Introduction
L'énergie solaire est une énergie renouvelable inépuisable et propre pour l'humanité. La technologie photovoltaïque (PV), qui convertit directement l'énergie lumineuse du soleil en électricité, l'énergie électrique convertie est stockée dans la batterie.
batterie solaire lithium-ion, on utilise généralement
Batterie lithium-ion 51,2 V 200 Ah et peut ensuite être utilisé par des appareils domestiques grâce à l'onduleur, est un acteur majeur de la transition énergétique durable vers une société à faibles émissions de carbone.
Bien que plusieurs matériaux puissent être et aient été utilisés pour fabriquer des cellules solaires, la grande majorité des modules photovoltaïques au silicium sont aujourd'hui constitués de silicium cristallin (c-Si), car le silicium est l'élément le plus abondant dans la croûte terrestre après l'oxygène.
Toutefois, le silicium cristallin, qui consomme beaucoup d'énergie, n'est pas encore utilisé pour fabriquer des cellules solaires.
silicium photovoltaïque est coûteux. Les progrès considérables réalisés par le passé dans la chaîne de fabrication ont fait du carbure de silicium une importante source d'électricité à faible coût.
En 2020, plus de 125 GW de modules c-Si ont été installés dans le monde, et plus de 700 GW ont été installés au total, ce qui représente 95% de l'ensemble du marché photovoltaïque du silicium.
On estime que dans 20 ou 30 ans, le photovoltaïque au silicium c-Si pourrait devenir la principale source d'électricité dans le monde.
Aperçu des résultats
Récemment, le professeur Christophe Ballif, de l'École polytechnique fédérale de Lausanne, a présenté les principaux changements liés aux matériaux et au traitement industriel des modules photovoltaïques en silicium.
Le coût des plaquettes monocristallines a été réduit grâce à la baisse spectaculaire du coût du polysilicium et à l'utilisation généralisée de scies à fil diamanté. La concentration d'impuretés et de défauts électroniques dans les différents types de plaquettes est également réduite, ce qui permet une production efficace de l'équipement industriel.
L'automatisation accrue de l'outillage, l'amélioration de la propreté des lignes, l'amélioration de la structure des cellules et de la technologie de production sont autant de facteurs qui ont contribué à accroître l'efficacité des modules grand public.
Avec l'introduction de technologies d'assemblage avancées et l'augmentation de la taille des plaquettes, l'efficacité des dispositifs correspondants a été considérablement améliorée. Ces améliorations réduisent les pertes d'efficacité d'unité à module et accéléreront les gains d'efficacité annuels pour les modules grand public.
Enfin, le rapport examine également comment d'autres technologies photovoltaïques peuvent concurrencer l'énergie photovoltaïque au silicium sur le marché de masse.
Innovation fondamentale
Au cours des trois dernières décennies, l'industrie du silicium photovoltaïque est passée du statut de trésor dans le domaine de l'énergie à celui de "nouveau roi de l'électricité". Le silicium photovoltaïque jouera un rôle central dans la décarbonisation de l'économie énergétique mondiale et dans l'atténuation du changement climatique, et la technologie du silicium photovoltaïque continuera d'être un acteur clé pendant les décennies à venir.
Aperçu des données
Des matières premières du polysilicium aux wafers
Les cellules et modules photovoltaïques en silicium à haut rendement nécessitent des cristaux de silicium présentant de faibles concentrations d'impuretés et peu de défauts cristallins. Le traitement du silicium commence par du silicium de qualité métallurgique (contenant ~1% d'impuretés), qui réagit avec du HCl pour former du trichlorosilane (TCS), un liquide dont le point d'ébullition est de 32 °C. Le TCS d'une pureté de 9N à 12N a été obtenu par une série de cycles de distillation.
Ensuite, le TCS est introduit avec H2 dans un réacteur à douves refroidi, où des filaments de silicium de haute pureté (plusieurs millimètres de large) sont chauffés à 1150 °C. Le TCS se dissocie thermiquement à la surface des filaments de silicium chauds, et le dépôt de silicium épaissit les filaments en barres de silicium de 10 à 20 cm de diamètre. Les barres de silicium sont ensuite broyées en blocs et utilisées pour la croissance de lingots de silicium.
Du silicium vierge aux modules solaires photovoltaïques en silicium
(a) Les principales étapes de la fabrication des modules photovoltaïques en silicium : préparation du polysilicium purifié, coulée ou étirage des lingots, fabrication des wafers, traitement des cellules solaires et assemblage des modules.
