Mise en lumière de la dégradation induite par les rayons ultraviolets
Des essais récents visant à mieux comprendre la dégradation des performances lors d'une exposition aux UV fortement accélérée indiquent que le phénomène UVID observé en laboratoire est bien réel, partiellement réversible et — ce qui est peut-être le plus important — entièrement évitable.
Dans son rapport « PV Module Index » de 2024, le RETC a mis en évidence la dégradation induite par les UV (UVID) comme un problème potentiel de fiabilité sur le terrain pour certaines technologies récentes de cellules photovoltaïques à haut rendement, notamment les dispositifs de type « n-TOPCon » (contact passivé par oxyde tunnel de type n). Plus précisément, nous avons non seulement constaté qu’environ 40 % des échantillons testés pour l’UVID présentaient une dégradation d’au moins 5 %, mais nous avons également observé des taux de dégradation à deux chiffres sur certains modules photovoltaïques produits en série.
Étant donné que les analystes de marché prévoient que les dispositifs TOPCon pourraient représenter 80 % des livraisons totales de cellules solaires en 2025, il est impératif que les spécialistes de la diligence raisonnable technique comprennent les causes et les effets de l’UVID, en particulier dans quelle mesure les observations en laboratoire correspondent à la dégradation sur le terrain. Dans cette optique, le RETC s’est lancé dans une série d’expériences destinées à aider à identifier, caractériser et éliminer le risque d’UVID dans les produits photovoltaïques commerciaux. Nous présentons ici les résultats préliminaires de ces recherches en cours et en constante évolution.
Une histoire concise de l'UVID
Le secteur de l'énergie solaire gère depuis longtemps les effets néfastes du rayonnement UV sur les modules photovoltaïques installés sur le terrain. Les professionnels chevronnés du secteur connaissent sans aucun doute les problèmes visibles liés à l'encapsulation des modules résultant de l'exposition aux UV, tels que la décoloration de l'encapsulant, la délamination interne ou la fissuration de la feuille arrière polymère. Les fabricants de modules et les fournisseurs d’encapsulants ont largement éliminé les problèmes de dégradation due aux UV qui contribuaient autrefois aux difficultés de démarrage, comme le brunissement de l’éthylène-acétate de vinyle (EVA), sur les anciens modules photovoltaïques. Les rayons UV peuvent également favoriser la formation d’acide acétique sur l’encapsulant, ce qui peut dégrader les performances électriques en provoquant la corrosion des contacts métallisés.
De plus, l’exposition aux UV peut endommager la passivation de surface et les couches diélectriques du revêtement antireflet, entraînant une dégradation des performances des cellules solaires. Bien que les causes profondes de ces types d’UVID semblent varier en fonction du type de cellule et de la structure de passivation, les laboratoires d’essais, les chercheurs et les spécialistes des matériaux du monde entier ont constaté que les technologies modernes de cellules solaires présentent souvent des taux de dégradation relativement élevés lorsqu’elles sont soumises à une exposition accélérée aux UV. Alors que les cellules photovoltaïques traditionnelles à champ arrière en aluminium (Al-BSF) ont toujours fait preuve d’une excellente stabilité aux UV, les essais en laboratoire indiquent généralement que les cellules photovoltaïques TOPCon de type n constituent la technologie commerciale la plus vulnérable à l’UVID.
Afin d'évaluer le risque de dégradation due aux UV, le RETC a collaboré avec des experts du secteur de la due diligence technique pour mettre au point une séquence rigoureuse de tests UVID allant au-delà des exigences de certification. Dès 2022, nous avions signalé que les nouvelles technologies de cellules photovoltaïques semblaient sensibles à l'UVID. D'autres laboratoires d'essais à travers le monde ont fait état de résultats similaires, mettant en garde contre des pertes de rendement et de tension plus importantes que prévu.
Enseignements tirés du programme d'essais UVID
Les niveaux de sensibilité à l’UVID rapportés par les laboratoires méritent non seulement une réflexion et un dialogue à l’échelle du secteur, mais exigent également une action immédiate et collective afin de garantir que l’UVID ne devienne pas un problème majeur de fiabilité pour les installations photovoltaïques en service et les portefeuilles de projets. Dans cette optique, fin 2024, le RETC a commencé à inviter les fabricants à participer à une série d’expériences destinées à répondre aux questions courantes concernant les modes de dégradation par les UV et les résultats des essais. Bien que les essais d’exposition simulée à long terme soient toujours en cours, voici quelques observations préliminaires sur l’UVID dans les technologies photovoltaïques à haut rendement actuelles, basées sur les données recueillies dans le cadre de notre programme d’essais dédié.
L’UVID n’est pas propre aux dispositifs TOPCon. Comme le montre le graphique ci-dessus, trois technologies solaires courantes à haut rendement — à savoir le TOPCon, le PERC (émetteur passivé à contact arrière) et le HJT (hétérojonction au silicium) — sont toutes potentiellement sujettes à des taux d’UVID élevés (> 2 %) après 110 heures d’exposition aux UV. Dans notre échantillon, le taux médian d’UVID pour les dispositifs PERC était d’environ 2 %, contre près de 4 % pour les dispositifs HJT et TOPCon. C’est parmi les dispositifs TOPCon que nous avons observé les taux de dégradation les plus élevés, avec des cas extrêmes dépassant 12 % et un groupe de résultats se situant dans une fourchette comprise entre 5 % et 10 %.
