FR2979436A1 - Dispositif reflecteur pour face arriere de dispositifs optiques - Google Patents

Abstract

Un dispositif réflecteur comporte un réseau (26) de motifs (28), périodique selon au moins une direction prédéterminée (Y), intercalé entre un premier et un deuxième milieux différents (14, 30), le premier milieu (14) étant en matériau semi-conducteur. En outre : ▪ l'indice de réfraction n des motifs (28) est inférieur à l'indice de réfraction n du premier milieu (14); ▪ l'indice de réfraction n du second milieu (30) est inférieur ou égal à l'indice de réfraction n des motifs (28); ▪ le réseau (26) est défini par les relations : o où P est la période du réseau (26) selon la direction prédéterminée (Y), et λ est une longueur d'onde de réglage du réseau (26) inférieure à la longueur d'onde correspondant à la bande interdite du matériau semi-conducteur du premier milieu (14) ; o où W est la largeur des motifs (28) du réseau (26) selon la direction prédéterminée (Y) ; et o où h est l'épaisseur des motifs (28) du réseau (26).

Description

DISPOSITIF REFLECTEUR POUR FACE ARRIERE DE DISPOSITIFS OPTIQUES DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention appartient au domaine de la réflexion optique et trouve 5 particulièrement application dans les dispositifs optiques comme les cellules photovoltaïques et les détecteurs photoniques. ETAT DE LA TECHNIQUE 10 De façon sommaire, une cellule photovoltaïque comporte une tranche de matériau semiconducteur, usuellement à base de silicium monocristallin, apte à générer des paires électron/trou sous l'effet d'un flux lumineux incident. Cette tranche comporte des électrodes métalliques sur chacune de ses faces avant et arrière pour la collecte du courant électrique ainsi produit. La face « avant » désigne usuellement la face de la 15 cellule recevant le flux lumineux incident, et la face « arrière » est la face opposée à la face avant. On constate actuellement une production de cellules photovoltaïques qui présentent des tranches de silicium de plus en plus minces afin, d'une part, de réaliser une économie en 20 matériau actif, et d'autre part, de diminuer la distance moyenne de parcours des charges photo-générées dans le silicium vers les électrodes de collecte, et donc de limiter les recombinaisons volumiques des charges. Cette diminution de l'épaisseur de la tranche de silicium implique cependant une baisse de l'efficacité d'absorption optique globale, puisque la tranche est d'autant plus transparente au flux lumineux incident qu'elle est 25 mince. Cette transparence n'est cependant pas uniforme sur le spectre lumineux et intervient principalement dans une plage spectrale infrarouge proche de la longueur d'onde de la bande interdite de la tranche. La figure 1 est un tracé de l'absorption optique de trois couches de silicium 30 monocristallin d'épaisseur respectivement égale à 50 micromètres, 100 micromètres et 150 micromètres. L'absorption correspond à un seul passage de la lumière au travers de la couche de silicium. Comme on peut le constater, l'absorption optique chute pour des longueurs d'onde supérieures à environ 800 nanomètres, à savoir pour les longueurs d'onde du proche infrarouge. Les longueurs d'onde inférieures à 800 nanomètres restent 35 quant à elles bien absorbées. Ce phénomène s'explique notamment par la profondeur de pénétration en puissance des longueurs d'onde dans le silicium monocristallin, qui est égale à 10 micromètres à 800 nanomètres, et chute rapidement au-delà, valant par exemple 45 micromètres à 900 nanomètres.

Sans mesure particulière, une partie du flux incident traverse donc une cellule photovoltaïque mince sans être absorbée et est donc perdue. Une solution logique pour compenser cette perte est de choisir une électrode métallique réalisée sur la totalité de la face arrière en profitant des propriétés réflectrices des métaux, l'électrode réfléchissant ainsi la partie du flux lumineux ayant traversé la cellule en direction de la tranche de silicium. Toutefois, une telle solution n'est pas satisfaisante pour les tranches minces. Tout d'abord, il se pose un problème quant à la tenue mécanique d'une tranche mince lors des différentes étapes de fabrication de la cellule. Notamment, une métallisation pleine plaque réalisée en face arrière de la tranche, par exemple d'aluminium, engendre une contrainte mécanique sur la tranche de silicium lors des étapes de recuit mises en oeuvre pour former un contact ohmique entre la tranche de silicium et la métallisation déposée sur la face arrière. Or, cette contrainte est d'autant plus élevée que la tranche de silicium est mince. En outre, pour une tranche constituée de silicium monocristallin, cette contrainte mécanique se reporte sur le cristal de silicium, ce qui augmente fortement le risque de casse de celui-ci. C'est d'ailleurs la raison pour laquelle, il n'est pas utilisé d'électrode pleine plaque pour les tranches de silicium minces mais plutôt une métallisation partielle de la face arrière sous forme de grille métallique.

Ensuite, une métallisation pleine plaque de la face arrière augmente la sensibilité de la cellule aux défauts de surface, notamment aux effets de recombinaison en surface des charges entre le silicium et le métal de l'électrode.

Enfin, un métal n'est pas un réflecteur parfait et l'électrode absorbe donc une partie du rayonnement, phénomène auquel il est difficile, voire impossible, de remédier en raison de plasmons de surface entre le silicium et le métal qui sont générés par la présence de corrugations sur le métal. En outre, un métal est plus fortement absorbant dans les infrarouges. Or, l'absorption des infrarouges provoque un échauffement de l'électrode, échauffement qui se répercute sur la tranche de silicium, ce qui dégrade l'efficacité quantique de celle-ci. Pour toutes ces raisons, il est réalisé une métallisation partielle de la face arrière, usuellement en déposant sur la face arrière de la tranche une ou plusieurs couches de matériaux diélectriques transparents de passivation, par exemple de la silice, de l'alumine ou du nitrure de silicium, au travers desquelles sont formées des ouvertures pour réaliser la métallisation de l'électrode en face arrière. Toutefois, les portions de la face arrière, qui ne comprennent que la ou les couches de passivation, présentent une transparence désavantageuse et notamment ne réfléchissent sensiblement pas les proches infrarouges. La portion de flux lumineux traversant la tranche mince au niveau de ces portions est donc perdue.

