Qu'est-ce qu'une cellule PERC ?
La cellule PERC (Passivated Emitter and Rear Cell), de son nom complet « Emitter and Rear Passated Cell », est un dérivé naturel de la structure conventionnelle de cellule à champ arrière en aluminium (BSF).
Les cellules BSF conventionnelles présentent des limitations intrinsèques en termes d'efficacité de conversion photoélectrique, car la vitesse de recombinaison dans la couche de film d'aluminium métallique située sur la face arrière ne peut être réduite en dessous de 200 cm/s. De ce fait, seulement 60 à 70 % du rayonnement infrarouge atteignant cette couche est réfléchi, ce qui entraîne des pertes photoélectriques plus importantes. En revanche, les panneaux solaires composés de cellules PERC possèdent une couche supplémentaire à l'arrière des cellules solaires traditionnelles. Cette couche supplémentaire capte davantage de lumière solaire et la convertit en énergie électrique, ce qui rend les cellules PERC plus efficaces. Les matrices PERC permettent également d'atténuer la recombinaison inverse et d'empêcher la dissipation de la chaleur due aux grandes longueurs d'onde, chaleur qui pourrait nuire aux performances des cellules.
Les cellules PERC ajoutent deux processus, la passivation arrière et le démarrage du laser, aux cellules BSF traditionnelles pour améliorer l'efficacité de conversion, et les performances sont considérablement améliorées.
Historique du développement des cellules PERC
L'histoire du développement des cellules PERC peut être divisée en quatre étapes : prototype technologique, bourgeonnement, croissance rapide et période explosive.
Avantages et inconvénients des cellules PERC
Avantages : Les cellules PERC représentent la technologie la plus répandue sur le marché, grâce à leur forte industrialisation et à leurs faibles coûts de production. Elles améliorent l'absorption de la lumière et l'efficacité de la collecte des électrons à l'arrière de la cellule par l'introduction d'un film d'oxyde de silicium.
Inconvénients :La limite d'efficacité théorique des cellules PERC est relativement faible (24,5 %) et il existe un problème de dégradation induite par la lumière, en particulier dans les cellules PERC multicristallines.
Maturité technologique : La technologie PERC est déjà très mature, mais avec la mise à niveau et l'itération de la technologie de type p vers la technologie de type n, la technologie PERC est confrontée à une réduction de sa part de marché.
Rapport coût-efficacité : Les cellules PERC présentent des avantages en termes de coûts, et leurs coûts sont proches de ceux des cellules conventionnelles, mais en raison d'une marge limitée d'amélioration de leur efficacité, elles pourraient être confrontées à un risque de dépréciation et d'élimination des actifs à l'avenir.
Demande du marché :Elle constituait autrefois la principale force motrice des livraisons sur le marché, mais avec l'évolution technologique, les cellules PERC sont progressivement remplacées par de nouvelles technologies de cellules de type N, telles que TOPCon.
Procédé de cellule PERC
1. Texturage
Objectif de la texturation : Former une surface veloutée, en utilisant le principe de piégeage de la lumière pour réduire la réflexion, augmenter le courant de court-circuit (Isc), accroître la surface de la jonction PN et, in fine, améliorer le rendement de conversion photoélectrique de la cellule. Éliminer la couche endommagée mécaniquement à la surface de la plaquette de silicium ; éliminer l’huile de surface et les impuretés métalliques ; (le silicium polycristallin forme une surface veloutée en forme de creux), le silicium monocristallin forme une surface veloutée en forme de pyramide, et augmenter l’absorption de la lumière solaire par le silicium. Formule de la réaction de texturation : Si + 2NaOH + H₂O → Na₂SiO₃ + 2H₂.
Matériaux de texturation monocristallins : hydroxyde de potassium, peroxyde d’hydrogène, acide chlorhydrique, additifs, acide fluorhydrique.
Points de contrôle du processus de texturation : ① Quantité d'amincissement (instrument de mesure balance électronique) ; ② Réflectivité (instrument de mesure testeur de réflectivité D8) ; ③ Observation de la surface (instrument de mesure MEB).
2. Diffusion
Objectif de la diffusion : former une jonction PN. Le principe de formation d'une jonction PN repose sur la prédominance d'impuretés de type P dans une zone du cristal et de type N dans une autre. À la jonction, les trous diffusent de la zone de type P vers la zone de type N, et les électrons libres diffusent de la zone de type N vers la zone de type P. Cette diffusion mutuelle crée une zone de charge d'espace où le champ électrique est orienté de N vers P, ce qui freine la diffusion des porteurs majoritaires et favorise celle des porteurs minoritaires. Lorsque l'équilibre est atteint, la largeur de la zone de charge d'espace se stabilise. Sous l'effet de la lumière, des paires électron-trou sont générées à l'intérieur de la cellule. Ces paires se déplacent de part et d'autre de la jonction sous l'action du champ électrique et se connectent au circuit externe pour générer un courant.
