Lorsque la plupart des gens entendent les mots « énergie solaire », ils pensent instantanément à de bons vieux panneaux solaires sur les toits ou dans une ferme solaire dans le désert. Et pour cause : jusqu’à présent, le marché de l’énergie solaire a été dominé par les panneaux solaires traditionnels installés sur les toits et à l’échelle des services publics.
Au cours des deux dernières années, on a assisté à une sorte d’explosion de la nouvelle technologie solaire, avec des panneaux de nouvelle génération dotés d’une variété de conceptions et d’innovations avancées en matière de cellules photovoltaïques, permettant d’augmenter le rendement, de réduire la dégradation et d’améliorer la fiabilité. Dans cet article, nous expliquons comment ces nouvelles technologies de cellules solaires augmentent le rendement, améliorent les performances globales et augmentent la durée de vie d’un panneau solaire.
Dernières technologies de cellules solaires photovoltaïques
La plupart des fabricants de panneaux proposent une gamme de modèles comprenant des options d’entrée de gamme ordinaires et des variétés plus avancées à haut rendement, dotées de nouvelles technologies telles que les cellules à haute densité, les barres omnibus à micro-fils et la passivation arrière. Vous trouverez ci-dessous une liste des principales technologies de cellules photovoltaïques utilisées aujourd’hui :
- HJT – Cellules à hétérojonction
- TOPCon – Contact à oxyde tunnel passivé
- Gapless Cells – Construction de cellules à haute densité
- PERC – Cellules arrière à émetteur passivé
- Multi Busbar – Barres de liaison multi-rubans et micro-fils
- Cellules divisées – Cellules demi-coupées (1/2) et 1/3 coupées
- Shingled Cells – Cellules à chevauchement multiple
- IBC – Cellules à contact arrière interdigité
Ces innovations offrent des améliorations du rendement, une tolérance à l’ombre et une fiabilité accrue. De nombreux fabricants offrent des garanties de 25 ans sur les produits et de 25 à 30 ans sur les performances.
- PERC – Cellules passivées
Au cours des dernières années, le PERC s’est imposé comme la technologie préférée de nombreux fabricants de cellules monocristallines et polycristallines. PERC est l’abréviation de « Passivated Emitter and Rear Cell » (cellule émettrice et centrale arrière passivée). Il s’agit d’une architecture de cellule plus avancée qui utilise des couches supplémentaires sur la face arrière de la cellule pour absorber davantage de photons et augmenter le « rendement quantique » total. Une technologie PERC courante est le champ local en aluminium (Al-BSF ou Aluminium Back Surface Field) (voir le schéma ci-dessous). Toutefois, plusieurs autres variantes ont été développées, telles que le PERT (émetteur passivé à l’arrière totalement diffus) et le PERL (émetteur passivé et arrière à diffusion locale).
Les cellules Q ont été les premières à intégrer la technologie PERC dans des cellules multicristallines, mais elles utilisent le nom Q.antum pour leur gamme de modules PERC. Jinko solar a récemment battu le record d’efficacité solaire avec 24,79% enregistrés à partir d’une cellule PERC monocristalline de type N. Les cellules PERC monocristallines sont désormais le type de cellule le plus populaire et le plus efficace. La plupart des fabricants, dont Winaico, Trina Solar, Q cells, LONGi Solar, Jinko Solar, Risen et JA Solar, utilisent désormais tous l’architecture des cellules PERC.
- Barres d’alimentation multiples – MBB
Les barres conductrices sont des fils ou des rubans fins qui courent le long de chaque cellule et sont visibles sur la plupart des panneaux solaires. Les barres collectrices remplissent deux fonctions principales : elles collectent les électrons des petits doigts métalliques à la surface de la cellule et relient l’avant de la cellule à l’arrière de la cellule adjacente, créant ainsi un circuit dans tout le panneau. Les cellules photovoltaïques étant de plus en plus efficaces, elles génèrent davantage de courant et, ces dernières années, la plupart des fabricants sont passés de 4 ou 5 barres omnibus en ruban standard à 9 barres multi-usages (MBB) ou plus. Certaines cellules de plus grand format, telles que les cellules de 210 mm développées par Trina Solar, ont 12 barres omnibus, tandis que la gamme REC Alpha a un nombre impressionnant de 16 micro-barres omnibus.
Un autre avantage de l’utilisation d’un plus grand nombre de barres omnibus est que si une microfissure de la cellule se produit en raison d’un impact, de charges lourdes ou de personnes marchant sur les panneaux, un plus grand nombre de barres omnibus permet de réduire le risque que la ou les fissures se transforment en point chaud, car elles fournissent d’autres chemins pour le passage du courant.