De nombreuses solutions alternatives à une métallisation pleine plaque ont été proposées, notamment la formation d'un miroir de Bragg ou de cristaux photoniques en face arrière. Toutefois, ces structures optiques sont volumineuses, exigent des procédés de fabrication technologique délicats, et sont incompatibles avec la fabrication des électrodes qui nécessite des recuits et des gravures profondes afin de réaliser des contacts ohmiques en alliage métal/silicium. Il a également été proposé des réseaux de diffraction métallisés en face arrière de la tranche de silicium afin de rediriger une partie du flux dans la tranche, mais la redirection n'est que très partielle et valable uniquement dans une gamme étroite de longueurs d'onde définie par les caractéristiques géométriques du réseau. En outre, en l'absence de mesure de protection particulière, un réseau de diffraction métallisé supporte très mal les recuits mis en oeuvre pour fabriquer les électrodes et se voit même en partie détruit. Ainsi donc, les solutions alternatives, basées sur des concepts classiques de l'optique, ne sont pas satisfaisantes puisqu'elles ne permettent pas d'obtenir simplement une face arrière qui soit réflectrice sur une large gamme spectrale, au moins sur les portions de la face arrière non pourvues de métallisation. Plus récemment, il a été découvert des structures optiques uniquement constituées de matériau diélectrique, à fort contraste d'indice de réfraction, qui peuvent bloquer le passage de la lumière dans certaines bandes spectrales par couplage de la lumière à des modes de Bloch dits « lents ». Ce pouvoir de blocage dépend du dimensionnement de la structure et des indices de réfraction en présence, sans que des lois de conception bien définies aient pu jusqu'à présent être définies. On peut par exemple se référer aux travaux de Mateus et al décrits dans le document W02005/089098 et le document « Ultrabroadband mirror using low index cladded subwavelength grating », IEEE Photonics Technology Letters, vol.16, p. 518, 2004. En se référant à la figure 2, qui reprend la figure 1 du document W02005/089098, ce dernier décrit une structure optique réflectrice 10 à haut pouvoir réflecteur comprenant un substrat 12 en silicium, sur lequel repose une couche 14 de matériau de faible indice de réfraction en SiO2, et un réseau périodique de motifs « sub-longueur d'onde », c'est-à-dire dont au moins l'une de ses caractéristiques géométriques est de dimension inférieure à la gamme de longueurs d'onde avec laquelle la structure est destinée à interagir.

Le réseau est formé sur la couche de faible indice 14 et est constitué de bandes 16 parallèles, identiques, de section rectangulaire, régulièrement espacées et réalisées en matériau à haut indice de réfraction, comme par exemple en polysilicium. L'espace 18 séparant les bandes 16, ainsi que l'espace au dessus de celles-ci, est rempli d'un matériau de faible indice de réfraction, à savoir de l'air. Les paramètres de conception de la structure 10 sont les indices de réfraction des différents éléments 12, 14, 16, 18, la période A du réseau périodique de bandes 16, l'épaisseur des bandes 16, le facteur de remplissage FF du réseau, défini comme étant le rapport de la largeur lg des bandes 16 sur la période A, et l'épaisseur h de la couche 14 de bas indice.

La figure 3, qui reprend la figure 2A du document W02005/089098, est un tracé de la réflectivité en fonction de la longueur d'onde d'une structure 10 de période A = 700 nm, d'épaisseur tg= 0,46 !am, de facteur de forme FF = 0,75, et d'épaisseur tL supérieure à 100 nm. L'indice de réfraction du substrat en silicium 12 est égal à 3,48, l'indice de réfraction de la couche de bas indice 14 est égal à 1,47, l'indice de réfraction de l'air 18 est égal à 1, et l'indice de réfraction des bandes 16 est égal à 3,48. La réflectivité est ici considérée pour un rayonnement incident sur le réseau de bandes 16 tel qu'illustré par la flèche 20. Comme on peut le constater, la structure 10 se comporte comme un miroir quasi parfait pour une large gamme de longueurs d'onde centrée sur la valeur 1,5 !am.

A la vue de la réponse en réflectivité de la structure 10, une idée simple consisterait à utiliser ce type de structure en face arrière d'une tranche mince de silicium d'une cellule photovoltaïque afin de réfléchir la portion de flux lumineux ayant traversé la tranche de silicium. Outre, qu'il faille adapter la structure 10 pour que son plateau de réflectivité soit positionné en deçà de la longueur d'onde de coupure du silicium, ce qui en soit n'est pas immédiat en l'absence d'une loi de conception bien définie, l'application d'une structure 10 modifiée dans ce but ne fonctionnait tout simplement pas. En effet, pour pouvoir réfléchir un rayonnement incident sur les bandes 16, le milieu 18 dans lequel celles-ci doivent être plongées doit nécessairement être de plus faible indice de réfraction. On observe ainsi qu'en remplaçant l'air par du silicium, le comportement réflecteur de la structure est très fortement dégradé, sa réflectivité étant notamment très fortement modulée et inférieure à 45% en raison d'un phénomène de diffraction fortement prononcé.35 En outre, il convient tout simplement de noter que ce type de structure a un comportement qui diffère très sensiblement suivant la direction de la lumière. Notamment, un rayonnement incident sur le substrat en silicium 12 de la structure 10, tel qu'illustré par la flèche 22, ne présente tout simplement pas de caractère réflecteur prononcé, la structure s'apparentant plutôt à un réseau de diffraction. Il existe donc un besoin d'une structure capable de réfléchir efficacement, et sur une large gamme spectrale, de la lumière incidente au travers d'un matériau dont l'indice de réfraction est supérieur à l'indice de réfraction d'un matériau ou d'un milieu agencé du côté opposé de la structure. EXPOSE DE L'INVENTION Le premier but de la présente invention est donc de proposer une telle structure ayant un fort pouvoir réflecteur sur une large gamme de longueurs d'onde.