Méthode de diffusion : Le procédé de diffusion consiste à ajouter du phosphore sur une seule face de la plaquette de silicium de type P pour former une jonction PN.
Matériaux de diffusion : oxychlorure de phosphore, oxygène, azote.
Équation chimique de diffusion : 4POCl3+3O2 → 2P2O5+6Cl2↑ ; 2P2O5+5Si → 5SiO2+4P↓ Point de contrôle du processus de diffusion : résistance carrée (instrument de mesure testeur de résistance carrée).
Matériaux de diffusion : oxychlorure de phosphore, oxygène, azote.
3. Gravure
Principe de gravure : Utiliser un mélange liquide de HNO3 et de HF pour corroder la surface inférieure et le bord de la plaquette de silicium après diffusion, éliminer le silicium de type N sur le bord et isoler les surfaces supérieure et inférieure de la plaquette de silicium l’une de l’autre.
Objectif de la gravure : Lors du processus de diffusion, le phosphore diffuse jusqu'au bord de la plaquette de silicium, provoquant un court-circuit et la formation d'une couche de dioxyde de silicium contenant des atomes de phosphore (PSG) à la surface de la plaquette. La gravure a pour but d'éliminer la jonction PN en bordure et la PSG. Dans le procédé de fabrication des batteries PERC, la face arrière doit être polie pendant la gravure.
Équation de la réaction de gravure des bords : Si + HNO3 + HF → H2 [SiF6] + NOx + H2O
Points de contrôle du processus de gravure : ① Quantité d'amincissement de la gravure (instrument de mesure balance électronique) ; ② Détection des fuites de bord (instrument de mesure testeur de fuites de bord, valeur du courant de test,
Matériaux de gravure : hydroxyde de potassium, acide chlorhydrique, acide fluorhydrique, acide nitrique.
4. Maintenance thermique
Après une utilisation prolongée, l'oxydation thermique des composants induit une dégradation induite par le potentiel (PID), réduisant ainsi leurs performances en deçà des spécifications. Pour contrer ce phénomène, une couche de dioxyde de silicium est déposée sur la surface de la plaquette de silicium après gravure. Notre entreprise utilise actuellement un procédé d'oxydation thermique : de l'oxygène est injecté à haute température dans un four pour oxyder la surface.
Équation de la réaction d'oxydation thermique : Si + O2 → SiO2
Point de contrôle du processus d'oxydation thermique : hydrophilie (la zone de diffusion 3~5S est deux fois plus grande que l'originale).
Matériaux d'oxydation thermique : azote, oxygène.
5. Passivation arrière
Passivation arrière : une couche d’Al2O3+SiNx est déposée sur la face arrière ; le film d’AlOx est principalement utilisé pour la passivation arrière afin d’améliorer Voc et Isc ; le film de SiNx est principalement utilisé pour protéger le film d’AlOx et empêcher la pâte d’aluminium arrière de pénétrer la couche de passivation arrière et de détruire l’effet de passivation.
Formule chimique de la passivation inverse : Al(CH3)3 + N2O → Al2O3 + N2 + CH4 + C + H2 SiH4 + NH3 → SiNx + H2
Objectif de la passivation arrière : réduire le taux de recombinaison de la surface arrière, améliorer la réponse de la batterie de surface arrière dans la bande des grandes longueurs d’onde et réparer l’état de la surface arrière.
Matériaux de passivation arrière : triméthylaluminium, gaz hilarant, argon, ammoniac, silane.
6. PECVD
PECVD : Ce procédé utilise des micro-ondes ou des radiofréquences pour ioniser le gaz contenant les atomes constituant le film et former localement un plasma. Ce plasma, très réactif chimiquement, réagit facilement pour déposer le film souhaité (SiNx:H) sur le substrat.
Fonction PECVD : former un film antireflet sur la surface de la batterie pour améliorer l’absorption de la lumière solaire ; effectuer une passivation de surface et une passivation du corps ; empêcher les ions métalliques, l’eau, etc. de corroder la batterie ; améliorer le Uoc de la batterie ; réfléchir la lumière à grandes longueurs d’onde vers le corps de la plaquette de silicium pour réabsorption et améliorer le Isc.
Points de contrôle du procédé PECVD : réflectivité, réflectivité (écart de l’ellipse de l’instrument de mesure).
7. Laser arrière
L'oxyde d'aluminium et le nitrure de silicium utilisés pour le dépôt laser arrière sont des matériaux non conducteurs. Avant l'impression du champ électrique arrière, une partie de ces matériaux doit être retirée afin d'assurer le contact électrique entre le champ arrière et le substrat de silicium. Le procédé de gravure laser est un procédé physique qui utilise un faisceau laser pour bombarder directement la couche de passivation arrière selon un motif précis.