LG a été le premier fabricant à utiliser des barres conductrices rondes à micro-fils sur la gamme de panneaux Neon 2. LG a appelé cette technologie « Cello », qui signifie « connexion cellulaire, faible perte électrique, faible tension et amélioration de l’absorption optique ». Pour traduire, la technologie multifilaire Cello réduit la résistance électrique et augmente l’efficacité.
- Modules fractionnés avec cellules semi-coupées
Depuis quelques années, la plupart des grands fabricants utilisent des cellules semi-découpées ou demi-tailles plutôt que les cellules carrées traditionnelles. Les cellules carrées sont coupées en deux au laser et assemblées en deux groupes de cellules (supérieur et inférieur) qui fonctionnent ensemble en parallèle. Cette configuration de cellules présente de nombreux avantages, notamment une efficacité accrue en raison de la réduction des pertes résistives dans les barres omnibus, chaque groupe de cellules fonctionnant à la même tension mais avec un courant réduit de moitié. Le courant plus faible entraîne également une baisse des températures de fonctionnement des cellules, ce qui contribue à réduire la formation potentielle et la gravité des points chauds dus à l’ombrage localisé, à la saleté ou à l’endommagement des cellules. En outre, comme chaque groupe de cellules est deux fois plus petit, la distance entre les barres omnibus est réduite de moitié, ce qui signifie que des barres omnibus plus petites peuvent être utilisées, ce qui réduit les pertes dues à l’ombrage des barres omnibus et augmente le rendement.
Plus récemment, un certain nombre de fabricants, tels que Trina Solar, ont commencé à produire des cellules carrées extra-larges de 210 mm qui peuvent être coupées en trois sections, appelées cellules à coupe 1/3. Ces cellules grand format sont utilisées pour produire des panneaux de grande puissance, jusqu’à 600W.
- Les panneaux à cellules divisées améliorent la tolérance à l’ombre
L’un des plus grands avantages des panneaux à cellules divisées est lorsqu’ils sont partiellement ombragés. Si la section supérieure ou inférieure du panneau est ombragée, cela n’affecte pas les performances de la section non ombragée. Cela est dû au fait que les deux sections, ou groupes de cellules, sont connectées en parallèle et agissent comme deux petits panneaux individuels. Pendant l’ombrage partiel de la section supérieure ou inférieure, la tension est maintenue et le courant est réduit de 50 %, ce qui permet d’obtenir de bien meilleures performances du système lorsqu’il est partiellement ombragé.
- Cellules à double paroi :
Les cellules de type shingle sont une technologie émergente qui utilise des bandes de cellules fines qui se superposent et peuvent être assemblées horizontalement ou verticalement sur le panneau. Les cellules shingle sont fabriquées en découpant au laser une cellule normale de taille normale en 5 ou 6 bandes et en les superposant dans une configuration de style bardeau à l’aide d’un adhésif de connexion arrière. La légère superposition de chaque bande de cellule masque une barre omnibus unique qui interconnecte les bandes de cellules. Cette conception unique couvre une plus grande partie de la surface du panneau, car elle ne nécessite pas de connexions de barres omnibus à l’avant, qui ombragent partiellement la cellule, ce qui augmente l’efficacité du panneau, tout comme les cellules IBC expliquées ci-dessous.
Un autre avantage concerne le fait que les longues cellules bardées sont généralement connectées en parallèle, ce qui réduit considérablement les effets de l’ombrage, chaque longue cellule fonctionnant de manière indépendante. De plus, les cellules biseautées sont relativement bon marché à fabriquer, ce qui en fait une option de haute performance très rentable, surtout si l’ombrage partiel est un problème.
Seraphim a été l’un des premiers fabricants à commercialiser des modules à cellules shinglées avec sa gamme de panneaux haute performance Eclipse. La série SunPower P est le panneau le plus rentable de la gamme SunPower, conçu principalement pour les applications à grande échelle. Parmi les autres fabricants réputés de panneaux solaires à cellules biseautées figurent Hyundai, Yingli Solar et ZNshine.
- Technologie cellulaire IBC :
Les cellules IBC (Interdigitated Back Contact) ont une grille de 30 conducteurs ou plus intégrée dans la face arrière de la cellule, contrairement aux cellules traditionnelles qui ont 5 à 6 grandes barres omnibus en ruban visibles et de multiples doigts sur la face avant de la cellule. Le problème le plus évident avec la structure la plus fréquente de barres omnibus exposées à l’avant est qu’elles font partiellement de l’ombre à la cellule et réfléchissent une partie des photons de la lumière, ce qui réduit l’efficacité. Les cellules IBC ne souffrent pas de ce problème et, en prime, elles ont un aspect beaucoup plus « propre », sans barres omnibus apparentes.
