Conception du dispositif – Collection de porteurs minoritaires
Lors de la fabrication de cellules solaires à jonction pn ou à hétérojonction de n’importe quelle configuration, la région de masse ou de substrat du dispositif semi-conducteur est légèrement ou modérément dopée avec des impuretés tandis que la deuxième région (la partie supérieure ou « couche avant” ou la région éclairée dans une cellule de configuration standard, la partie inférieure ou inférieure du dispositif semi-conducteur est légèrement ou modérément dopée avec des impuretés une zone non éclairée dans une cellule solaire inversée et une zone mince éclairée latéralement dans une cellule solaire verticale) est fortement doper. Cette forte concentration d’impuretés est nécessaire pour réduire la résistance série de la cellule solaire et permettre un contact ohmique avec cette région. Notez que la forte concentration d’impuretés réduit la durée de vie du support et crée une « couche morte”. Cette « couche morte » n’est pas un problème dans les cellules solaires à configuration inversée ou verticale, mais est une préoccupation majeure pour les cellules solaires à configuration standard. Par conséquent, pour des raisons de coût (plus une région d’une cellule solaire est épaisse, plus le coût de fabrication est important) et, dans les cellules solaires standard, pour minimiser la largeur de la « couche morte”, il est souhaitable de maintenir cette deuxième région à une épaisseur minimale.
Du chapitre III, nous avons les expressions suivantes pour l’étendue du champ électrique de jonction dans les régions p et n d’une cellule solaire à jonction à pas pn.
où xn est la distance d’expansion de la région de charge d’espace dans la région n à partir de la jonction (prise comme x = 0), xp, est l’expansion dans la région p, ∈ est la permittivité du semi-conducteur, ND est la concentration d’impuretés dans la région n et NA est la concentration d’impuretés dans la région p. La quantité, VD, est la tension nette aux bornes de la jonction et est donnée par :
où Vp est la photovoltage et VB est la tension intégrée aux bornes de la jonction étagée et est déterminée à partir de:
où k est la constante de Boltzmann, T est la température absolue de la jonction et ni est la concentration intrinsèque de porteurs*.
Considérons une jonction d’étape pn avec NL ≫Ns #. Dans cette situation, la valeur de XL’, la largeur de charge d’espace (ou champ électrique) dans la « couche avant » sera nulle (voir Équation VI.1). Dans une cellule solaire à hétérojonction, c’est également effectivement le cas puisque la différence de largeur d’écart d’énergie pour les deux matériaux force le champ électrique à se développer uniquement dans le semi-conducteur avec l’écart d’énergie le plus faible. Dans les jonctions métal/ semi-conducteur ou métal-oxyde / semi-conducteur, le champ électrique se dilate également principalement dans la couche de substrat semi-conducteur. La valeur de Xs, la largeur de charge d’espace dans le substrat, est au plus Xs’, où :
Ici, Xs’ a été calculé en supposant une tension intégrée égale à la largeur de bande interdite du semi-conducteur et une concentration de porteuse égale à la valeur intrinsèque, ni.
Le tableau VI.2 présente une valeur de Xs’ pour les six semiconducteurs échantillons.
Tableau VI.2. L’étendue maximale du champ électrique de jonction (la couche d’épuisement ou de charge d’espace), Xs ‘
Semiconductor | Si | InP | GaAs | CdTe | AlSb | CdSe |
Xs'(cm) | 0.031 | 0,891 | 2,08 | 3,45 | 19,66 | 53,1 |
Notez que, selon les hypothèses formulées, ce champ électrique (la région de déplétion) s’étend dans le semi-conducteur dans les jonctions mos et Schottky, dans le semi-conducteur à plus petit écart d’énergie dans les hétérojonctions et dans la région du substrat légèrement dopée dans les jonctions à pas pn. Rappelons également que nous envisageons des cellules solaires ayant une épaisseur totale pratique de 150 µm *. La largeur du champ électrique indiquée dans le tableau VI.2 est suffisant pour remplir complètement la région du substrat pour toutes les cellules solaires de configuration standard, verticale et inversée. Cependant, le tableau VI.2 repose sur trois hypothèses, dont aucune ne peut être pleinement réalisée dans une cellule solaire réaliste. La première hypothèse est que le substrat est intrinsèque. En pratique, la technologie du début des années 1990 ne peut pas répondre à cette exigence. Une valeur minimale limitée à la technologie raisonnable pour Ns est de l’ordre de 1014 / cm3. De plus, pour abaisser le courant de fuite de saturation de la diode de la cellule solaire, Ns doit généralement être de l’ordre de 1015/cm3. La deuxième hypothèse est que la tension de jonction n’est que la tension intégrée de la jonction étagée et est égale à l’écart d’énergie de la jonction pn (ou à l’écart d’énergie du semi-conducteur de substrat dans une cellule solaire à barrière à hétérojonction, mos ou Schottky. En pratique, la tension de jonction est toujours inférieure à la largeur de l’espace d’énergie (voir Équation VI.3). Un troisième facteur qui doit être inclus dans toute discussion sur la largeur de la couche de déplétion du substrat est que la cellule solaire est polarisée vers l’avant, en raison de la séparation / collection des paires trou-électron. Il en résulte que la tension, VD, dans l’équation VI.2 est réduite, rapidement, vers une fraction de volt#.
