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Relever les défis de la performance et de la réduction des coûts de fabrication

​Cellules photovoltaïques à haut rendement :

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Publié le 25 octobre 2016

La montée progressive de la conversion photovoltaïque de l’énergie solaire dans le mix énergétique mondial est sans précédent depuis les années 2000. La puissance installée du photovoltaïque été multipliée par dix entre 2007 et 2012, et la part du solaire dans la consommation finale d’énergie mondiale est appelée à s’accroître de façon très significative pour accompagner les futurs besoins en énergie. Au CEA Liten, l’une de nos activités de recherche porte sur le silicium cristallin, c’est-à-dire le matériau principalement utilisé dans la composition des cellules photovoltaïques et qui représente 90 à 95% du marché. Les recherches en cours adressent l’ensemble de la chaîne de la valeur, du matériau de base jusqu’au système complet.


Les travaux plus spécifiquement dédiés au matériau, à la cellule et au module, visent à répondre à deux grands enjeux :


  • baisser les coûts de fabrication pour atteindre un coût de l’énergie photovoltaïque produite équivalent, voire inférieur, à celui usuellement délivré par le réseau.
  • augmenter le rendement énergétique de la cellule photovoltaïque et du système complet, afin de produire plus de puissance à coût maitrisé


Cet objectif est aujourd’hui proche d’être atteint, et l’accroissement de la part du photovoltaïque dans le mix énergétique mondial en témoigne. Pour autant, les efforts de recherche se poursuivent afin de diminuer encore le coût de la filière sur l’ensemble de la chaine de la valeur. Ces efforts se traduiront par une diminution du coût des systèmes photovoltaïques exprimé en €/W et au final du prix de l’énergie électrique issue de ces systèmes exprimé en €/kWh.


De nombreux partenariats industriels sont conclus pour l’élaboration de prototypes ou le transfert de nouveaux procédés de fabrication. Ils permettent à des grands groupes internationaux ou à des équipementiers exportant dans le monde entier de conserver une longueur d’avance dans l’industrie du photovoltaïque. « Notre stratégie est de développer des technologies pour fabriquer des wafers, des cellules, des modules en Europe d’abord et dans le monde, et d’aider les équipementiers ou fournisseurs de matériaux à conquérir les marchés mondiaux au moyen d’équipements ou matériaux très performants », confirme le responsable des activités « matériaux et cellules photovoltaïques ».


La  plate-forme de nano-caractérisation de CEA Tech permet à tout moment grâce à des moyens unique en Europe de vérifier la qualité et la reproductibilité des nouveaux matériaux et procédés élaborés par le CEA Liten.


Tous ces travaux ont permis d’enregistrer des rendements de 18 à 19% pour les cellules classiques en silicium monocristallin et de 22 à 23% pour des cellules plus avancées, soit des performances élevées à un coût maitrisé, rendant compétitive l’énergie solaire par rapport aux autres sources d’énergie. Dans les années à venir, le CEA Liten consacrera ses recherches à améliorer encore significativement les rendements pour atteindre jusqu’à 25 et 26% en exploitation. Une nécessité sur un marché qui évolue très rapidement et qui a vu en cinq ans le prix des panneaux photovoltaïques divisé par trois.

AVANTAGES

  • Des technologies valorisables sur toute la chaîne de valeur du photovoltaïque
  • Une intervention sur toute la chaîne de valeur, du matériau jusqu’au système installé et aux études de stockage électrochimique de l’énergie. Cette vision d’ensemble, au plus près des conditions d’exploitation nourrit un dialogue efficace avec les partenaires industriels.
  • Le maintien de procédés de référence bien établis qui ont fait leur preuve en exploitation, permettant de valoriser les nouvelles briques technologiques développées par comparaison avec ces références
  • Le développement de nouveaux procédés autour de briques technologiques du futur (mono-like, technologies bifaciales, etc.).
  • Des investissements sur les plates-formes pour se maintenir dans la course aux rendements et au développement de nouveaux procédés
  • Des savoir-faire multidisciplinaires avec une expertise forte pour assurer le lien entre les différentes parties de la chaine de la valeur, et valoriser ce positionnement unique parmi les instituts positionnés sur le solaire dans le monde
PROJETS

Plusieurs technologies mises au point par le CEA Liten ont été brevetées et valorisées auprès d’industriels. Elles concernent plusieurs étapes :


  • Silicium : Mise au point de voies alternatives pour l’obtention de silicium faisant appel à un procédé de purification du silicium métallurgique par voie physique (fusion, agrégation, plasma), dans le but d’en réduire le coût.
  • Cristallisation : Utilisation du procédé de solidification dirigée pour l’obtention de silicium cristallin (procédé mono-like). Cette technologie fer de lance du CEA Liten adresse en potentiel 60% du marché mondial. En 2014, le design de four et la recette thermique définis pour les lingots mono-like de 60 kilos (G2) ont été validés à l’échelle de lingots industriels de 450 kilos (G5) puis de 600 kg ( G6) entièrement monocristallins, ce qui constitue une première mondiale. Le rendement photovoltaïque a progressé et se rapproche de celui des lingots monocristallins, pour des coûts de production bien inférieurs.


