Modules solaires multi-découpe : pourquoi le sujet revient sur le tapis

À partir de 2025, l'idée des modules « multi-découpe » est redevenue brûlante dans l'industrie photovoltaïque. Lors du salon SNEC de cette année, de nombreux fabricants de modules ont présenté de nouvelles conceptions telles que les modules tiers-découpe et quart-découpe. Il semble que les fabricants ne se contentent plus du format demi-découpe conventionnel. L'industrie se pose une question très pratique : combien de fois une cellule solaire peut-elle être découpée, et quelle valeur réelle cela apporte-t-il ?

Cet article examine de plus près ce que sont les modules multi-découpe, pourquoi ils sont à nouveau discutés, et quels avantages et limitations ils présentent en termes de résistance à l'ombrage.

Qu'est-ce qu'un module solaire multi-découpe ?

Un module solaire « multi-découpe » signifie généralement qu'une cellule solaire de taille standard est découpée en plusieurs unités de cellules plus petites, qui sont ensuite interconnectées via une conception de circuit en série ou en parallèle et laminées en un module photovoltaïque complet.

Les formats courants incluent :

• Cellules demi-découpe : une cellule entière est découpée en 2 morceaux, actuellement la conception dominante

• Cellules tiers-découpe : une cellule est découpée en 3 morceaux

• Cellules multi-découpe : une cellule est découpée en plusieurs petits morceaux, par exemple des conceptions 4-découpe, 5-découpe ou 6-découpe

• Modules à tuiles : également un type spécial d'application multi-découpe, avec des bandes de cellules se chevauchant

Remarque : Les schémas ci-dessus ne montrent que des concepts de circuit typiques. Ils ne représentent pas les conceptions exactes des produits de fabricants spécifiques.

Pourquoi les fabricants utilisent des conceptions multi-découpe

L'objectif principal de la conception multi-découpe est de réduire le courant de fonctionnement de chaque cellule unitaire et d'optimiser la connexion du circuit interne du module. Ainsi, le module peut réduire les pertes électriques et améliorer la production d'énergie dans des conditions réelles complexes.

Les principaux avantages incluent :

• Courant de fonctionnement plus faible : Après qu'une cellule solaire est découpée en unités plus petites, le courant de chaque sous-cellule est réduit en conséquence.

• Perte de résistance plus faible : La perte de résistance interne d'un module photovoltaïque est proportionnelle au carré du courant.

Ploss = I²R

Ainsi, lorsque le courant est réduit, la perte de résistance dans les rubans, les barres omnibus et les chemins conducteurs internes diminue également.

• Puissance de sortie du module plus élevée : Avec une perte électrique interne plus faible, le module peut généralement atteindre un certain gain de puissance dans des conditions de test standard.

• Risque de point chaud réduit : Un courant plus faible aide à réduire l'échauffement sous ombrage partiel, améliorant le comportement du module face aux points chauds.

• Meilleure tolérance à l'ombrage : Avec une conception de circuit appropriée, l'impact de l'ombrage local peut être limité à une zone plus petite, permettant aux zones non ombragées de continuer à produire de l'énergie.

Conception du circuit : Comment l'ombrage local affecte la sortie du module solaire

Une cellule solaire peut être considérée approximativement comme une source de courant. Sous un bon ensoleillement, la cellule génère du courant. Lorsqu'une partie de la cellule est ombragée, sa capacité de production d'énergie diminue, et le courant de sortie diminue également.

Figure 6 : Effet de l'ombrage sur la sortie d'une chaîne de cellules unique

Dans un module à cellules entières traditionnel, plusieurs cellules sont connectées en série pour former une chaîne de cellules. Si une cellule, ou quelques cellules, sont ombragées, les cellules ombragées limiteront le courant de sortie de toute la chaîne. En termes simples, le courant de sortie d'une même chaîne de cellules est généralement déterminé par la cellule la plus faible, qui est souvent la cellule la plus ombragée.

Sous un ombrage sévère, la cellule ombragée peut même devenir polarisée en inverse. Au lieu de produire de l'énergie, elle devient une charge électrique et produit de la chaleur locale. C'est l'effet de point chaud bien connu.

Pour réduire le risque de points chauds, les modules photovoltaïques sont généralement équipés de diodes de dérivation. Lorsqu'une chaîne de cellules est fortement ombragée, la diode de dérivation conduit et permet au courant de contourner la chaîne affectée. Cela protège les cellules, mais la chaîne contournée ne peut plus contribuer à la puissance. En conséquence, la puissance de sortie du module chute considérablement.