Pour estimer la tension de jonction qui existe réellement dans une cellule solaire à barrière Schottky, considérez le potentiel intégré maximal, ERCBO, pour une cellule solaire à barrière Schottky. Compte tenu de cette valeur, on peut remplacer VB dans l’équation VI.2, et ainsi déterminer l’épaisseur de la couche de déplétion, pour la tension intégrée seule (c’est-à-dire pour les conditions de court-circuit), Xss:
Tableau VI.3 présente des valeurs de tensions de barrière de Schottky pour les six exemples de semi-conducteurs considérés et des métaux sélectionnés.
Tableau VI.3. Énergies de barrière métal-semi-conducteur, ϕBO, en eV pour les six exemples de semi-conducteurs (10-15)
Semi-conducteur | Si | InP | GaAs | CdTe | Les semi-conducteurs de type n sont des semi-conducteurs de type n | pt | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
pt | 0.90 | 0.60 | 0.84 | 0.76 | 0.60 | 0.37 | |||
Au | 0.80 | 0.52 | 0.90 | 0.71 | 0.51 | 0.49 | |||
Ag | 0.78 | 0.54 | 0.88 | 0.81 | 0.52 | 0.43 | |||
Al | 0.72 | 0.51 | 0.80 | 0.76 | —– | 0.36 | |||
Pd | 0.81 | 0.55 | 0.85 | 0.74 | 0.55 | 0.42 | |||
p-type semiconductor | |||||||||
Pt | —– | 0.74 | 0.48 | 0.75 | 0.58 | —– | |||
Au | 0.34 | 0.76 | 0.42 | 0.73 | 0.55 | —– | |||
Al | 0.58 | —– | 0.67 | 0.54 | —– | —– | |||
Ti | 0.61 | 0.74 | 0.53 | —– | 0.53 | —– | |||
Cu | 0.46 | — | — | 0 | 0,44 | — |
Observez que les valeurs barrières énumérées dans le tableau VI. 3 dépendent du métal, du semi-conducteur et du type de semi-conducteur. Les valeurs fournies sont toutes inférieures à un volt et sont inférieures à l’écart d’énergie.
La jonction mos est moins bien comprise que la jonction Schottky. À partir de 1993, ce type de cellule solaire a été construit principalement sur du silicium en raison de la facilité de fabrication de la couche mince d’oxyde requise (voir chapitre V) avec ce semi-conducteur. Pour ce type de barrière, des valeurs d’énergie de barrière de 0,85 (dioxyde d’aluminium-silicium – sur silicium de type p) et de 0,67 (chrome-silice – sur silicium de type p) ont été rapportées. Les données provenant d’autres sources pour les barrières mos sur les substrats de silicium et d’arséniure de gallium indiquent des valeurs similaires. A noter que des courants de fuite réduits, résultant de la couche d’oxyde, rendent ces dispositifs prometteurs; même si, encore, insuffisamment compris.
Le but de ce chapitre est d’estimer l’efficacité des cellules solaires de construction ”pratique ». À cette fin, considérons les jonctions de Schottky et de mos sous une seule rubrique (Schottky) et sélectionnons les « meilleures” énergies de barrière du tableau VI.3 et de la littérature. Ensuite, les énergies de barrière maximales à rencontrer, en pratique, pour les jonctions de Schottky peuvent être prises comme celles du tableau VI.4.
