE A HETEROJONCTION, DU TYPE COMPORTANT UNE COUCHE DE TYPE N, UNE COUCHE INTRINSEQUE ET UNE COUCHE DE TYPE P. SELON L'INVENTION, L'UNE DES COUCHES AU MOINS EST FORMEE DE CARBURE DE SILICIUM AMORPHE. LA PENETRATION DE LA LUMIERE EST AINSI FACILITEE DANS LA PILE. APPLICATION AUX PILES SOLAIRES PHOTOVOLTAIQUES.THE INVENTION CONCERNS AMORPHIC SILICON SOLAR BATTERIES. IT RELATES TO A HETEROJUNCTION SOLAR BATTERY, OF THE TYPE INCLUDING AN N-TYPE LAYER, AN INTRINSIC LAYER AND A P-TYPE LAYER. ACCORDING TO THE INVENTION, AT LEAST ONE OF THE LAYERS IS FORMED OF AMORPHIC SILICON CARBIDE. THE PENETRATION OF LIGHT IS THUS EASIER IN THE BATTERY. APPLICATION TO PHOTOVOLTAIC SOLAR BATTERIES.
Description
La présente invention concerne des structures convenant à la fabrication de piles solaires et reposant sur la mise en oeuvre d'hétérojonctions formées entre des matières amorphes ayant des bandes interdites différentes, par exemple le silicium amorphe et les alliages amorphes de silicium et de carbone. The present invention relates to structures suitable for the manufacture of solar cells and based on the implementation of heterojunctions formed between amorphous materials having different forbidden bands, for example amorphous silicon and amorphous alloys of silicon and carbon.
Des documents publiés indiquent qu'on peut obtenir une amélioration des propriétés photovoltalques par utilisation d'hétérostructures. Un exemple est un dispositif dans lequel la couche avant (couche fenêtre) est formée d'une matière ayant une bande interdite relativement large et ainsi relativement transparente aux radiations de longueurs d'onde relativement faibles. Un autre avantage de cette configuration de dispositif est la réduction du courant inverse de saturation et ainsi l'amélioration de la tension en circuit ouvert. D'autres améliorations des propriétés des dispositifs peuvent aussi être obtenues par utilisation d'une hétérojonction formée à la jonction arrière et créant un champ inverse qui augmente le rendement de collecte des porteurs.Une autre configuration est telle que la bande interdite d'une ou plusieurs des couches du dispositif varie progressivement et facilite la réduction du désaccord à l'interface de la jonction avec en outre formation d'un gradient de potentiel dans des parties de la pile, si bien que la collecte des porteurs est encore améliorée. Published documents indicate that an improvement in photovoltaic properties can be obtained by using heterostructures. An example is a device in which the front layer (window layer) is formed of a material having a relatively wide band gap and thus relatively transparent to radiation of relatively short wavelengths. Another advantage of this device configuration is the reduction of the saturation reverse current and thus the improvement of the open circuit voltage. Other improvements in the properties of the devices can also be obtained by using a heterojunction formed at the rear junction and creating a reverse field which increases the collection efficiency of the carriers. Another configuration is such as the band gap of one or more several of the layers of the device vary gradually and facilitate the reduction of the detuning at the interface of the junction with, moreover, the formation of a potential gradient in parts of the stack, so that the collection of carriers is further improved.
Les piles solaires photovoltaiques mettant en oeuvre du silicium amorphe ont été décrites en détail dans la littérature. Des dispositifs mettent en oeuvre par exemple des structures à barrière de Schottky ou à jonction p-i-n comme représenté sur les figures 1 et 2 des dessins annexés qui sont des coupes schêmatiques de dispositifs connus. Dans ces deux cas, un inconvénient des piles est la faible distance de diffusion qui limite la collecte des porteurs vers les régions du dispositif ayant un champ électrique. Une autre restriction est due à la perte-de radiations par absorption dans la couche supérieure p ou n dans les piles p-i-n, ou dans la couche métallique dans les piles à barrière de Schottky.Les couches de la fenêtre avant de ces dispositifs ont été réalisées sous une forme très mince, afin que ces pertes soient réduites, mais la résistance transversale est alors élevée. Photovoltaic solar cells using amorphous silicon have been described in detail in the literature. Devices use, for example, Schottky barrier or p-i-n junction structures as shown in Figures 1 and 2 of the accompanying drawings which are schematic sections of known devices. In these two cases, a drawback of the batteries is the short diffusion distance which limits the collection of carriers to the regions of the device having an electric field. Another restriction is due to the loss of radiation by absorption in the upper layer p or n in the pin cells, or in the metal layer in the Schottky barrier cells. The layers of the front window of these devices have been produced. in a very thin form, so that these losses are reduced, but the transverse resistance is then high.
