Les cellules photovoltaïques à hétérojonction

Les cellules solaires sont l’élément central des panneaux photovoltaïques: c’est là où l’électricité est produite par effet photovoltaïque. Les cellules à hétérojonction sont un type de cellule solaire qui combine différentes couches de matériaux semi-conducteurs pour améliorer l’efficacité de conversion photovoltaïque. Elles tirent leur nom de la présence d’une « hétérojonction », qui est une interface entre deux matériaux semi-conducteurs de bandes interdites différentes.

La structure d’une cellule photovoltaïque à hétérojonction

Une cellule à hétérojonction se compose de plusieurs couches de matériaux semi-conducteurs, chacune ayant des propriétés spécifiques pour optimiser l’efficacité de conversion photovoltaïque. Voici la composition d’une cellule à hétérojonction présentée de manière logique, de la couche supérieure à la couche inférieure :

  1. Couche antireflet : Cette couche, généralement en oxyde de silicium, est appliquée sur la surface de la cellule pour minimiser les pertes de lumière par réflexion et augmenter la quantité de lumière absorbée par la cellule.
  2. Couche émettrice (n-type) : Une fine couche de silicium amorphe dopé n-type est déposée sur le substrat de silicium cristallin. Elle favorise la séparation des porteurs de charge et réduit les pertes par recombinaison.
  3. Hétérojonction : C’est la grande spécificité de ces cellules. L’interface entre le silicium amorphe et le silicium cristallin est l’hétérojonction, où les matériaux de bandes interdites différentes se rencontrent. Cette jonction permet une meilleure séparation des charges et une réduction des pertes de recombinaison.
  4. Substrat de silicium cristallin : Le cœur de la cellule à hétérojonction est le substrat en silicium cristallin (mono ou poly), qui absorbe la majorité de la lumière incidente et génère des paires électron-trou pour créer un courant électrique.
  5. Couche collectrice (p-type) : Une autre couche de silicium amorphe, cette fois-ci dopée p-type, est déposée sur le substrat de silicium cristallin. Elle facilite également la séparation des porteurs de charge et réduit la recombinaison.
  6. Contacts métalliques : Des contacts métalliques sont déposés sur les couches émettrice et collectrice pour permettre la collecte du courant électrique généré par la cellule. Ces contacts sont généralement constitués d’argent ou d’aluminium.
  7. Couche arrière : Enfin, une couche arrière est appliquée pour protéger la cellule contre les influences environnementales, améliorer la réflexion de la lumière à l’intérieur de la cellule et faciliter la dissipation thermique. Cette couche peut être constituée de divers matériaux, tels que le verre ou les films polymères.

Les matériaux pour les cellules à hétérojonction

Les cellules à hétérojonction sont généralement constituées d’une couche mince de silicium amorphe (a-Si) déposée sur un substrat de silicium cristallin (mono ou poly), créant ainsi une hétérojonction. Les couches de silicium amorphe améliorent la qualité des interfaces et réduisent la recombinaison des porteurs de charge, ce qui augmente l’efficacité de la cellule.

Les cellules à hétérojonction utilisent principalement les matériaux semi-conducteurs suivants :

  1. Silicium cristallin : Le substrat principal de la cellule à hétérojonction est en silicium cristallin, qui peut être monocristallin ou polycristallin. Le silicium cristallin absorbe la majeure partie de la lumière incidente et génère des paires électron-trou pour créer un courant électrique.
  2. Silicium amorphe : Les couches émettrice (n-type) et collectrice (p-type) sont constituées de silicium amorphe dopé. Le silicium amorphe est un semi-conducteur non cristallin qui présente des propriétés optiques et électriques différentes de celles du silicium cristallin. Les couches de silicium amorphe favorisent la séparation des porteurs de charge et réduisent les pertes par recombinaison.
  3. Oxyde de silicium : La couche antireflet, généralement en oxyde de silicium, est appliquée sur la surface de la cellule pour minimiser les pertes de lumière par réflexion et augmenter la quantité de lumière absorbée par la cellule.
  4. Contacts : Des contacts métalliques sont déposés sur les couches émettrice et collectrice pour permettre la collecte du courant électrique généré par la cellule. Ces contacts sont généralement constitués d’argent ou d’aluminium.
  5. Matériaux pour la couche arrière : La couche arrière protège la cellule contre les influences environnementales et facilite la dissipation thermique. Cette couche peut être constituée de divers matériaux, tels que le verre ou les films polymères.

Avantages et inconvénients des cellules à hétérojonction

Les cellules à hétérojonction présentent plusieurs avantages et inconvénients :

Avantages

  1. Efficacité élevée : Les cellules à hétérojonction ont une efficacité supérieure à celle des cellules photovoltaïques traditionnelles en silicium monocristallin ou polycristallin. Elles peuvent atteindre des rendements de conversion énergétique supérieurs à 25 %, ce qui les rend particulièrement attrayantes pour les applications nécessitant un rendement élevé.
  2. Bonne performance à haute température : Les cellules à hétérojonction ont un coefficient de température plus faible que les cellules en silicium cristallin, ce qui signifie qu’elles conservent une meilleure efficacité énergétique à des températures plus élevées. Cela les rend adaptées aux environnements chauds et aux applications où la température des cellules est un facteur critique.
  3. Faible dégradation induite par la lumière (LID) : Les cellules à hétérojonction sont moins sensibles à la dégradation induite par la lumière que les cellules en silicium cristallin, ce qui leur permet de conserver une meilleure performance au fil du temps.

Inconvénients

  1. Coût et complexité de fabrication : La fabrication de cellules à hétérojonction peut être plus coûteuse et complexe que celle des cellules en silicium cristallin traditionnelles, en raison des procédés de dépôt de couches minces et de la nécessité de gérer les interfaces entre les différents matériaux semi-conducteurs.
  2. Sensibilité aux impuretés : Les cellules à hétérojonction sont sensibles aux impuretés dans les matériaux semi-conducteurs, ce qui peut affecter leur performance. Il est donc crucial de maintenir un haut niveau de contrôle de la qualité lors de la fabrication de ces cellules.
  3. Disponibilité limitée : Les cellules à hétérojonction ne sont pas aussi largement disponibles sur le marché que les cellules en silicium cristallin, ce qui peut limiter les options pour les consommateurs et les fabricants de panneaux solaires.

Compatibilité avec les innovations techniques

Les cellules à hétérojonction sont compatibles avec les panneaux bifaciaux, les cellules coupées (demi-cellules) et la Tiling Ribbon Technology.

  1. Panneaux bifaciaux : Les cellules à hétérojonction peuvent être utilisées dans les panneaux solaires bifaciaux en raison de leur efficacité élevée et de leur bonne gestion des défauts. La conception des cellules à hétérojonction favorise la séparation des porteurs de charge et réduit les pertes par recombinaison, ce qui est avantageux pour les panneaux bifaciaux.
  2. Cellules coupées (demi-cellules) : Les cellules à hétérojonction peuvent être coupées en demi-cellules pour réduire la résistance interne et les pertes par ombrage. Cette technique améliore l’efficacité globale du panneau et offre une meilleure tolérance aux ombrages.
  3. La Tiling Ribbon Technology, qui consiste à utiliser des rubans conducteurs plats et sans soudure pour connecter les cellules photovoltaïques entre elles, peut être utilisée avec les cellules à hétérojonction. Cette technologie réduit les pertes d’efficacité dues à la soudure et augmente la surface active des cellules, ce qui est bénéfique pour les cellules à hétérojonction en raison de leur efficacité élevée.