Pourquoi les cellules solaires BC sont plus sujettes au gauchissement et à la déformation

Réponse rapide : Les cellules à contacts arrière sont plus sujettes à la courbure et au gauchissement que les cellules à contacts avant, car les deux contacts de polarité se trouvent à l'arrière, de sorte que le volume de métallisation arrière et la contrainte qu'il introduit sont déséquilibrés par rapport à l'avant. Lorsque la cellule refroidit après la cuisson, le métal arrière se contracte contre une face avant non métallisée, et le résultat est une courbure qui peut être mesurée en fractions de millimètre sur une cellule de 182 mm ou 105 mm. Les températures de traitement impliquées — environ 110 °C dans les étapes ultérieures contre une référence ambiante proche de 22 °C — déterminent l'ampleur de la contraction différentielle accumulée. La courbure importe car une cellule gauchie ne repose pas à plat sur la stringeuse ou dans le laminé, ce qui produit des erreurs de positionnement, une épaisseur d'encapsulant irrégulière après laminage et, dans le pire des cas, des micro-fissures au niveau du joint.

Fabrication de modules PV · par Jerry, Ooitech

Gauchissement et déformation des cellules solaires BC

Dans la concurrence intense entre les routes technologiques photovoltaïques, les cellules BC, ou cellules à contact arrière, se distinguent par leur conception efficace et visuellement propre. Sans lignes de grille métalliques sur la surface avant, les cellules BC sont devenues l'une des directions technologiques les plus surveillées de l'industrie.

Derrière cette apparence propre, cependant, se cache un problème de fabrication difficile : les cellules BC sont naturellement plus susceptibles de se déformer et de se gauchir.

Comme l'ont souligné les spécialistes du secteur, toutes les électrodes sont situées sur la face arrière, de sorte que la cellule est intrinsèquement sujette à la déformation. Lors de l'assemblage du module, davantage de matériaux sont continuellement ajoutés à l'arrière, notamment l'adhésif isolant, ruban de soudures, et la pâte à souder. À mesure que ces couches s'accumulent, le problème de gauchissement peut devenir de plus en plus grave.

Alors, pourquoi les cellules BC sont-elles plus susceptibles de se déformer et de se gauchir que les cellules solaires conventionnelles ?

1. Asymétrie structurelle créant un risque inhérent de gauchissement

La caractéristique la plus distinctive d'une cellule BC est que les électrodes positives et négatives sont placées sur la surface arrière. Il n'y a pas de lignes de grille métalliques sur la face avant. Cette conception améliore l'absorption de la lumière, mais elle introduit également une faiblesse structurelle inhérente.

Les recherches indiquent que Les cellules BC présentent un gauchissement nettement plus important que les TOPCon cellules dont les électrodes sont réparties sur les faces avant et arrière. Avec des structures arrière similaires, les lignes de grille avant peuvent partiellement compenser la déformation causée par le retrait à l'arrière.

Les cellules BC n'ont pas ces lignes de grille avant. Le déséquilibre de contraintes résultant entre les surfaces avant et arrière rend la déformation cylindrique plus probable pendant la fabrication et l'utilisation.

Cette asymétrie structurelle résulte essentiellement d'une contrainte inégale. C'est similaire à la façon dont un tournesol se penche vers la lumière du soleil en raison de taux de croissance différents sur ses côtés ombragés et éclairés. Dans une cellule BC, la contrainte de contraction générée par les multiples couches arrière est beaucoup plus grande que la contrainte sur le devant, ce qui fait naturellement plier la plaquette.

2. Inadéquation de dilatation thermique entre les matériaux de la face arrière

Plusieurs couches fonctionnelles doivent être appliquées à l'arrière d'une cellule BC. En plus des électrodes métalliques conventionnelles, celles-ci peuvent inclure des matériaux isolants, de la pâte à souder et des rubans de soudure. Les différences dans les coefficients de dilatation thermique entre ces matériaux sont un facteur principal de gauchissement.

• La différence de dilatation entre le métal et le silicium est particulièrement significative. L'argent a un coefficient de dilatation thermique environ sept fois supérieur à celui du silicium. Pendant la fabrication des cellules, cette différence peut générer une contrainte thermique substantielle entre la métallisation en argent et le substrat de silicium. Le gauchissement peut devenir encore plus sévère après l'impression de la pâte à souder.

• Les matériaux isolants jouent également un rôle important. L'isolation est nécessaire pour séparer les électrodes positives et négatives sur la surface arrière, mais le coefficient de dilatation thermique du matériau isolant diffère de celui de la plaquette de silicium. Si la zone de contact entre l'isolation et la cellule est trop grande, la consommation de matériaux augmente et la contrainte causée par l'inadéquation de dilatation thermique augmente également. Cela peut intensifier le gauchissement de la cellule et entraîner des risques de processus tels que la casse de la cellule et le collage ou le chevauchement des cellules pendant la manipulation.

