Tout savoir sur ces cellules photovoltaïques à haut rendement qui vont déferler sur le marché

«L’augmentation des rendements est le plus important levier de la massification des panneaux photovoltaïques», affirme Delphine Cherpin, adjointe au chef du département technologies solaires du CEA-Liten installé sur le campus de l’Ines. En effet, qui dit augmentation de l’efficacité au mètre carré dit moins de panneaux nécessaires pour obtenir une même quantité d’énergie à ensoleillement constant.

Les progrès ont été impressionnants : de 5 à 6% dans les années 1950, le rendement des cellules solaires au silicium a presque atteint son pic théorique (29%) grâce au TopCon et à l’hétérojonction (plus de 26% en laboratoire et de 24 à 25% dans l’industrie). Ces nouvelles technologies s’apprêtent à prendre le relais du Perc (passivated emitter and rear cell, ou émetteur et cellule arrière passivés) qui domine aujourd’hui le marché, avec une efficacité de 22%.

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Comment est-on parvenu à de telles performances ? Pour Pere Roca, le directeur scientifique de l’Institut photovoltaïque d’Ile-de-France (IPVF), il n’y a pas de mystère : «Pour augmenter le rendement, on doit lutter contre la recombinaison des paires électron-trou», qui se forment lorsqu’un électron absorbe un photon. L’électron excité et le trou ainsi créés doivent rester séparés pour pouvoir être collectés et produire un courant électrique. Or les deux particules de la paire peuvent aussi se recombiner, donc disparaître et ne plus contribuer à la génération de courant.

Dans le silicium, les recombinaisons sont favorisées notamment par les défauts liés à l’interface entre le silicium et le collecteur arrière. La fabrication de ce dernier a ainsi été d’abord réalisée de façon à créer une couche intermédiaire générant un champ électrique (champ de surface arrière, BSF) qui attire les trous et repousse les électrons. Pour réduire encore plus ces recombinaisons, la technologie Perc a introduit la «passivation» en insérant une couche isolante à l’interface. «Pour laisser passer les charges, on doit cependant ouvrir des canaux dans l’isolant», explique Pere Roca. Grâce à cette technique, l’IPVF a réduit la recombinaison de 90% et atteint un rendement supérieur à 20%.

Couches d’isolant ultrafines

Le TopCon et l’hétérojonction vont un cran plus loin. «TopCon signifie “tunnel oxide passivated contact”, détaille Pere Roca. L’idée derrière ce terme est de déposer une couche d’isolant suffisamment fine, de l’ordre de 1 nanomètre, pour que les charges puissent passer à travers par effet tunnel et être collectées par un contact sélectif en silicium polycristallin [hautement dopé pour, de manière analogue au BSF, repousser les trous et attirer les électrons, ndlr]. Plus besoin de créer de canaux.» Si cette technique est connue depuis les années 1980, «jusqu’à présent nous ne savions pas réaliser une couche aussi fine avec une épaisseur constante sur toute la plaque», précise le spécialiste.

Pour les cellules à hétérojonction, «on applique une pellicule de silicium amorphe hydrogéné en faces avant et arrière, qui neutralise les défauts». Grâce à ces innovations, «nous pourrons atteindre les rendements ultimes du -silicium cristallin. En production, on estime que l’on approchera 26 ou 27% dans les dix ans à venir», promet Pierre-Jean Ribeyron, le responsable de l’offre technologique au CEA-Liten.

En attendant, en termes de déploiement, ce sont le TopCon et l’hétérojonction qui mènent la danse. Holosolis et Carbon Solar ont lancé en France deux projets de gigafactories utilisant la technologie TopCon. «L’outil de production est bien moins cher que celui de l’hétérojonction et on économise 40% de pâte d’argent», met en avant Jan Jacob Boom-Wichers, le PDG d’Holosolis. Pour Pierre-Emmanuel Martin, le président de Carbon Solar, «c’est surtout une technologie pour laquelle nous disposons d’un substrat d’équipementiers européens, ce qui n’est pas le cas pour l’hétérojonction». Cette dernière dispose cependant d’atouts de taille : «Elle peut être fabriquée en beaucoup moins d’étapes – sept seulement –, contre plus d’une dizaine pour le TopCon et le Perc», pointe Delphine Cherpin.

L. Godart / CEA

Deux couches de silicium amorphe limitent les pertes d’énergie des cellules à hétérojonction. © L. Godart /  CEA

Premiers partenariats industriels

Autre avantage : sa production s’effectue à une température de 200°C, contre 800°C pour le TopCon, avec des économies d’énergie à la clé. Enfin, alors que les cellules ont tendance à perdre du rendement à l’usage, lorsqu’elles chauffent sous l’effet du soleil, «l’hétérojonction est moins sensible à l’élévation de la température et conserve une meilleure performance», souligne l’experte de l’Ines. Des arguments qui ont déjà convaincu le suisse Meyer Burger pour sa gigafactory de Freiberg, en Allemagne, et l’italien Enel Green Power pour son usine sicilienne.

Ce dernier a d’ailleurs noué un partenariat avec le CEA, dont la cellule à hétérojonction de type p de taille industrielle qu’il a produite en 2022 a battu le record mondial de rendement avec 24,47%. L’arbitrage se fera en fonction des applications et de la stratégie de chaque industriel, anticipe Delphine Cherpin, qui conclut : «Ces deux technologies sont d’excellentes candidates pour réintroduire l’industrie photovoltaïque en France et en Europe.»

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