Modules solaires : technologie des cellules solaires PERC vs TOPCon

Bien que la première cellule solaire, développée aux États-Unis en 1954, ait été de type N, la cellule de type P s'est imposée les années suivantes. En effet, à l'origine, les modules étaient principalement utilisés dans l'industrie aérospatiale, où leur robustesse était avérée. Ce n'est que récemment que les fabricants de cellules solaires ont commencé à reconsidérer leur approche, en raison du rendement énergétique supérieur des cellules de type N. Ceci est principalement dû à leur durée de vie plus longue, car, contrairement aux cellules de type P, elles ne sont pas sujettes au défaut bore-oxygène. Ce défaut entraîne une baisse d'efficacité au fil du temps. De plus, les cellules solaires de type N sont moins sensibles aux impuretés métalliques présentes dans le silicium.

En technologie photovoltaïque, même les plus infimes variations de composition chimique peuvent entraîner des différences significatives d'efficacité et de rentabilité. La comparaison entre les cellules solaires de type P et de type N en est un parfait exemple. Elles diffèrent par leur structure : les cellules de type P sont constituées d'un substrat de silicium chargé positivement, tandis que les cellules de type N sont conçues à l'inverse, la face dopée négativement servant de base à la cellule.

Cependant, les cellules solaires de type N sont actuellement plus coûteuses à produire, en raison de décennies de priorité accordée aux cellules de type P. Leur production a permis de réaliser des économies d'échelle dans la chaîne de valeur, économies qui restent à établir pour la fabrication des cellules de type N. De plus, la production de modules solaires de type N implique des étapes supplémentaires, ce qui augmente encore les coûts. Néanmoins, grâce à leur rendement supérieur, la part de marché des cellules de type N progresse régulièrement et il est probable que leur remplacement des cellules de type P comme technologie solaire dominante ne soit qu'une question de temps.

On observe une rivalité similaire entre deux types de cellules lorsqu'on compare les technologies de cellules solaires PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) et TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact), qui ont récemment fait sensation.

Les modules PERC améliorent le rendement des modules photovoltaïques car ils convertissent plus efficacement la lumière incidente en énergie. Ce résultat est obtenu en réfléchissant à l'intérieur de la cellule une partie de la lumière qui atteint l'arrière du module. Ce procédé est rendu possible par une couche appliquée à l'arrière du module, appelée passivation arrière. Le rendement accru des cellules PERC par rapport aux modules conventionnels est de 1 %, ce qui contribue à réduire les coûts de production par kWc généré.

Pour atteindre une efficacité maximale, les cellules PERC utilisent principalement des monocouches. Ce type de cellule solaire a connu un développement important ces dernières années. L'amélioration de leur rendement a permis leur remplacement quasi total des cellules Al BSF conventionnelles dans les systèmes photovoltaïques professionnels. Cependant, les cellules PERC sont loin d'être une nouveauté ; leur principe a été décrit pour la première fois en 1983 par l'Université de Nouvelle-Galles du Sud en Australie. Ce n'est que grâce à l'amélioration continue des procédés de production que le potentiel de cette technologie a pu être pleinement exploité pour une production de masse.

Cependant, la technologie PERC n'est pas sans inconvénients. Ces cellules sont plus sensibles à la dégradation induite par la lumière (LID) que les cellules conventionnelles. Cet effet LID entraîne une baisse de performance des cellules solaires dès leur première exposition à la lumière. Le risque de dégradation induite par le potentiel (PID) est également plus élevé. Les défauts PID peuvent avoir des conséquences importantes, car ils peuvent réduire considérablement la production de systèmes photovoltaïques entiers. Par conséquent, les investisseurs doivent veiller tout particulièrement à ce que les cellules PERC soient certifiées pour leur résistance à la PID conformément à la norme IEC TS 62804.

La technologie TOPCon, développée à l'institut Fraunhofer ISE de Fribourg, est une étoile montante des cellules solaires. Ces cellules peuvent être monofaciales ou bifaciales et, contrairement aux cellules PERC, utilisent principalement des plaquettes de type N. Elles présentent un potentiel d'efficacité supérieur à celui des cellules PERC. Le fabricant chinois Jinko Solar a démontré l'ampleur de ce potentiel l'année dernière en présentant un module solaire TOPCon monocristallin bifacial de type N affichant un rendement de 23,53 %. Le module TOPCon de Longi Solar, présenté en 2021, a atteint des performances encore plus élevées. Utilisant une cellule TOPCon de type P, il a établi un nouveau record mondial d'efficacité pour cette technologie, avec 25,19 %. Compte tenu des progrès rapides, il est probable que ce record soit battu prochainement. Des recherches intensives sur ces modules garantiront la poursuite de leur développement pour les années à venir.

Bien que les performances des cellules solaires TOPCon soient difficiles à égaler, la technologie PERC domine toujours le marché. Cette situation devrait perdurer un certain temps grâce à l'amélioration continue du rendement des cellules et à la baisse simultanée des coûts de production.

Cependant, les cellules TOPCon gagnent du terrain grâce à leur rendement exceptionnellement élevé. Actuellement, leurs coûts de production élevés constituent un frein pour ce type de système photovoltaïque. Toutefois, d'importantes économies d'échelle sont attendues avec l'augmentation de la production de masse, ce qui permettrait aux modules TOPCon de devenir de sérieux concurrents à la technologie PERC en Allemagne. Les chercheurs de l'Institut Fraunhofer pour les systèmes d'énergie solaire (ISE) le confirment. Selon eux, cependant, outre la réduction des coûts de fabrication, il est nécessaire d'augmenter la production au niveau de celle des cellules PERC pour garantir la viabilité économique des modules TOPCon.

D'après les conclusions des scientifiques, la technologie TOPCon entraîne un surcoût de 13,5 à 18,6 % pour les cellules solaires et de 3,6 à 5,5 % pour les modules, par rapport à la technologie PERC, dans les systèmes photovoltaïques au sol d'une capacité de 5 mégawatts. Cependant, les chercheurs de l'institut Fraunhofer ISE ont souligné que le rendement supérieur de 0,4 à 0,55 % des cellules solaires TOPCon par rapport aux cellules bifaciales p-PERC permet une production de masse rentable.

Que l'on utilise des cellules solaires de type N ou P, il existe un moyen d'accroître significativement le rendement des modules solaires : la technologie bifaciale. Contrairement aux cellules solaires monofaciales, qui ne produisent d'énergie photovoltaïque que lorsque leur face supérieure est éclairée, les cellules solaires bifaciales sont conçues pour générer de l'énergie à partir de leurs deux faces. Cette absorption lumineuse accrue améliore considérablement le rendement du module.

Naturellement, le rendement de la face inférieure est inférieur à celui de la face supérieure, exposée au soleil. Néanmoins, selon l'emplacement, la distance au sol et les conditions extérieures, le rendement peut augmenter de plus de 19 % grâce à l'ensoleillement accru sur la face inférieure. Ceci peut se traduire par une augmentation de la puissance totale du système de 10 à 30 Wc. Par exemple, la puissance d'un module qui fournissait auparavant 290 Wc peut passer à 320-360 Wc.

Lors de l'installation de systèmes bifaciaux, il est important de veiller à ce qu'ils soient montés à une distance suffisante du sol pour permettre une transmission lumineuse optimale. Pour les surfaces à faible ou moyenne réflectivité, comme un toit de tuiles ou du gazon, la distance minimale recommandée est de 40 centimètres. Pour les surfaces très réfléchissantes (par exemple, la neige), la distance au sol doit être supérieure à 1,5 mètre.

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