Par ailleurs, grâce à un revêtement de creuset haute pureté à base de silazane (polymère inorganique), des lingots de silicium de taille G2 (60kg), aux caractéristiques améliorées, ont été produits. La qualité du silicium au cœur du lingot est meilleure, d’où un  rendement de conversion plus élevé des cellules. Ces gains compensent largement le surcoût du revêtement qui a été breveté en 2014.

Découpe des wafers : Les améliorations apportées sur la découpe de wafers silicium par fil diamanté (vitesse et qualité de découpe, réduction de l’épaisseur des wafers) se poursuivent en collaboration avec plusieurs industriels. Une ligne prototype a été installée en 2013, donnant lieu à un transfert de technologie.

  • Cellule : Les procédés homojonctions à haute température et le procédé hétérojonction, à plus forts rendements, sont développés en parallèle à des niveaux de maturité industrielle différents. Différentes voies pour améliorer le confinement optique des cellules et donc leurs rendements sont également étudiées.
  • Module : Utilisation de fils de cuivre pour l’interconnexion des cellules et d’adhésif conducteur pour supprimer les opérations de soudure, et réalisation d’études d’encapsulation des cellules pour l’obtention de modules les plus durables possibles en termes de performance. La vérification de la durabilité des modules est effectuée par des tests de vieillissement accélérés.
  • Équipements : Les équipes du CEA Liten situées à l'INES ont développé avec AET un équipement permettant d'estimer automatiquement la qualité des plaquettes monocristallines. Il permet de détecter les principaux défauts des plaquettes liés à la présence d'oxygène. Un premier équipement prototype a été installé dans nos locaux afin d'être testé en conditions de production avec le partenaire et de lancer les premières démonstrations commerciales. Une version à chargement manuel a également été développée pour les besoins des équipes R&D, des fabricants de wafers et cellules photovoltaïques. Cette version est actuellement en phase de commercialisation.
PROJETS EUROPEENS

Les équipes du CEA Liten sont également impliquées dans de nombreux projets européens, et notamment dans deux projets structurants qu’elles coordonnent :  

-    Le projet HERCULES vise à développer les cellules photovoltaïques à très haut rendement à base de cellules hétérojonctions mais également à contacts arrières. Les partenaires font partie des instituts les plus prestigieux en Europe comme le FhG-ISE et le CSEM ainsi que l’ISFH. Parmi les partenaires industriels, on trouve l’industriel Meyer Burger ainsi qu’EDF R&D.

-    Le projet CABRISS qui vise à développer une filière de recyclage pour les panneaux photovoltaïques en fin de vie, intégrant toutes les contraintes environnementales liées à ce type de procédé. Le projet rassemble un consortium constitué d’instituts de premiers plans (SINTEF, IMCE, INES) et de PME européennes qui souhaitent se positionner fortement dans ce domaine en croissance.


REPÈRES :
  • Plus de 200 chercheurs 
  • 30 brevets déposés par an en moyenne.

Publications


- PJ Ribeyron, D Munoz, JP Kleider, Wilfried Favre, P Roca i Cabarrocas, M Labrune, B Geerligs, A Weeber, M Spaeth, C Olson, N Dekker, GJHM van Sark, JA Schuetauf, JK Rath, REI Schropp, M Tucci, S De Iullis, I Gordon, B O’Sullivan, A Descoeudres, S De Wolf, C Ballif, T Schulze, L Korte, F Madon, N Le Quang, M Scherff, R Doll, Y Zemen, G Zietek, , Proceedings of the 26th European Photovoltaic Solar Energy Conference (2011).