Tableau VI.4. Practical maximum Schottky junction barrier energies (eV) and the specific metal employed for the six example semiconductors
Semiconductors | Si | InP | GaAs | CdTe | AlSb | CdSe |
---|---|---|---|---|---|---|
n-type semiconductor | ||||||
Energy | 0.90 | 0.60 | 0.90 | 0.81 | 0.60 | 0.49 |
Metal | Pt | Pt | Au | Ag | Pt | Au |
p-type semiconductor | ||||||
Energy | 0.95 | 0.76 | 0.67 | 0.75 | 0.58 | * |
Metal | Hf | Au | Al | Pt | Pt | * |
* In Chapter III we discussed the fact that p-type CdSe has not been practically fabricated to date. Ainsi, ni les jonctions métal-semi-conducteur (Schottky) sur les jonctions CdSe de type p ni CdSe pn ne sont réalisables. Il est possible de construire des dispositifs à hétérojonction en utilisant des CdSe de type n comme un côté de la jonction. Les valeurs indiquées dans le tableau VI.6 sont des estimations pour ce cas.
Pour calculer les potentiels intégrés à la jonction pn, nous utilisons l’équation VI.3. Comme indiqué précédemment, la valeur potentielle minimale pour la concentration en impuretés du substrat, NS, est une concentration en impuretés de 1014/cm3. La valeur de la concentration en ” couche avant », NL, dépend en partie de l’introduction de cette région par diffusion ou implantation ionique. Une valeur efficace pour NL de 5 × 1019 / cm3 est couramment rencontrée. En combinant ces valeurs, avec celles de ni2 à 300°K du chapitre III, on a pour la tension intégrée, les valeurs du tableau VI.5.
Tableau VI.5. Estimated practical maximum built-in voltages for pn junctions constructed from the example semiconductors (in volts)
Semiconductor | Si | InP | GaAs | CdTe | AlSb | CdSe |
VB | 0.76 | 1.08 | 1.18 | 1.23 | 1.41 | * |
* Les CdSe de type P ne sont pas disponibles, il n’y a donc pas de barrière Schottky sur les CdSe de type p, mais il peut y avoir une hétérojonction dans un semi-conducteur de type n.
Il est difficile de prédire le potentiel de barrière efficace d’une hétérojonction. Une estimation approximative peut être effectuée en observant la tension en circuit ouvert d’une cellule solaire à hétérojonction. D’après Sreedhar et Sahi et Milnes, certaines valeurs des tensions de cellules solaires à hétérojonction en circuit ouvert sont: (1) l’écart de type n sur le Si de type p, 0,67 V; (2) l’écart de type n sur le GaAs de type p, 0.82 V; (3) écart de type p sur les GaAs de type n, 1,05 V; et (4) ZnSe de type n sur les GaAs de type p, 0,925 V. Notez que ces valeurs sont de l’ordre de celles du tableau VI.5 pour les jonctions pn. Les calculs de la largeur de la couche de déplétion du substrat à l’aide de ces tensions de barrière conduisent à des résultats d’ampleur similaire à ceux des résultats du tableau VI.4 de l’Équation VI.5 pour Schottky et du tableau VI.5 de l’équation VI.3 pour les jonctions pn.
Pour une concentration en impuretés de substrat de 1014/cm3, nous pouvons obtenir une estimation de la largeur de la couche de déplétion de substrat dans une cellule solaire dans des conditions de court-circuit (la photovoltage est égale à zéro). Ces largeurs de déplétion, pour les semi-conducteurs d’exemple, sont données dans le tableau VI.6.
Tableau VI.6. La largeur de couche de déplétion maximale « pratique” (en µm) dans les substrats semi-conducteurs pour les six exemples de semi-conducteurs, en fonction des différents types de jonctions et à une température de 300°K
Semiconducteur | Si | InP | GaAs | CdTe | AlSb | CdSe |
---|---|---|---|---|---|---|
Barrière semi-conductrice métallique sur substrat semi-conducteur de type n | ||||||
3.457 | 3.049 | 3.547 | 3.126 | 2.703 | 2.398 | |
Metal-semiconductor barrier on p-typ semiconductor substrate | ||||||
3.552 | 3.432 | 2.983 | 2.999 | 2.657 | * | |
Step pn junction or heterojunction | ||||||
3.192 | 4.093 | 4.036 | 3.860 | 4.129 | 4.21 |
* Les CdSe de type P ne sont pas disponibles, il n’y a donc pas de barrière Schottky sur les CdSe de type p, mais il peut y avoir une hétérojonction dans un semi-conducteur de type n.