A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif réflecteur comportant un réseau de motifs, périodique selon au moins une direction prédéterminée, intercalé entre un premier et un deuxième milieux différents, le premier milieu étant en matériau semi-conducteur, dans lequel : - l'indice de réfraction n2 des motifs est inférieur à l'indice de réfraction n1 du premier milieu; - l'indice de réfraction n3 du second milieu est inférieur ou égal à l'indice de réfraction n2 des motifs; - le réseau est défini par les relations : o P = JYeg , où P est la période du réseau selon la direction prédéterminée, et Ar, n3 est une longueur d'onde de réglage du réseau inférieure à la longueur d'onde correspondant à la bande interdite du matériau semi-conducteur du premier milieu ; o 0,2 0,9, où W est la largeur des motifs du réseau selon la direction prédéterminée ; et o h1 <n2 x où k est l'épaisseur des motifs du réseau. 2 , En d'autres termes, la structure du type précité présente un fort pouvoir réflecteur sur une large gamme de longueurs d'onde pour un flux lumineux traversant le premier milieu, par exemple un matériau semi-conducteur, tel que du silicium, c'est-à-dire un matériau qui présente un fort indice de réfraction.

Selon un mode de réalisation, le rapport - est supérieur ou égal à 0,4 et inférieur ou égal à 0,7, ce qui permet d'optimiser à la fois la fonction du réseau et la fonction de réflexion.

Selon un mode de réalisation, l'épaisseur h1 des motifs du réseau est supérieure ou égale à nx . On observe pour des épaisseurs inférieures à cette borne une dégradation du n1 2 pouvoir réflecteur, le réseau devenant de plus en plus transparent à cette longueur d'onde à mesure que l'épaisseur des motifs diminue. Plus particulièrement, l'épaisseur h1 des motifs est choisie d'autant plus élevée que le contraste entre les indices n1 et n2 est faible, ce qui permet d'obtenir un résultat constant ou équivalent pour des épaisseurs et des indices différents. Selon un mode de réalisation, le matériau du premier milieu est par exemple du silicium cristallin, et l'indice de réfraction n2 des motifs du réseau est inférieur ou égal à 0,75 fois l'indice de réfraction n1 du premier milieu, et de préférence inférieur ou égal à 0,5 fois l'indice de réfraction n1 du premier milieu. Notamment, on observe que plus le contraste d'indice de réfraction est élevé, meilleur est le pouvoir réflecteur de la structure, et plus grande est la gamme spectrale de fonctionnement. Un contraste d'indice de réfraction n1 n2 inférieur ou égal à 0,75 permet notamment d'obtenir une réflectivité maximale proche de 1. Selon un mode de réalisation, la face arrière du réseau comporte une couche de passivation d'indice de réfraction n2' compris entre l'indice de réfraction n2 des motifs et l'indice de réfraction n3 du milieu et d'épaisseur inférieure ou égale à l'épaisseur h1des motifs. Comme cela est connu, la couche de passivation, usuellement réalisée en matériau diélectrique ou légèrement conducteur transparent, est généralement nécessaire pour garantir de bonne performance de certains dispositifs, et notamment le fonctionnement d'une cellule photovoltaïque. L'invention s'applique donc également aux cellules photovoltaïques présentant une telle couche de passivation.

Selon un mode de réalisation, la face avant du réseau comprend une couche constituée d'un matériau différent du matériau du premier milieu, le matériau différent ayant un indice de réfraction n; compris entre 0,8 fois et 1,2 fois l'indice de réfraction n1 du matériau du premier milieu, et supérieur à l'indice de réfraction n2 des motifs du réseau.

Par exemple, le matériau du premier milieu est du silicium cristallin et le matériau différent est du silicium amorphe ou un matériau semi-conducteur de type III-V. Dans certaines technologies, la fonction active, par exemple, photovoltaïque d'une cellule photovoltaïque, nécessite l'empilement de plusieurs couches, par exemple de dopage différent. Le dispositif réflecteur selon l'invention s'applique donc à de tels dispositifs.

Selon un mode de réalisation, le réseau périodique a au moins deux directions selon lesquelles il présente une périodicité, notamment aux moins deux directions perpendiculaires, de sorte que le réseau est peu sensible à la polarisation de la lumière. Selon un mode réalisation, le premier milieu est par exemple en silicium, et les motifs sont constitués de SiOx, notamment de SiO2, d'A1203, de SiN, de SiN4, de ZrO2, de TiO2, de B2O3, d'un polymère tel que par exemple du PMMA (polyméthacylate de méthyle), d'un oxyde transparent conducteur de bas indice de réfraction, notamment du ZnO, du SnO2 ou de l'ITO, ou d'une résine transparente conductrice.

Selon un mode de réalisation, le milieu recouvrant le réseau périodique est de l'air. En variante, le milieu recouvrant le réseau périodique est une couche d'encapsulation, notamment en éthylène-acétate de vinyle, en biphényle polychloré, ou en une résine époxy.

Un second but de l'invention est de proposer une structure réflectrice en face arrière d'une cellule photovoltaïque, et plus particulièrement une structure non nécessairement métallique présentant une réflectivité élevée sur une large gamme de longueurs d'onde inférieure à la longueur d'onde de coupure de la cellule, et ceci pour un flux lumineux qui traverse la cellule photovoltaïque.