3. Le soudage unilatéral produit une contrainte mécanique déséquilibrée

Les modules BC utilisent généralement un soudage unilatéral, avec tous les rubans de soudure concentrés sur la surface arrière. Cela est fondamentalement différent du soudage bilatéral conventionnel.

Par exemple, lorsque 21 rubans de soudure sont fixés sur une cellule de 182 mm × 105 mm, un gauchissement significatif se produit lorsque la température descend de 110°C à 22°C. Cela se produit que l'épaisseur de la cellule soit de 0,13 mm, 0,15 mm ou 0,18 mm.

La déformation provient principalement de la contrainte thermique inégale générée pendant le soudage. C'est un problème structurel inhérent associé à l'interconnexion unilatérale utilisée pour les cellules BC.

Plus préoccupant encore, l'augmentation de l'épaisseur de la cellule ne résout pas efficacement le problème. Les résultats de simulation montrent que le soudage simple face peut produire un gauchissement allant jusqu'à 4,9 mm. Même lorsque l'épaisseur de la cellule est augmentée à 0,18 mm, le gauchissement ne diminue que d'environ 18 %. Dans les mêmes conditions, le gauchissement maximal causé par le soudage double face n'est que de 0,07 mm.

Cela signifie qu'atteindre le niveau de gauchissement du soudage double face par un simple épaississement de la plaquette nécessiterait une épaisseur bien supérieure à 0,18 mm. Cela augmenterait considérablement la consommation de silicium et les coûts des matériaux.

Le problème peut également persister lors de la lamination. Le gauchissement asymétrique causé par le brasage simple face peut comprimer le encapsulant autour des bords de la cellule et de la zone centrale. L'encapsulant peut s'amincir ou même être perforé, créant des points de concentration de contraintes locales qui menacent l'intégrité structurelle et la fiabilité à long terme du module.

4. Des cellules plus fines et plus grandes amplifient le problème

L'industrie photovoltaïque continue de rechercher des plaquettes plus fines pour réduire les coûts de silicium et des formats de cellules plus grands pour augmenter la puissance des modules. Ces deux tendances peuvent aggraver le gauchissement des cellules BC. Les recherches montrent que la réduction de l'épaisseur des cellules et l'augmentation de leur taille augmentent toutes deux significativement la déformation.

Pour une cellule de 210 mm × 210 mm, la réduction de l'épaisseur de 150 μm à 70 μm augmente le gauchissement rapporté de 1,69 mm à 8,25 mm, soit près d'une multiplication par cinq.

Ces chiffres montrent clairement le défi posé par l'amincissement des plaquettes. Pour une industrie cherchant à la fois une efficacité plus élevée et des coûts plus faibles, le contrôle du gauchissement tout en réduisant l'épaisseur du silicium est devenu une barrière technique à surmonter.

6. Stratégies d'atténuation et perspectives de l'industrie

L'industrie explore déjà plusieurs méthodes pour gérer le gauchissement des cellules BC. Les approches courantes incluent :

• Conceptions de modules demi-cellules : Des dimensions de cellules plus petites peuvent réduire la hauteur de courbure absolue.

• Matériaux et largeurs de lignes de grille optimisés : L'ajustement des structures de métallisation peut aider à gérer les contraintes côté arrière.

• Soudure à basse température : Des températures de processus plus basses peuvent réduire les contraintes thermiques lors de l'interconnexion.

• Pressage à chaud avec adhésif conducteur : Cela offre une alternative aux procédés de soudure à haute température conventionnels.

• Mécanismes de correction par bloc de pression incurvé : Des structures de correction spéciales peuvent être intégrées dans les équipements de tabage et de stringage pour contrôler la forme des cellules pendant le traitement.

Interconnexion par ruban de soudure à basse température

Références

• Dong Peng, Recherche sur les procédés de cellules solaires à contact arrière de type N à haute efficacité

• MeCan Solar, Comportement de gauchissement et optimisation de la structure des lignes de grille des cellules BC minces de grand format

• Revue de l'énergie solaire et du stockage, L'apparence attrayante de la soudure unilatérale ne peut pas cacher le gauchissement et ses risques associés

Point de vue d'Ooitech

Le contrôle du gauchissement doit être traité comme un problème complet de processus de module, et non seulement comme un problème d'épaisseur de cellule. La température de soudure, la disposition des rubans, le contrôle de la pression, la manipulation et la stratification doivent être réglés ensemble, en particulier lors de l'utilisation de cellules BC minces et de grand format. Une petite déformation laissée sans contrôle au stade de l'interconnexion peut devenir un problème de rendement ou de fiabilité plus tard dans la ligne de production.