Modules photovoltaïques TopCon de type N de la société Canadian Solar
Canadian Solar figure parmi les premières entreprises à introduire des technologies de cellules et de modules photovoltaïques qui sont par la suite généralisées, telles que les modules bifaciaux (dès 2010), les modules plaques grand format (jusqu’à 210 mm) et, depuis peu, les cellules de type N ainsi que les modules de hautes performances. Depuis 2019, la société CSI Solar développe des technologies avec une fine couche d’oxyde entre les contacts métalliques et le wafer de type N « TOPCon » (Tunnel Oxide Passivated Contacts), et lance désormais une gamme diversifié de modules TOPCon avec les cellules de 182 mm et 210 mm encapsulées par une ou deux couches de verre, et propose des configurations avec différentes tailles de modules et puissances de sortie pour pouvoir répondre aux besoins d’une grande variété de scénarios d’application.
Le silicium de type N est un type de matériau semi-conducteur présentant des caractéristiques de dopage différentes de celles du silicium de type P couramment utilisé. Le silicium de type N offre plusieurs avantages, notamment une plus faible sensibilité à la dégradation induite par la lumière (LID) ainsi que de meilleurs coefficients de température qui se traduisent par de meilleures performances et une durée de vie plus longue.
En outre, la technologie TopCon utilise une couche d’oxyde de silicium plus fine pour passiver les surfaces des cellules solaires, réduisant ainsi la recombinaison des porteurs et améliorant également les performances globales. Cette technologie permet d’atteindre des performances plus élevées en termes d’efficacité de conversion énergétique tout en minimisant les pertes d’énergie.
La combinaison avec des plaquettes de silicium de type N conduit à une limite supérieure estimée de rendement des cellules TOPCon allant jusqu’à 28,7 %, soit une efficacité énergétique supérieure à celle des cellules PERC avec la face arrière passivée, qui est d’environ 24,5 %. Le processus de fabrication des produits TOPCon est plus compatible avec les lignes de production existantes de cellules PERC, ce qui permet d’obtenir un meilleur rapport entre les coûts de production et le rendement accru des modules. Il est à supposer que TOPCon devrait devenir une technologie couramment utilisée dans les années à venir.
Conception de la cellulaire solaire
Une cellule photovoltaïque se compose essentiellement de deux couches : une couche de base et une couche supérieure. Dans le dopage de type P, ce sont le bore et le gallium qui sont utilisés comme dopants. Chacune des orbitales externes de ces éléments contient trois électrons. Ces éléments, lorsqu’ils sont incorporés au réseau cristallin de silicium, génèrent des « trous » dans la bande de valence des atomes de silicium. Par conséquent, les électrons de la bande de valence deviennent mobiles, les trous se déplaçant ainsi dans la direction opposée aux électrons. Seules les charges positives peuvent migrer, car l’atome dopant est fixé dans le réseau cristallin. Ces semi-conducteurs sont appelés « de type P » (ou « avec conductivité de type P » ou « avec dopage de type P »), car ils comportent des trous positifs.
Les cellules solaires de type N ont une conception légèrement différente de celle des cellules solaires traditionnelles de type P. La principale différence réside dans le dopage du matériau semi-conducteur utilisé dans la cellule.
Voici un aperçu général de la conception d’une cellule solaire de type N :
- Substrat : La base sur laquelle sont déposées les autres couches s’appelle le substrat : ce dernier est généralement une fine feuille de silicium monocristallin ou polycristallin de haute pureté.
- Dopant de type N : La face avant du substrat est dopée avec un dopant de type N, tel que le phosphore. Cette étape introduit une quantité excessive d’électrons dans le réseau cristallin de silicium créant ainsi un excès de porteurs de charge négative.
- Revêtement anti-réfléchissant : Une fine couche de revêtement antireflet, tel que le nitrure de silicium (SiNx), est appliquée sur la surface avant de la cellule. Ce traitement de surface réduit les pertes causées par réflexion et augmente l’absorption de la lumière.
- Contacts métalliques avant : Les contacts métalliques sont généralement en argent ou en pâte d’argent/aluminium et sont appliqués sur la surface avant pour collecter les électrons générés lorsque la lumière du soleil entre en contact avec la cellule. Ces contacts sont disposés en grille pour maximiser la zone de collecte.
- Couche de passivation : La couche de passivation est appliquée en tant revêtement de surface avant. Sa fonction est de réduire la recombinaison des porteurs de charge. Cette couche est généralement constituée d’oxyde de silicium (SiOx) ou d’une combinaison d’oxyde de silicium et de nitrure de silicium.
- Contacts métalliques arrière : Un contact métallique est appliqué à l’arrière de la cellule pour capter les porteurs de charge positive (trous) générés lors du fonctionnement de la cellule solaire. Ce contact arrière peut être constitué d’une couche entièrement en aluminium ou présenter une structure.