Observez que les largeurs de couche de déplétion du tableau VI.6 sont non seulement très inférieures aux largeurs de champ électrique du tableau VI.2, mais elles sont également très inférieures à l’épaisseur d’absorption optique du semi-conducteur (150 µm). Si la séparation / collecte des paires électron-trou dépendait uniquement de la largeur de la couche d’épuisement, les performances des cellules solaires à configuration standard et inversée seraient largement annulées. Heureusement, il existe d’autres phénomènes qui peuvent aider à la production de photocourant. Ces phénomènes sont utilisés pour amener les porteurs générés optiquement à portée du champ électrique dans la couche de déplétion d’une jonction de cellule solaire. Tout d’abord, considérons la longueur de diffusion dans un semi-conducteur et dans quelle mesure il étend efficacement la plage de collecte de la couche de déplétion.
Une fois générées par l’absorption de photons dans les régions en vrac (zones sans champ électrique) de la cellule solaire, les paires trou-électron se déplacent aléatoirement à travers le semi-conducteur. S’il y a une jonction dans le cristal semi-conducteur, il y aura bien sûr un champ électrique à proximité de la jonction. Ce champ sert à collecter les paires électron-trou et à les séparer, produisant ainsi un gradient de concentration dans les paires électron-trou. Considérons maintenant la région de type p d’une cellule solaire. Les électrons de cette région, proches de la région d’épuisement, se déplacent souvent de manière aléatoire dans le champ électrique. Lorsque cela se produit, les électrons sont accélérés à travers la jonction du côté de type n. Un processus similaire se produit, bien entendu, pour les trous se déplaçant aléatoirement du côté de type n lorsqu’ils sont accélérés vers le côté de type p. L’effet de cette élimination de porteurs minoritaires est de créer un gradient de concentration d’électrons entre la région en vrac du côté de type p et le bord de la région d’épuisement. Ainsi, un électron à l’intérieur d’une longueur de diffusion de la jonction du côté de type p sera collecté (il en va de même pour les trous à l’intérieur d’une longueur de diffusion de la jonction du côté de type n). La longueur de diffusion, L, est donnée par :
où, à partir du chapitre III :
Les durées de vie, τ, et les mobilités, μ, des semi-conducteurs utilisés comme exemples dans ce travail ont été discutées au chapitre III. Rappelons que ces propriétés des matériaux sont des fonctions de température et de concentration en impuretés. Dans ce chapitre, nous considérons le fonctionnement des cellules solaires à température ambiante (27 ° C). La discussion précédente sur la largeur de la couche d’appauvrissement utilisait une concentration en impuretés du substrat de 1014 / cm3 et une concentration élevée en impuretés « couche avant” de 5 × 1019 / cm3. Quelques mots supplémentaires concernant le « caractère pratique » de ces concentrations sont de mise. La concentration de la ”couche avant » varie avec la distance dans le semi-conducteur. Si la « couche avant » est le résultat d’un processus de diffusion, la concentration en impuretés à la surface est beaucoup plus élevée que celle à la jonction. Typiquement, NL(x) suivra une courbe de fonction d’erreur avec une concentration de surface bien supérieure à la bande de conduction ou à la densité de bande de valence des états (voir Annexe B et). Si la « couche avant » est le résultat d’une implantation ionique, la densité d’impuretés atteint un pic à une certaine distance dans le semi-conducteur; la distance déterminée par le semi-conducteur, son orientation cristalline, les espèces d’impuretés et l’énergie de l’implant. En utilisant des technologies modernes, telles que l’épitaxie par faisceau moléculaire, il est possible de maintenir la concentration de la « couche avant” à peu près au niveau de la densité des états, qui est d’environ 5 × 1019 / cm3. Cette concentration d’impuretés est suffisamment élevée pour nuire à la durée de vie de la « couche avant”, mais elle est également suffisamment élevée pour supporter une fine « couche avant” sans résistance excessive.
