Une nouvelle recherche révèle la vulnérabilité des cellules solaires TOPCon à la corrosion

D’après pv magazine International

Des scientifiques de l’Université de Nouvelle-Galles du Sud (UNSW) en Australie et du fabricant canadien de modules photovoltaïques Canadian Solar ont étudié la dégradation des cellules solaires TOPCon industrielles soumises à des conditions de test accéléré de 85 °C et 85 % d’humidité relative dans le cadre du test de chaleur humide (DH85).

« Nos résultats soulignent la vulnérabilité des cellules solaires TOPCon à la corrosion des contacts, mettant en avant la réactivité électrochimique de la métallisation comme un risque potentiel pour le fonctionnement à long terme des modules, a déclaré Bram Hoex, auteur principal de la recherche, à pv magazine. Notre étude fournit donc des informations cruciales sur les mécanismes de dégradation des cellules TOPCon, essentiels pour optimiser les performances et améliorer la fiabilité à long terme de ces modules ». Leurs conclusions sont disponibles dans l’article « Révélation de l’origine des pannes des contacts métalliques dans les cellules solaires TOPCon à travers des tests accélérés de chaleur humide », publié dans Solar Energy Materials and Solar Cells. L’équipe de recherche comprenait également des universitaires de l’Université de Nantong et de l’Université Jiao Tong de Shanghai en Chine.

Bram Hoex précise que l’article complète les travaux précédents du groupe de recherche et les élargit en utilisant deux types de sels contenant du sodium, ce qui a permis aux chercheurs d’observer des différences dans les réactions chimiques. « Cette compréhension améliorée de la chimie sous-jacente expliquant la dégradation est essentielle pour améliorer davantage la stabilité des cellules TOPCon », a-t-il ajouté.

Le groupe avait en effet publié un premier article fin avril, dans lequel il a identifié trois nouveaux types de pannes des modules solaires TOPCon qui n’avaient jamais été détectées dans les panneaux PERC. Ce travail visait à évaluer l’impact des nomenclatures (BOM) sur la fiabilité des cellules solaires PERC et TOPCon disponibles commercialement.

« Les résultats nous ont surpris, a déclaré Hoex à pv magazine à l’époque. Nous nous attendions à ce que l’élastomère polyoléfine (POE) en général se comporte bien, mais nous avons constaté que certains POE se comportaient très mal. Cela est probablement dû aux différents additifs utilisés dans le POE qui réagissent avec le flux de soudage et la métallisation, entraînant une corrosion des contacts ».

Dans la nouvelle recherche, les scientifiques ont également trouvé des différences significatives entre la sensibilité du devant et de l’arrière des cellules solaires TOPCon lorsque la dégradation était induite par deux sels contenant du sodium – le bicarbonate de sodium (NaHCO3) et le chlorure de sodium (NaCl). Les chercheurs ont pour cela réalisé les tests avec des cellules solaires TOPCon de type n de 158,75 mm x 158,75 mm avec 5 busbars. Leur efficacité de conversion d’énergie moyenne était de 23,1 %.

Sur le côté avant, les dispositifs étaient fabriqués avec un émetteur diffusé au bore recouvert d’oxyde d’aluminium (Al2O3) et de nitrure de silicium (SiNx), ainsi qu’une superposition de silicium oxynitrure (SiOyNz) fournissant une passivation de surface et agissant comme un revêtement antireflet (ARC). À l’arrière, les cellules comportaient une architecture TOPCon basée sur une couche d’oxyde de silicium tunnel (SiO2) associée à une couche de poly-Si dopée au phosphore, ainsi qu’une couche ARC en SiNx.

« La métallisation du côté avant se composait d’une combinaison d’argent (Ag) et d’aluminium (Al, 3-5 % en atomes) comme matériau conducteur, tandis que le contact métallique du côté arrière se composait uniquement d’Ag pour la conduction », ont expliqué les chercheurs.

Schéma de la cellule TOPCon utilisée dans la recherche.
*Image : UNSW, Solar Energy Materials and Solar Cells, Common License CC BY 4.0*

Le test DH85 a été réalisé en utilisant des images de microscopie électronique à balayage (SEM) sur cinq échantillons de cellules : cellules de référence uniquement traitées avec de l’eau déionisée (DIW) ; cellules exposées à NaHCO3 sur le côté avant ; NaHCO3 sur le côté arrière ; cellules exposées à NaCl sur le côté avant ; et cellules exposées à NaCl sur le côté arrière.

Pour le premier groupe, les scientifiques ont constaté que l’exposition des cellules TOPCon à une humidité élevée à des températures élevées pendant de longues périodes ne menait pas intrinsèquement à une dégradation. Pour les autres groupes, en revanche, la dégradation de l’efficacité était significative.

« Notre test accéléré utilisant NaCl entraîne une dégradation extrême de l’efficacité de conversion d’énergie, résultant en une réduction relative de 92 %, tandis que NaHCO3 entraîne une réduction relative de 5 % », a déclaré Hoex. « Le principal mécanisme de dégradation est une augmentation significative de la résistance série (Rs), probablement due à des réactions électrochimiques au sein de la pâte argent-aluminium (Ag/Al). »

« Lorsqu’il est appliqué à l’arrière de la cellule solaire TOPCon, NaHCO3 augmente la recombinaison et détériore les contacts, entraînant une réduction de 16 % de l’efficacité après seulement 100 heures de test DH85 », a ajouté Hoex. « En revanche, NaCl augmente principalement la recombinaison et ne semble pas affecter le contact, provoquant une perte d’efficacité de 4 %. Une enquête plus approfondie révèle des mécanismes de dégradation dans les contacts métalliques du côté arrière, notamment l’oxydation à l’interface Ag-Si. »

Les scientifiques ont souligné que les pâtes Ag/Al sont exposées à des risques de stabilité à long terme lorsqu’elles sont confrontées à des contaminants au niveau ionique et ont indiqué que d’autres combinaisons au niveau ionique devraient être étudiées.

« En résumé, cette étude révèle que les mécanismes de dégradation des contacts TOPCon sont significativement influencés par la combinaison d’ions et de compositions de pâte, ont déclaré les chercheurs. Elle offre des informations cruciales sur les modèles de dégradation et les facteurs sous-jacents affectant les contacts métalliques des cellules solaires TOPCon, pouvant potentiellement aider à évaluer la fiabilité au niveau des modules ».

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