Qu'est-ce qu'une cellule HJT ? Cet article vous apportera toutes les réponses !
Qu'est-ce que HJT ?cellule
La cellule HJT, également appelée cellule à hétérojonction, est basée sur du silicium monocristallin de type N. Elle est constituée de couches minces de silicium et de films conducteurs transparents aux caractéristiques différentes, déposés sur ses faces avant et arrière. Les cellules solaires classiques en silicium cristallin sont des cellules à homojonction (jonctions PN formées sur le même matériau semi-conducteur), tandis que les jonctions PN des cellules à hétérojonction sont composées de matériaux semi-conducteurs différents.
La société japonaise Sanyo a inventé la cellule HIT en 1990 et a déposé une demande de marque déposée ; les cellules à hétérojonction sont donc également appelées HJT (Heterojunction Technology) ou SHJ (Silicon Heterojunction).
La structure de la cellule HJT est illustrée ci-dessous. Tout d'abord, une couche mince de silicium amorphe intrinsèque (ia-Si:H) et une couche mince de silicium amorphe de type p (pa-Si:H) sont déposées sur la face avant d'une plaquette de silicium monocristallin de type n (c-Si). Ensuite, une couche mince de silicium amorphe intrinsèque (ia-Si:H) et une couche mince de silicium amorphe de type n (na-Si:H) sont déposées sur la face arrière de la plaquette de silicium afin de former un champ de surface arrière. Puis, un film conducteur d'oxyde transparent (TCO) est déposé par PVD sur les deux faces de la cellule. Le TCO permet non seulement de réduire la résistance série lors de la collecte du courant, mais aussi d'assurer une protection antireflet. Enfin, une électrode métallique est déposée sur le TCO.
La jonction PN de l'hétérojonction utilise différents matériaux semi-conducteurs pour former une double hétérojonction : une fine couche de matériau à bande interdite étroite est insérée entre les matériaux semi-conducteurs de type p et de type N à bande interdite large.
Technologie Hjt insère du silicium amorphe intrinsèque comme couche tampon entre les jonctions PN, ce qui a un bon effet de passivation sur la surface du silicium cristallin et résout le problème de la perte élevée de porteurs par recombinaison dans la zone de contact entre la couche de dopage de la cellule conventionnelle et le substrat, permettant d'obtenir une durée de vie des porteurs minoritaires et une tension en circuit ouvert plus élevées.
Étapes de développement du HJT cellule
L'histoire du développement de la cellule HJT peut être divisée en quatre étapes : la phase de développement initial, la phase d'industrialisation, la phase initiale de commercialisation et la phase d'explosion de la production de masse commerciale.
Avantages du HJT cellule
1. Rendement de conversion élevé
Principalement dû au double effet de passivation du substrat de silicium de type N et du silicium amorphe sur les défauts de surface du substrat.
Actuellement, le rendement de production en série est généralement supérieur à 24 % ; la voie technique pour dépasser les 25 % est très claire : il s'agit d'utiliser du silicium nanocristallin dopé, du silicium microcristallin dopé, de l'oxyde de silicium microcristallin dopé et du carbure de silicium microcristallin dopé sur les faces avant et arrière pour remplacer le dopage existant ; le rendement de conversion futur de la superposition d'IBC et de pérovskite du HJT pourrait être augmenté à plus de 30 %.
2. Schéma succinct du processus
Le procédé HJTcell comprend principalement quatre étapes : texturation, dépôt de silicium amorphe, dépôt de TCO et sérigraphie ; bien moins que les procédés PERC (10) et TOPCON (12-13). Le dépôt de silicium amorphe utilise principalement la méthode PECVD.
Il existe actuellement deux méthodes de dépôt de couches minces d'oxyde conducteur transparent (TCO) : le dépôt par plasma réactif (RPD) et le dépôt chimique en phase vapeur physique (PVD). Les brevets RPD sont largement utilisés, tandis que la technologie PVD est mature et de nombreux fabricants proposent des équipements adaptés.
3. Procédé à basse température
Les cellules HIT utilisent des couches minces à base de silicium pour former des jonctions pn. La température de traitement maximale correspond donc à la température de formation des couches minces de silicium amorphe (environ 200 °C), évitant ainsi les températures élevées (environ 900 °C) requises pour la formation des jonctions pn dans les cellules solaires traditionnelles en silicium cristallin à diffusion thermique. Les procédés à basse température permettent des économies d'énergie et réduisent les dommages thermiques et la déformation des plaquettes de silicium. L'utilisation de plaquettes de silicium minces comme substrats contribue à la réduction des coûts des matériaux. Les cellules HIT à haut rendement récemment mises au point par Sanyo (désormais Panasonic) sont toutes fabriquées sur des plaquettes de silicium d'une épaisseur inférieure à 100 µm.