Par conséquent, la résistance à l'ombrage d'un module n'est pas seulement déterminée par la cellule solaire elle-même. Elle dépend également fortement de la conception du circuit interne du module.

La logique de base des modules multi-découpage : diviser un courant élevé en courant plus faible

Un module multi-découpage découpe les cellules standard en unités de cellules plus petites, puis les connecte via des circuits série et parallèle appropriés. Par rapport aux modules à cellules entières traditionnels, une caractéristique importante de la conception multi-découpage est que chaque unité de cellule découpée fonctionne à un courant plus faible.

Supposons que le courant de fonctionnement d'une cellule entière soit I0. Si elle est découpée uniformément en n morceaux, le courant théorique de chaque unité de cellule découpée est approximativement :

Icell = I0 / n

Par exemple :

• Dans un module demi-découpé, chaque demi-cellule a un courant d'environ I0/2.

• Dans un module tiers-découpé, chaque cellule tiers-découpée a un courant d'environ I0/3.

• Dans un module quart-découpé, chaque cellule quart-découpée a un courant d'environ I0/4.

Bien sûr, les valeurs réelles de courant sont également affectées par la qualité de la découpe laser, la passivation des bords, la conception des rubans, les pertes de résistance et la disposition du module. Mais d'après le principe de base, le courant de fonctionnement des unités de cellules multi-découpées est clairement inférieur à celui des cellules entières.

Lorsque le courant est réduit, deux avantages directs apparaissent.

Perte de résistance plus faible

Lorsque le courant diminue, la perte de résistance dans les rubans et les zones d'interconnexion chute considérablement. En prenant l'exemple d'un module quart-découpé, dans des conditions idéales avec d'autres facteurs inchangés, sa perte de résistance pourrait théoriquement être réduite à un seizième de celle d'un module à cellules entières.

L'impact de l'ombrage local peut être limité plus facilement

Avec une conception de circuit plus segmentée, le déséquilibre de courant causé par l'ombrage peut être restreint à une zone locale au lieu d'affecter une chaîne de cellules plus grande.

Par exemple, lorsque deux objets d'ombrage de même surface tombent sur un module à cellules entières et un module à demi-cellules, l'objet peut couvrir 80 % d'une cellule entière dans le module à cellules entières. Dans le module à demi-cellules, le même objet peut être réparti sur deux demi-cellules, ombrageant 30 % d'une demi-cellule et 50 % d'une autre. Dans ce cas, le schéma de désadaptation de courant et la zone affectée seront différents.

Le point clé : une conception de circuit série et parallèle plus flexible

La conception de modules multi-découpage ne consiste pas seulement à couper les cellules en morceaux plus petits. Le véritable facteur qui détermine la résistance à l'ombrage est la façon dont les cellules sont connectées après la découpe.

Dans un module traditionnel à cellules entières, les cellules sont généralement connectées en série, et le module est divisé en trois sections de circuit par trois diodes de dérivation. Lorsqu'une cellule est sérieusement ombragée, cela peut affecter la sortie d'environ un tiers de la surface totale du module.

Dans un module multi-découpage, la chaîne de grandes cellules d'origine peut être divisée en unités de production d'énergie plus petites grâce à une conception série-parallèle plus détaillée. Les chemins parallèles permettent également une distribution de courant plus flexible.

Prenons l'exemple d'un module quart-découpé : avec une disposition de circuit appropriée, l'impact de l'ombrage sur une seule cellule découpée peut être limité à environ un douzième de la surface du circuit. En comparaison, dans les modules traditionnels à cellules entières ou demi-cellules, un ombrage à la même position peut influencer une partie beaucoup plus grande de la sortie de la chaîne de cellules.

