La recette de Maxwell pour des cellules solaires ultra-performantes

Une nouvelle étude sur les cellules solaires à hétérojonction de silicium (SHJ) à faible coût de Maxwell vient d’être publiée dans Nature Energy, la principale revue académique mondiale spécialisée dans la recherche sur l’énergie.

Cet article examine en détail la méthodologie et les principes fondamentaux qui sous-tendent la création de cellules solaires SHJ, avec un rendement impressionnant de conversion photoélectrique de 25,94%. Cette prouesse est attribuée à l’intégration d’un processus de films minces d’oxyde conducteur transparent (TCO) à faible teneur en indium et d’électrodes plaquées cuivre.

Une collaboration fructueuse

L’article, intitulé « Silicon solar cell with undoped tin oxide transparent electrode », avec Suzhou Maxwell Technologies Co., Ltd. comme unité principale, et Mme Cao Yu, responsable du centre de R&D sur les cellules solaires, comme auteure principale, est le fruit d’une collaboration entre l’équipe de Maxwell, l’Université Nankai et SunDrive Corporation.

Les technologies cellulaires critiques, y compris les films TCO et les procédés de dépôt, ont été innovées par l’équipe Maxwell. L’équipement utilisé dans le processus de préparation des cellules solaires dans cet article est entièrement fabriqué maison (y compris l’équipement utilisé pour le texturage et le nettoyage, le dépôt chimique en phase vapeur, le dépôt physique en phase vapeur et l’impression par sérigraphie).

Tout au long de cette progression, l’équipe Maxwell a méticuleusement optimisé l’unité de pulvérisation cathodique au sein de l’équipement de dépôt physique en phase vapeur (PVD) pour réduire la consommation de matériaux cibles. Cette optimisation a été couplée à une nouvelle approche impliquant un film stratifié à faible teneur en indium (avec 50% d’indium pour réduire considérablement la consommation d’indium). Cette double approche permet non seulement de réduire les coûts de fabrication des cellules, mais aussi de préserver ses attributs distinctifs de haute efficacité.

L’Université Nankai a fourni un soutien technique pour les tests et l’analyse des mécanismes. Simultanément, l’équipe SunDrive a contribué aux électrodes de cuivre électro-déposées de la cellule.

Des résultats de recherche élaborés

L’approvisionnement limité en indium rare et le coût élevé de la pâte d’argent comptent parmi les problèmes les plus critiques auxquels sera confrontée la production de masse des cellules solaires SHJ.

Pour surmonter l’obstacle des électrodes transparentes à base d’indium pour les cellules solaires SHJ à haut rendement, l’équipe R&D de Maxwell a préparé avec succès des matériaux d’électrode d’oxyde d’étain (SnOx) non dopés bon marché et produits en masse par pulvérisation à température ambiante. Les films SnOx ont une excellente stabilité chimique et peuvent résister à la corrosion par des solutions acides et alcalines pendant les processus de placage électrolytique.

L’équipe a également réduit la résistance de contact avec n-μc-SiOx : H en utilisant des films bicouches d’oxyde d’indium hydrogéné dopé aux métaux de transition (IMO : H) + SnOx, ce qui facilite l’amélioration du facteur de forme (FF) et améliore encore les performances des cellules solaires SHJ.

Pour réduire la consommation du précieux métal « argent » pendant la fabrication des cellules, l’équipe a ingénieusement employé un processus de placage au cuivre. Cette approche stratégique impliquait d’augmenter le rapport hauteur/largeur de l’électrode, augmentant ainsi le rendement de conversion de la cellule. Simultanément, cette innovation a éliminé le coût élevé de la pâte d’argent.

En fin de compte, en fusionnant le TCO à faible teneur en indium et l’électrode plaquée cuivre, l’équipe Maxwell a réussi à atteindre une efficacité certifiée ISFH de 25,94% (une surface totale de 274,4 cm2). Ces remarquables résultats de recherche ont le potentiel d’être étendus à d’autres cibles d’oxyde d’étain en rotation dopées avec des éléments traces.

L’utilisation du système de pulvérisation cathodique magnétron, conçu par Maxwell, ouvre la voie à des applications de production à grande échelle. En outre, les efforts de l’entreprise s’étendent à la recherche et au développement d’équipements de chaîne complète de placage au cuivre, comprenant des composants essentiels tels que l’équipement de couche d’accrochage PVD, l’équipement graphique et l’équipement de placage.

Des avancées technologiques continues

En tant que fabricant d’équipements de cellules solaires, Maxwell consacre d’importants efforts à la recherche et au développement technologiques. S’appuyant sur une équipe expérimentée de recherche et développement de plus d’un millier de personnes, combinée à des investissements accrus en recherche d’année en année, l’entreprise perpétue l’élan pour des avancées technologiques innovantes.

Dans le domaine de la technologie SHJ, Maxwell a réalisé des avancées significatives, notamment en introduisant une technologie pionnière pour des cellules SHJ bifaciales à haut rendement en silicium microcristallin, avec leurs équipements de chaîne de fabrication complète. Ces avancées ont catalysé des améliorations notables du rendement des cellules SHJ.

Les succès de l’entreprise s’étendent également au développement de la technologie pour les cellules SHJ Non-Busbar et de son équipement de chaîne de modules, entraînant des réductions substantielles de la consommation d’argent et des coûts associés.

En synthèse

Cette étude démontre le potentiel des cellules solaires à hétérojonction de silicium à faible coût pour surmonter les obstacles de production de masse. En combinant des films TCO à faible teneur en indium et des électrodes au cuivre, l’équipe de Maxwell a atteint une efficacité record de 25,94%. Leurs avancées en R&D, équipements de production et optimisation des processus ouvrent la voie à une adoption élargie de cette technologie prometteuse.

Pour une meilleure compréhension

Quelle est la principale innovation présentée dans cette étude ?

L’intégration de films TCO à faible teneur en indium et d’électrodes au cuivre pour réduire les coûts tout en préservant un haut rendement de conversion.

Quel est le rôle de chaque partenaire dans cette réussite ?

Maxwell a développé les technologies cellulaires critiques. Nankai University a réalisé les tests. SunDrive a fourni les électrodes au cuivre.

Pourquoi publier dans Nature Energy est une consécration ?

C’est la principale revue mondiale dans le domaine, avec un très fort facteur d’impact et une sélectivité élevée.

Quels sont les défis surmontés pour cette avancée ?

La réduction de l’indium et de l’argent, métaux rares et coûteux, tout en conservant un haut rendement.

Quelles sont les prochaines étapes pour Maxwell ?

Etendre cette technologie à grande échelle grâce à ses équipements de production et poursuivre l’innovation en R&D.

Quels bénéfices pour le déploiement du solaire ?

Réduction des coûts de production pour accélérer l’adoption des cellules SHJ à haut rendement.

Légende illustration principale : Cellule solaire / crédit Maxwell

Références : Cao Yu et al, Silicon solar cell with undoped tin oxide transparent electrode, Nature Energy (2023). DOI: 10.1038/s41560-023-01331-7.