Modules solaires : technologie de cellules solaires PERC vs TOPCon

Même si la première cellule solaire développée aux États-Unis en 1954 était de type N, la cellule de type P est devenue populaire au cours des années suivantes. La raison en était qu'au début, les modules étaient principalement utilisés dans les voyages spatiaux, où ils se sont révélés plus résistants. Ce n'est que ces dernières années que les fabricants de cellules solaires ont commencé à repenser leur approche, en raison des performances supérieures des cellules de type N. La principale raison en est la durée de vie plus longue de ces cellules car, contrairement au type P, elles ne sont pas menacées par le « défaut bore-oxygène ». Cela conduit à une réduction de l’efficacité à mesure que la durée de fonctionnement augmente. De plus, les cellules solaires de type N sont moins sensibles à la contamination métallique du silicium.

Dans la technologie photovoltaïque, même les plus petites différences dans la composition chimique sont responsables de grandes différences en termes d’efficacité et de répartition économique. Cela peut être constaté, par exemple, en comparant les cellules solaires de type P et de type N. Les deux diffèrent en termes de structure cellulaire, les cellules solaires de type P étant construites sur une base de silicium chargée positivement. En revanche, les cellules solaires de type N sont conçues dans l’autre sens, car le côté dopé négativement sert de base à la cellule solaire.

Cependant, les cellules solaires de type N sont actuellement plus coûteuses à produire, en raison de l’accent mis depuis des décennies sur les cellules de type P. Leur production a conduit à des économies d'échelle dans la chaîne de valeur, qui doivent d'abord être construites dans une production de type N. De plus, des étapes supplémentaires sont nécessaires dans la production de modules solaires de type N, ce qui augmente encore les coûts. Cependant, en raison de leur rendement plus élevé, la part du type N augmente continuellement et ce ne sera qu'une question de temps avant qu'il ne remplace le type P en tant que technologie dominante de cellules solaires.

Une rivalité comparable entre deux types de cellules peut être constatée en comparant 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 augmentent l'efficacité des modules photovoltaïques car ils convertissent mieux la lumière incidente en énergie. Pour ce faire, ils réfléchissent la partie de la lumière qui atteint l’arrière de la cellule dans la cellule. Ceci est rendu possible par une couche appliquée à l'arrière du module, appelée passivation arrière. L'efficacité accrue des cellules PERC par rapport aux modules conventionnels est de 1 %, ce qui contribue à réduire les coûts de production par kWc gagné.

Afin d'obtenir la plus grande efficacité possible, les mono-wafers sont principalement utilisées dans les cellules PERC. Le type de cellule solaire a connu un développement considérable ces dernières années. L'efficacité accrue les a amenés à remplacer presque complètement les cellules Al BSF conventionnelles dans le domaine des installations photovoltaïques professionnelles. Les cellules PERC sont tout sauf nouvelles puisque leur principe a été évoqué pour la première fois en 1983 par l’Université australienne de Nouvelle-Galles du Sud. Cependant, ce n’est que grâce à une amélioration constante des processus de production que la valeur de la technologie a pu être pleinement exploitée pour une production de masse.

Cependant, la technologie PERC n’est pas sans problèmes. Cela les rend plus sensibles à la dégradation induite par la lumière que les cellules conventionnelles. Cet effet LID entraîne une perte de puissance des cellules solaires après leur premier contact avec la lumière. Le risque de dégradation induite potentielle est également plus élevé. Le défaut du PID peut avoir des conséquences considérables, car il peut réduire considérablement les performances de systèmes photovoltaïques entiers. Les investisseurs doivent donc prêter une attention particulière au fait que les cellules PERC ont été certifiées pour la résistance PID conformément à la norme CEI TS 62804.

La technologie TOPCon développée au Fraunhofer ISE à Fribourg est une étoile montante dans le domaine des cellules solaires. Ces cellules peuvent être à la fois monofaciales et bifaciales et, contrairement au PERC, reposent principalement sur des tranches de type N. Ils ont un potentiel d’efficacité plus élevé que le PERC. L'année dernière, le fabricant chinois Jinko Solar a démontré à quel point cela peut être élevé en présentant un module solaire TOPCon monocristallin et biface de type N avec un rendement allant jusqu'à 23,53 %. Le module TOPCon présenté par Longi Solar en 2021 a atteint des performances encore plus élevées. Avec une cellule TOPCon de type P, cela a permis d'atteindre un rendement de 25,19 %, établissant un nouveau record mondial d'efficacité pour cette technologie. Compte tenu des progrès rapides, ce ne sera qu’une question de temps avant que ce record ne soit battu. La recherche intensive sur les modules devrait garantir que le développement n'est toujours pas terminé.

Bien que les performances des cellules solaires TOPCon soient difficiles à battre, la technologie PERC domine toujours le marché. Cela devrait être le cas pendant un certain temps en raison de l'efficacité croissante des cellules et, en même temps, de la baisse des coûts de production.

Cependant, les cellules TOPCon sont en plein essor en raison de leur efficacité extrêmement élevée. Les coûts de production élevés plaident toujours contre ce type de photovoltaïque. Cependant, avec le début de la production de masse, des économies d'échelle significatives sont également à prévoir, ce qui permettrait aux modules TOPCon en Allemagne de devenir une concurrence sérieuse pour la technologie PERC. Les chercheurs du Fraunhofer-ISE le confirment également. Cependant, selon eux, outre une réduction des coûts de fabrication, une augmentation de la production jusqu'au niveau des cellules PERC est nécessaire pour garantir la viabilité économique des modules TOPCon.

Selon les conclusions des scientifiques, la technologie TOPCon génère des coûts totaux de cellules solaires de 13,5 à 18,6 % plus élevés et des coûts totaux de modules de 3,6 à 5,5 % plus élevés que le PERC pour les systèmes photovoltaïques au sol d'une puissance de 5 mégawatts. Néanmoins, les chercheurs du Fraunhofer ISE ont déclaré qu'une efficacité cellulaire supérieure de 0,4 à 0,55 % des cellules solaires TOPCon par rapport au p-PERC bifacial rend possible une production à grande échelle rentable.

Que l'on utilise des cellules solaires de type N ou P, il existe un moyen d'augmenter considérablement l'efficacité des modules solaires. Il s’agit d’une technologie biface. Contrairement à la cellule solaire monofaciale, qui génère de l'électricité photovoltaïque uniquement en éclairant le haut, la cellule solaire biface est conçue de manière à pouvoir produire de l'électricité par le haut et par le bas. L'augmentation de l'utilisation de la lumière ainsi obtenue augmente considérablement l'efficacité du module.

Bien entendu, l’efficacité en bas n’est pas aussi grande qu’en haut, qui est orienté vers la lumière du soleil. Néanmoins, l'efficacité peut augmenter de plus de 19 % grâce au rayonnement sur la face inférieure, en fonction de l'emplacement, de la distance au sol et des conditions extérieures. Cela signifie que la capacité de l'ensemble du système peut être augmentée de 10 à 30. Par exemple, les performances d’un module qui délivrait auparavant 290 Wc passent de 320 à 360 Wc.

Lors de l'installation de systèmes bifaciaux, il faut veiller à ce qu'ils soient installés à une distance suffisante de la surface située en dessous pour permettre un rayonnement supplémentaire. La distance minimale doit être d'au moins 40 centimètres pour les surfaces faiblement à moyennement réfléchissantes telles qu'un toit de tuiles ou de l'herbe. Toutefois, pour les surfaces très réfléchissantes (par exemple la neige), la distance au sol doit être supérieure à 1,5 mètre.

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