Comment mieux découper les cellules solaires multi-pièces ?
Table des matières
Réponse rapide : Diviser une cellule complète en moitiés, tiers ou morceaux plus petits augmente la puissance du module en réduisant le courant transporté par chaque bande, ce qui diminue la perte résistive dans le ruban. Le bénéfice diminue à mesure que la bande rétrécit, et le coût mécanique augmente. Trois approches dominent. Le scribage laser suivi d'une rupture mécanique est le plus rapide et introduit la charge thermique la plus faible, mais la qualité du bord de rupture dépend de la profondeur du scribage. La découpe laser complète sépare la cellule avec le faisceau seul et donne un bord plus net à vitesse plus faible. La séparation laser thermique combine un laser avec une étape de refroidissement afin que la fissure se propage le long d'un trajet contrôlé. Les dimensions pertinentes vont d'une longueur d'onde laser de 532 nm à des tailles de motif proches de 1 µm et 20 µm jusqu'à 100 µm, et la tension de la bande est faible — environ 0,55 V — de sorte que les gains proviennent de la résistance, non de la tension.
Fabrication de modules PV · par Jerry, Ooitech
Introduction
TOPCon, SHJ et BC" title="Comment mieux découper les cellules solaires multi-pièces ? La vérité contre-intuitive sur la perte de bord dans les cellules n-type TOPCon, SHJ et BC"/>
Pour atteindre une puissance de module plus élevée, les ingénieurs découpent souvent une grande cellule en 1/2, 1/3 ou même plus de « petites cellules », puis les reconnectent en série et en parallèle dans un module. L'objectif est de réduire le courant et de diminuer la perte de puissance résistive. Mais chaque découpe laisse une « blessure » non passivée le long du bord de la cellule. Ces blessures deviennent des pièges à porteurs et réduisent la tension en circuit ouvert (Voc) et le facteur de remplissage (FF). Plus la sous-cellule est petite, plus cette perte de recombinaison en bordure est importante.
La méthode industrielle la plus courante aujourd'hui, « gravure laser + clivage mécanique » (L&C), laisse de sérieux dommages thermiques le long de la découpe. Et pendant des années, le domaine s'est accordé sur un point : graver du côté de la jonction p-n cause le plus de dommages, donc « le côté jonction p-n est le principal goulot d'étranglement pour la perte en bordure ». Cette croyance a donné naissance à l'astuce standard de « graver du côté n-n+ pour protéger la jonction p-n ».
Mais ce « bon sens » largement accepté reflète-t-il vraiment le comportement électrique intrinsèque de la jonction p-n ? Ou n'est-ce qu'un artefact de la chaleur du laser ?
Découverte clé : un comportement électrique intrinsèque qui brise le consensus
Une équipe de recherche de l'institut FUNSOM de l'Université de Soochow a publié des travaux dans Nano Energy utilisant une nouvelle méthode de découpe à faible dommage qu'ils appellent « clivage rotatif à 45° ». Elle contourne intelligemment les dommages thermiques du laser et sonde le véritable comportement électrique intrinsèque du bord de la jonction p-n. La conclusion a surpris l'industrie :
Avec une découpe à faible dommage, l'efficacité de collecte des porteurs en bordure du côté jonction p-n est en réalité plus élevée que du côté n-n+. En termes simples : graver du côté de la jonction p-n est la meilleure stratégie industrielle. Cela bouleverse vingt ans de pratique acceptée.
Comment ouvrir le bord de la cellule sans l'endommager
Pour étudier le « comportement électrique intrinsèque de la jonction p-n », il faut d'abord résoudre un problème délicat. Le procédé traditionnel découpe laser laisse une couche refondue et resolidifiée, ainsi que des microfissures et une accumulation de dommages thermiques le long du bord, et tout cela brouille toute observation de la jonction p-n et du comportement de recombinaison de surface. L'équipe a emprunté une autre voie, en utilisant la nature de clivage anisotrope des cristaux de silicium pour proposer une méthode de « clivage par rotation à 45° » :
Première étape : faire pivoter la plaquette de 45° dans le plan.
Deuxième étape : pré-rayer une ligne peu profonde sur le plan (100) avec une pointe de diamant.
