Comprendre les trois principales technologies de cellules PV : TOPCon, HJT et Pérovskite

Introduction

La technologie photovoltaïque solaire a évolué rapidement au cours de la dernière décennie, avec plusieurs architectures de cellules concurrentes repoussant l'efficacité à de nouveaux sommets. Cet article passe en revue les principes fondamentaux de fonctionnement des cellules solaires, puis détaille les trois principales technologies de nouvelle génération qui façonnent l'industrie aujourd'hui, et se termine par un aperçu du contrôle qualité dans la production de cellules.

Comment fonctionnent les cellules photovoltaïques

Une cellule solaire convertit la lumière en électricité, mais tous les photons entrants ne contribuent pas de manière égale. Comprendre où l'énergie est perdue est la première étape pour construire de meilleures cellules.

• Les photons dont l'énergie est inférieure à la bande interdite ne sont pas absorbés et traversent simplement la cellule.

• Les photons dont l'énergie est supérieure à la bande interdite sont absorbés et génèrent des paires électron-trou, mais l'excès d'énergie des photons à haute énergie est en partie perdu sous forme de chaleur.

• La séparation des charges et le transport des porteurs générés entraînent des pertes à la jonction pn.

• Des pertes par recombinaison se produisent pendant le transport des porteurs.

• La résistance de contact introduit une chute de tension, provoquant des pertes de tension de contact.

Réduction des pertes électriques

• Choisissez des plaquettes avec une bonne structure cristalline et le bon type.

• Développez des techniques idéales de formation de jonction pn.

• Développez des techniques de passivation idéales.

• Adoptez des techniques de contact métallique raisonnables.

• Appliquez d'excellentes technologies de champ avant et arrière.

Réduction des pertes optiques

Pour réduire les pertes optiques et augmenter l'efficacité des cellules, l'industrie a développé une gamme d'approches et de technologies de piégeage de la lumière. Celles-ci incluent la texturation de surface de la plaquette pour réduire la réflexion, des revêtements antireflet sur la face avant, des revêtements réfléchissants sur la face arrière, et la minimisation de la zone d'ombrage des lignes de grille.

TOPCon

Le TOPCon, également connu sous le nom de technologie de contact passivé, est largement considéré comme la technologie de cellule solaire de nouvelle génération après le PERC. Par rapport à d'autres technologies potentielles telles que HJT et IBC, le TOPCon peut être mis à niveau directement à partir des lignes PERC ou PERT existantes. Par conséquent, les fabricants souhaitant moderniser leurs lignes de production existantes ont besoin d'un investissement en capital relativement faible, tout en obtenant un gain d'efficacité solide d'environ 1 %.

La face avant d'une cellule TOPCon est essentiellement la même que celle d'une cellule N-type ou N-PERT conventionnelle, composée d'un émetteur de bore (p+), d'une couche de passivation et d'une couche antireflet. La technologie clé réside dans le contact passivé arrière : le dos de la plaquette porte une couche d'oxyde ultra-mince (1–2 nm) plus un film mince de silicium micro/amorphe mixte dopé au phosphore. Pour les applications bifaciales, la métallisation est réalisée par sérigraphie de grilles Ag ou Ag-Al sur le devant et de grilles Ag sur le dos.

Contact passivé à oxyde tunnel

Le contact passivé à oxyde tunnel (TOPCon) a attiré une attention considérable récemment car il atteint un rendement de conversion élevé de 25,7 %. La structure TOPCon est composée d'un oxyde tunnel mince et d'une couche de contact en polysilicium dopé au phosphore (P). La couche de polysilicium dopé au P peut être fabriquée en cristallisant du a-Si:H ou en déposant directement du polysilicium en utilisant le LPCVD. Le TOPCon se distingue comme un candidat prometteur parmi les technologies de cellules solaires à haut rendement.

HJT Hétérojonction

La technologie de l'hétérojonction (HJT) est une méthode de fabrication de panneaux solaires qui a été en hausse au cours de la dernière décennie. C'est actuellement l'un des processus les plus efficaces pour pousser l'efficacité et la puissance de sortie à des niveaux élevés, surpassant même les performances de la technologie PERC dominante de l'industrie. Les cellules HJT combinent deux technologies différentes en une seule : le silicium cristallin et le film mince amorphe. L'utilisation de ces technologies ensemble permet de récolter plus d'énergie que l'utilisation de l'une ou l'autre seule, atteignant des rendements de 25 % ou plus.

Structure de la cellule HJT

En utilisant une plaquette monocristalline comme substrat, un film a-Si:H intrinsèque de 5–10 nm puis un film a-Si:H de type p sont déposés en séquence sur le devant nettoyé et texturé de la plaquette, formant une hétérojonction p-n. Sur le dos de la plaquette, un film intrinsèque de 5–10 nm et un film a-Si:H de type n sont déposés pour former un champ de surface arrière. Un film d'oxyde conducteur transparent est ensuite déposé, et enfin la sérigraphie crée des électrodes collectrices métalliques sur le dessus des deux côtés, construisant une cellule solaire HJT symétrique.

Avantages des cellules HJT

• Flexibilité et adaptabilité — Cette technologie a été développée pour une excellente capacité de production même dans des conditions météorologiques extrêmes. Les panneaux HJT ont un coefficient de température plus faible que les panneaux conventionnels, garantissant des performances élevées à des températures externes élevées.

• Durée de vie prévue — En moyenne, les modules photovoltaïques à couche mince peuvent durer jusqu'à 25 ans, tandis que les cellules HJT peuvent continuer à fonctionner normalement pendant plus de 30 ans.