4. Tension en circuit ouvert élevée
Les cellules HIT intègrent une couche mince intrinsèque de ia-SiH entre le silicium cristallin et une couche mince de silicium dopé, ce qui permet de passiver efficacement les défauts de surface du silicium cristallin. Par conséquent, la tension en circuit ouvert des cellules HIT est nettement supérieure à celle des cellules conventionnelles, ce qui leur confère un rendement de conversion photoélectrique élevé. Actuellement, la tension en circuit ouvert des cellules HIT atteint 750 mV.
5. Faible coefficient de température
Les données de performance des cellules solaires sont généralement mesurées dans des conditions standard de 25 °C. Cependant, l'environnement d'application réel de Module photovoltaïqueEn extérieur, les performances des cellules à haute température sont particulièrement importantes. Grâce à l'hétérojonction silicium amorphe/silicium cristallin présente dans la structure des cellules HIT, leurs caractéristiques thermiques sont excellentes. Le coefficient de température des cellules HIT, initialement de -0,33 %/°C, a été amélioré. Après optimisation, la tension en circuit ouvert de la cellule a été augmentée et son coefficient de température réduit à -0,25 %/°C, soit environ la moitié de celui des cellules en silicium cristallin (-0,45 %/°C). Les cellules HIT offrent ainsi un meilleur rendement que les cellules conventionnelles en cas de faible élévation de température. Grâce à la couche mince de silicium amorphe, les cellules HIT bénéficient des avantages des cellules à couches minces et leurs performances en faible luminosité sont supérieures à celles des cellules conventionnelles.
6. Pas de LID ni de PID, faible atténuation
Comme le substrat des cellules HJT est généralement constitué de silicium monocristallin de type N dopé au phosphore, et que le silicium monocristallin de type P ne contient ni composés bore-oxygène, ni composés bore-fer, etc., les cellules HJT sont insensibles à l'effet LID. La surface de la cellule HJT est recouverte d'un film TCO et ne comporte aucune couche isolante, ce qui empêche toute charge électrostatique et, par conséquent, toute dégradation induite par le phosphore (PID) de la structure.
7. Forte bifacialité
La cellule HJT présente une structure symétrique sur ses faces avant et arrière, et son film TCO est transparent à la lumière ; il s’agit donc d’une cellule bifaciale naturelle. La bifacialité de la HJT peut atteindre plus de 90 % (jusqu’à 98 %), tandis que celle des cellules PERC bifaciales est d’environ 75 %.
8. Faible empreinte carbone
D'après les données statistiques, les cellules à hétérojonction permettent de réduire la consommation de silicium, la consommation d'énergie et, par conséquent, les émissions de carbone. En avril 2024, leur empreinte carbone a été ramenée à 397 eq/W, soit 200 eq/W de moins que celle des composants PERC. À l'avenir, des mesures de réduction des coûts et d'amélioration de l'efficacité seront mises en œuvre afin de réduire cette empreinte carbone à moins de 300 eq/W.
Procédé cellulaire HJT
Comparé au processus de production des cellules monocristallines PERC et TOPCon, le flux de processus de la technologie des cellules HJT est considérablement raccourci et le processus principal ne comporte que quatre étapes : nettoyage et texturation, dépôt de silicium amorphe, dépôt de TCO et sérigraphie.
HJTprocessus et fonction principaux
1. Nettoyage et texturage
Le procédé de texturation et de nettoyage doit optimiser les performances de piégeage de la lumière de la cellule. La structure veloutée efficace permet à la lumière incidente de se réfléchir et de se réfracter plusieurs fois à la surface, allongeant ainsi le trajet optique et augmentant le nombre de porteurs photogénérés. Il est nécessaire d'obtenir une surface propre afin de réduire les défauts et les impuretés introduits par la surface non nettoyée de la plaquette de silicium, et ainsi diminuer les pertes par recombinaison des porteurs à l'interface de jonction.
2. Dépôt de silicium amorphe
① Objectif :Le dépôt de films de silicium amorphe intrinsèque et de films de silicium amorphe dopé sur les faces avant et arrière des plaquettes de silicium permet d'obtenir une excellente passivation de surface, condition essentielle pour un rendement cellulaire accru. L'excellente passivation conférée par le silicium amorphe augmente considérablement la durée de vie des porteurs minoritaires dans les plaquettes de silicium.