La concentration en impuretés du substrat doit être faible pour augmenter la longueur de diffusion et la largeur de la couche d’appauvrissement, mais doit être suffisamment élevée pour réduire la résistance en série de la cellule solaire. Cette résistance de série en vrac, rD, est donnée par:
où 1 est la longueur du substrat (généralement considérée comme étant de 150 µm dans ce travail); AD est la zone de jonction de la cellule solaire, que nous supposons égale à la section transversale du substrat; µSm est la mobilité du support majoritaire du substrat; et Ns est la concentration d’impuretés dans le substrat. Au chapitre V, en relation avec le courant de saturation, nous avons utilisé une concentration en impuretés du substrat de 1016 / cm3. Cela a produit une faible valeur de densité de courant de saturation. Plus tôt dans ce chapitre, nous avons utilisé une concentration d’impuretés de substrat de 1014 / cm3 car cette valeur donne une largeur de couche d’appauvrissement plus large, au prix d’une densité de courant de saturation accrue. En pratique, une concentration de porteurs d’environ 1015/cm3 permet un équilibre satisfaisant entre résistance série, longueur de diffusion, courant de saturation et technologie de traitement.
En utilisant une valeur de NS égale à 1015/cm3 et une valeur de NL égale à 5 × 1019/cm3, en conjonction avec les valeurs de mobilités et de durée de vie de l’Annexe B, de la littérature et du chapitre III, nous disposons des données fournies dans le tableau VI.7. Ceci sera utilisé comme entrée pour le calcul des longueurs de diffusion des porteurs minoritaires dans les substrats de cellules solaires fabriquées à partir de nos exemples de semi-conducteurs.
Tableau VI.7. Valeurs estimées de la concentration en impuretés, de la mobilité des porteurs minoritaires et de la durée de vie, en tant que fonctions du semi-conducteur pour une température de 300°K et des six exemples de semi-conducteurs
Semi-conducteur | Si | InP | GaAs | CdTe | AlSb | CdSe | ||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
« Couche avant” | ||||||||
Concentration (cm−3) —–5 × 1019—– | ||||||||
« front layer” mobility (cm2/volt-second) | ||||||||
p-type layer | 135 | 450 | 1000 | 700 | 140 | —– | ||
n-type layer | 80 | 150 | 100 | 50 | 180 | 450 | ||
« front” layer lifetime (seconds) | ||||||||
p-type layer | 10−7 | 10−10 | 10−10 | 10−9 | 10−10 | —– | ||
n-type layer | 10−7 | 10−10 | 10−10 | 10−9 | 10−10 | 10−10 | ||
Substrate | ||||||||
Concentration (cm−3) ————-1 × 1015————– | ||||||||
substrate mobility (cm2/volt-second) | ||||||||
p-type layer | 1500 | 3500 | 6500 | 950 | 200 | —– | ||
n-type layer | 500 | 600 | 350 | 90 | 400 | 600 | ||
substrate lifetime (seconds) | ||||||||
p-type layer | 8×10−5 | 6×10−8 | 6×10−8 | 2×10−6 | 1×10−7 | —– | ||
n-type layer | 8×10−5 | 3×10−8 | 3×10−8 | 1×10−7 | 9×10−8 | 1.5×10-9 |
Dans une cellule solaire « réaliste”, les mobilités et les durées de vie des porteurs minoritaires peuvent être inférieures aux valeurs fournies dans le tableau VI.7, en particulier si le traitement impliqué dans la fabrication de la cellule solaire est de qualité inférieure. Cependant, les mobilités et durées de vie fournies dans le tableau VI.7 sont réalisables et conduisent aux longueurs de diffusion du tableau VI.8.
