Évaluation des nouveaux modules photovoltaïques de type N
Les cellules photovoltaïques de type n de nouvelle génération sont essentielles pour permettre à l'industrie solaire de continuer à réduire ses coûts tout en améliorant ses performances.
En 2022, le RETC suit de près une tendance technologique qui gagne rapidement du terrain et fait l'objet d'une adhésion croissante sur le marché : l'essor des cellules photovoltaïques de type n de nouvelle génération dotées de contacts passivants. Nous explorons ici le potentiel des nouvelles conceptions de cellules photovoltaïques de type n, ainsi que les défis potentiels liés à la mise à l'échelle de cette technologie prometteuse.
L'ASCENSION DE TOPCON
De nombreux analystes du secteur et spécialistes des matériaux estiment que les nouvelles conceptions de cellules photovoltaïques de type n constituent la prochaine étape logique dans la feuille de route technologique du photovoltaïque. En 2013, des chercheurs de l'Institut Fraunhofer pour les systèmes énergétiques solaires, en Allemagne, ont présenté une méthode de fabrication de cellules solaires en silicium de type n à haut rendement, dotées d'une structure innovante à contact passivé par oxyde tunnel (TOPCon). Cette nouvelle conception de cellule a obtenu d'excellents résultats en termes de tension en circuit ouvert (Voc), de facteur de remplissage et de rendement, grâce à une excellente passivation de surface et à un transport efficace des porteurs de charge.
Moins d'une décennie plus tard, « TOPCon » est le mot à la mode dans le secteur de l'énergie solaire. Les plus grands fabricants mondiaux de modules solaires se lancent dans la production en série de modules photovoltaïques équipés de cellules TOPCon. Alors que LONGi Solar mise fortement sur le TOPCon de type p, de nombreux autres grands fabricants de modules — tels que Jinko Solar, Jollywood Solar Technology, JA Solar et Trina Solar — réalisent des investissements considérables dans des modules intégrant des cellules TOPCon de type n.
Ce changement d'orientation collectif du marché s'explique principalement par l'aplatissement des courbes de rendement des modules PERC (à émetteur passivé de type p et contact arrière). Bien que ces modules aient dominé le marché ces dernières années, les fabricants commencent à atteindre les limites physiques des conceptions de cellules PERC monocristallines de type p. Le passage aux cellules TOPCon de type n permettra aux fabricants de modules d'améliorer encore le rendement des cellules, tant en laboratoire qu'en production de masse.
« Tout le monde souhaite obtenir la puissance nominale la plus élevée possible pour ses modules », explique Kenneth Sauer, ingénieur en chef chez VDE Americas. « Grâce à des tensions en circuit ouvert plus élevées, il est possible d’atteindre des rendements et des puissances nominales plus élevés. À ce titre, cela incitera probablement les fabricants à adopter des cellules TOPCon de type n, dès qu’ils en auront la possibilité. »
Comparaison entre les conceptions de cellules en silicium de type p (PERC) et de type n (TOPCon).
AVANTAGES DES CELLULES DE TYPE N
Les fabricants de panneaux solaires ont depuis longtemps pris conscience des gains de rendement potentiels offerts par les cellules photovoltaïques de type n. À titre d’exemple, Sanyo a commencé à développer des cellules photovoltaïques à hétérojonction (HJT) de type n dès les années 1980. De plus, SunPower a conçu ses cellules photovoltaïques à contacts arrière entrecroisés (IBC) à partir d’un silicium de type n de haute pureté.
En raison de la complexité de leur fabrication, les modules photovoltaïques à haut rendement basés sur des cellules HJT et IBC de type n sont relativement coûteux à produire et restent un segment de niche du marché. En comparaison, la fabrication des cellules TOPCon de type n s'apparente au procédé PERC. Les fabricants peuvent donc produire ces modules TOPCon de nouvelle génération à haut rendement sur des lignes de production PERC modernisées.
Bien que les modules TOPCon de type n actuels soient légèrement plus coûteux à produire par watt que les modules PERC monocristallins de type p, les gains de rendement se traduisent par un coût actualisé de l'énergie (LCOE) plus faible dans le cadre de déploiements à grande échelle. Mieux encore, les principaux experts s'attendent à ce que la technologie TOPCon de type n bénéficie d'une courbe d'apprentissage accélérée.
