Grâce aux cellules en silicium à haute résistivité, les panneaux solaires chinois atteignent une efficacité record et dépasseront les 584 TWh produits en 2024.

La course à l’amélioration de l’efficacité de l’énergie solaire fait un nouveau pas en avant grâce à la Chine. Des chercheurs et des fabricants de ce pays asiatique ont réussi à améliorer les performances des cellules photovoltaïques grâce à une optimisation cruciale dans le traitement des plaques de silicium.

Le contexte mondial de l’énergie photovoltaïque

Cette étude intervient dans un contexte de forte expansion de l’énergie solaire à l’échelle mondiale, la Chine étant le acteur dominant dans ce secteur. Selon les données de 2024 publiées par DPV Energy, ce pays a produit 584 TWh d’électricité grâce à l’énergie solaire photovoltaïque, un chiffre supérieur à celui de tous les autres pays. Très loin derrière se trouvent les États-Unis avec 238 TWh, l’Inde avec 113 TWh et le Japon avec 110 TWh.

En Europe, l’Allemagne reste le pays de référence avec 62 TWh, bien que ses niveaux de rayonnement solaire soient inférieurs à ceux des pays du sud du continent. Son leadership s’explique par des politiques de soutien mises en place depuis des années, telles que des subventions, des incitations fiscales et des tarifs régulés avantageux pour l’autoproduction d’énergie et la production renouvelable.

Le contraste est évident dans le cas de l’Espagne, l’un des pays les plus ensoleillés du monde, avec plus de 300 jours ensoleillés par an et entre 2 500 et 3 000 heures de rayonnement solaire, mais qui n’a pas encore exploité tout son potentiel photovoltaïque.

Nouvelles plaques de silicium à haute résistivité

Dans ce contexte de croissance et de concurrence technologique, l’une des entreprises les plus influentes est LONGi Green Energy Technology, fondée en 2000 et considérée comme le plus grand fabricant mondial de produits en silicium monocristallin, la technologie actuellement la plus efficace dans l’industrie solaire. L’entreprise organise ses activités en cinq grands domaines, parmi lesquels figurent la production de plaques, de cellules et de modules photovoltaïques, y compris les célèbres panneaux de la série Hi-MO, utilisés tant dans les habitations que dans de grandes centrales solaires.

La dernière avancée de LONGi, développée en collaboration avec des chercheurs de l’Université Sun Yat-sen, vise à améliorer les propriétés des plaques de silicium à haute résistivité. Ce type de matériau présente des avantages théoriques en termes d’efficacité par rapport aux plaques standard obtenues par la méthode Czochralski, qui présentent une résistivité modérée ou faible, une plus grande robustesse mécanique et une meilleure tolérance aux contraintes thermiques. Cela facilite leur traitement industriel et réduit le risque de dommages pendant la fabrication.

Cependant, les essais initiaux révélaient un problème : les plaques à haute résistivité avaient tendance à offrir des performances inférieures aux attentes. L’analyse a montré qu’elles fonctionnaient avec des densités plus élevées de porteurs en excès au point de puissance maximale, ainsi que des gradients de concentration plus plats. Ce comportement réduisait l’accumulation de porteurs et augmentait leur sensibilité à la recombination aux bords.

En pratique, en l’absence d’un traitement spécifique, les bords de la plaque agissaient comme un point de perte de charge, annulant les avantages théoriques du matériau.

La solution proposée par l’équipe a été la passivation des bords, un processus qui réduit ces pertes et permet de contrôler la recombination. Les chercheurs ont constaté que la combinaison d’une haute résistivité et d’une passivation efficace est essentielle pour atteindre des performances maximales, car ces plaques entrent plus facilement dans le régime d’injection de haut niveau, une caractéristique physique qui favorise des facteurs de remplissage plus élevés et, par conséquent, une efficacité accrue.

Graças à ce contrôle, les plaques peuvent maintenir une collecte de porteurs plus efficace et transformer leur potentiel théorique en des performances réelles supérieures.

Afin de valider le processus, l’équipe a fabriqué des cellules solaires hybrides à contact postérieur interdigité (HIBC) d’une dimension de 18,3 centimètres par 9,1 centimètres, en utilisant à la fois des plaques à haute résistivité et des plaques standard Czochralski. La principale différence de l’expérience résidait dans le fait que, pour les plaques à haute résistivité, les bords n’ont pas été recouverts de nitrure de silicium lors de la dépôt chimique en phase vapeur, ce qui a laissé la couche de passivation SiOx/n-poli-Si exposée et partiellement éliminée lors du nettoyage chimique humide.

Le processus complet de fabrication a inclus plusieurs étapes industrielles : nettoyage chimique humide, dépôt chimique par vapeur (CVD), diffusion de phosphore, dépôt en couches atomiques (ALD), moulage au laser, dépôt physique par vapeur (PVD), isolation électrique et sérigraphie.

Par la suite, les cellules ont été analysées à l’aide d’un analyseur de courbes IV, de systèmes de métrologie de plaques, de microscopie électronique à transmission et d’outils de simulation.

Les résultats ont confirmé l’impact du traitement : l’introduction d’une passivation des bords efficace a amélioré les performances tant pour les cellules à faible qu’à haute résistivité, bien que les gains aient été nettement plus importants dans ce dernier cas.

Cette avancée, de nature technique mais ayant des implications industrielles, renforce la tendance du secteur vers des améliorations progressives du silicium, matériau qui reste la base de plus de 90 % des panneaux solaires dans le monde. Sur un marché où chaque petite augmentation de l’efficacité permet de réduire les coûts et d’augmenter la production par mètre carré, des développements de ce type consolident la position de leader technologique de la Chine et rapprochent l’avènement d’un scénario où l’énergie