8. Sérigraphie
Sérigraphie : Imprimez les électrodes et les champs électriques sur la surface des plaquettes de silicium, puis imprimez les électrodes arrière, les champs électriques arrière et les électrodes positives en séquence ;
Matériaux de sérigraphie : écran à électrode positive, écran à électrode arrière, écran à champ électrique arrière, pâte d’argent avant, pâte d’argent arrière, pâte d’aluminium arrière, raclette.
9. Frittage
Objectif du frittage : assurer un bon contact ohmique entre l’électrode et la plaquette de silicium.
Structure du four de frittage : zone de chargement - zone de séchage - zone de frittage - zone de refroidissement - zone de déchargement.
Atténuation de la lumière : phénomène de réduction de l’efficacité causé par la lumière au début de l’utilisation des cellules solaires.
Méthode d'injection électrique : Le principe de la protection contre la dégradation lumineuse repose sur le contrôle de la valence et de la distribution de l'hydrogène dans les cellules solaires par des moyens électriques afin de passiver les défauts et les impuretés. Il s'agit d'un mécanisme de passivation de l'hydrogène par injection de courant.
L'AOI (Inspection Optique Automatique), ou inspection optique automatisée, est principalement utilisée pour le tri des couleurs et le contrôle d'aspect des cellules solaires. L'inspection AOI se divise en deux parties : la partie optique et la partie traitement d'image. L'image à inspecter est obtenue par la partie optique ; la partie traitement d'image sert à l'analyser, la traiter et à évaluer l'image.
Le principe de base des tests d'électroluminescence consiste à faire passer un courant direct de 1 à 40 mA dans La cellule solaireL'énergie électrique excite les atomes à l'état fondamental de part et d'autre de l'action et de la diffusion. Les atomes à l'état excité sont instables et émettent spontanément un rayonnement dans le proche infrarouge (900-1700 nm). La transition intrinsèque de ce rayonnement spontané s'explique par l'effet du filtre et le degré d'exposition du film. Grâce à la relation entre la durée de vie des porteurs minoritaires, leur densité et l'intensité lumineuse, le degré d'exposition du film permet de déterminer la présence de défauts dans la plaquette de silicium.
Le test IV évalue l'efficacité de conversion de la cellule solaire sous un ensoleillement simulé. Les conditions de test sont AM1.5, la température de test se situe entre 23 °C et 27 °C, l'intensité lumineuse de test entre 950 W/m² et 1 050 W/m², et l'appareil de test doit être étalonné à l'aide d'une feuille de référence avant utilisation.
Procédé de fabrication de batteries P-PERC simple et double face
MINUTE cellulemise en page
En 2024, la part des batteries de type N représentées par TOPCon dépassera largement celle des batteries PERC de type P, et l'industrie prévoit que cette part atteindra 70 %.
D'après une étude, lors du salon SNEC 2024, plus de 53 entreprises ont lancé des produits TOPCon et 7 des batteries BC. Les composants de type P étaient quant à eux quasiment absents. On constate donc qu'en seulement un an, la place des composants de type P s'est considérablement réduite, tandis que le type N s'est imposé comme le leader incontesté, avec une croissance fulgurante.
Le cycle de vie des batteries PERC arrive à son terme. Parallèlement, la question de la gestion des importantes capacités de production obsolètes de ces batteries est devenue un enjeu majeur pour les fabricants de cellules photovoltaïques.
Par exemple, les entreprises leaders Tongwei et Aixu ont annoncé qu'elles avaient transformé ou prévoyaient de transformer leurs lignes de production de batteries PERC en lignes TOPCon de type N, tandis que Junda a choisi de privilégier la dépréciation de ses actifs.
D'après les données de l'Association chinoise de l'industrie photovoltaïque, en 2023, le rendement de conversion moyen des cellules en silicium noir multicristallin PERC de type p a atteint 21,4 %, soit une augmentation de 0,3 point de pourcentage par rapport à 2022 ; le rendement de conversion moyen des cellules monocristallines PERC en lingots de type p a atteint 22,7 %, soit une augmentation de 0,2 point de pourcentage par rapport à 2022. En 2023, toutes les cellules monocristallines de type p utilisaient la technologie PERC, avec un rendement de conversion moyen de 23,4 %, soit une augmentation de 0,2 point de pourcentage par rapport à 2022.
En 2023, les nouvelles lignes de production de masse mises en service sont principalement des lignes de production de cellules de type n. Avec la mise en service progressive des capacités de production de ces cellules, la part de marché des cellules PERC a diminué pour atteindre 73 %.
En 2023, avec l'augmentation de la taille des cellules PERC courantes, les technologies à 9 grilles principales et supérieures deviendront la nouvelle norme du marché, dont la technologie 9BB représente environ 12,9 % du marché, la technologie 10BB environ 38,4 % du marché et la technologie 11BB et supérieures environ 48,7 %.
Évolution des parts de marché des principales technologies de réseau pour les cellules PERC de 2023 à 2030.