Troisième étape : cliver le long de la famille de plans {110} pour obtenir une section transversale atomiquement plane et sans dommage thermique.
La section de bord obtenue de cette manière conserve son intégrité structurelle et électrique. Combinée à une technique d'imagerie de photovoltage à résolution micrométrique, vous pouvez scanner le comportement électrique près du bord point par point, sans endommager la jonction p-n.
L'expérience a utilisé un laser de 532 nm (profondeur de pénétration d'environ 1,3 µm), atteignant une résolution spatiale d'environ 1 µm sous un objectif 50×, suffisamment claire pour capturer le comportement de décroissance du photovoltage à quelques dizaines de micromètres du bord.
Résultats expérimentaux
Figure 1. Effet de la découpe sur l'intégrité de la jonction p-n (a, b), schéma de la méthode de clivage par rotation à 45° (c, d), et schémas des trois structures de cellules à haute efficacité (e-g).
La figure 1a montre le processus traditionnel de L&C gravant sur le côté de la jonction p-n : d'abord, un laser ablate une rainure sur la surface de la cellule (la marque laser), puis une force mécanique casse la cellule. La figure 1b est la coupe transversale au MEB du bord après la découpe L&C. On voit clairement que la section se divise en deux zones. La partie supérieure est la « zone d'ablation laser », montrant une morphologie évidente de refusion et de resolidification. La partie inférieure est la « zone de séparation par contrainte », déchirée par la force mécanique, laissant de nombreuses microfissures irrégulières et des poches de fusion. Ces dommages thermiques sont exactement ce qui provoque le pic de courant de fuite et la baisse des performances de la cellule.
Il est à noter : lorsque le laser grave sur le côté de la jonction p-n, la jonction p-n elle-même est complètement détruite par la chaleur. Ainsi, le « phénomène » que l'industrie a toujours observé, selon lequel « le côté de la jonction p-n est le goulot d'étranglement des pertes de bord », est en réalité un artefact des dommages thermiques.
La figure 1c montre la méthode de clivage par rotation à 45° proposée ici : faire pivoter la plaquette de 45° autour de l'axe dans le plan, rayer le plan (100) avec une pointe de diamant, puis déchirer le long du plan de clivage {110}. La figure 1d est l'image MEB du bord clivé, échelle 20 µm. La section transversale est extrêmement plane et propre, sans aucune trace de fusion, préservant parfaitement la structure et l'intégrité électrique de la jonction p-n. C'est la clé pour étudier le « comportement intrinsèque ».
Ce travail examine trois technologies de cellules à haut rendement de type n : TOPCon, SHJ et TBC. Elles partagent une caractéristique commune. Sur un substrat de c-Si de type n, elles portent à la fois une jonction p-n (homo- ou hétérojonction) et une jonction haute-basse n-n+. Ainsi, l'étude de leur comportement de bord fournit des directives directes pour la production industrielle réelle.
Figure 2. Analyse de la phototension de bord côté face avant des cellules TOPCon, SHJ et TBC.
La figure 2a montre le balayage laser à 532 nm depuis le bord de la face avant de la cellule vers l'intérieur, fonctionnant avec une platine de précision XY et un amplificateur électrique pour enregistrer le signal de phototension en temps réel, construisant finalement une carte de phototension 2D. La figure 2b est l'image de phototension côté face avant de TOPCon, SHJ et TBC (de gauche à droite). Une couleur plus claire signifie une phototension plus élevée. Les trois cellules montrent une « bande de gradient » évidente à moins de ~100 µm du bord, avec une phototension plus faible près du bord. C'est la preuve directe de la perte par recombinaison de bord.
En comparant les trois : TOPCon a la phototension la plus élevée (0,40–0,55 V) et sature le plus rapidement. TBC a la plus basse (0,36–0,49 V) et décroît le plus lentement, ce qui signifie que sa recombinaison de bord est la pire. Ce résultat va à l'encontre du sens commun selon lequel « la jonction p-n est le goulot d'étranglement », car la face avant (le côté exposé à la lumière) est généralement exactement là où se trouve la jonction p-n.