Les cellules en silicium IBC non seulement efficaces, mais elles sont aussi beaucoup plus solides que les cellules conventionnelles, car les couches arrière renforcent l’ensemble de la cellule et aident à prévenir les microfissures qui peuvent éventuellement entraîner une défaillance.
Sunpower utilise une couche de fondation arrière IBC en cuivre massif de haute qualité sur sa cellule brevetée « Maxeon », ainsi qu’une surface métallique hautement réfléchissante semblable à un miroir pour renvoyer toute la lumière qui passe à travers la cellule. La face arrière de la cellule IBC « Maxeon » illustrée ci-dessous est extrêmement tolérante aux contraintes et aux flexions, contrairement aux cellules conventionnelles qui sont relativement fragiles en comparaison.
- Cellules solaires TOPCon
TOPCon est l’abréviation de Tunnel Oxide Passivated Contact. Il s’agit essentiellement d’une architecture de cellule en silicium de type N plus avancée qui permet de réduire les pertes par recombinaison dans la cellule, augmentant par conséquent son efficacité. En raison d’un nombre complexe de facteurs, il existe plusieurs pertes dans une cellule solaire qui font que les électrons fuient et se recombinent dans le silicium sans former de courant électrique. La couche TOPCon ultra-mince permet de réduire ces pertes avec une augmentation minimale du coût du processus de production. Le concept TOPCon a été proposé pour la première fois par l’institut de recherche solaire allemand Fraunhofer ISE en 2014, mais ce n’est qu’en 2019 que la technologie a été suffisamment avancée pour être déployée à l’échelle et est désormais utilisée par plusieurs grands fabricants, dont Trina Solar, JA Solar et Longi Solar, pour atteindre des rendements de panneaux supérieurs à 22 %.
- Hétérojonction – Cellules HJT
Les cellules solaires HJT utilisent une base de silicium cristallin ordinaire avec des couches supplémentaires ultra fines de silicium amorphe de chaque côté, formant ce que l’on appelle une hétérojonction. Les couches supplémentaires de silicium amorphe réduisent ce que l’on appelle la recombinaison à la jonction N-P, ce qui signifie essentiellement qu’elles réduisent les pertes et augmentent l’efficacité de la cellule.
Panasonic a créé la gamme de panneaux efficaces « HIT » et a été le leader de la technologie des cellules HJT pendant de nombreuses années. Le groupe REC a également lancé récemment les panneaux de la série Alpha, qui utilisent des cellules HJT coupées en deux, combinées à 16 micro-barreaux (16BB), pour atteindre un rendement impressionnant de 21,7 %.
- Gapless Cells – Construction de cellules à haute densité :
Pour améliorer encore l’efficacité des panneaux, les fabricants ont commencé à introduire des techniques permettant d’éliminer l’écart vertical entre les cellules. La suppression de l’espace vertical standard de 2 à 3 mm entre les cellules permet à une plus grande partie de la surface totale du panneau d’absorber la lumière du soleil et donc de générer de l’énergie, ce qui augmente le rendement total du panneau. Cela peut sembler une modification relativement simple, mais ce petit espace permet aux barres omnibus de se plier et d’interconnecter les cellules de la face avant d’une cellule à la face arrière de la cellule adjacente.
Plusieurs techniques sont actuellement développées pour minimiser ou éliminer l’espace intercellulaire, la plus courante consistant à réduire simplement l’espace d’environ 2 mm à 0,5 mm, car un certain espace est toujours nécessaire pour l’interconnexion des barres de bus. Les barres de bus traditionnelles à large ruban nécessitaient plusieurs millimètres d’espace pour se plier entre l’avant et l’arrière des cellules. Toutefois, la transition vers l’utilisation de barres omnibus beaucoup plus petites a permis de réduire considérablement l’espace.
2022 pourrait être une grande année pour les technologies durables, les gens se préoccupant de plus en plus de l’environnement, la recherche sur les technologies durables est en plein développement. Si la tendance actuelle se poursuit, cette année pourrait être marquée par de nombreuses percées importantes dans le domaine des technologies vertes.
Ces technologies et d’autres semblables deviennent rapidement moins chères, plus efficaces et plus fiables, aidant ainsi le monde à surmonter ses problèmes énergétiques.