L'invention remédie à ces inconvénients par mise en oeuvre de structures de dispositifs à base d'hétérojonctions de silicium amorphe et d'alliage amorphe de silicium et de carbone. Le carbure de si licium amorphe # Six, dans lequel x est compris en- tre 0 et 1, forme une série continue de solutionssolides ayant une bande interdite qui augmente lorsque x diminue, cette bande interdite atteignant au maximum 2,6 eV environ pour une valeur de x de l'ordre de 0,38. Cette matière est ainsi plus transparente à la lumière visible et du proche infrarouge que le silicium amorphe dur et convient donc bien pour la formation d'une fenêtre, lorsqu'elle est convenablement dopée ; elle forme en outre une hétérojonction de structure C1 Si a/Sia. The invention overcomes these drawbacks by using device structures based on heterojunctions of amorphous silicon and of amorphous silicon and carbon alloy. The amorphous silicon carbide # Six, in which x is included between 0 and 1, forms a continuous series of solid solutions having a forbidden band which increases when x decreases, this forbidden band reaching at most 2.6 eV for a value of x of the order of 0.38. This material is thus more transparent to visible and near infrared light than hard amorphous silicon and is therefore very suitable for the formation of a window, when it is suitably doped; it also forms a heterojunction of structure C1 Si a / Sia.
Ainsi, l'invention concerne une pile solaire au silicium amorphe ayant une première couche de type p, une couche de silicium amorphe intrinsèque, et une couche de type n, les couches de type p ou n étant formées de carbure de silicium amorphe. Thus, the invention relates to an amorphous silicon solar cell having a first p-type layer, an intrinsic amorphous silicon layer, and an n-type layer, the p or n type layers being formed of amorphous silicon carbide.
L'invention concerne aussi une pile solaire au silicium amorphe, comprenant une couche supérieure de carbure de silicium C1 xSix amorphe de type p, une couche intermédiaire de silicium amorphe non dopé (intrinsèque) et une couche inférieure de-silicium amorphe de type n, sur un substrat convenable. The invention also relates to an amorphous silicon solar cell, comprising an upper layer of amorphous silicon carbide C1 xSix p-type, an intermediate layer of undoped (intrinsic) amorphous silicon and a lower layer of n-type amorphous silicon, on a suitable substrate.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels, les figures 1 et 2 ayant déjà été décrites
- la figure 3 représente une première hétérostructure de pile solaire selon l'invention ; et
- les figures 4 à 7 représentent des structures de piles solaires selon l'invention.Other characteristics and advantages of the invention will emerge more clearly from the description which follows, given with reference to the appended drawings in which, FIGS. 1 and 2 have already been described.
- Figure 3 shows a first heterostructure of solar cell according to the invention; and
- Figures 4 to 7 show structures of solar cells according to the invention.
Le dispositif représenté sur la figure 3 et comprenant successivement une couche de C ,xSixa de type p, une couche de silicium a intrinsèque et une couche de silicium a de type n sur un substrat de verre, de métal ou de matière plastique, peut être fabriqué de la manière suivante. The device represented in FIG. 3 and successively comprising a layer of C, xSixa of type p, a layer of intrinsic silicon a and a layer of silicon of type n on a glass, metal or plastic substrate, can be manufactured in the following manner.
Un substrat convenable de verre ou de matière plastique peut être utilisé avec un revêtement conducteur appliqué par exemple par dépôt sous vide, par exemple par pulvérisation cathodique ou par dépôt chimique en phase vapeur sur une structure métallique. A suitable glass or plastic substrate can be used with a conductive coating applied for example by vacuum deposition, for example by sputtering or by chemical vapor deposition on a metal structure.
