En France, depuis 2023, les petits systèmes solaires PICO PV, PULSE et SHS, tout comme les solutions photovoltaïques de puissance inférieure à 9 kW, rencontrent un vrai succès. Dans ces installations, le panneau monocristallin ou polycristallin, avec un rendement moyen de 14 à 23 %, est le plus répandu. Mais des cellules photovoltaïques nouvelle génération ont fait leur apparition. Ce sont, par exemple, les cellules TOPCON, HJT et IBC. Explorons les caractéristiques, les avantages et les inconvénients de cinq cellules solaires innovantes.
Les différentes cellules photovoltaïques en bref
La quasi-totalité des cellules solaires photovoltaïques commercialisées présente des rendements de 17 à 26 %. C’est parfait tant pour les panneaux solaires autonomes que pour les panneaux solaires miniatures. Découvrez dans le tableau suivant les principales spécificités des cinq technologies photovoltaïques innovantes.
| Technologie de fabrication | Rendement/efficacité | Particularité de la technologie | Type de jonction | ||||
| Cellules BSF | Rendement de 17 à 19 % | Face arrière enrichie d’une couche fortement dopée en face arrière | Cellules solaires à homojonction | ||||
| Cellules PERC | Rendement de 20 à 22 % | Ajout de couches diélectrique de passivation en face arrière | Cellules solaires à homojonction | ||||
| Cellules TOPCON | Rendement de 22 à 24 % | Passivation soignée de la couche émettrice d’électrons | Cellules solaires à homojonction | ||||
| Cellules HJT | Rendement de 24 à 26 % | Cellules symétriques composées de silicium cristallin et silicium amorphe | Cellules solaires à hétérojonction | ||||
| Cellules IBC | Rendement de 22 à 26 % | Contacts électriques situés à l’arrière de la cellule | Cellules solaires à homojonction |
L’homojonction signifie que les deux couches qui composent la cellule sont en silicium cristallin (monocristallin ou polycristallin). En cas d’hétérojonction, les matériaux sont de nature différente.
Composition d’une cellule photovoltaïque standard
Afin de bien comprendre les dernières technologies photovoltaïques, présentons d’abord la cellule solaire standard. Structurellement, elle se compose de plusieurs couches de matériaux semi-conducteurs, complétées par d’autres éléments :
- les couches actives en silicium dopé (monocristallin ou polycristallin) de type p-n le plus souvent ;
- les collecteurs de courant électrique avant et arrière (barres omnibus et doigts de contact) ;
- les couches d’encapsulation (verre en face avant, matériau divers en face arrière).
N.B. Le dopage a pour effet d’accroître la conductivité du silicium. Il s’effectue en ajoutant des atomes porteurs d’électrons supplémentaires. Souvent, le dopage s’appuie sur le bore, le phosphore ou le gallium.
Les nouvelles technologies photovoltaïques en détail
Ces technologies visent l’amélioration des performances des cellules solaires classiques en silicium. C’est très utile en cas d’installation de panneaux solaires en site isolé. Pour ce faire, elles ciblent des facteurs précis. Il s’agit par exemple de la réduction de la vitesse de recombinaison de surface ou de l’optimisation de la captation de la lumière. Explorons les caractéristiques, avantages et inconvénients de cinq technologies phares.
1 — Les cellules solaires BSF
Une cellule BSF est une cellule photovoltaïque au silicium monocristallin ou polycristallin améliorée. C’est une technologie de cellule solaire « Back Surface Field », dont la face arrière est optimisée. Elle présente globalement une meilleure performance et de meilleurs rendements.
Caractéristiques d’une cellule solaire BSF
La structure de la cellule est classique. C’est une jonction de plusieurs couches de matériaux semi-conducteurs de type p-n. Elle utilise la technologie du silicium monocristallin ou polycristallin comme base. Sa spécificité est l’ajout d’une couche fortement dopée sur sa face arrière. Souvent, le matériau de dopage utilisé est l’aluminium.
Avantages et inconvénients
Le principal avantage de cette technologie est l’amélioration des rendements. L’ajout d’une couche fortement dopée en face arrière réduit le phénomène de recombinaison de surface des paires électrons-trous. En clair, la technologie BSF réduit les pertes internes de courant électrique généré par la lumière du soleil.
Côté inconvénients, les cellules photovoltaïques BSF ont des rendements qui baissent à haute température. Bien que meilleure que celle des cellules photovoltaïques classiques, leur efficacité est inférieure à celles basées sur les technologies PERC ou HJT. Face aux dernières innovations (cellules TOPCON), ces cellules sont peu compétitives.
2 — Les cellules solaires PERC
Une cellule photovoltaïque PERC est en quelque sorte une cellule BSF optimisée. C’est, comme elle, une cellule solaire basée sur la technologie au silicium cristallin (monocristallin ou polycristallin). Elle comporte une face arrière fortement dopée, souvent en aluminium, présentant des améliorations.
Caractéristiques des cellules PERC
La technologie PERC (Passivated Emitter Rear Contact) ajoute une couche diélectrique de passivation sur la face arrière de la cellule. Elle se compose de couches d’oxyde d’aluminium (AI203) et de nitrure de silicium (SiNx) combinées. Le reste de la cellule n’est pas modifié (cellule de type p-n).