Y. Veschetti, R. Cabal, P. Brand, V. Sanzone, G. Raymond, A. Bettinelli, High efficiency on boron emitter n-type Cz silicon solar cells with industrial process, IEEE Journal of Photovoltaics, vol1, NO2, Dec 2011

 F. Dauzou, R. Cabal, Y. Veschetti, Electrical behaviour of n-type silicon solar cells under reverse bias: Influence of the manufacturing process, Solar Energy Materials & Solar Cells 104 (2012) 175–179

R. Cabal, Y. Veschetti, V. Sanzone, S. Manuel, S. Gall, F. Barbier, F. Ozanne, A. Bettinelli,C. Gillot, B. Novel, P.J. Ribeyron, Industrial Process Leading to 19.8% on N- Type Cz Silicon, Energy Procedia 33 (2013) 11 – 17

Y. Veschetti, S. Manuel, V. Sanzone, R. Monna, G. Fortin, E. Pihan, P. Lefillastre, B. Novel, A. Jouini; Potential of n-type Monolike silicon using PERT cell technology, proceedings of the 28th EU PVSEC conference, Paris, Sept 2013

T. Blevin et al. Development of Industrial Processes for the Fabrication of High Efficiency N-type PERT Cells Solar Energy Materials and Solar Cells, Solar Energy Materials & Solar Cells 131 (2014) 24–29

A. Lanterne, J. Le Perchec, S. Gall, S. Manuel, M. Coig, A. Tauzin and Y. Veschetti ; Understanding of the annealing temperature impact on ion implanted bifacial n-type solar cells to reach 20.3% efficiency, Prog. Photovolt: Res. Appl. (2014)

T. Schutz-Kuchly, V. Sanzone, Y. Veschetti, N-type solar-grade silicon purified via the metallurgical route: Characterisation and fabrication of solar cells, Progress in Photovoltaics: Research and Applications 21 (5) , pp. 1214-1221, 2013

R. Cabal, Y. Veschetti, V. Sanzone, S. Manuel, S. Gall, F. Barbier, F. Ozanne, A. Bettinelli, C. Gillot, B. Novel, P-J. Ribeyron,. Industrial process leading to 19.8% on n-type CZ silicon (2013) Energy Procedia, 33, pp. 11-17.

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T. Michel, J. LePerchec, A. Lanterne, R. Monna, F. Torregrosa, L. Roux, M. Commandré, Phosphorus emitter engineering by plasma-immersion ion implantation for c-Si solar cells, Solar Energy Materials & Solar Cells 133 (2015) 194–200


J. Veirman, S. Dubois, B. Martel, J. Stendera, Effect of dopant compensation on the temperature dependence of the transport properties in p-type monocrystalline Silicon, J. Appl. Phys. 115, 083703 (2014).

C. Huguet, C. Dechamp, R. Voytovych, B. Drevet, D. Camel and N. Eustathopoulos, Initial stages of silicon–crucible interactions in crystallisation of solar grade silicon: Kinetics of coating infiltration, Acta Materialia. 76, 151 (2014).

J. Veirman, S. Dubois, N. Enjalbert, J-P. Garandet and M. Lemiti, A Fast and Easily Implemented Method for Interstitial Oxygen Concentration Mapping Through the Activation of Thermal Donors in Silicon, Energy Procedia. 8, 41 (2011).
J. Veirman, S. Dubois, N. Enjalbert, J-P. Garandet and M. Lemiti, Electronic properties of highly-doped and compensated Solar-Grade Silicon wafers and solar cells, J. Appl. Phys. 109, 103711 (2011).

F. Tanay, S. Dubois, J. Veirman and N. Enjalbert, Low temperature-coefficient for solar cells processed from solar-grade silicon purified by metallurgical route, Prog. Photovolt: Res. Appl. (2011).

A. Jouini, D. Ponthenier, H. Lignier, N. Enjalbert, B. Marie, B. Drevet, E. Pihan, C. Cayron, T. Lafford, D. Camel
“Improved multicrystalline silicon ingot crystal quality through seed growth for high efficiency solar cells”, Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 20 (2012) 735-746.

F. Jay, D. Muñoz, T. Desrues, E. Pihan, V. Amaral de Oliveira, N. Enjalbert, A. Jouini “Advanced process for n-type mono-like silicon a-Si:H/c-Si heterojunction solar cells with 21.5% efficiency”, Solar Energy Materials & Solar Cells 130 (2014) 690–695

M.G. Tsoutsouva, V.A. Oliveira, D. Camel, T.N. Tran Thi, J. Baruchel, B. Marie and T. A. Lafford “Segregation, precipitation and dislocation generation between seeds in directionally solidified mono-like Si for PV application”, Journal of  Crystal Growth 401 (2013) 397

E. Pihan, G. Fortin, J. Champliaud, N. Enjalbert, Y. Veschetti, F. Jay, A. Jouini “Achievements and future potential of seeded directional solidification ingots” 28th European photovoltaic Solar Energy Conference, Paris, France, 30 September - 04 October 2013

Pour en savoir plus

  Pour en savoir plus sur des modules 300W certifiés selon la norme IEC 61215, cliquez ici.

  Pour en savoir plus sur des fonctions d'autodiagnostic pour des modules, cliquez ici.

  Pour en savoir plus sur le silicium monolike, cliquez ici.


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