Tableau VI.8. Longueurs de diffusion de porteurs minoritaires estimées pour des régions de type n et p de cellules solaires utilisant les exemples de semi-conducteurs, à 300°K
Semi-conducteur | Si | InP | GaAs | CdTe | AlSb | CdSe |
---|---|---|---|---|---|---|
longueur de diffusion de la couche avant (µm) | ||||||
p – la couche de type | 5,91 | 0,341 | 0,509 | 1,35 | 0.191 | —– |
n-type layer | 4.55 | 0.197 | 0.161 | 0.36 | 0.216 | 0.341 |
substrate diffusion length (μm) | ||||||
p-type layer | 577 | 145 | 198 | 436 | 44.7 | —– |
n-type layer | 322 | 42.4 | 32.4 | 30 | 60 | 9.49 |
D’après la discussion relative à l’épaisseur de la « couche morte” au chapitre V, la région de la « couche avant” fortement dopée dans les cellules solaires à jonction par étapes de configuration standard ou verticale et à hétérojonction devrait être petite, avec une épaisseur maximale inférieure à un micron. Comme cette région a une faible durée de vie (voir tableau VI.7) et que la vitesse de recombinaison de surface de telles régions fortement dopées est élevée, il est peu probable qu’un pourcentage important de porteurs soit collecté et séparé dans cette région. Les longueurs de diffusion de la » couche avant” prévues dans le tableau VI.8 sont donc adéquates. Le substrat, cependant, est une autre affaire. Pour toute configuration de cellule solaire, les paires électron-trou seront générées par absorption de photons à une certaine distance de la surface éclairée. D’après les figures IV.7 et IV.8, cette distance est donnée dans le tableau VI.9.
Tableau VI.9. The approximate depth beneath the illuminated surface at which electron-hole pair optical generation ceases (μm)
Semiconductor | Si | InP | GaAs | CdTe | AlSb | CdSe |
Depth | 1000 | 0.3 | 2 | 20 | 8 | 1 |
From practical considerations we have set the maximum solar cell thickness to a value of 150 μm. Il en résulte une perte d’énergie solaire potentiellement convertible d’environ 5% pour les cellules solaires à base de silicium. On notera que, pour les autres exemples de semi-conducteurs, l’absorption se produit si rapidement que cette épaisseur limitée de cellule solaire n’a aucun effet. En comparant les valeurs de profondeur d’absorption optique du tableau VI.9 avec les longueurs de diffusion présentées dans le tableau VI.8, nous voyons que, pour des cellules solaires de 150 µm d’épaisseur, les longueurs de diffusion pour les six exemples de matériaux semi-conducteurs sont suffisantes pour collecter tous les porteurs de charge générés optiquement pour des cellules solaires de configuration standard*.
Considérez les cellules solaires à configuration inversée et verticale. D’après nos discussions en relation avec les figures VI.1 et VI.2 et les tableaux VI.9, il est possible, dans ces configurations, que la génération de paires trou-électron optique se fasse à une distance d’environ 150 µm de la jonction. En considérant les longueurs minoritaires de diffusion des porteurs du tableau VI.8, on constate que, si le substrat est de type p, alors le silicium, le phosphure d’indium, l’arséniure de gallium et le tellurure de cadmium ont le potentiel de collecter la quasi-totalité des paires trou-électron. Pas tous, car, même dans le cas du silicium avec sa longueur de diffusion de porteurs minoritaires de 557 µm, la longueur de diffusion dans l’un de ces exemples de semi-conducteurs n’est jamais supérieure à quatre fois la limite de 150 µm. Pour le phosphure d’indium et l’arséniure de gallium, la longueur de diffusion est approximativement égale à la distance maximale de génération de 150 µm. Dans le cas de substrats de type n, seul le silicium présente une longueur de diffusion de porteurs minoritaires suffisamment importante, suffisamment longue pour assurer la collecte de la plupart des paires trou-électron.
Il existe une source supplémentaire de perte de transporteur de charge. La surface éclairée des cellules solaires à configuration de jonction verticale est formée en sectionnant la plaquette d’origine (voir la discussion en association avec la figure VI.2). Cette procédure améliore la vitesse de recombinaison de surface et réduit le photocourant pour ces appareils. Notez que ce problème n’est pas si grave avec les cellules solaires à configuration inversée. Pour cette configuration de dispositif, le processus de fabrication est adapté pour minimiser la vitesse de recombinaison de surface. Dans les cellules solaires de configuration standard, la recombinaison de surface contribue à la « couche morte” et a donc déjà été prise en compte. Notons enfin qu’au contact du substrat, la recombinaison de surface est supposée essentiellement infinie (voir la discussion au chapitre III). Il en résulte un gradient de concentration minoritaire au voisinage du contact du substrat qui entonnoir les porteurs de charge dans le mauvais sens. Étude de la figure VI.1 démontrera au lecteur que ce problème est sans importance pour les cellules solaires de configuration standard et les cellules solaires de configuration inversée avec leurs contacts de substrat sur la surface non éclairée. Il est cependant important pour les cellules solaires à jonction verticale, ce qui entraîne une « couche morte” près du contact du substrat et réduit les performances globales de la cellule solaire.