(b) la courbe d'apprentissage des dépenses d'investissement tout au long de la chaîne de valeur, depuis la purification du polysilicium jusqu'à l'assemblage des modules photovoltaïques en silicium.
(c) Variation moyenne de l'efficacité des modules monosilicium et poly-silicium, en tenant compte de tous les modules vendus sur le marché photovoltaïque du silicium.
(d) L'épaisseur des plaquettes et la consommation de silicium dans les modules photovoltaïques au silicium diminuent avec le temps.
Durée de vie des porteurs dans le silicium
(1) Améliorer la durée de vie effective pendant le traitement des modules photovoltaïques en silicium
Au cours du traitement des cellules solaires photovoltaïques au silicium, la densité des défauts dans une plaquette peut changer de manière significative. Selon la température de traitement, des précipités peuvent se dissoudre ou se former, en fonction de leur solubilité et de leur diffusivité, et le processus d'absorption peut éliminer les métaux de transition en les attirant et en les collectant vers ceux dont la solubilité est plus élevée.
(2) Phénomène de dégradation de la durée de vie des lots
La durée de vie des porteurs à la fin du processus de fabrication des cellules solaires est importante, mais pas suffisante pour garantir une production d'énergie solaire durable et efficace.
Génération de défauts dans le silicium en fonction de la lumière et de la température
(a) Mesure de la durée de vie effective des porteurs résolue dans l'espace (τeff) du polysilicium de type p 5 × 5 cm-2 à 75 °C et sous un éclairage "1 soleil" à l'aide de l'imagerie de photoluminescence résolue dans le temps ;
(b) Concentration maximale de défauts équivalents N*max au cours d'expériences de dégradation utilisant des plaquettes Cz et FZ revêtues de SiNx:H.
Schéma d'une structure de cellule solaire typique
(a) Conception d'une cellule simple basée sur du silicium de type p, où le phosphore se diffuse pour former une face avant fortement dopée n+ et où un contact arrière en aluminium sur toute la surface forme une face arrière fortement dopée p+, appelée cellule à champ arrière en aluminium (Al-BSF).
(b) Contacts arrière locaux dans les structures d'émetteur et de cellule arrière passivées (PERC).
(c-d) Les contacts locaux sont également utilisés pour passiver l'émetteur et les cellules à postdiffusion totale (PERT), une conception adaptée aux plaquettes de type p et de type n.
(e-f) Cellules de type n conçues avec des contacts passivés à l'oxyde tunnel (TOPCon), soit avec des contacts en argent évaporé utilisés en R&D, soit avec une ablation laser localisée introduite dans l'industrie.
(g) Conception de l'hétérojonction photovoltaïque silicium dans silicium (SHJ), également connue sous le nom d'hétérojonction à couches intrinsèquement minces (HIT).
(h) SHJ pour le contact arrière utilisant le contact arrière interdigité (IBC) ;
(i) Conception IBC avec champ de surface avant (FSF) dopé n+ et contacts de post-diffusion.
Technologie des cellules solaires photovoltaïques au silicium
(1) Processus de la batterie Al-BSF
Schéma du processus de fabrication de cellules solaires à l'aide de différentes structures
Dans la plupart des émetteurs et cellules arrière passivés (PERC), les émetteurs "sélectifs" sont créés en ajoutant une troisième étape après la diffusion du phosphore, où les surfaces de verre phosphoreux et de silicium cristallin sont fusionnées au laser pour imprimer le métal par la suite Des régions fortement dopées sont créées dans les régions des doigts.
(2) Développement du PERC et d'autres conceptions
Caractéristiques de performance typiques des cellules solaires au silicium cristallin
(a) Rendement quantique externe (symboles pleins) et réflectivité (symboles ouverts) des cellules solaires Al-BSF et PERC.
(b) Courbes C-V des cellules PERC.
Dans les cellules solaires PERC et PERT, le métal entre localement en contact avec le silicium des deux côtés. Il en résulte une recombinaison importante qui limite la tension en circuit ouvert. Ce problème a suscité l'intérêt pour le développement de contacts passivés, qui consistent en un empilement de couches qui suppriment les défauts de surface dans le silicium, mais assurent une collecte sélective des charges vers les électrodes métalliques.