Une couche de silicium amorphe dopé de type n est déposée par décharge luminescente, à une température comprise entre 250 et 4000C. Une matière avantageuse de dopage est le phosphore. Dans une variante, on peut aussi utiliser l'arsenic ou l'azote. L'épaisseur de la couche est de préférence inférieure à 0,1 micron. Cette couche est de préférence dopée afin que sa conductivité soit d'au moins 10 3 S/cm. A n-type doped amorphous silicon layer is deposited by glow discharge, at a temperature between 250 and 4000C. An advantageous doping material is phosphorus. Alternatively, arsenic or nitrogen can also be used. The thickness of the layer is preferably less than 0.1 micron. This layer is preferably doped so that its conductivity is at least 10 3 S / cm.
La seconde couche est formée de silicium amorphe non dopé, déposé aussi par décharge luminescente à une température comprise entre 250 et 4000C. Une épaisseur avantageuse est comprise entre 0,5 et 1 micron. The second layer is formed of undoped amorphous silicon, also deposited by glow discharge at a temperature between 250 and 4000C. An advantageous thickness is between 0.5 and 1 micron.
La couche supérieure est une couche de carbure de silicium amorphe dopé de type p. Elle est déposée par décharge luminescente avec un mélange de silène, d'un hydrocarbure tel que l'éthylène, et de diborane
B2H6, dans une décharge dans un plasma à une température comprise ,entre 250 et 4000C. D'autres matières convenables de dopage, assurant la formation d'une ma tière de type p, conviennent aussi. L'opération est destinée à former une couche qui est conductrice et cependant plus transparente que le silicium dopé par le bore, et aussi, étant donné la plus grande bande interdite, il se forme une hétérostructure qui accroit la tension en circuit ouvert.The top layer is a p-type doped amorphous silicon carbide layer. It is deposited by glow discharge with a mixture of silene, a hydrocarbon such as ethylene, and diborane
B2H6, in a discharge in a plasma at a temperature between 250 and 4000C. Other suitable doping materials, ensuring the formation of p-type material, are also suitable. The operation is intended to form a layer which is conductive and yet more transparent than silicon doped with boron, and also, given the larger forbidden band, a heterostructure is formed which increases the voltage in open circuit.
Le mélange gazeux est choisi de préférence afin qu'il donne, dans le dispositif terminé, une bande interdite aussi proche que possible de la bande interdite optimale du système d'alliage de carbure de silicium, tout en étant compatible avec un dopage efficace. Une plage avantageuse de composition est telle que le paramètre x est compris entre 0,8 et 0,95, l'épaisseur de la couche étant comprise entre 100 et
o 1000 A.The gas mixture is preferably chosen so that it gives, in the finished device, a band gap as close as possible to the optimal band gap of the silicon carbide alloy system, while being compatible with effective doping. An advantageous range of composition is such that the parameter x is between 0.8 and 0.95, the thickness of the layer being between 100 and
o 1000 A.
Un autre procédé de fabrication de la couche supérieure met en oeuvre un mélange gazeux d'un silène et d'un hydrocarbure avec du trifluorure de bore BF3. Another process for manufacturing the upper layer uses a gaseous mixture of a silene and a hydrocarbon with boron trifluoride BF3.
Le rendement de dopage est accru par introduction du fluor.The doping yield is increased by the introduction of fluorine.
Une troisième possibilité est la croissance d'une couche de carbure de silicium non dopé par décharge luminescente et implantation d'ions bore dans la couche, avant un recuit thermique ou au laser. A third possibility is the growth of a layer of non-doped silicon carbide by luminescent discharge and implantation of boron ions in the layer, before thermal or laser annealing.
Dans une variante, le tétrafluorure de carbone CF4 peut être utilisé à la place de SiR2 pour l'introduction du fluor dans le système.Alternatively, carbon tetrafluoride CF4 can be used in place of SiR2 for the introduction of fluorine into the system.
La figure 5 représente un dispositif dans lequel la couche de carbure de silicium est déposée sur une couche conductrice transparente T formée par exemple d'oxyde d'étain et d'indium déposée sur un substrat de verre ou de matière plastique. Les couches intrinsèque (silicium a intrinsèque) et de type n (n+) formées par le silicium amorphe sont déposées comme décrit précédemment sur la couche de carbure de silicium et une couche M formant une électrode métallique est déposée sur la couche de type n. Le dispositif est sensible à la lumière traversant le substrat transparent. FIG. 5 shows a device in which the layer of silicon carbide is deposited on a transparent conductive layer T formed for example of tin and indium oxide deposited on a glass or plastic substrate. The intrinsic (intrinsic silicon a) and n (n +) layers formed by amorphous silicon are deposited as described above on the silicon carbide layer and a layer M forming a metal electrode is deposited on the n type layer. The device is sensitive to light passing through the transparent substrate.