Il existe une solution à tous ces problèmes ; une solution qui présente l’avantage supplémentaire de réduire la résistance série du substrat. Considérons le diagramme énergie-distance pour la cellule solaire affiché à la figure VI.3.
Dans la figure VI.3 la « couche avant » fortement dopée est supposée avoir une concentration d’impuretés constante d’environ 5×1019/cm3 À x = 0 (la jonction) le substrat est relativement légèrement dopé (une concentration d’impuretés d’environ 1019/cm3), mais la concentration d’impuretés (accepteur dans l’exemple de la figure VI.3) du substrat est augmentée à mesure que la distance de la jonction est augmentée. Le résultat est un champ électrique intégré qui pousse les porteurs minoritaires vers la jonction. Ce champ électrique est donné par :
où Ns(x) est la concentration en impuretés du substrat. Celle-ci varie d’environ 1014/cm3 à une valeur de l’ordre de 1017 à 1018/cm3 (valeur inférieure au dixième de la valeur de densité effective d’états pour le substrat*). Notez que si l’on désire une valeur constante du champ électrique, E alors la concentration en impuretés du substrat sera :
où Ns(o) est la concentration en impuretés du substrat à la jonction et x est positif dans le substrat #.
Supposons un substrat de 150 µm de largeur. Ensuite, pour un champ électrique dans le substrat de 16 volts/cm, le rapport Ns(150)/Ns(o) est de dix mille. Compte tenu d’un tel champ, s’étendant sur la largeur du substrat, on peut collecter essentiellement toutes les paires trou-électrons générées dans le substrat et les transporter jusqu’au bord de la couche de déplétion. À son tour, la couche d’épuisement sépare les paires trou-électron. Avantage supplémentaire, le substrat gradué dont il est question ici sert également à découpler la vitesse de recombinaison de surface au contact du substrat.
Considérez le photocourant qui peut être attendu dans une cellule solaire de configuration standard, inversée ou verticale. Supposons que nous ayons une cellule solaire à configuration inversée, avec un substrat gradué, un revêtement antireflet efficace à 95% et une efficacité de collecte de 100% pour toutes les paires trou-électron générées. La densité de photocourant attendue est celle du tableau VI.10.
Tableau VI.10. Estimated photocurrent density (mA/cm2) in an inverted configuration solar cell at 300° K
Semiconductor | Si | InP | GaAs | CdTe | AlSb | CdSe |
---|---|---|---|---|---|---|
AM0-conditions | 44.65 | 41.7 | 37.2 | 35.8 | 28.6 | 26.0 |
AM1-conditions | 36.1 | 31.8 | 28.7 | 27.2 | 21.9 | 20.5 |
Dans le cas d’une cellule solaire à configuration verticale, nous devons inclure des pertes supplémentaires dues à la recombinaison de surface du fait que la surface éclairée a été découpée dans une plaquette (voir la discussion accompagnant la figure VI.2). En supposant une vitesse de recombinaison de surface raisonnable de 10 000 cm /seconde, et en utilisant les données du tableau VI.7 et de la figure III.8, nous pouvons estimer que la densité maximale de photocourant réalisable sera d’environ 5% en dessous des photocourants de la cellule solaire inversée, ce qui donne les chiffres du tableau VI.11.