Une autre voie pour former des contacts passivés repose sur le silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H). Dans toutes les méthodes utilisant le a-Si:H, les étapes de post-traitement doivent être maintenues en dessous de 200-250 °C : l'évolution de l'hydrogène à des températures supérieures à 200 °C entraîne une dégradation des performances (principalement par des pertes de passivation).
Cet effet peut être atténué ou même inversé à des températures allant jusqu'à 400 °C, mais au-delà de 450 °C, la capacité de passivation de l'a-Si:H est continuellement perdue. Par conséquent, les pâtes de sérigraphie à l'argent ne peuvent pas être frittées à des températures élevées comme le traitement standard des cellules, mais nécessitent l'utilisation de pâtes à faible température de durcissement.
Minimiser les pertes d'unité à module
En passant d'une plaquette unique à un module complet, on constate une différence systématique entre la puissance du module et la somme des puissances des cellules individuelles, le rapport de ces puissances étant appelé rapport de puissance cellule-module (CTM), qui se situe généralement autour de 95-97%. En outre, le rendement du module est inférieur au rendement moyen des cellules, ce qui donne un rapport de rendement CTM de 85-90%.
Amélioration continue de l'industrie
L'efficacité moyenne des modules augmente à un taux absolu d'environ 0,3-0,4% par an, et cette tendance s'accentue avec la transition vers le silicium unique et les nouvelles conceptions de modules. Les gains d'efficacité se poursuivront au cours de la prochaine décennie et, finalement, grâce à la série d'améliorations décrites, l'efficacité pratique maximale des modules en silicium à jonction unique devrait être atteinte (23-24% pour les modules courants, peut-être 25% pour les modules haut de gamme).
Technologies alternatives au silicium
L'industrie photovoltaïque au silicium domine le secteur, avec une part de marché de près de 95% en 2020, une chaîne d'approvisionnement bien établie et des conceptions normalisées. Bien que les autres technologies photovoltaïques présentent des avantages potentiels (comme la réduction de l'utilisation de matériaux dans les couches minces), la conquête d'une plus petite part de marché est un grand défi pour elles, car elles doivent faire preuve d'un meilleur prix ou d'un meilleur rendement que le silicium, ou au moins d'une même fiabilité.
De l'unité au module
(a) Une analyse typique des pertes unité-module à l'aide du logiciel de modélisation SmartCalc.CTM ;
(b) l'évolution de la conception des modules standard de 2000 à 2021 ;
(c) Les modules photovoltaïques en silicium sont assemblés en série par des cellules coupées en deux.
L'inspiration de l'accomplissement
Les cellules photovoltaïques au silicium, dont le rythme de développement est impressionnant en termes de réduction des coûts, ont amélioré les rendements stables au niveau des cellules et des modules pour les produits commerciaux. De nombreux travaux de R&D se poursuivent pour améliorer encore les matériaux en silicium et réduire leur coût en améliorant les processus industriels standard actuels ou en développant des méthodes et du matériel à faible coût, ainsi qu'en améliorant la fabrication des cellules pour permettre les produits de la prochaine génération contenant des contacts passivés.
Combinées aux améliorations de la technologie des modules (surface plus grande, demi-cellule, ruban de tuiles, cellule de ruban, multifilament, méthodes de contact inversé), ces améliorations permettront de réduire encore l'écart de rendement entre les cellules solaires c-Si photovoltaïques en silicium de laboratoire qui battent aujourd'hui tous les records.
En raison du coût du système lié à la surface, il est possible d'obtenir un meilleur rendement en combinant le silicium avec une cellule supérieure à bande interdite plus élevée, où les pérovskites sont des candidats de choix pour les absorbeurs. Même à l'échelle du TW, les dispositifs photovoltaïques au silicium peuvent être fabriqués sans aucun matériau rare, et des matériaux alternatifs peuvent être utilisés pour les éléments clés.
L'espace pour la production d'énergie solaire (transport sur de longues distances, stockage électrochimique) et sa conversion en chaleur, en froid ou en produits chimiques, comme la transformation de l'électricité en gaz naturel (H2, NH3, etc.), est économiquement viable.
Comme le dit l'Agence internationale de l'énergie, l'industrie du silicium photovoltaïque est passée d'un joyau énergétique à un "nouveau roi de l'électricité" au cours des trois dernières décennies. Le silicium photovoltaïque jouera un rôle central dans la décarbonisation de l'économie énergétique mondiale et dans l'atténuation du changement climatique, et la technologie du silicium photovoltaïque continuera à jouer un rôle clé dans les décennies à venir.