②Méthode :L'équipement PECVD à radiofréquence RF en grappes, actuellement utilisé en production de masse, offre une précision de contrôle de procédé ultra-élevée et une stabilité en moins de 0,5 s après l'amorçage de la luminescence. Afin d'éviter toute contamination croisée due au dépôt de gaz dopants, quatre chambres de réaction principales sont utilisées pour le dépôt de pa-Si:H, ia-Si:H (côté p), na-Si:H et ia-Si:H (côté n). Le SiH est utilisé comme précurseur (et le H₂ pour ajuster le rapport SiH₄) pour le dépôt de ia-Si:H, tandis que les gaz dopants PH₃ et B₂H sont ajoutés pour le dépôt des couches de na-Si:H et pa-Si:H correspondantes. L'épaisseur de chaque couche est contrôlée entre 5 et 8 nm.
3. Dépôt de TCO
① Objectif :La couche de film TCO assure la transmission de la lumière et la conductivité dans les cellules HJT. Elle doit présenter des propriétés optiques et électriques optimales, c'est-à-dire satisfaire simultanément aux exigences de transmittance élevée, de mobilité élevée et de faible résistance carrée, tout en minimisant les dommages causés à la couche de silicium amorphe lors du dépôt. L'obtention d'une faible résistivité passe par l'augmentation de la concentration et de la mobilité des porteurs de charge.
Le silicium amorphe présentant une faible conductivité, l'ajout d'une couche de film TCO entre l'électrode et la couche de silicium amorphe lors de la fabrication des cellules HJT permet d'accroître efficacement la collecte des porteurs de charge. Ce film d'oxyde conducteur transparent, à la fois transparent et conducteur, joue un rôle clé dans la collecte des porteurs de charge, réduit la réflexion de la lumière et offre un bon piégeage de celle-ci. Il constitue ainsi un excellent matériau pour la couche de fenêtre.
②Méthode :
4. Sérigraphie
① Objectif :Pour exporter le courant généré, il est nécessaire de réaliser des électrodes positives et négatives à la surface de la cellule. Les exigences fondamentales pour la préparation des électrodes sont : un bon contact avec le film ITO, une bonne conductivité, une efficacité de collecte de courant élevée, etc. Actuellement, la méthode la plus couramment utilisée dans l'industrie pour la préparation des électrodes est la sérigraphie, qui consiste à déposer une pâte d'argent sur les faces avant et arrière de la cellule.
②Méthode :Les cellules HJT étant sensibles aux hautes températures, la pâte d'argent utilisée dans ce projet diffère des produits conventionnels. Le procédé met en œuvre une impression et une polymérisation à basse température. Il comprend les étapes suivantes : impression de l'électrode arrière, séchage, impression de l'électrode positive, séchage et polymérisation à basse température. La température de polymérisation est généralement maintenue aux alentours de 200 °C.
HJTcelluleagencement d'entreprise
En 2023, avec les progrès réalisés dans le domaine des cellules photovoltaïques, la technologie HJT a également connu un essor considérable. Selon PV Headlines, 39 entreprises ont investi dans des projets HJT cette année-là, pour une capacité de production totale de 265 GW et un investissement de près de 200 milliards de yuans.
Après 2024, avec la production en série des produits de diverses entreprises spécialisées dans les cellules à hétérojonction, l'industrie est entrée dans une nouvelle phase. En mars 2024, des entreprises telles que Huasheng New Energy, Risen Energy, Quanwei Technology, Guosheng Technology, Mingyang Photovoltaic et Liansheng Photovoltaic ont créé le « Club des 740 W et plus ». Ces entreprises sont les principaux acteurs du développement de la technologie des cellules à hétérojonction.
Tendances futures de développement de HJT cellule
Selon les données de l'Association chinoise de l'industrie photovoltaïque, la part de marché de HJT sera de 3 % en 2023, passera à 11,7 % en 2024 et devrait dépasser les 30 % d'ici 2030.
D'après les statistiques, depuis 2024, des entreprises telles que China Green Development, Datang, Guotou, China Power Construction, Huaneng, Huadian, Energy Construction, State Power Investment et China Railway Construction ont lancé des appels d'offres pour des projets portant sur des modules à hétérojonction d'une capacité totale de 20,789 GW. On constate ainsi que la technologie à hétérojonction est désormais largement reconnue par les entreprises publiques centrales.
Un autre avantage majeur de la technologie HJT réside dans la formation d'une cellule empilée avec une cellule pérovskite. À l'heure actuelle, le rendement maximal atteint pour une cellule empilée hétérojonction/pérovskite est de 30,09 %, et le rendement théorique peut dépasser 40 %. Par conséquent, la technologie des cellules hétérojonction offre de vastes perspectives de développement.