Tableau VI.11. La densité de photocourant estimée (mA/cm2) dans une cellule solaire à configuration verticale à 300°K
Semiconducteur | Si | InP | GaAs | CdTe | CdSe | |
---|---|---|---|---|---|---|
AM0-conditions | 42.7 | 39.5 | 35.3 | 33.9 | 27.1 | 24.7 |
AM1-conditions | 34.2 | 30.1 | 27.2 | 25.7 | 20.8 | 19.5 |
The expected photocurrent from a standard configuration solar cell is still less. Il y a des pertes de recombinaison supplémentaires dues à la « couche morte » (qui est le résultat de la ”couche avant » fortement dopée) dans les jonctions à pas pn, aux effets d’interface dans une cellule solaire à hétérojonction et aux effets de réflexion dans le cas des cellules solaires à jonction mos et Schottky. Dans le tableau suivant, la densité de photocourant estimée pour une cellule solaire de configuration standard est fournie. Dans le cas d’une jonction en pas pn, la « couche avant” est mince pour minimiser l’épaisseur de la « couche morte” (en gardant cette couche de 0,3 à 0,6 µm d’épaisseur). La couche « morte » ne remplit pas complètement la ”couche avant », mais comprend le tiers supérieur environ. En supposant que cette « couche morte” est bien totalement morte, et en utilisant les figures IV.10 et IV.11, la densité de photocourant maximale estimée pour les cellules solaires à jonction pas à pas pn de configuration standard est fournie dans le tableau VI.12. Les photocourants possibles estimés pour les hétérojonctions de configuration standard sont plus élevés car la ”couche morte » n’est pas présente – le semi-conducteur formant la ”couche avant » étant transparent aux photons d’intérêt. Le photocourant est également estimé pour les cellules solaires à configuration standard Schottky barrier. L’existence d’une couche métallique sur le côté éclairé de la cellule solaire réduit drastiquement le potentiel de photocourant et les valeurs indiquées dans le tableau VI.12 sont, au mieux, des estimations.
Tableau VI.12. La densité de photocourant estimée (mA/cm2) dans une cellule solaire de configuration standard, pour les dispositifs de jonction à pas pn, d’hétérojonction et de jonction Schottky à 300 °K
Semiconducteur | Si | InP | GaAs | CdTe | AlSb | CdSe |
---|---|---|---|---|---|---|
cellules solaires à hétérojonction | ||||||
AM0 – conditions | 37,95 | 35,44 | 31,62 | 30,43 | 24.31 | 22.10 |
AM1-conditions | 30.68 | 27.03 | 24.40 | 23.12 | 18.62 | 17.42 |
pn step junction solar cells | ||||||
AM0-conditions | 31.77 | 07.02 | 20.88 | 22.54 | 18.45 | 11.25 |
AM1-conditions | 25.02 | 05.67 | 15.75 | 17.10 | 14.04 | 09.18 |
Schottky junction solar cells | ||||||
AM1-conditions | 10.59 | 02.34 | 06.96 | 07.53 | 06.15 | 03.75 |
AM1-conditions | 8.34 | 01.89 | 05.25 | 05.70 | 04.68 | 03.06 |
In studying Table VI.12 il est clair que le coefficient d’absorption élevé de l’InP entraîne des pertes de recombinaison inhabituellement élevées dans les cellules solaires de configuration standard de jonction pn à l’étape. On notera également que, pour chacun des exemples de semi-conducteurs, il y a une diminution de la densité de photocourant attendue de la configuration inversée à la configuration verticale et à la configuration standard. Cette baisse est mineure lorsque l’on compare les cellules solaires à configuration verticale et inversée, mais de proportions majeures lorsque l’on considère les cellules solaires à configuration standard. On ne saurait trop insister sur le fait que les valeurs de densité de photocourants attendues dans les tableaux VI.10 à VI.12 sont des estimations et dépendent fortement des techniques de fabrication utilisées pour la construction des cellules solaires, de l’orientation du cristal de surface et du semi-conducteur lui-même. Les valeurs énumérées ci-dessus devraient être réalisables, si un soin suffisant est apporté, mais des « erreurs” dans la technologie de fabrication et la préparation de la surface peuvent entraîner des réductions substantielles.
L’objectif général de ce chapitre est de fournir une estimation de la performance pour plusieurs situations « réalistes”. Les estimations de densité de photocourant de jonction par hétérojonction et par pas pn du tableau VI.12 sont raisonnables. Les estimations de densité de photocourant de Schottky sont plus problématiques. Pour permettre la pénétration de photons de la couche métallique au-dessus d’une diode Schottky, la couche doit être très fine (< 500 Å). Malgré cela, il y a une perte considérable due à la réflexion des photons et la densité de photocourant dans de tels dispositifs est faible.