A cet effet, l'invention a également pour objet un dispositif photovoltaïque comprenant une tranche de matériau semi-conducteur pour l'absorption d'un flux lumineux, ladite tranche présentant une face avant recevant le flux lumineux incident, une face arrière opposée à la face avant, et une électrode recouvrant partiellement la face arrière, dans lequel : - l'indice de réfraction n2 des motifs est inférieur à l'indice de réfraction n1 du premier milieu ; - l'indice de réfraction n3 du second milieu est inférieur ou égal à l'indice de réfraction n2 des motifs ; - le réseau est défini par les relations : o P = , où P est la période du réseau selon la direction prédéterminée, et 2reg n3 est une longueur d'onde de réglage du réseau inférieure à la longueur d'onde correspondant à la bande interdite du matériau semi-conducteur de la tranche ; o 0,2 0,9, où W est la largeur des motifs du réseau selon la direction prédéterminée ; et o h1 n, x , où hl est l'épaisseur des motifs du réseau. En d'autres termes, un dispositif réflecteur du type précité est réalisé sur au moins une partie de la face arrière de la tranche non recouverte par l'électrode, ladite tranche constituant le premier milieu du dispositif réflecteur. Selon un mode de réalisation, la tranche de matériau absorbant présente une chute de son absorption optique dans une gamme prédéterminée de longueurs d'onde inférieure à la longueur d'onde correspondant à la bande interdite du matériau semi-conducteur, et la longueur d'onde de réglage 2reg 3 xA du réseau est comprise entre et 5 4nd 4 nf A, est la borne inférieure de ladite gamme. Notamment, la longueur d'onde de réglage 2reg est sensiblement égale à la borne inférieure A, de ladite gamme. Ceci permet d'obtenir une réflexion élevée dans la gamme de longueurs d'onde pour laquelle la tranche à base de silicium est peu absorbante.

Selon un mode de réalisation, l'indice de réfraction n, des motifs du réseau est inférieur ou égal à 0,75 fois l'indice de réfraction n1 du premier milieu, et de préférence inférieur ou égal à 0,5 fois l'indice de réfraction n1 du premier milieu.

L'invention a également pour objet l'utilisation d'un réflecteur du type précité pour réfléchir un flux lumineux incident sur le premier milieu dans une gamme de longueurs d'onde supérieures ou égales à la longueur d'onde de réglage 2reg . L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un dispositif photovoltaïque comprenant une tranche de matériau semi-conducteur à base de silicium pour l'absorption d'un flux lumineux, ladite tranche présentant une face avant recevant le flux lumineux incident, une face arrière opposée à la face avant, et une électrode recouvrant partiellement la face arrière.

Selon l'invention, ce procédé consiste : à former un réseau de motifs, périodique selon au moins une direction prédéterminée, d'indice de réfraction n, inférieur à l'indice de réfraction n, du matériau semi-conducteur, et réalisé dans l'épaisseur d'au moins une partie de la face arrière non recouverte par l'électrode ; et à recouvrir au moins la portion de face arrière comprenant le réseau d'un milieu d'indice de réfraction n3 inférieur ou égal à l'indice de réfraction n, des motifs du réseau et recouvrant ; le réseau étant défini par les relations : P = , où P est la période du réseau selon la direction prédéterminée, 2reg est n3 une longueur d'onde de réglage du réseau inférieure à la longueur d'onde correspondant à la bande interdite du matériau absorbant semi-conducteur, et n3 est l'indice de réfraction du milieu recouvrant le réseau ; 0,2 - 0,9 , où W est la largeur des motifs du réseau selon la direction prédéterminée ; et h1 < n2 x reg, où h1 est l'épaisseur des motifs du réseau. 2 Le matériau semi-conducteur absorbant est du silicium cristallin, et la tranche a une épaisseur inférieure à 150 micromètres. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et réalisée en relation avec les dessins annexés, dans lesquels des références identiques désignent des éléments identiques ou analogues, et dans lesquels : - la figure 1 est un tracé d'absorption optique de tranches minces de silicium en fonction de la longueur d'onde incidente sur celles-ci ; - la figure 2 est une vue schématique en perspective d'une structure sub-longueur d'onde réflectrice selon l'état de la technique ; - la figure 3 est un tracé de la réflectivité de la structure de la figure 2 en fonction de la longueur d'onde incidente sur celle-ci ; - la figure 4 est une vue schématique de dessous d'un dispositif selon un premier mode de réalisation de l'invention illustrant un réseau sub-longueur d'onde agencé en face arrière d'une cellule photovoltaïque ; - la figure 5 est une vue schématique en coupe selon le plan A-A de la figure 4 ; - la figure 6 est une vue schématique de détail en coupe du dispositif de la figure 4 ; - la figure 7 est un tracé illustrant la forme de la réflectivité obtenue par des structures sub-longueur d'onde d'un dispositif selon l'invention en fonction de la longueur d'onde incidente sur ces structures ; - la figure 8 une vue schématique de détail en coupe d'un dispositif selon un second mode de réalisation de l'invention ; - les figures 9a et 9b sont des vues schématiques de détail en coupe d'un dispositif selon un troisième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 10 une vue schématique de détail en coupe d'un dispositif selon un quatrième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 11 une vue schématique de détail en coupe d'un dispositif selon un cinquième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 12 est une vue schématique de dessus d'un réseau périodique selon un sixième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 13 est une vue schématique de dessus d'un réseau périodique selon un septième mode de réalisation de l'invention ; et - les figures 14 à 18 sont des tracés de réflectivité et de transmission d'exemples de réalisation de l'invention en fonction de la longueur d'onde incidente sur des réseaux sub-longueur d'onde. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Il va à présent être décrit à titre d'exemple et en relation avec les figures 4 à 6 un premier mode de réalisation d'un dispositif photovoltaïque 10 selon l'invention. Le dispositif 10 comporte une cellule photovoltaïque 12. La cellule 12 comprend une tranche 14 en matériau absorbant d'indice de réfraction n1, notamment en silicium mono- cristallin ou poly-cristallin pouvant comprendre une fraction de germanium inférieure à 30 10%. Cette tranche présente une face avant 16, destinée à être irradiée par un rayonnement incident 18 à convertir en courant, et une face arrière 20 opposée à la face avant 16. L'épaisseur de la tranche 14 est comprise entre 5 micromètres et 150 micromètres, et 35 laisse donc passer une partie du rayonnement incident 18, notamment les longueurs d'onde supérieures à environ 800 nanomètres tel qu'illustré à la figure 1.