• Efficacité supérieure — La plupart des panneaux hétérojonctions sur le marché aujourd'hui ont des efficacités comprises entre 19,9 % et 21,7 %, une énorme amélioration par rapport aux autres cellules monocristallines conventionnelles.

• Économies de coûts — Le silicium amorphe utilisé dans les panneaux HJT est une technologie photovoltaïque rentable. Par rapport à d'autres technologies, cette approche solaire à couche mince nécessite un temps de fabrication plus court. Grâce à son processus simplifié, le HJT est plus abordable que les solutions alternatives.

Pérovskite

En 2009, les matériaux pérovskites ont été utilisés pour la première fois pour atteindre une efficacité photovoltaïque de 4 %. En 2021, les cellules solaires à pérovskite à jonction unique (PSC) ont atteint une efficacité de 25,5 %. L'amélioration rapide des cellules pérovskites en a fait une étoile montante dans le domaine photovoltaïque et a suscité un grand intérêt dans le monde académique. Étant donné que leurs méthodes de fonctionnement sont encore relativement nouvelles, il existe de nombreuses opportunités pour étudier plus en profondeur la physique et la chimie sous-jacentes de la pérovskite.

Structure des cellules pérovskites

Les structures de cellules solaires à pérovskite les plus avancées sont basées sur cinq composants : un oxyde conducteur transparent, une couche de transport d'électrons (ETL), la pérovskite, une couche de transport de trous (HTL) et une électrode métallique. Comprendre et optimiser les niveaux d'énergie et les interactions des différents matériaux à ces interfaces est un domaine de recherche très passionnant qui est encore activement discuté.

CaTiO3

La pérovskite est le nom d'un minéral, découvert en 1839 par Rose dans les roches minérales des montagnes de l'Oural et nommé d'après le géologue russe Perovski. Les matériaux pérovskites ont tendance à avoir une faible probabilité de recombinaison des porteurs et une mobilité des porteurs élevée, ce qui en fait des matériaux idéaux pour les cellules solaires.

Méthodes de formation des films de pérovskite

La clé pour améliorer l'efficacité de conversion de puissance des cellules solaires à pérovskite réside dans l'optimisation de la morphologie du film. Les méthodes de formation de film couramment utilisées en laboratoire sont le dépôt en une ou deux étapes. Pour répondre à la demande de films de pérovskite de grande surface et à faible coût, des équipements de traitement tels que le revêtement par fente, l'impression et la pulvérisation sont également utilisés pour fabriquer des cellules solaires à pérovskite.

L'avenir de la pérovskite

La recherche future sur la pérovskite se concentrera probablement sur la réduction de la recombinaison grâce à des stratégies telles que la passivation et la réduction des défauts, ainsi que sur l'amélioration de l'efficacité en incorporant des pérovskites bidimensionnelles et des matériaux d'interface plus optimisés. Les couches d'extraction de charges pourraient passer de matériaux organiques à inorganiques pour améliorer l'efficacité et la stabilité. L'amélioration de la stabilité et la réduction de l'impact environnemental restent des domaines importants.

Contrôle qualité dans la production de cellules photovoltaïques

Les cellules photovoltaïques en silicium cristallin sont les cellules les plus courantes dans les panneaux solaires commerciaux, représentant plus de 90 % des ventes mondiales de cellules photovoltaïques.

En laboratoire, l'efficacité de conversion d'énergie des cellules en silicium cristallin dépasse 25 % pour les cellules monocristallines et atteint 20 % ou plus pour les cellules polycristallines. Cependant, les modules solaires produits industriellement n'atteignent actuellement que 18 % à 22 % d'efficacité dans des conditions de test standard.

Nettoyage et texturation

La gravure élimine la couche de dommages de surface et texture la surface pour former une structure texturée qui piège la lumière et réduit les pertes par réflexion. Mesurer la réflectance de la surface texturée est un moyen important de surveiller le processus de texturation.

Formation de la jonction de diffusion et isolation des bords

La diffusion thermique et des méthodes similaires forment une couche de diffusion de type de conductivité différent sur la plaquette, créant la jonction pn. Différents types de cellules déposent une couche de passivation d'une certaine épaisseur entre la jonction pn et la plaquette pour obtenir une cellule solaire à couche mince plus efficace. Ce processus surveille principalement la durée de vie des porteurs minoritaires, l'épaisseur de la plaquette et l'indice de réfraction.

Dépôt de revêtement antireflet

Pour améliorer davantage l'absorption de la lumière, un film antireflet est appliqué sur la surface de la plaquette. Actuellement, l'industrie utilise le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) pour déposer un film mince sur la plaquette, qui agit également comme couche de passivation. À ce stade, les principales mesures sont la transmittance du film antireflet et l'uniformité de la résistance de couche.

Fabrication des électrodes

Les électrodes en forme de grille sont sérigraphiées sur la face avant de la cellule, tandis que le champ arrière et l'électrode arrière sont imprimés à l'arrière, suivis d'un séchage et d'un frittage. Au cours de ce processus, le contrôle de la température, la précision de l'alignement et le rapport hauteur/largeur des lignes de grille sont des indicateurs de surveillance indispensables.

Point de vue d'Ooitech

ooitech estime que TOPCon, HJT et la pérovskite font chacune progresser l'efficacité des cellules solaires à leur manière, et qu'un contrôle qualité rigoureux de la production est ce qui transforme finalement ces technologies en modules fiables et performants.