Benchmark : Hétérojonction contre TOPCon dans les tandems pérovskite silicium

D’après pv magazine International

Les cellules solaires à hétérojonction atteignent généralement une tension en circuit ouvert légèrement plus élevée que les dispositifs TOPCon, en raison de différences dans la passivation de surface et les pertes par recombinaison. L’avantage de l’hétérojonction tient à l’utilisation de couches de silicium amorphe intrinsèque, qui assurent une excellente passivation de surface et limitent la recombinaison des porteurs de charge. Bien que la technologie TOPCon ait considérablement réduit cet écart grâce à des contacts passivés par oxyde tunnel, une légère différence de performance subsiste, expliquant le potentiel de rendement légèrement supérieur des cellules HJT.

Dans ce contexte, des chercheurs de l’Université d’Australie ont cherché à quantifier cet écart et à proposer une feuille de route réaliste pour permettre à TOPCon de rester compétitive comme cellule de base dans le segment émergent des tandems pérovskite silicium.

Écart de tension en circuit ouvert

« Nous avons analysé les innovations progressives récentes dans la technologie TOPCon et montrons que l’avantage historique des cellules HJT en tension en circuit ouvert diminue rapidement, pour atteindre désormais moins de 10 mV, explique Rabin Basnet, auteur correspondant de l’étude. Sur cette base, nous avons réalisé une modélisation quantitative du potentiel de rendement des tandems, en comparant les cellules de base TOPCon et HJT dans des conditions réalistes. Cela nous a permis d’identifier les origines de l’écart de performance actuel ainsi que les conditions dans lesquelles les tandems basés sur TOPCon peuvent devenir compétitifs ».

« Notre analyse propose une étude systématique des compromis à l’échelle du dispositif, notamment en matière de passivation de surface, de performance optique et de recombinaison aux contacts, spécifiquement dans le contexte des architectures tandem basées sur TOPCon, ajoute le scientifique. Nous proposons également une feuille de route technologique dédiée aux tandems TOPCon, mettant en avant des axes de recherche clés tels que la texturation double face, la réduction de l’épaisseur du poly silicium et l’optimisation des contacts, ainsi que leur impact attendu sur les performances ».

Dans l’article intitulé « Cellules de base TOPCon pour les cellules solaires tandem pérovskite silicium », publié dans la revue Joule, Rabin Basnet et ses collègues indiquent qu’au cours des deux dernières années, les cellules TOPCon ont réduit l’écart de tension en circuit ouvert avec les cellules HJT à moins de 10 mV. Le procédé de firing assisté par laser a notamment amélioré la passivation des contacts en face avant et permis d’atteindre une tension en circuit ouvert de 740 mV dans des cellules TOPCon produites en série.

Les chercheurs soulignent également que les progrès dans l’optimisation des contacts et la métallisation ont permis d’augmenter les facteurs de forme des cellules TOPCon au-delà de 84 %, se rapprochant des performances des cellules HJT. Toutefois, des simulations de tandems pérovskite silicium à deux terminaux montrent que les tandems basés sur HJT conservent un rendement de conversion supérieur, en raison d’un meilleur facteur de forme et d’un courant de court-circuit plus élevé.

Production de masse

L’équipe de recherche souligne que la production de masse des cellules TOPCon est moins exigeante en termes de qualité des wafers grâce à l’effet de piégeage des impuretés par le poly silicium, tandis que les cellules HJT nécessitent des wafers de très haute pureté et des étapes de purification préalables pour limiter les défauts, ce qui augmente les coûts et la complexité.

La fabrication des cellules TOPCon comprend entre huit et dix étapes, incluant un émetteur frontal dopé au bore et des contacts arrière en poly silicium dopé de type n avec des couches intermédiaires d’oxyde de silicium. Les cellules HJT nécessitent quant à elles seulement quatre à six étapes à basse température, mais impliquent l’utilisation de couches de silicium amorphe et dopé, le dépôt d’oxydes conducteurs transparents et une métallisation à basse température.

« Malgré un nombre d’étapes de procédé plus faible, la fabrication des cellules HJT reste plus coûteuse que celle des cellules TOPCon, indiquent les chercheurs. Les investissements par gigawatt pour les lignes de production TOPCon sont environ deux à trois fois inférieurs à ceux des lignes HJT et restent compétitifs par rapport à la technologie PERC plus mature basée sur des wafers de type p. Cet avantage provient des équipements utilisés, les lignes TOPCon reposant sur des outils de dépôt chimique en phase vapeur à basse pression, moins coûteux, tandis que les lignes HJT nécessitent des équipements de dépôt assisté par plasma plus onéreux, ce qui représente l’essentiel des investissements ».

Coût actualisé de l’électricité

La durabilité et la capacité de montée en échelle apparaissent également comme des contraintes pour l’hétérojonction, notamment en raison de l’utilisation d’oxydes conducteurs transparents à base d’indium, susceptibles de limiter la production au-delà de 40 GW. Selon les chercheurs, la combinaison de coûts plus faibles, de compatibilité industrielle et de rendement élevé fait de TOPCon une option plus adaptée à la fabrication à grande échelle de tandems pérovskite silicium.

Les modélisations du coût actualisé de l’électricité montrent par ailleurs que, malgré un rendement légèrement inférieur, les tandems basés sur TOPCon peuvent atteindre un coût comparable, voire inférieur, à celui des tandems HJT grâce à des coûts de fabrication réduits. « Ces résultats se reflètent dans les choix stratégiques de plusieurs grands fabricants photovoltaïques, tels que JinkoSolar, Trina Solar et Hanwha Qcells, qui misent sur le développement de cellules tandem utilisant TOPCon comme cellule de base », soulignent les chercheurs.

Malgré ces avancées prometteuses, certains défis subsistent pour TOPCon dans les architectures tandem. Il s’agit notamment de maintenir une passivation efficace sur des surfaces texturées, de limiter les absorptions parasites dans les contacts en poly silicium et de garantir la stabilité lors de l’intégration à haute température de la cellule supérieure.

La résolution de ces défis est essentielle pour exploiter pleinement les gains optiques et électriques nécessaires à l’amélioration des rendements des tandems à deux terminaux. Elle nécessitera des approches innovantes en ingénierie des matériaux, telles que la texturation submicronique, l’optimisation de couches plus fines de poly silicium dopé et l’intégration de couches de passivation riches en hydrogène. « Dans l’ensemble, nos travaux repositionnent TOPCon comme une voie réaliste et compatible avec l’industrie pour la fabrication à grande échelle de cellules solaires tandem pérovskite silicium », conclut Rabin Basnet.

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