La cellule 12 comporte également un réseau d'électrodes métalliques 22 formées sur et/ou dans la face avant 16 pour la collecte du courant généré dans la tranche 14 par l'absorption du rayonnement incident, lesdites électrodes étant en contact ohmique avec une ou plusieurs jonctions PN (non représentées) réalisée dans la tranche 14. De même, la cellule 12 comporte un réseau d'électrodes métalliques 24 formées sur et/ou dans la face arrière 20 pour l'application d'un potentiel à ladite face arrière 20, ledit réseau d'électrodes 24 ne recouvrant que partiellement la face arrière 20. Les éléments venant d'être décrits sont classiques et ne seront donc pas décrits plus en détail par la suite. On retiendra simplement que l'invention s'applique à tout type de cellule photovoltaïque dont la face arrière 20 n'est pas entièrement recouverte par du métal. Selon l'invention, un réseau périodique 26 de motifs 28, d'indice de réfraction n2, est réalisé dans l'épaisseur des portions de la face arrière 20 entre les électrodes 24 de la face arrière. Notamment, le réseau 26 est constitué de bandes 28 parallèles, identiques, de section rectangulaire, régulièrement espacées, et disposées selon une même direction X. Le réseau 26 est donc périodique selon la direction Y perpendiculaire à la direction X.

Le dispositif 10 comprend enfin un milieu 30 d'indice de réfraction n3 au contact du réseau périodique 26. Les caractéristiques géométriques du réseau 26 et les indices de réfraction n1, n2, et n3 satisfont les relations suivantes : n2 <nl n3 n 3 < - n2 Preg n3 - 0,2 p 19 h <n x reg 1 2 2 où : - P est la période du réseau 26 selon la direction Y; ^ 2reg est la longueur d'onde de réglage du réseau, inférieure à la longueur d'onde correspondant à la bande interdite du matériau absorbant constitutif de la tranche 14 ; - W est la largeur des bandes 28 selon la direction Y; et - h1 est l'épaisseur des bandes 28.

Le réseau périodique 26 présente ainsi une forte réflectivité dans une large gamme de longueurs d'onde, notamment une gamme de largeur supérieure à 200 nanomètres, comme cela est illustré schématiquement à la figure 7.

La période P du réseau 26 permet de régler la position de la gamme de longueurs d'onde de réflectivité élevée, et plus particulièrement la borne inférieure An. de cette gamme. S'il est souhaité une réflectivité élevée pour des longueurs d'onde supérieure à la valeur , la longueur d'onde de réglage 2reg est choisie inférieure ou égale à An., ou de manière équivalente la période P du réseau 26 est choisie inférieure ou égale à . La n3 borne inférieure À de la gamme de réflectivité élevée est notamment choisie entre 300 nanomètres et 1000 nanomètres. Comme décrit précédemment, on observe une chute rapide de l'absorption optique de la tranche 14 à partir d'une longueur d'onde A, égale à environ 800 nanomètres, comme illustré à la figure 1. La gamme de forte réflectivité du réseau 26 est donc réglée pour coïncider au moins partiellement, et avantageusement totalement avec la gamme d'absorption optique faible de la tranche 14, c'est-à-dire que le réseau 26 est réglé pour faire coïncider les valeurs Amin et Amf Notamment, e entre 3 Âinf e 4 x n3 alors comme u celle-ci. n réglant la période P du réseau 26 sur 5 xinf et de préférence sur la valeur 4 x n3 n réflecteur qui renvoie vers la tranche 14 le rayonnement ayant traversé une valeur inférieure comprise , le réseau 26 se comporte n3 Les indices de réfraction n1, n2, et n3, et plus particulièrement les contrastes d'indices des relations (1) et (2), le rapport - , et l'épaisseur h1 de la relation (5) permettent quant à eux de régler la forme de la réflectivité du réseau 26. Notamment, dès lors qu'un contraste suffisant existe entre les indices de réfraction n1 et n2 de la tranche 14 et des motifs 28, à savoir pour une tranche 14 notamment à base de silicium un contraste nzinférieur ou égal à 0,75, et de préférence inférieur ou égal à 0,5 n1 pour améliorer le pouvoir réflecteur et pour élargir la plage de réflexion, un rapport - P selon la relation (4), préférentiellement un rapport compris entre 0,4 et 0,7 pour optimiser à la fois la fonction de réseau et la fonction de réflexion, et une épaisseur h1 comprise n re entre Â' x et n2 x , permettent d'obtenir un plateau de réflectivité supérieur à 0,9 n 2 2 1 sur une gamme de longueurs d'onde de largeur supérieure à 200 nanomètres. Le réseau 26 se comporte donc comme un miroir plan quasi-parfait sur une large gamme de longueurs d'onde supérieure à la longueur d'onde An..

