Les cellules « Back-contact » en silicium cristallin par GDF

Les cellules « Back-contact » en silicium cristallin par GDF-SUEZ
Mardi 26 octobre de 14h à 15h
(Réunion originalement prévue le 19 Octobre)
Introduction
Cette réunion en mode virtuel est la deuxième partie d'une série consacrée aux innovations du solaire.
Après avoir abordé les technologies à concentration et Solyndra (Soitec et EDF) cette séance portera
sur les cellules back-contact.
Les cellules conventionnelles en silicium cristallin équipent la plupart des installations
photovoltaïques. Une maîtrise de plus en plus grande de cette technologie a permis d’accroitre son
rendement, sa durée de vie ainsi que sa fiabilité.
En parallèle, l'apparition sur le marché de modules équipés de cellules «back-contact» présente de
nombreux avantages, du point de vue de l’efficience, de la fabrication, du coût et de l'esthétique.
Nous verrons lors de cette présentation les caractéristiques et les possibilités qu'offre cette nouvelle
technologie, qui n'est cependant pas encore standardisée.
Milan Rosina, Project Manager, au sein de la direction de la recherche et de l'innovation de GDFSUEZ, abordera les points suivants :
•
•
•
•
•
Filière PV en silicium cristallin
Cellule conventionnelle en silicium cristallin
Cellules à contact en face arrière (cellules back-contact)
Différentes conceptions de cellules à contacts en face arrière (BJ,EWT,MWT)
Commercialisation
Ensuite, les participants poseront leurs questions et soumettront leurs remarques afin d’échanger
autour des innovations du solaire.
Présentation de Milan Rosina, Project Manger à GDF-SUEZ.
Les cellules conventionnelles en Silicium cristallin :
A l’heure actuelle, la technologie la plus fiable de la filière photovoltaïque est le silicium cristallin. En
effet, c’est la technologie la plus mature du marché, pour laquelle nous bénéficions aujourd’hui d’un
long retour d’expérience, et qui bénéficie d’une durée de vie de 25 à 30 ans. De plus, c’est le meilleur
rendement de toutes les technologies photovoltaïques standards : le silicium est très abondant, stable,
et non toxique ; enfin, son prix diminue grâce aux progrès réalisés lors de sa purification, en termes de
capacité et d’efficacité des procédés.
Les cellules produites peuvent être de type polycristallin ou monocristallin. Le contact électrique est
posé en grille sur la face avant (pôle négatif) ou arrière (pôle positif) de la cellule. Les cellules sont
1
AGRION Paris, 10 rue Mercoeur, 75011 Paris - France
[email protected] - Tel : (+33) 1.48.00.00.25 - Fax : (+33) 1.48.01.66.05 - www.agrion.org
produites séparément, puis sont assemblées pour former un module, connectées en strings puis en
parallèle par des rubans métalliques. Cette étape est techniquement complexe à réaliser, même si elle
est maitrisée aujourd’hui. Le réseau de cellules est ensuite assemblé entre deux films d’encapsulant
(EVA), et deux plaques de verre, ou un film de polymère sur la face arrière.
Quels sont les inconvénients de ce type de cellule ?
En premier lieu, la présence des contacts sur la face avant engendre des pertes, car cela créé de
l’ombrage et n’exploite pas entièrement toute la surface exposée.
Le procédé d’assemblage des cellules dans le module est complexe.
L’aspect esthétique est moins bon que pour les modules monolithiques en couches minces.
Pertes résistives lors d’un assemblage dans le module.
Les cellules « Back-contact »
Milan Rosina présente trois types de cellules Back-contact :
(Pour illustrer les propos ci-dessous, nous vous invitons à vous appuyer sur les slides de la présentation,
qui présentent chaque type de cellule).
La cellule en Back-junction :
Cette technologie est maitrisée et présente l’avantage de n’avoir ni contacts métalliques ni émetteurs
sur la face avant du module. De plus, elle possède un haut niveau de rendement.
Elle est actuellement produite et déjà commercialisée comme Cellule IBC (Interdigitated Back Contact)
par Sunpower Corp, basée sur du wafer monocristallin de haute qualité. Cependant le procédé de
production est complexe et couteux.
La cellule Emitter Wrap Through (EWT) :
Sur cette cellule, l’émetteur reste présent sur la face avant, mais les contacts sont bien sur la face
arrière. Cette disposition permet une meilleure collection des porteurs de charge, et représente un
avantage pour les matériaux ayant une faible longueur de diffusion de porteurs.
ECN, Kyocera, Advent Solar ou ISFH/Stiebel Eltron ont mis ce type de cellule en développement. Le
produit peut varier selon le constructeur, même si elles reposent sur une base commune. Ainsi Advent
Solar présente un système de production rapide et automatisé, qui présente surtout l’avantage de ne
pas nécessiter exclusivement du silicium de première qualité (matière première qui reste couteuse).
Cependant, ces modules ne présentent pas encore une résistance au temps satisfaisante.
La cellule RISE-EWT de Stiebel Eltron présente elle un rendement record atteignant 21,4%.