Avantages et inconvénients
Pourquoi ajouter ces matériaux à la cellule ? Les couches de passivation réduisent la recombinaison des paires électrons-trous sur la face arrière. Elles améliorent la réflexion de la lumière vers l’intérieur de la cellule. Enfin, ces couches de passivation ont un « effet de champ électrique » repoussant un peu plus les électrons.
Cette technologie dégrade plus rapidement la jonction en silicium par l’effet d’optimisation de la lumière interne. Le coût de fabrication est plus élevé que celui des cellules classiques ou des cellules BSF. Les rendements à haute température sont moins élevés qu’avec d’autres technologies plus avancées (HJT).
3 — Les cellules solaires TOPCON
La cellule TOPCON — Tunnel Oxide Passivated Contact — s’appuie également sur la technologie au silicium cristallin. C’est une cellule de pointe, à haute efficience énergétique. Elle peut être vue comme une cellule solaire PERC boostée. C’est une évolution technologique majeure et une étape vers les technologies plus avancées (HJT et IBC).
Caractéristiques de la technologie TOPCON
La cellule solaire hérite d’une couche antireflet, limitant les pertes de production en réfléchissant la lumière vers l’intérieur de la cellule. La couche émettrice d’électrons est passivée pour éviter les recombinaisons, via l’ajout de couches très minces de dioxyde de silicium (SiO2) et de silicium polycristallin dopé au phosphore. Enfin, la face arrière de la cellule est transparente.
Avantages et inconvénients
Cette technologie améliore les rendements des cellules photovoltaïques. Les gains moyens par rapport aux cellules solaires PERC s’élèvent à 2 %. En cas de manque de lumière, la performance est maintenue, tout comme la production à haute température. Ces cellules présentent une meilleure durabilité.
Le processus de fabrication est plus exigeant. Il nécessite un contrôle précis de l’épaisseur des couches très minces de passivation. Les coûts de production sont plus élevés que ceux des cellules photovoltaïques PERC. La performance est très sensible au niveau de pureté du silicium, en particulier par rapport à la présence d’impuretés métalliques.
4 — Les cellules solaires HJT
Ces cellules sont également considérées comme cellules photovoltaïques à haute efficience énergétique. Cette technologie a été introduite dans les années 80 par Sanyo. Les cellules solaires HJT sont considérées comme les successeurs des cellules photovoltaïques TOPCON.
Caractéristiques
La cellule solaire HJT, de type p-n, se compose de silicium cristallin et de silicium amorphe. Des couches de silicium amorphe non dopé (i-a-Si:H) constituent la couche émettrice d’électrons. Le substrat récepteur est en silicium monocristallin. La face arrière comprend une surface de silicium dopée au phosphore, reposant sur une couche de nitrure de silicium (SiNx).
Avantages et inconvénients
Cette technologie à hétérojonction garantit la réduction de la recombinaison des paires électrons-trous en face arrière de la cellule. Elle améliore les rendements en cas d’utilisation dans les régions chaudes. Symétriques à l’avant et à l’arrière, ces cellules photovoltaïques présentent une capacité de production d’électricité bifaciale supérieure aux autres technologies.
Le déploiement de ces cellules est freiné par des coûts de production plus élevés que ceux des cellules PERC ou TOPCON. Le processus de fabrication est complexe. Il nécessite des équipements spécifiques et l’utilisation d’un gaz dangereux (silane). L’environnement de production doit être totalement propre et maîtrisé.
5 — Les cellules solaires IBC
La cellule solaire IBC — interdigitated back contact — est la troisième cellule de notre sélection à être considérée à haute efficience énergétique. Elle se distingue des quatre autres technologies par une conception innovante. Celle-ci concerne les collecteurs de courant électrique généré. De ce fait, la cellule optimise la quantité de lumière captée, donc l’énergie.
Caractéristiques de la technologie IBC
La structure de la cellule est de type n-p. Elle se compose uniquement de silicium monocristallin de haute qualité. La face avant se compose d’une couche de passivation en dioxyde de silicium. S’y ajoute un revêtement antireflet. Tous les conducteurs métalliques d’électricité sont sur la face arrière de la cellule.
Avantages et inconvénients
Le silicium monocristallin est choisi pour la haute durée de vie des porteurs minoritaires. S’il est de type p, les électrons subsistent plus longtemps dans le silicium avant de se recombiner. Le déplacement des conducteurs d’électricité à l’arrière accroît la quantité de lumière entrant dans la cellule. Cela facilite également l’interconnexion des cellules dans les panneaux.
La fabrication des cellules photovoltaïques IBC est plus complexe. Elle est également plus coûteuse, nécessitant des matériaux de haute qualité (silicium monocristallin supérieur). La cellule est sensible à l’alignement des bandes N et P, ce qui complique la production. Ces cellules sont moins disponibles pour les applications solaires courantes de petite échelle.
Pour le moment, la technologie PERC présente le meilleur compromis rendement/coût de production. Les cellules solaires HJT, IBC et pérovskite performent, avec des rendements de 22 à 26 %. Les cellules à couches minces et organiques sont moins coûteuses, mais les rendements varient de 6 à 13 %. Vous voulez réaliser un système d’alimentation électrique autonome ? Jade Technologie vous propose des panneaux solaires de qualité professionnelle. Contactez nos experts !