De préférence, l'épaisseur h1 des motifs 28 est choisie d'autant plus élevée que le contraste d'indices nlest faible. En effet, plus l'écart d'indice est faible, plus l'épaisseur n2 du réseau est avantageusement importante pour obtenir un résultat équivalent. Par exemple, pour n2= 0,43, on a h1 = 250 nanomètres, et pour n2= 0,8, on a h1 = 700 n1 n1 nanomètres. Les motifs 28 sont avantageusement constitués de SiOx, notamment de SiO2, d'A1203, de SiN, de SiN4, de ZrO2, de TiO2, de B2O3, d'un polymère tel que par exemple du PMMA (polyméthacylate de méthyle), d'un oxyde transparent conducteur de bas indice de réfraction, notamment du ZnO, du SnO2 ou de l'ITO, ou d'une résine transparente conductrice. Les matériaux à haut point de fusion, comme le SiO2, le A1203, et le TiO2, sont privilégiés car ils sont connus dans la fabrication des composants à base de silicium et que les motifs 28 constitués de ces matériaux ne subissent sensiblement pas de dégradation lors de recuits finaux usuellement mis en oeuvre dans la fabrication de cellules photovoltaïques. Avantageusement, le milieu 30 est de l'air, d'indice de réfraction proche de 1. De même, les motifs 30 peuvent être remplis d'air, le réseau 26 consistant alors en un réseau de tranchées. En variante, la cellule photovoltaïque 12 avec son réseau est encapsulée dans un matériau de protection de bas indice de réfraction constituant le milieu 30, comme par exemple de l'EVA (éthylène-acétate de vinyle), du PCB (biphényle polychloré), une résine époxy, ou du PMMA, qui sont transparents et présentent un indice de réfraction inférieur à 1,5. Dans la cellule photovoltaïque 12 venant d'être décrite, la tranche d'absorption 14 est constituée d'un seul matériau et le réseau est directement au contact du milieu 30. Dans certaines applications, la cellule 12 présente une structure plus complexe au niveau de sa face arrière. 30 35 Dans une première variante de l'invention, illustrée par la vue en détail de la figure 8, une couche mince 40 de matériau d'indice de réfraction n;, différent du matériau absorbant de la tranche 14, est déposée sur la face arrière 20 de la tranche 14 et le réseau 26 est réalisé dans cette couche additionnelle 40. La couche 40 est par exemple plane ou conforme au réseau 26 tel qu'illustré à la figure 8, présente une épaisseur h; au dessus des motifs 26 inférieure par exemple à 2 , et a un indice de réfraction n, qui diffère de moins de 20% de l'indice de réfraction n, du matériau absorbant de la tranche 14. Par exemple, la couche 40 est constituée de silicium amorphe ou d'un semi-conducteur de type III-V. Une telle couche 40 ne modifie sensiblement pas la réflectivité du réseau 26 telle que décrite précédemment et permet par exemple de constituer des éléments actifs, notamment des photodiodes, sur cette face de la tranche 14. Dans une seconde variante de l'invention, illustrée par la vue en détail des figures 9a et 9b, une couche de passivation 42, d'indice de réfraction n2', recouvre au moins les portions de la face arrière 20 dépourvues de métallisation, et avantageusement la totalité de la face arrière 20. Comme cela est connu en soi, la couche de passivation 42 permet d'améliorer les performances de la cellule photovoltaïque et est constituée d'un matériau transparent diélectrique ou légèrement conducteur. L'indice de réfraction n2' de la couche 42 est choisi compris entre l'indice de réfraction n2 des motifs 28 et l'indice de réfraction n3 du milieu 30, et l'épaisseur h2 de la couche de passivation 42 est inférieure à l'épaisseur h1 des motifs 28, de sorte que la couche 42 ne modifie sensiblement pas la réflectivité du réseau 26 telle que décrite précédemment. La couche de passivation 42 peut être plane, telle qu'illustrée à la figure 9a, ou épouser la forme des motifs 28 du réseau 26, la couche de passivation 42 définissant dans ce dernier cas un réseau de motifs, tel qu'illustré à la figure 9b. On observe que les réflectivités du réseau 26 pour ces deux formes de réalisation de la couche 42 sont sensiblement identiques. Des procédés de réalisation simples des motifs 28 et de la couche 42 peuvent ainsi être utilisés en déposant une même épaisseur de matériau sur la face arrière 20 dans laquelle sont formées des tranchées. La couche 42 peut par ailleurs être constituée du même matériau que celui des motifs 28. Par exemple, la couche 42 est constituée de SiOx, notamment de SiO2, d'A1203, de SiN, de SiN4, de ZrO2, de TiO2, de B2O3, d'un polymère tel que par exemple du PMMA (polyméthacylate de méthyle), d'un oxyde transparent conducteur de bas indice de réfraction, notamment du ZnO, du SnO2 ou de l'ITO, ou d'une résine transparente conductrice.

Dans ce qui a été décrit précédemment, les motifs 28 du réseau 26 ont une section rectangulaire. D'autres sections sont possibles pour les motifs 28, comme par exemple une section trapézoïdale telle qu'illustrée à la figure 10, la largeur W étant celle à mi-hauteur des motifs 28, ou une section semi-circulaire telle qu'illustrée à la figure 11, la largeur W étant le diamètre des demi-cercles. Dans ce qui a été décrit précédemment, le réseau périodique 26 est monodimensionnel, c'est-à-dire qu'il ne comporte qu'une seule direction de périodicité, à savoir la direction Y perpendiculaire aux bandes 28. Des réseaux bidimensionnels, c'est-à-dire comprenant au moins deux axes de périodicité, sont également possibles, par exemple pour rendre le dispositif indépendant de la polarisation de la lumière incidente. Par exemple, le réseau de motifs comporte des bandes formant des contours concentriques fermés, comme des carrées concentriques tels qu'illustré à la figure 12, ou des cercles concentriques. En variante, le réseau est une matrice d'ilots carrés, rectangulaires ou circulaires, tel qu'illustré à la figure 13. Les relations décrites ci-dessus s'appliquent alors à chaque périodicité, les caractéristiques du réseau pouvant être ou non identiques selon les directions de périodicité.

Il va à présent être décrit des exemples de réflectivité et de transmission de réseaux périodiques 26 en fonction de la longueur d'onde incidente sur un dispositif selon l'invention comprenant une tranche d'absorption 14 en silicium cristallin d'indice de réfraction n1 égal à 3,55 et d'épaisseur inférieure à 150 micromètres, les réseaux étant réglés pour définir une borne inférieure An. sensiblement égale à 800 nanomètres.