Ce dispositif est avantageux parce qu'il permet la croissance de la couche de carbure de silicium de type p à une température plus élevée et le dispositif terminé est protégé de façon étanche contre l'atmosphère. This device is advantageous because it allows the growth of the p-type silicon carbide layer at a higher temperature and the finished device is sealed against the atmosphere.
Le revêtement d'oxyde d'étain et d'indium peut être utilisé pour la formation d'une couche réfléchissante.The coating of tin and indium oxide can be used for the formation of a reflective layer.
Une matière plastique qui convient pour le film est le "Kapton". A suitable plastic for the film is "Kapton".
Une variante du dispositif qui précède peut être réalisée par cristallisation de la couche déposée de carbure de silicium de type p par recuit thermique ou au laser. Dans ce mode de réalisation, la couche de carbure de silicium polycristallin peut être telle que le paramètre x est de l'ordre de 1 et il peut même s'agir de silicium polycristallin pur. A variant of the above device can be produced by crystallization of the deposited layer of p-type silicon carbide by thermal annealing or by laser. In this embodiment, the layer of polycrystalline silicon carbide can be such that the parameter x is of the order of 1 and it can even be pure polycrystalline silicon.
La figure 6 représente un autre dispositif pour pile solaire de construction analogue à celle du dispositif de la figure 3. FIG. 6 represents another device for a solar cell of construction similar to that of the device in FIG. 3.
La couche de silicium amorphe de type n est remplacée par une couche de carbure de silicium amorphe de type n placée sur la couche métallique M. De cette manière, en plus d'un certain champ inverse, le dispositif comporte une fenêtre transparente qui permet à la lumière d'être réfléchie par la couche métallique arrière M. The n-type amorphous silicon layer is replaced by a n-type amorphous silicon carbide layer placed on the metal layer M. In this way, in addition to a certain reverse field, the device has a transparent window which allows the light to be reflected by the rear metal layer M.
Une variante du dispositif de la figure 6 est telle que la transition entre la couche de carbure de silicium de type n et la couche de silicium intrinsèque a une composition variant progressivement afin que la jonction soit moins concentrée et que le champ soit élargi. A variant of the device of FIG. 6 is such that the transition between the layer of n-type silicon carbide and the layer of intrinsic silicon has a composition varying progressively so that the junction is less concentrated and that the field is widened.
En outre, on peut aussi réaliser une autre variante par combinaison progressive du carbure de silicium de typep et du silicium amorphe intrinsèque afin que la jonction soit plus régulière. Des variantes analogues peuvent aussi être utilisées avec les autres dispositifs décrits. In addition, another variant can also be produced by progressive combination of typep silicon carbide and intrinsic amorphous silicon so that the junction is more regular. Similar variants can also be used with the other devices described.
La figure 7 représente un autre dispositif convenant à la formation d'une pile solaire. La couche inférieure, au-dessus de la couche de métallisation, est soit formée de silicium amorphe de type p, soit formée de carbure de silicium amorphe de type p, et elle est suivie d'une couche intermédiaire de silicium intrinsèque puis d'une couche de silicium amorphe de type n ou elle se prolonge dans une couche de carbure de silicium amorphe de type n. Figure 7 shows another device suitable for forming a solar cell. The lower layer, above the metallization layer, is either formed of p-type amorphous silicon, or formed of p-type amorphous silicon carbide, and is followed by an intermediate layer of intrinsic silicon and then a n-type amorphous silicon layer or it extends into a n-type amorphous silicon carbide layer.
L'addition du carbure à la couche supérieure permet une meilleure pénétration et une augmentation du champ inverse, si bien que la collecte du courant est facilitée. The addition of carbide to the upper layer allows better penetration and an increase in the reverse field, so that current collection is facilitated.
D'autres applications de l'invention con cernent des structures du type C1xSix/Cl ySiy/Cl xSix, sur un substrat de verre, de métal ou de matière plastique, assurant une émission de lumière visible et pouvant avoir des applications dans les panneaux plats d'affichage. Other applications of the invention relate to structures of the C1xSix / Cl ySiy / Cl xSix type, on a glass, metal or plastic substrate, ensuring visible light emission and which may have applications in flat panels. display.
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