L'un des principaux avantages des cellules TOPCon de type n par rapport aux cellules PERC monocristallines de type p réside dans leur taux de dégradation plus faible, dû à une moindre sensibilité à la dégradation induite par la lumière (LID) et à la dégradation induite par la lumière et les températures élevées (LeTID). Parmi les autres avantages, on peut citer un facteur de bifacialité plus élevé, ainsi que des performances améliorées dans des conditions de faible luminosité et de températures élevées.
Essais « Flash » en cours au laboratoire d'essais indépendant agréé du RETC.
RISQUES LIÉS À UNE ADOPTION PRÉCOCE
La plupart des analystes s'attendent à ce que les modules équipés de cellules TOPCon de type n gagnent rapidement des parts de marché grâce à ces avantages en termes de performances. Cependant, les technologies émergentes de cellules photovoltaïques — même celles qui s'avèrent finalement performantes sur le terrain — comportent inévitablement plus de risques que les technologies matures et éprouvées. Tant que les acteurs du secteur n'auront pas déployé ces produits à grande échelle, il existe un risque que des mécanismes de dégradation encore inconnus apparaissent.
Aujourd'hui, par exemple, les ingénieurs et les financiers indépendants considèrent les modules photovoltaïques mono PERC de type p comme une technologie stable et à faible risque. Cette évaluation n'a pas toujours fait l'unanimité. Les premières versions des modules mono PERC présentaient des problèmes de stabilité, notamment en matière de LID et, dans de rares cas, de LeTID. Ces modes de dégradation inattendus des modules mono PERC illustrent les risques liés aux performances auxquels sont confrontés les premiers utilisateurs de nouvelles technologies.
Si les cellules photovoltaïques TOPCon de type n se sont révélées résistantes au LID et au LeTID, certains éléments indiquent qu’elles sont sensibles à la dégradation induite par les ultraviolets (UVID). Par exemple, des chercheurs du SLAC National Accelerator Laboratory et du National Renewable Energy Laboratory (NREL) ont mis en évidence des pertes de puissance sur la face avant et arrière de cellules solaires de dernière génération à l’issue d’essais d’exposition aux UV accélérés artificiellement. Ces données ne mettent pas en évidence un mécanisme de dégradation unique, mais suggèrent que différentes conceptions de cellules se dégradent selon des mécanismes distincts.
ÉVALUATION AU CAS PAR CAS
Bien qu’il soit impossible d’éliminer tous les risques et toutes les incertitudes liés à l’innovation technologique, les essais d’exposition accélérés artificiellement — tels que ceux menés dans les laboratoires accrédités du RETC — constituent une méthode éprouvée pour identifier de nouveaux mécanismes de défaillance et d’usure. Les séquences et protocoles d’essais allant au-delà de la qualification et de la bancabilité sont manifestement précieux pour les fabricants qui commercialisent de nouveaux produits. Ils revêtent également une importance cruciale pour les développeurs, les bailleurs de fonds et les ingénieurs indépendants qui cherchent à réduire les risques liés aux premiers déploiements des technologies de nouvelle génération.
« En tant que prestataire de services de conseil technique », explique M. Sauer de VDE Americas, « je recommande de réaliser des tests UVID accélérés sur les nouveaux modules de type n dans le cadre d’une étude de diligence raisonnable technique. Si les couches de passivation des cellules ne sont pas correctement ajustées, elles peuvent se dégrader sous l’effet du rayonnement UV. Compte tenu de la multitude de nouvelles conceptions de cellules qui arrivent sur le marché, il est important d’évaluer chacune d’entre elles individuellement, au cas par cas. »
Compte tenu des enjeux importants, RETC soumet de manière indépendante divers modules de nouvelle génération, dotés de cellules de type n à conception avancée, à des essais UV hautement accélérés. « Nous ne cherchons pas à tirer la sonnette d’alarme sans raison », explique Cherif Kedir, PDG. « Nous voulons simplement évaluer le risque de dégradation par les UV afin de mieux nous informer et d’informer l’ensemble du secteur. S’il n’y a pas de problème, nous pourrons tous passer à autre chose. S’il y a un problème, nous publierons un rapport afin que le secteur puisse anticiper la situation. »
Pour plus d'informations, consultez :
Rapport 2022 du RETC sur l'indice des modules photovoltaïques