La figure 2c normalise le profil de phototension extrait le long de la ligne pointillée noire de la figure 2b. Les trois courbes montrent « faible au bord, élevée sur le plateau », mais la vitesse de saturation (qui reflète la longueur de recombinaison de bord) diffère clairement :
TOPCon : région de décroissance la plus courte, proche de la saturation à environ 100 µm, perte de bord la plus faible.
SHJ : région de décroissance intermédiaire, proche de la saturation à ~200 µm.
TBC : récupération la plus lente, s'étendant jusqu'à ~500 µm avant saturation complète, la pire perte de bord.
La figure 2d explique la physique derrière les différences. Un trou photogénéré finit par faire l'une des deux choses : être collecté par une électrode, ou dériver vers le bord et se recombiner.
TOPCon : émetteur sur la face avant, chemin de collecte des trous ultra-court
La surface avant est un émetteur p+. Les trous n'ont besoin de traverser que l'émetteur très mince pour être collectés par l'électrode avant, donc la plupart des trous "n'ont jamais l'occasion" d'atteindre le bord. En même temps, le champ fort formé par p+ émetteur / SiOx / n-poly-Si reste efficace au bord aussi, séparant rapidement les porteurs. C'est la raison fondamentale pour laquelle TOPCon a la plus petite perte de bord.
SHJ : l'avant collecte les électrons, les trous prennent le long chemin
La surface avant SHJ est en n-a-Si:H, qui collecte les électrons. Les trous doivent diffuser jusqu'au p-a-Si:H arrière avant d'être collectés, un chemin très long. Ajoutez la couche TCO hautement conductrice agissant comme une "autoroute", transportant beaucoup de trous latéralement vers le bord, et la recombinaison au bord augmente sensiblement.
TBC : toutes les électrodes à l'arrière, élimination totale
Dans TBC, chaque électrode se trouve à l'arrière. Les porteurs générés à la surface avant doivent voyager latéralement à travers toute la plaquette pour être collectés. Pire, la couche de passivation Al2O3 avant porte beaucoup de charge négative fixe, induisant une couche d'accumulation de trous à la surface du Si et formant un "canal conducteur de trous" qui pousse les trous encore plus fortement vers le bord.
Note rapide : le comportement de la phototension côté avant est principalement déterminé par deux choses, la "distance de collecte des porteurs" et "l'existence d'un canal de transport latéral", et cela n'a rien à voir avec la direction de la jonction p-n elle-même.
Figure 3. Analyse de la phototension de bord côté arrière des cellules TOPCon, SHJ et TBC.
La figure 3a esquisse le balayage laser depuis le bord côté arrière. La figure 3b est la carte de phototension 2D correspondante. Par rapport à la figure 2b, les trois cellules montrent une phototension côté arrière plus faible que côté avant (car la surface avant a généralement une meilleure conception antireflet et une utilisation de la lumière plus élevée). La figure 3c révèle quelque chose d'intéressant : le "gagnant" du bord côté arrière devient TBC. Même si SHJ a aussi une jonction p-n à l'arrière, sa phototension de bord est en réalité plus faible que TOPCon, ce qui montre en outre que la "position de la jonction p-n" n'est pas le seul facteur décidant de la perte de bord. La figure 3d esquisse le mécanisme de transport des porteurs minoritaires côté arrière. L'arrière est spécial : le n-poly-Si arrière contient une concentration élevée d'électrons, formant un environnement à champ fort qui supprime les trous mais favorise la collecte des électrons.
Côté arrière TOPCon : la "voie rapide" des trous est supprimée
La concentration élevée d'électrons dans le n-poly-Si arrière supprime le transport des trous. Les trous doivent traverser tout le substrat de c-Si de type n pour atteindre l'émetteur p+ avant d'être collectés. Ce « transport à longue distance » rend généralement la phototension côté arrière plus faible, mais il réduit également le nombre de trous atteignant le bord.
Côté arrière SHJ : l'hétérojonction est forte, mais le TCO est une épée à double tranchant
L'hétérojonction n-type c-Si / p-a-Si:H du SHJ offre vraiment une séparation des porteurs plus forte que TOPCon, mais son TCO a une faible résistance latérale et « court-circuite » toujours une bonne partie des trous vers le bord. Le résultat : une forte capacité de séparation ne signifie pas une faible perte au bord.