La figure 14 est un tracé de réflectivité d'un réseau périodique 26 de bandes 28 à section rectangulaires. Les motifs 28 du réseau 26 sont en SiO2, d'indice de réfraction n2 égal à 1,5, la période P du réseau est égale à 700 nanomètres et le milieu 30 est de l'air d'indice de réfraction n3 égal à 1. Le rapport - est égal à 0,55, et l'épaisseur h1 des motifs 28 est égale à 250 nanomètres. La réflectivité en trait continu correspond à un réseau 26 directement au contact de l'air, alors que la réflectivité en trait pointillé correspond à un réseau 26 recouvert d'une couche de passivation 42 en SiO2 d'une épaisseur h2 égale à 100 nanomètres. A la vue de la figure 14, on observe notamment que la couche de passivation 42 a pour effet de renforcer le plateau de réflectivité du réseau 26.

La figure 15 est un tracé de la réflectivité et de la transmission d'un réseau périodique 26 de bandes 28 à section rectangulaire. Les motifs 28 du réseau 26 sont réalisés en A1203, d'indice de réfraction n2 égal à 1,8, la période P du réseau est égale à 575 nanomètres, et le milieu 30 est un matériau d'encapsulation transparent d'indice de réfraction n3 égal à 1,45. Le rapport - est égal à 0,55, et l'épaisseur h1 des motifs 28 est égale à 250 nanomètres. Le réseau 26 est par ailleurs recouvert d'une couche de passivation 42 en A1203 d'une épaisseur h2 de 50 nanomètres. Comme on peut l'observer, il est obtenu un plateau de réflectivité proche de 1 sur une 10 large gamme de longueurs d'onde, et ceci même en présence du matériau d'encapsulation qui est usuellement utilisé dans les modules photovoltaïques pour protéger les cellules. En outre, on remarque que la transmission augmente rapidement pour les infrarouges moyens et lointains, c'est-à-dire au delà de la longueur d'onde correspondant à la bande interdite de la tranche d'absorption 14. Ainsi, ce rayonnement, qui n'est pas 15 absorbé par cette dernière, n'a pas pour effet d'échauffer le réseau 26 et les couches de matériau de passivation et d'encapsulation, et donc d'échauffer en retour la tranche d'absorption 14. On notera par ailleurs que pour de la lumière venant du milieu 30, la structure n'est pas 20 réflectrice mais laisse passer en moyenne 85% du rayonnement vers le milieu 14 sur toute la plage spectrale. Ceci est particulièrement avantageux par exemple pour les cellules photovoltaïques bifaciales qui récupèrent de la lumière aussi par leur face arrière. La figure 16 est un tracé de la réflectivité et de la transmission de la réflectivité et de la 25 transmission d'un réseau périodique 26 de bandes 28 à section rectangulaires. Les motifs 28 du réseau 26 sont en SiN, d'indice de réfraction n2 égal à 2, la période P du réseau est égale à 530 nanomètres, et le milieu 30 est un matériau d'encapsulation transparent d'indice de réfraction n3 égal à 1,45. Le rapport - est égal à 0,6, et l'épaisseur h1 des motifs 28 est égale à 270 nanomètres. Le réseau 26 est par ailleurs recouvert d'une 30 couche de passivation 42 en SiN d'une épaisseur h2 de 50 nanomètres. Comme on peut l'observer, il est obtenu, même en présence du matériau d'encapsulation, un plateau de réflectivité proche de 1 sur toute la gamme de longueurs d'onde dans laquelle l'absorption quantique de la tranche d'absorption est faible. 35 La figure 17 est un tracé de la réflectivité d'un réseau périodique 26 de bandes 28 à section trapézoïdale. Les motifs 28 du réseau 26 sont réalisés en SiO2, la période P du réseau est égale à 700 nanomètres et le milieu 30 est de l'air. Le rapport - est égal à 0,62, l'épaisseur h1 des motifs 28 est égale à 250 nanomètres, et le réseau 26 est directement au contact de l'air. La figure 18 est un tracé de la réflectivité d'un réseau périodique 26 de bandes 28 à section semi-circulaire. Les motifs 28 du réseau 26 sont réalisés en SiO2, la période P du réseau est égale à 700 nanomètres, et le milieu 30 est de l'air. Le rapport - est égal à 0,7, l'épaisseur h1 des motifs 28 est égale à 250 nanomètres, et le réseau 26 est directement au contact de l'air. Bien entendu, les modes de réalisation décrits ci-dessus ne sont pas mutuellement exclusifs l'un de l'autre et peuvent être combinés.

Il a été décrit des cellules photovoltaïques à base de silicium. Bien entendu, l'invention s'applique également à d'autres types de dispositifs photovoltaïques, et plus généralement photoniques, par exemple des détecteurs infrarouges. De même, l'invention s'applique à des dispositifs comprenant un matériau semi-conducteur absorbant différent du silicium, par exemple un matériau absorbant en CdTe, en CdHgTe, en InSb, en Ge, ou en GaP. Les détecteurs auxquels s'applique l'invention comprennent comme dans les modes de réalisation de dispositif photovoltaïque décrits ci-dessus, un substrat semi-conducteur dont une face avant, qui reçoit la lumière, comprend l'élément actif de détection, et une face arrière qui comprend le dispositif réflecteur selon l'invention.

De même, il a été décrit des relations mathématiques impliquant des indices de réfraction. On comprendra que dans le cas d'indices de réfraction complexes, les relations décrites ci-dessus s'appliquent aux parties réelles des indices, les parties imaginaires étant plus faibles que leurs parties réelles respectives.