Une exposition à la lumière permet d'inverser certains effets de l'UVID. Les performances sont rétablies dans la quasi-totalité des échantillons testés après une exposition à une source lumineuse à spectre complet pendant 1 à 2 heures. Si la récupération après exposition aux UV est la plus marquée dans les dispositifs TOPCon, elle est également observable dans les dispositifs PERC et HJT. L'exposition à la lumière à spectre complet ne permet toutefois jamais de rétablir entièrement les effets de l'UVID. Étant donné que la récupération après exposition aux UV en laboratoire est toujours partielle, certains dommages causés par les UV pourraient être permanents.
L'UVID peut être évité dans les modules TOPCon. Avant même la phase de récupération après exposition aux UV, certains échantillons de test TOPCon n'enregistrent pratiquement aucune dégradation après une exposition aux UV de 110 kWh, ce qui équivaut approximativement à une année d'exposition en conditions réelles sur un suiveur mono-axial. Même après avoir été soumis à plusieurs cycles d'exposition aux UV, certaines compositions de matériaux ne subissent pas de dégradation importante. En d’autres termes, certains fabricants ont déjà réussi à concevoir et à fabriquer des modules TOPCon résistants à l’UVID.
Les fabricants peuvent résoudre les problèmes liés à l’UVID. La première étape pour résoudre un problème d’UVID consiste à reconnaître qu’il existe bel et bien. Le RETC en a fait l’expérience directe dans le cadre de son travail d’accompagnement des fabricants dans la conception itérative de leurs produits et leurs efforts d’amélioration continue. Après que nos essais « au-delà de la qualification » ont mis en évidence un niveau élevé d’UVID sur un échantillon d’essai particulier, l’un de nos clients a décidé d’essayer de modifier la nomenclature en y ajoutant un filtre anti-UV qui dévie les longueurs d’onde des UV vers le spectre bleu. Lorsque RETC a testé les échantillons de produit suivants, nous avons eu le plaisir de constater que la modification de la nomenclature avait éliminé le problème d’UVID. Des essais supplémentaires sont nécessaires pour évaluer la fiabilité globale de cette approche de conception en termes d’exposition prolongée à la chaleur, à l’humidité et aux cycles thermiques.
L'UVID dans des applications concrètes
Bien que les laboratoires d’essai, les spécialistes des matériaux et les chercheurs aient largement documenté les taux élevés de dégradation due aux UV observés dans les nouvelles technologies de cellules photovoltaïques à haut rendement, on ignore encore s’il existe une corrélation entre ces observations en laboratoire et les modes de dégradation réels. En extérieur, les modules photovoltaïques ne sont pas uniquement exposés au rayonnement UV, mais à la lumière du spectre complet, ce qui peut inverser la dégradation due aux UV (UVID) et divers effets de métastabilité.
Si l’exposition à la lumière à spectre complet atténue ou prévient les dommages causés par les UV dans les modules photovoltaïques de dernière génération, nous pourrions un jour découvrir que l’UVID n’est qu’un artefact de laboratoire n’ayant que peu, voire aucun effet sur les installations en service. Compte tenu de l’ampleur actuelle des déploiements sur le terrain, nous recommandons toutefois aux parties prenantes des projets de privilégier la prudence. Après tout, les développeurs signalent régulièrement des cas perçus de sous-performance des installations solaires dans des conditions d’utilisation réelles. S’il existe bel et bien une corrélation entre l’UVID observé en laboratoire et les pertes de production en conditions réelles, il est impératif que nous résolvions ce problème dès que possible.
Si l'exposition à la lumière permet d'inverser certains effets des rayons UV, la récupération après une exposition aux UV reste toujours partielle, ce qui suggère que certains dommages causés par les rayons UV observés en laboratoire sont permanents et irréversibles.
Les ajouts records de capacité solaire constituent une rare lueur d’espoir dans le contexte tumultueux de la couverture médiatique de la crise climatique. En 2024, les marchés solaires du monde entier ont ajouté environ 600 GW de nouvelle capacité de production photovoltaïque, portant la capacité mondiale cumulée à plus de 2,2 TW. Ces installations photovoltaïques récemment mises en service ont représenté plus des trois quarts de la capacité d’énergie renouvelable installée à l’échelle mondiale l’année dernière.
Certains climatologues doutent qu’il soit encore possible de maintenir le réchauffement climatique en dessous de l’objectif de 1,5 °C inscrit dans l’Accord de Paris de 2015. Cependant, la plupart s’accordent à dire que les efforts collectifs visant à éviter les effets climatiques les plus graves et potentiellement irréversibles causés par l’homme ne pourront aboutir sans une expansion massive et continue de la capacité de production d’énergie solaire. En d’autres termes, les développements et les déploiements actuels dans le domaine de l’énergie solaire constituent véritablement les atouts essentiels en matière de production d’électricité nécessaires à un avenir viable.
Savoir, c'est pouvoir !
Cet article a été initialement publié dans l'édition 2025 du rapport annuel du RETC sur les technologies des modules photovoltaïques.
