Analyse des facteurs affectant le rendement de conversion des cellules solaires au silicium cristallin

Les cellules solaires au silicium cristallin, l'un des types de cellules solaires les plus utilisés, voient leur efficacité de conversion affectée par de multiples facteurs. Le rendement de conversion des cellules solaires correspond à la proportion d'énergie solaire qui peut être convertie en énergie électrique. Dans les applications pratiques, l'amélioration de ce rendement se heurte à plusieurs limites technologiques. Cet article analyse les facteurs affectant le rendement de conversion des cellules solaires au silicium cristallin, de la perte optique à la perte électrique, ainsi que les méthodes permettant d'améliorer leur rendement.

1. Facteurs affectant le rendement de conversion des cellules solaires au silicium cristallin

Le rendement de conversion des cellules solaires est principalement influencé par l'absorption de la lumière, le transport des porteurs et la collecte des porteurs. Pour les cellules solaires au silicium monocristallin, le rendement de conversion maximal théorique est de 28%. Cependant, le rendement de conversion réel est limité par divers facteurs, que l'on peut classer en deux grandes catégories : les pertes optiques et les pertes électriques.

1.1 Perte optique

La perte optique comprend plusieurs types de pertes :

• Perte par réflexion de surface: Lorsque la lumière du soleil frappe la surface de la cellule solaire, une partie de la lumière est réfléchie et ne peut être absorbée par la cellule. Il s'agit d'un facteur important qui affecte l'efficacité de la cellule solaire. En règle générale, le taux de réflexion des cellules solaires en silicium cristallin est de 30%-35%. Pour atténuer ce phénomène, des revêtements antireflets (tels que le nitrure de silicium ou l'oxyde de silicium) sont appliqués pour réduire le taux de réflexion à 5%-10%.
• Perte d'ombre due aux lignes de contact: Les contacts métalliques (lignes de grille) à la surface de la cellule bloquent une partie de la lumière, réduisant la quantité de lumière qui frappe directement la surface de la cellule. La conception des lignes de la grille doit équilibrer la perte d'ombre avec la capacité de collecte du courant, en minimisant l'obstruction de la lumière.
• Perte par non-absorption dans les grandes longueurs d'onde: Les cellules solaires au silicium cristallin ont une large bande interdite, ce qui signifie qu'elles ne peuvent pas absorber efficacement la lumière infrarouge dans le spectre des grandes longueurs d'onde. Cette énergie lumineuse non absorbée contribue à la perte d'efficacité.

1.2 Perte électrique

Les pertes électriques sont dues à plusieurs facteurs :

• Recombinaison des porteurs photogénérés: Après que la lumière a frappé la surface de la cellule solaire, les électrons et les trous générés doivent être efficacement séparés et transportés vers les électrodes. S'ils se recombinent avant d'atteindre les électrodes, ils perdent de l'énergie. La recombinaison se produit généralement au niveau des défauts de surface ou de masse du matériau, en particulier lorsque la concentration de porteurs est élevée. Il est essentiel de minimiser la recombinaison pour améliorer l'efficacité des cellules solaires.
• Résistance des contacts: La résistance de contact entre le semi-conducteur et les électrodes métalliques, ainsi que la qualité des contacts entre les électrodes, peuvent également affecter l'efficacité de la cellule. Une résistance de contact élevée augmente la résistance interne, ce qui entrave la circulation du courant et réduit l'efficacité de la cellule.
• Recombinaison de la surface arrière: La recombinaison à la surface arrière affecte de manière significative l'efficacité de la cellule solaire, en particulier pour les cellules minces. Si la longueur de diffusion des porteurs dépasse l'épaisseur de la plaquette de silicium, la recombinaison à la surface arrière devient plus visible, ce qui affecte négativement les performances de la cellule solaire.

2. Méthodes d'amélioration du rendement de conversion des cellules solaires au silicium cristallin

Pour améliorer le rendement de conversion des cellules solaires au silicium cristallin, diverses stratégies d'optimisation ont été proposées. Ces stratégies visent à réduire les pertes optiques et électriques, à améliorer l'absorption de la lumière et l'efficacité de la collecte des porteurs.

2.1 Structure de piégeage de la lumière

Pour augmenter efficacement l'absorption de la lumière, les cellules solaires en silicium cristallin utilisent souvent la technologie de texturation par gravure chimique. La surface texturée peut réduire considérablement la réflexion de la lumière et améliorer l'absorption de la lumière. Actuellement, la technologie de gravure ionique réactive (RIE) est devenue une méthode de texturation couramment utilisée. Cette technologie crée une surface texturée uniforme qui améliore la réduction du taux de réflexion et optimise la réflexion et l'absorption de la lumière.

2.2 Revêtement antireflet

La fonction d'un revêtement antireflet est de réduire la perte de réflexion en créant des interférences entre la lumière incidente et la surface de la cellule. Les matériaux antireflets les plus courants sont le TiO2, le SiO2, le SnO2 et d'autres. Lorsqu'un revêtement antireflet est appliqué sur la surface texturée de la cellule, le taux de réflexion peut être réduit à environ 2%.

2.3 Couche de passivation

Les couches de passivation peuvent réduire efficacement la recombinaison des porteurs photogénérés dans certaines régions. Les techniques de passivation courantes comprennent la passivation par oxydation thermique et la passivation par hydrogène atomique. Ces méthodes forment une couche protectrice à la surface de la cellule, ce qui contribue à empêcher la recombinaison des porteurs. En outre, les techniques de diffusion de surface (telles que la diffusion de phosphore ou d'aluminium) peuvent également être utilisées pour la passivation, ce qui améliore considérablement les performances de la cellule solaire.

2.4 Amélioration du champ arrière

Dans les cellules solaires à matériau de type P, l'ajout d'une couche fortement dopée P+ sur la surface arrière peut former une structure P+/P, créant un champ électrique intégré à l'interface P+/P. Ce champ électrique intégré permet de séparer les porteurs photogénérés, ce qui entraîne une accumulation de porteurs du côté P+ et génère une tension photovoltaïque. Ce champ électrique intégré aide à séparer les porteurs photogénérés, ce qui entraîne une accumulation de porteurs du côté P+ et génère une tension photoélectrique. Cette tension photoélectrique augmente la tension en circuit ouvert (Voc) de la cellule solaire. En outre, la présence du champ électrique arrière accélère la diffusion des porteurs photogénérés, augmentant ainsi leur longueur de diffusion et améliorant le courant de court-circuit (Jsc).

2.5 Amélioration du matériau de support

Le choix de matériaux en silicium de haute qualité est crucial pour améliorer les performances de la cellule. Le silicium de type N est particulièrement avantageux car il a une durée de vie des porteurs plus longue, une réaction bore-oxygène plus faible, une meilleure conductivité électrique et un courant de saturation plus faible. L'utilisation de silicium de type N comme matériau de substrat permet d'améliorer efficacement le rendement de conversion de la cellule solaire.

3. Conclusion

Le rendement de conversion des cellules solaires au silicium cristallin est influencé par de multiples facteurs, principalement les pertes optiques et électriques. Pour améliorer l'efficacité des cellules solaires, des stratégies d'optimisation complètes sont nécessaires, telles que l'utilisation de structures de piégeage de la lumière, de revêtements antireflets, de couches de passivation et l'optimisation de la conception du champ arrière. En outre, l'utilisation de matériaux en silicium de haute qualité pour le substrat peut améliorer de manière significative les performances globales de la cellule solaire. Grâce aux progrès constants de la technologie, l'efficacité des cellules solaires au silicium cristallin devrait encore s'améliorer à l'avenir.