Côté arrière TBC : le HSC de trous est juste là à l'arrière, un avantage à domicile
Le HSC côté arrière du TBC fait face directement aux trous photogénérés. Les porteurs sont collectés directement à l'arrière, donc beaucoup moins s'écoulent vers le bord, et la phototension côté arrière sature le plus rapidement.
Remarque rapide : le comportement de la phototension côté arrière montre une tendance « inversée » par rapport à l'avant. Le TBC est le pire à l'avant mais le meilleur à l'arrière, ce qui montre que « quel côté fait face à la lumière » importe plus que « quel côté est la jonction p-n ».
Figure 4. Modèle de distribution de phototension en coupe transversale des cellules TOPCon et SHJ.
Si les figures 2 et 3 regardent le bord "de côté", la figure 4 le découpe "en travers". Le laser scanne directement sur la section transversale, vous voyez donc tout le comportement électrique de la jonction p-n à la jonction n-n+ en une seule fois. C'est la partie la plus originale de l'étude. La figure 4a est la carte de photovoltage en coupe transversale de TOPCon, de gauche à droite le côté avant (émetteur p+ / jonction p-n) et le côté arrière (n-poly-Si / jonction n-n+). Vous pouvez voir que le côté gauche (jonction p-n) est globalement plus lumineux, et le côté droit (n-n+) est plus sombre. La courbe extraite dans la figure 4b est très claire : du côté de la jonction p-n vers le côté n-n+, la photovoltage diminue de manière monotone, avec toute la région de décroissance autour de 100 µm. Ce résultat rejette catégoriquement la vision traditionnelle selon laquelle "la jonction p-n est le goulot d'étranglement de la perte de bord", car dans des conditions de faible dommage, le côté de la jonction p-n est au contraire la zone de haute photovoltage. La figure 4c donne la raison physique : du côté de la jonction p-n (émetteur p+), les porteurs minoritaires (trous) ne parcourent qu'une courte distance pour être collectés, tandis que du côté n-n+ (la région n-poly-Si), les trous doivent traverser tout le c-Si de type n pour atteindre l'émetteur p+, un long chemin avec une probabilité de recombinaison élevée, donc la perte est plus grande. Les figures 4d–f montrent exactement la même tendance sur les cellules SHJ : de la jonction p-n arrière (p-a-Si:H / n-c-Si) à la jonction n-n+ avant (i/n-a-Si:H / n-c-Si), la photovoltage diminue également de manière monotone. Cette régularité qui se maintient à travers différentes structures de cellules est l'un des arguments centraux de l'étude.
Pour décrire cela quantitativement, l'équipe a dérivé un modèle de diffusion unidimensionnel des porteurs minoritaires. La figure 4g est le schéma du modèle, montrant la courbe (orange) décroissant de manière monotone du côté de la jonction p-n (contact sélectif de trous, HSC) vers le côté ESC (contact sélectif d'électrons, ESC). La figure 4h compare en outre le comportement des porteurs des côtés HSC et ESC :
Côté HSC : les porteurs minoritaires (trous) sont collectés sur une courte distance, faible probabilité de recombinaison.
Côté ESC : les porteurs minoritaires doivent diffuser sur une longue distance pour atteindre le HSC, se recombinant fortement en chemin.
Le mécanisme de séparation des porteurs de la jonction p-n a le double avantage d'un contact fortement dopé plus un contact passivé, plus efficace qu'une simple jonction haut-bas (n-n+).
Note rapide : le modèle de photovoltage en coupe transversale confirme quantitativement que "la performance électrique du côté de la jonction p-n surpasse celle du côté n-n+", et propose la "longueur de diffusion des porteurs minoritaires L" comme nouvelle métrique pour évaluer la perte de bord.
Figure 5. Analyse de photovoltage en coupe transversale d'une cellule TOPCon fabriquée par la méthode industrielle de séparation thermique au laser (TLS).