- Champ de surface arrière : Pour augmenter davantage les performances de la cellule, il est possible d’appliquer une couche supplémentaire appelée champ de surface arrière (BSF, back surface field). Cette couche, généralement constituée de silicium fortement dopé, contribue à créer un gradient dans le champ électrique qui facilite une collecte efficace des porteurs de charge.
Il est important de noter que les détails de conception et d’exécution spécifiques des cellules peuvent varier d’un fabricant à l’autre. La description ci-dessus donne un aperçu général du processus de conception de cellules solaires de type N.
Structure des cellules photovoltaïques de type N TopCon et hétérojonction
La structure est compatible avec les plaquettes de type P et N, et peut théoriquement être appliquée à l’une ou l’autre face de la plaquette. Cependant, en cas d’utilisation du polycristal dopé sur la face avant, les pertes d’absorption sont plus importantes, car le silicium polycristallin a une bande interdite similaire à celle du silicium cristallin. Bien qu’il existe des moyens d’éliminer les pertes dues à des absorptions indésirables, ils ne sont pas encore adaptés à la production de masse, car ils nécessitent des procédures complexes de masquage et de gravure. De ce fait, l’industrie photovoltaïque utilise le terme « contacts passivés » principalement pour désigner la conception technique de la face arrière.
Une grande partie de l’industrie utilise encore des contacts passivés sur la face arrière des plaquettes de type N, bien que les chercheurs s’attachent au développement des cellules de type P avec des contacts passivés. L’un de ces établissements de recherche est l’Institut allemand de recherche sur l’énergie solaire (ISFH) qui a récemment publié sa méthode
Les cellules solaires à hétérojonction combinent deux technologies différentes en une seule cellule : une cellule en silicium cristallin dans une structure sandwich entre deux couches de silicium amorphe sous la forme d’une « couche mince ». Cette disposition permet d’augmenter facilement les performances des panneaux et d’obtenir une plus grande quantité d’énergie par rapport aux panneaux solaires conventionnels. Le type de panneau solaire le plus courant est celui en silicium cristallin, soit monocristallin, soit polycristallin. Le silicium amorphe est du silicium sous forme de couche mince et, contrairement au silicium cristallin, il n’a pas de structure cristalline régulière. En effet, les atomes sont disposés de manière aléatoire. De ce fait, ce type de cellule solaire est moins coûteux à produire.
Deux avantages majeurs à retenir sont donc les coûts industriels plus bas et une plus grande flexibilité en terme de type de matériau sur lequel le silicium amorphe peut être appliqué. Dans le cas d’une cellule solaire à hétérojonction, une plaquette de silicium cristallin classique est recouverte de silicium amorphe sur ses surfaces avant et arrière. Il en résulte deux fines couches solaires absorbant des photons supplémentaires qui ne seraient pas autrement capturés par la plaquette de silicium cristallin au centre. Le concept de fabrication HJT a été développé par SANYO Electric dans les années 1980 (SANYO a été racheté par Panasonic en 2009). SANYO a été la première société à produire commercialement des cellules solaires à base de silicium amorphe. La technologie solaire à hétérojonction tire parti de ce concept pour réaliser un panneau solaire à partir de trois couches différentes de matériau photovoltaïque.
Les couches supérieure et inférieure sont constituées de cellules solaires amorphes à couches minces, alors que la couche intermédiaire est constituée de cellule solaire cristalline. Une fine couche de silicium sur le dessus capte une partie de la lumière solaire avant qu’elle n’atteigne la couche cristalline et absorbe également une partie de la lumière solaire qui est réfléchie par les couches inférieures. Comme elle est très fine, la majorité de la lumière solaire passe directement à travers et la lumière solaire qui traverse la partie médiane, à savoir la couche cristalline, est absorbée par la fine couche amorphe située en dessous. En réalisant un panneau sandwich composé de trois couches photovoltaïques différentes, soit une cellule solaire à hétérojonction, il est possible d’atteindre le rendement de conversion de 21 % ou plus. Ce rendement est comparable à celui des panneaux utilisant des technologies différentes pour atteindre des performances élevées.
Comparaison des modules PERC, TopCon et Hétérojonction
Disponibilité des nouveaux modules TopCon chez Solarity
Solarity dispose d’un stock suffisant de modules TopCon de type N. Actuellement, Solarity peut fournir des modules TopCon bifaciaux de 565 W, car il s’agit du produit le plus demandé dans cette catégorie de puissance. Bientôt, Solarity proposera également des modules TopCon de catégorie de puissance supérieure pour les projets C&I, de type conventionnel et bifaciaux. La catégorie de puissance sera de 656 W et plus, car Canadian Solar nous fournira des modules d’une puissance allant jusqu’à 690 W.
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Auteur: Ahmad Al Azzam, Technical Support Jordan