Claims (1)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif réflecteur comportant un réseau (26) de motifs (28), périodique selon au moins une direction prédéterminée (Y), intercalé entre un premier et un deuxième milieux différents (14, 30), le premier milieu (14) étant en matériau semi- conducteur, dans lequel : - l'indice de réfraction n2 des motifs (28) est inférieur à l'indice de réfraction n1 du premier milieu (14); - l'indice de réfraction n3 du second milieu (30) est inférieur ou égal à l'indice de réfraction n2 des motifs (28); - le réseau (26) est défini par les relations : o P , où P est la période du réseau (26) selon la direction n3 prédéterminée (Y), et À reg est une longueur d'onde de réglage du réseau (26) inférieure à la longueur d'onde correspondant à la bande interdite du matériau semi-conducteur du premier milieu (14) ; o 0,2 - 0,9 , où W est la largeur des motifs (28) du réseau (26) selon la direction prédéterminée (Y) ; et n2 x , où h1 est l'épaisseur des motifs (28) du réseau (26).2. 3. 4. 5. Dispositif réflecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rapport - P est supérieur ou égal à 0,4 et inférieur ou égal à 0,7. Dispositif réflecteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'épaisseur h1 des motifs du réseau est supérieure ou égale à nx reg . n1 2 Dispositif réflecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'indice de réfraction n2 des motifs du réseau est inférieur ou égal à 0,75 fois l'indice de réfraction n1 du premier milieu, et de préférence inférieur ou égal à 0,5 fois l'indice de réfraction n1 du premier milieu. Dispositif réflecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la face arrière (20) du réseau (26) comporte une couche de passivation (42) d'indice de réfraction n2' compris entre l'indice de réfraction n2 des motifs (28) et l'indice de réfraction n3 du milieu (30) et d'épaisseur inférieure ou égale à l'épaisseur h1des motifs (28).6. Dispositif réflecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la face avant du réseau (26) comprend une couche (40) constituée d'un matériau différent du matériau du premier milieu (14), le matériau différent (40) ayant un indice de réfraction n; compris entre 0,8 fois et 1,2 fois l'indice de réfraction n1 du matériau du premier milieu (14), et supérieur à l'indice de réfraction n, des motifs (28) du réseau. Dispositif réflecteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le matériau du premier milieu (14) est du silicium cristallin et le matériau différent (40) est du silicium amorphe ou un matériau semi-conducteur de type III-V. Dispositif réflecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le réseau périodique (26) a au moins deux directions selon lesquelles il présente une périodicité, notamment aux moins deux directions perpendiculaires. Dispositif réflecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier milieu (14) est en silicium, et en ce que les motifs (28) sont constitués de SiOx, notamment de SiO2, d'A1203, de SiN, de SiN4, de ZrO2, de TiO2, de B2O3, d'un polymère tel que par exemple du PMMA (polyméthacylate de méthyle), d'un oxyde transparent conducteur de bas indice de réfraction, notamment du ZnO, du SnO2 ou de l'ITO, ou d'une résine transparente conductrice. Dispositif réflecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le milieu (30) recouvrant le réseau périodique (26) est de l'air. Dispositif réflecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le milieu (30) recouvrant le réseau périodique (26) comprend une couche d' encapsulation, notamment en éthylène-acétate de vinyle, en biphényle polychloré, en une résine époxy, ou en polyméthacylate de méthyle. Dispositif photovoltaïque (10) comprenant une tranche (14) de matériau semiconducteur pour l'absorption d'un flux lumineux, ladite tranche (14) présentant une face avant (16) recevant le flux lumineux incident (18), une face arrière (20) opposée à la face avant (16), et une électrode (24) recouvrant partiellement la face arrière (20), caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif réflecteur conforme à l'une quelconque des revendications précédentes sur au moins une partie de la face 7. 8. 9. 25 10. 11. 30 12. 35arrière (20) non recouverte par l'électrode (24), ladite tranche (14) constituant le premier milieu du dispositif réflecteur. 13. Dispositif photovoltaïque (10) selon la revendication 12, caractérisé en ce que la tranche (14) de matériau absorbant présente une chute de son absorption optique dans une gamme prédéterminée de longueurs d'onde inférieure à la longueur d'onde correspondant à la bande interdite du matériau semi-conducteur, et en ce que la longueur d'onde de réglage 2reg du réseau (26) du dispositif réflecteur est comprise 3 4 nf 5 4nf entre et , où A, est la borne inférieure de ladite gamme. 14. Dispositif photovoltaïque (10) selon la revendication 13, caractérisé en ce que la longueur d'onde de réglage 2reg est sensiblement égale à la borne inférieure A, de ladite gamme. 15. Procédé de fabrication d'un dispositif photovoltaïque comprenant une tranche de matériau semi-conducteur pour l'absorption d'un flux lumineux, ladite tranche présentant une face avant recevant le flux lumineux incident, une face arrière opposée à la face avant, et une électrode recouvrant partiellement la face arrière, caractérisé en ce qu'il consiste : - à former un réseau de motifs, périodique selon au moins une direction prédéterminée, d'indice de réfraction n, inférieur à l'indice de réfraction n, du matériau semi-conducteur constitutif de la tranche, et réalisé dans l'épaisseur d'au moins une partie de la face arrière non recouverte par l'électrode ; et - à recouvrir au moins la portion de face arrière comprenant le réseau d'un milieu d'indice de réfraction n3 inférieur ou égal à l'indice de réfraction n, des motifs du réseau et recouvrant ; le réseau étant défini par les relations : - P = , où P est la période du réseau selon la direction prédéterminée, 2reg n3 est une longueur d'onde de réglage du réseau inférieure à la longueur d'onde correspondant à la bande interdite du matériau absorbant semi-conducteur constitutif de la tranche, et n3 est l'indice de réfraction du milieu recouvrant le réseau ; - 0,2 - 0,9 , où W est la largeur des motifs du réseau selon la direction prédéterminée ; et - h1 < n2 x , où h1 est l'épaisseur des motifs du réseau. 216. Procédé de fabrication d'un dispositif photovoltaïque selon la revendication 15, caractérisé en ce que le matériau semi-conducteur absorbant est du silicium cristallin, et en ce que la tranche (14) a une épaisseur inférieure à 150 micromètres.