Figure 7 : Schémas de circuits équivalents des modules à cellules entières, demi-cellules, tiers-découpés et quart-découpés

Figure 8 : Sous le même ombrage de 50 % de l'unité de production d'énergie minimale, les modules à tuiles peuvent maintenir une puissance plus élevée

Par conséquent, les modules multi-découpage peuvent maintenir une meilleure sortie sous ombrage partiel en utilisant des sections de circuit plus détaillées et des chemins de courant parallèles. La logique de conception centrale comprend :

• Couper les cellules en unités de production d'énergie plus petites

• Utiliser une connexion en série appropriée pour atteindre la tension de module requise

• Utiliser des branches parallèles pour réduire le courant dans chaque branche

• Utiliser des diodes de dérivation pour limiter les pertes de puissance dans les zones ombragées

• Permettre aux zones non ombragées de continuer à produire de l'énergie autant que possible

Limitations importantes : le multi-découpage n'est pas toujours meilleur pour tous les motifs d'ombrage

Bien que cet article se concentre sur la façon dont la conception de circuits multi-découpage peut améliorer la résistance à l'ombrage, les modules multi-découpage n'ont pas toujours un avantage dans tous les scénarios d'ombrage.

Le point clé discuté ci-dessus est le suivant : lorsque la proportion ombragée de l'unité de cellule est la même, les modules multi-découpes atteignent souvent une puissance de sortie plus élevée. Cependant, sous la même taille et forme d'ombre, comme chaque cellule découpée a une surface plus petite, la proportion ombragée de cette unité peut en réalité devenir plus élevée. Cela peut entraîner une baisse de la puissance de sortie.

Par exemple, lorsque l'ombrage se produit le long du côté court d'un module, surtout tôt le matin ou en fin d'après-midi lorsque l'angle du soleil est bas, l'ombre peut couvrir la rangée inférieure de cellules. Pour un module demi-découpé, la rangée inférieure peut n'être ombragée qu'à 70 %. Mais pour un module quart-découpé, comme chaque cellule découpée est plus courte en hauteur, la même ombre peut couvrir complètement la rangée inférieure de cellules quart-découpées. Cela peut entraîner une baisse significative de la puissance dans la section de circuit correspondante, voire faire perdre la capacité de sortie d'une partie de la chaîne de cellules.

De plus, les modules tiers-découpés peuvent présenter une asymétrie haut-bas en raison de la disposition et de la conception du circuit. Lorsque la même zone ou forme d'ombre apparaît sur différents côtés du module, la perte de puissance réelle peut ne pas être la même. Dans certaines conditions d'ombrage spécifiques, un module tiers-découpé peut même avoir une perte de puissance plus importante qu'un module demi-découpé.

Ainsi, lors de l'évaluation de la perte de puissance causée par l'ombre, nous ne pouvons pas seulement regarder la zone ombragée. Nous devons également considérer la distribution réelle du circuit série-parallèle interne, les zones de protection des diodes de dérivation, la forme de l'ombre et la position de l'ombre.

De la Haute Puissance à la Haute Résilience Énergétique

Alors que la puissance des modules photovoltaïques continue d'augmenter, la concurrence dans l'industrie ne porte plus seulement sur la puissance de crête dans des conditions de test standard. Pour les centrales solaires réelles, le rendement énergétique à long terme et la stabilité dans des environnements d'exploitation complexes deviennent plus importants.

Les modules quart-découpés et autres modules multi-découpes utilisent des unités de cellules plus petites, un courant de fonctionnement plus faible et des circuits série-parallèle plus flexibles pour réduire l'impact de l'ombrage local sur la puissance totale du module. Leur valeur fondamentale est simple : localiser l'effet de l'ombre, maintenir le fonctionnement de la zone non ombragée et améliorer la stabilité de la production d'énergie dans les applications réelles.

Dans les toits commerciaux et industriels, les toits résidentiels, les projets BIPV et autres scénarios présentant un risque d'ombrage local, les modules quart-découpés peuvent devenir une voie technique importante pour améliorer le rendement du système et la fiabilité opérationnelle.

Point de vue d'Ooitech

En tant que fournisseur d'équipements travaillant en étroite collaboration avec les lignes de fabrication de modules solaires, Ooitech considère la technologie multi-découpe comme plus qu'un simple changement de format de cellule ; c'est un défi combiné impliquant la précision de la découpe laser, la stabilité du string, la disposition du circuit et l'inspection qualité. Pour les fabricants qui envisagent des produits demi-cellules, tiers-cellules, quart-cellules ou en tuiles, la ligne de production doit être évaluée conjointement avec l'architecture électrique du module, car les performances d'ombrage dépendent fortement de la manière dont chaque petite unité de cellule est interconnectée et protégée. Selon nous, la prochaine étape de la compétition entre modules ne comparera pas seulement la puissance nominale, mais aussi la fiabilité avec laquelle un module continue de produire de l'énergie sous la poussière, les feuilles, les obstacles de toit et les ombres à faible angle.