Pour vérifier si la conclusion de la méthode de clivage à 45° tient pour la découpe industrielle, l'équipe a utilisé la méthode de « séparation laser thermique » (TLS) (Figure 5a) — d'abord un laser prétraite le côté de la jonction p-n (le pré-sillonnage dans la figure), puis l'eau de refroidissement assiste la séparation. La TLS est l'une des techniques de découpe à faible dommage reconnues aujourd'hui. La Figure 5b est l'image de photovoltage en coupe transversale de la TOPCon après découpe TLS : le côté gauche (jonction p-n) est nettement plus brillant que le côté droit (n-n+). La courbe quantitative de la Figure 5c montre que de la jonction p-n vers le côté arrière, le photovoltage diminue toujours de manière monotone, ce qui est entièrement cohérent avec le résultat du clivage à 45°.
Vérification clé : même avec la méthode TLS industrielle (découpe directement depuis le côté de la jonction p-n), le photovoltage montre toujours la tendance « jonction p-n élevée, n-n+ faible ». Cela indique qu'en découpe à faible dommage, la « jonction p-n » n'est pas du tout un goulot d'étranglement, mais plutôt là où se trouve l'avantage. L'expérience industrielle antérieure selon laquelle « le côté de la jonction p-n donne de meilleures performances » dans la découpe TLS est enfin confirmée à la fois par l'expérience et la théorie.
Figure 6. Analyse du photovoltage en coupe transversale des cellules TBC et THBC, ainsi qu'un schéma de la stratégie de découpe à faible dommage de la jonction p-n.
Les Figures 6a et 6b sont les images de photovoltage en coupe transversale des cellules TBC et THBC. La TBC a le photovoltage le plus élevé, 0,39 V, et la THBC est légèrement inférieure (0,21 V), mais les deux montrent la distribution spatiale claire « jonction p-n brillante, n-n+ sombre ». Les courbes extraites dans les Figures 6c et 6d suivent le même schéma que la Figure 4 : déclin monotone de la jonction p-n vers n-n+. Une mention spéciale mérite le petit encart de la Figure 6c : la « distribution directionnelle » du photovoltage pour chaque structure de cellule montre un motif « dense en haut à gauche, clairsemé en bas à droite », ce qui signifie que l'avantage électrique du côté de la jonction p-n est universel à travers les structures et les procédés. La Figure 6e explique ce qui rend les cellules à contact arrière spéciales : le HSC collecte les trous « à proximité » à l'arrière, et l'ESC collecte les électrons « à proximité » à l'arrière. Les porteurs minoritaires (trous) générés dans la région de la jonction p-n n'ont besoin que d'une courte distance pour atteindre le HSC, donc la perte est faible ; les porteurs minoritaires dans la région n-n+ doivent faire un long trajet, donc la perte est plus importante. Ce schéma correspond exactement à TOPCon et SHJ. Sur la base de toutes ces preuves, l'équipe a proposé une toute nouvelle stratégie de découpe dans la Figure 6f :
Recommandation industrielle
Lors d'une découpe à faible dommage (comme le TLS), vous devez découper du côté de la jonction p-n. Raison : le côté de la jonction p-n a une efficacité de séparation des porteurs plus élevée et un chemin de transport des porteurs minoritaires plus court. Même sous certaines perturbations du processus, il conserve des performances électriques décentes. Cette recommandation renverse vingt ans de pratique industrielle consistant à « éviter de toucher la jonction p-n ».
Point de vue d'Ooitech
Honnêtement, c'est l'une de ces découvertes qui réécrit silencieusement une habitude au niveau de la ligne plutôt qu'une spécification de titre. Le point à retenir pour quiconque gère une ligne de type n : associez votre recette de découpe laser à la physique des porteurs de la cellule elle-même, et ne placez pas aveuglément la gravure du côté n-n+ simplement parce que c'était l'ancienne règle. La séparation à faible dommage (style TLS) est le véritable catalyseur ici, et régler ce processus sur une machine de découpe laser de cellules solaires est exactement là où les fabricants de modules gagnent ou perdent du Voc et du FF réels. Nous construisons nos postes de découpe et de connexion pour maintenir un faible dommage sur les bords sur les formats TOPCon, SHJ et BC, donc ce type de recherche se traduit directement en production. Si vous voulez voir comment ces étapes se présentent sur une ligne en fonctionnement, la chaîne YouTube Ooitech à www.youtube.com/ooitech vaut le détour.
