Nouvelles recherches sur les mécanismes de dégradation de l’arrière des cellules solaires TOPCon

D’après pv magazine International

Une équipe de recherche de l’Université de New South Wales (UNSW) et du fabricant chinois de modules solaires Longi a étudié la dégradation induite par le sodium des cellules solaires TOPCon exposées à l’humidité et à la chaleur, et a découvert que la couche de nitrure de silicium (SiNx) du côté arrière des cellules est particulièrement vulnérable à la dégradation chimique causée par les contaminants de sodium (Na). « Ce sujet n’a pas beaucoup attiré l’attention jusqu’à présent, mais il est devenu un problème sérieux maintenant que la stabilité de la métallisation avant s’est améliorée », a déclaré Bram Hoex, auteur principal de l’étude à pv magazine.

Dans l’article intitulé « Mitigating contaminant-induced surface degradation in TOPCon solar cells: Mechanisms, impacts, and mitigation », récemment publié dans Solar Energy Materials and Solar Cells, celui-ci et ses collègues ont expliqué que la vulnérabilité de la couche SiNx du côté arrière peut entraîner des pertes importantes de tension en circuit ouvert, une augmentation substantielle de la résistance et une dégradation générale des performances de la cellule. Les chercheurs ont utilisé plusieurs sels liés au sodium pour étudier la dégradation de la tension en circuit ouvert des cellules solaires TOPCon sous des tests d’humidité-chaleur (DH) au niveau de la cellule. Le test DH est un test accéléré qui évalue la fiabilité des modules sous des conditions de chaleur et d’humidité extrêmes. Dans sa forme standard, le module photovoltaïque est placé dans une chambre contrôlée à une température de 85°C et une humidité de 85% pendant au moins 1 000 heures.

Les tests ont été réalisés sur des cellules TOPCon commerciales avec un rendement de 23 %. Sur le côté avant, les dispositifs comportaient un émetteur diffusé au bore, passivé par un empilement multicouche d’oxyde d’aluminium (AlOx), une couche de SiNx et une couche d’oxynitrure de silicium (SiOyNz) comme revêtement antireflet (ARC).

Sur le côté arrière, les cellules étaient dotées d’une couche d’oxyde de silicium tunnel (SiO2), d’une couche de silicium polycristallin dopée au phosphore (poly-Si) et d’une couche supplémentaire d’ARC SiNx. De plus, le côté avant était traité avec de l’argent (Ag) et de l’aluminium (Al), tandis que le contact arrière était formé à l’aide d’une pâte argent (Ag) imprimée par sérigraphie.

Schéma du flux expérimental.
*Image : UNSW, Solar Energy Materials and Solar Cells, CC BY 4.0*

Les tests DH ont été réalisés pendant 20 heures dans une chambre environnementale ASLi à 85°C avec une humidité relative de 85 % (DH85). Ils ont montré que deux contaminants du sodium – le CH3COONa et le chlorure de sodium (NaCl) – étaient responsables de pertes de performance significatives. « Dans nos expériences, l’application de CH3COONa sur le côté arrière des cellules TOPCon a entraîné une perte d’efficacité substantielle de 16 %, tandis que le NaCl a causé une diminution relative de 4,8 %, ont déclaré les chercheurs. La couche SiNx du côté arrière était particulièrement sensible aux réactions chimiques et à la dégradation de la surface lorsqu’elle était exposée aux sels à base de sodium, entraînant une augmentation de l’oxydation, une perte de passivation et une réduction marquée des paramètres clés de performance, comme la tension en circuit ouvert, avec une dégradation sévère du facteur de remplissage (FF) lorsqu’elle était traitée avec du CH3COONa. »

L’analyse a également montré que les pertes de tension en circuit ouvert pouvaient atteindre 5,8 %, avec une perte relative de l’efficacité globale de la cellule d’environ 16 %. Le groupe de recherche a proposé de traiter les mécanismes de dégradation analysés en introduisant une couche de barrière d’oxyde d’aluminium (AlOx) de 10 nm, déposée par dépôt atomique en couche (ALD), sur le côté avant de la cellule, pour empêcher la diffusion des contaminants.

« Cette couche a réduit efficacement la dégradation des performances, ne montrant que de faibles diminutions de l’efficacité et maintenant la stabilité de la tension en circuit ouvert après 20 heures de tests accélérés d’humidité-chaleur, ont-ils expliqué. La couche AlOx a également atténué la corrosion et les défauts de recombinaison induits par les sels liés au sodium, confirmant son potentiel en tant que solution protectrice robuste pour améliorer la fiabilité à long terme des cellules solaires TOPCon dans des conditions environnementales difficiles ». « Les tests accélérés d’humidité-chaleur ont confirmé que la couche AlOx réduit considérablement la dégradation, maintenant ainsi la stabilité à long terme, ajoute Bram Hoex. Notre solution représente une approche évolutive et industriellement viable pour améliorer la fiabilité des cellules solaires TOPCon ».

À l’avenir, les chercheurs ont déclaré qu’ils souhaitaient mieux intégrer les couches de barrière dans la production commerciale et analyser les comportements de dégradation à long terme dans des conditions réelles de terrain. Les recherches précédentes de l’UNSW ont montré la vulnérabilité des cellules solaires TOPCon à la corrosion des contacts et trois types de défaillances des modules solaires TOPCon qui n’ont jamais été détectées sur les panneaux PERC.

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