Cellules solaires au silicium cristallin
Les cellules à base de silicium appartiennent à la première et plus ancienne génération de cellules solaires. Avec une part de production mondiale de 97 % (2023), elles dominent totalement le marché.
Pourquoi le silicium ?
Le silicium est particulièrement adapté aux cellules solaires :
| Propriété | Avantage |
|---|---|
| Abondance | Deuxième élément le plus répandu de la croûte terrestre |
| Propriétés semi-conductrices | Idéal pour l'effet photovoltaïque |
| Stabilité | Longue durée de vie (25+ ans) |
| Expérience de fabrication | Des décennies d'optimisation |
Monocristallin vs Polycristallin
La différence principale réside dans la structure cristalline :
Silicium monocristallin
Procédé Czochralski : des wafers sont découpés à partir d'un seul cristal
| Propriété | Valeur |
|---|---|
| Structure | Un seul cristal continu |
| Couleur | Bleu foncé à noir |
| Rendement | 20–24 % (commercial) |
| Fabrication | Procédé Czochralski |
Avantages :
- Rendement le plus élevé
- Longue durée de vie
- Meilleure efficacité surfacique
Inconvénients :
- Coûts de fabrication plus élevés
- Processus de production complexe
Silicium polycristallin
| Propriété | Valeur |
|---|---|
| Structure | Nombreux petits cristaux |
| Couleur | Bleu clair, scintillant |
| Rendement | 17–19 % (commercial) |
| Fabrication | Procédé de coulée |
Avantages :
- Fabrication moins coûteuse
- Processus de production plus simple
Inconvénients :
- Rendement inférieur
- Part de marché en déclin
Tendance du marché : Les modules polycristallins sont de plus en plus remplacés par les monocristallins. L'écart de prix est devenu minime tandis que la différence d'efficacité reste significative.
Technologies de fabrication en détail
AL-BSF : Le standard classique
AL-BSF signifie « Aluminium Back Surface Field » – le standard pendant des décennies.
Structure en couches d'une cellule solaire AL-BSF classique
| Couche | Fonction |
|---|---|
| Contact N | Pôle négatif, évacuation du courant |
| Silicium dopé N | Excès d'électrons |
| Jonction PN | Séparation des charges |
| Silicium dopé P | Matériau de base |
| Couche d'aluminium | Réduit la recombinaison |
| Contact P | Pôle positif |
Rendement : 18–20 % (commercial)
PERC : L'évolution
PERC = « Passivated Emitter and Rear Cell » – une évolution de l'AL-BSF.
Améliorations par rapport à l'AL-BSF :
- Couche de passivation supplémentaire
- Contacts arrière locaux
- Moins de recombinaison
| Aspect | AL-BSF | PERC |
|---|---|---|
| Rendement | 18–20 % | 21–23 % |
| Recombinaison | Plus élevée | Plus faible |
| Coûts | Faibles | Modérés |
| Part de marché | En déclin | Dominante |
PERC est actuellement la technologie la plus vendue.
HIT/SHJ : Technologie à hétérojonction
HIT = « Heterojunction with Intrinsic Thin Layer » (aussi SHJ = Silicon Heterojunction)
Combinaison de silicium cristallin et amorphe
| Couche | Matériau |
|---|---|
| Contact N | Grille métallique |
| Jonction PN | Hétérojonction |
| Si cristallin | Dopé N (base) |
| Si amorphe | Non dopé + dopé P |
| TCO | Couche d'oxyde transparente |
| Contact P | Couche métallique |
Avantages du HIT/SHJ :
- Très haut rendement (22–24 %)
- Faible coefficient de température
- Utilisation bifaciale possible
- Durée de vie prolongée
Inconvénients :
- Fabrication plus complexe
- Coûts plus élevés
TOPCon : La nouvelle star
TOPCon = « Tunnel Oxide Passivated Contact » – le nouveau leader montant du marché.
TOPCon : couche d'oxyde tunnel pour une efficacité maximale
| Couche | Fonction |
|---|---|
| Contact N | Évacuation du courant |
| Couche de passivation | Réduit la recombinaison |
| Silicium dopé N | Base (cellule de type N !) |
| Jonction PN | Séparation des charges |
| Couche d'oxyde tunnel | Permet l'effet tunnel |
| Silicium dopé P | Mince |
| Contact P | Évacuation du courant |
Particularité : La couche d'oxyde tunnel exploite l'effet tunnel quantique – les électrons sont laissés passer, les trous non.
Avantages du TOPCon :
- Rendement commercial le plus élevé (22–24 %)
- Basé sur les lignes de production PERC (conversion possible)
- Type N : pas de dégradation induite par la lumière
- Bon comportement en faible luminosité
Comparaison des technologies
Évaluation : ++ très bien, + bien, - mauvais, -- très mauvais
Récapitulatif
| Technologie | Rendement | Coûts | Tendance |
|---|---|---|---|
| AL-BSF | 18–20 % | Faibles | ↓ En fin de vie |
| PERC | 21–23 % | Modérés | → Stable |
| HIT/SHJ | 22–24 % | Élevés | ↑ Premium |
| TOPCon | 22–24 % | Modérés | ↑↑ Forte croissance |
Quelle technologie choisir ?
| Situation | Recommandation | Raison |
|---|---|---|
| Budget limité | PERC | Meilleur rapport qualité-prix |
| Efficacité maximale | TOPCon ou HJT | Rendements les plus élevés |
| Surface de toit limitée | Type N (TOPCon/HJT) | Plus de rendement par m² |
| Centrale de balcon | PERC | Économique et suffisant |
| Investissement long terme | Type N | Dégradation moindre |
Conclusion
À retenir: Les cellules au silicium cristallin dominent le marché solaire avec 97 %. La tendance va clairement vers les cellules de type N : TOPCon devrait remplacer PERC comme technologie standard. Pour les nouvelles installations, les modules TOPCon sont recommandés – ils offrent le meilleur compromis entre efficacité, longévité et prix.
Suite : Dans l'article suivant Cellules couche mince et nouvelles technologies, découvrez tout sur les cellules CdTe, CIGS, pérovskite et tandem.
Sources
- Pastuszak, J.; Węgierek, P.: Photovoltaic Cell Generations and Current Research Directions. Materials 2022
- ITRPV : International Technology Roadmap for Photovoltaic 2024
- D. Pan, T. Guo, X. Chen: Silicon-based solar cell: Materials, fabrication and applications. ISCTIS 2021
- Lindroos, J.; Savin, H.: Review of light-induced degradation in crystalline silicon solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells 2016