La cellule Metal Wrap Through (MWT)
Cette cellule est très proche du modèle EWT, mais comprend la présence d’une fine grille sur la face
avant, qui communique avec l’arrière par des trous percés au laser. On peut percevoir visuellement les
contacts, qui restent légers.
2
AGRION Paris, 10 rue Mercoeur, 75011 Paris - France
[email protected] - Tel : (+33) 1.48.00.00.25 - Fax : (+33) 1.48.01.66.05 - www.agrion.org
Plusieurs fabriquants développent ce modèle :
• Photovoltech développe une cellule MWT « Maxis BC+ », en partenariat avec l’IMEC, dont le
rendement sur la ligne pilote avoisine les 17%. Par rapport aux autres cellules MWT, la grille sur
la face avant reste présente, mais les sillons verticaux sont remplacés par des points,
correspondants aux orifices destinés aux contacts.
• Le laboratoire ECN aux Pays-Bas a développé une cellule MWT Sunweb, à base de silicium
multicristallin, présentant divers avantages : un coût de production plus faible, un rendement et
un yield (taux de production) plus élevés.
• Bosh, qui est encore à l’étape de R&D pour ses cellules back-contact, travaille avec Fraunhofer
ISE sur un modèle de cellule MWT à base de wafer en silicium monocristallin, qui atteint un
rendement supérieur à 20%.
Quels avantages pour les cellules back-contact ?
On constate beaucoup moins, voire pas de pertes dues à l’effet d’ombrage, ce qui permet un
rendement plus élevé ;
Moins de pertes résistives dans le module ;
Une optimisation plus aisée de la face avant de la cellule.
Un procédé moins complexe d’assemblage des cellules dans le module, ce qui induit une baisse
d’un coût de main d’œuvre, et un yield et une vitesse de production plus élevés.
Un aspect esthétique amélioré.
Un espace potentiellement plus petit entre les cellules.
Ces cellules en sont à différents stades de conception et de commercialisation :
- Sunpower (IBC) – Back Junction, modules commercialisés depuis plusieurs années.
- Photovoltech – en préparation de commercialisation
- Solland Solar – en préparation de la commercialisation (avec SCHOTT Solar)
- Bosh Solar – R&D
- Canadian Solar – NI
- Advent Solar – Proposition de licences
- LG – NI
- Kyocera – NI
Conclusion : Pourquoi les cellules de type back-contact sont-elles si prometteuses ?
Au vu de tous les avantages pré-cités, les cellules back-contact ont, de fait, un gros potentiel
commercial et d’innovation. La technologie n’est certes pas encore complètement mature, mais
l’ensemble des acteurs du photovoltaïque y travaillent.
Ainsi, on prévoit une forte croissance commerciale pour ce type de cellules, avec une part sur le
marché du photovoltaïque qui atteindrait 10% en 2013, puis 50% en 2020.
3
AGRION Paris, 10 rue Mercoeur, 75011 Paris - France
[email protected] - Tel : (+33) 1.48.00.00.25 - Fax : (+33) 1.48.01.66.05 - www.agrion.org
Il ne faut cependant pas omettre que d’autres technologies se développent sur ce marché, comme
l’utilisation de nanoparticules pour les émetteurs, mais c’est bien le back-contact qui devrait s’imposer.
Aujourd’hui, les modules « en couches minces » demeurent le concurrent le plus sérieux
Si la commercialisation est pour l’instant embryonnaire, ces produits répondent à priori aux besoins
des clients : des modules performants, bon-marché, et esthétiques. Une commercialisation plus
massive a toutefois besoin d’un délai, car l’assemblage des modules, différents des standards actuels,
nécessite pour les fabricants de nouveaux équipements et la mise en place de nouveaux procédés de
fabrication, ce qui représente un investissement conséquent.
Questions :
Par rapport au marché mondial, où se situent la France et l’Europe ?
L’Europe est très bien placée, mais on constate une grosse arrivée d’acteurs asiatiques, avec de hauts
standards de qualité, et qui investissent de manière croissante dans la Recherche & Développement.
On peut observer une augmentation de leur savoir-faire technologique, qu’il soit lié à du transfert
depuis l’Europe ou à du développement propre.
Comment peut-on prendre en compte les couches minces dans les ACV (Analyses de cycle de vie) ?
C’est le retour énergétique et CO2 qui est pris en compte : on observe la quantité d’énergie
consommée et de CO2 produit lors de la fabrication, et on compare ces valeurs avec les quantités
économisées pendant la durée d’usage. Aujourd’hui, on est de plus en net progrès en ce qui concerne
l’utilisation et la purification du silicium cristallin, pour lequel on augmente l’efficience, le rendement
de la cellule. Avec la même quantité de matières premières, nous sommes donc capables de réaliser
plus de modules, plus efficaces, avec moins de silicium à purifier : c’est aussi un avantage indéniable
pour les modules équipés de cellules back-contact.
Les modules en couches minces ne sont pas appelés à disparaitre, car ils restent plus adaptés pour
certaines utilisations, mais le marché devrait tout de même être dominé à terme par la technologie du
back-contact.
4
AGRION Paris, 10 rue Mercoeur, 75011 Paris - France
[email protected] - Tel : (+33) 1.48.00.00.25 - Fax : (+33) 1.48.01.66.05 - www.agrion.org