Conception expérimentale d'empilement de plaquettes pour diffusion dans des nacelles spéciales en quartz. Crédit :Fraunhofer ISE
Lors de la production de cellules solaires au silicium, il est important d'avoir un débit élevé. Cela réduit les coûts de production et atténue les goulots d'étranglement d'approvisionnement, car davantage d'installations photovoltaïques sont déployées en Allemagne et dans le monde. Dirigé par l'Institut Fraunhofer pour les systèmes d'énergie solaire ISE, un consortium de fabricants d'installations, de sociétés de métrologie et d'instituts de recherche a mis au point une preuve de concept pour une ligne de production innovante avec un débit de 15 000 à 20 000 wafers par heure pour répondre à ce besoin . Cela représente le double du débit habituel et est dû aux améliorations apportées à plusieurs étapes de processus individuelles.
La huitième conférence mondiale sur la conversion de l'énergie photovoltaïque de cette semaine à Milan, en Italie, verra la présentation des résultats détaillés du projet de recherche.
"En 2021, 78 % de toutes les cellules solaires au silicium ont été produites en Chine", explique le Dr.-Ing. Ralf Preu, directeur de division de la technologie de production PV chez Fraunhofer ISE. "Afin de déployer plus d'installations solaires le plus rapidement possible et de rendre nos chaînes d'approvisionnement plus robustes, l'Europe devrait rétablir ses propres centres de production de cellules solaires à haut rendement. En augmentant le débit et en rendant la technologie de production plus efficace dans l'utilisation des ressources, nous peut réduire considérablement les coûts et libérer un potentiel de développement durable que nous pourrons exploiter grâce à la connaissance des processus et à l'excellence de l'ingénierie."
Nouveaux concepts pour la production de cellules solaires au silicium
Le consortium a étudié chaque étape de la production de cellules solaires en silicium à haut rendement afin d'optimiser l'ensemble du processus. Plusieurs étapes du processus ont nécessité de nouveaux développements. "Pour certains processus, les workflows de production établis devaient être accélérés, d'autres processus devaient être réinventés à partir de zéro", explique le Dr Florian Clement, chef de projet chez Fraunhofer ISE. "Par rapport aux chiffres que nous voyons actuellement, les systèmes de production développés dans le cadre du projet atteignent au moins le double du débit."
L'un des nouveaux développements a vu les chercheurs mettre en œuvre un nouvel équipement laser à la volée qui traite en continu les tranches lorsqu'elles se déplacent à grande vitesse sous le scanner laser. Pour la métallisation des cellules solaires, le consortium a introduit la sérigraphie rotative au lieu du procédé standard actuel, la sérigraphie à plat.
Profils de température des cellules solaires transportées à travers le four à une vitesse de 6 mètres par minute (rouge) et 20 mètres par minute (bleu). Crédit :Fraunhofer ISE
Diffusion et oxydation de la pile
Les cellules solaires nécessitent des sections dopées différemment, par exemple là où la couche de silicium et les contacts métalliques se rencontrent. Les chercheurs de Fraunhofer ISE ont intégré le processus de diffusion utilisé dans ce contexte et l'oxydation thermique des plaquettes en une seule étape de processus.
Les wafers ne sont plus placés individuellement mais empilés les uns sur les autres pour être traités dans le four. En conséquence, le processus d'oxydation crée le profil de dopage final et réalise une passivation de surface tout en augmentant le débit du processus d'un facteur de 2,4.
Processus de four en ligne plus rapides
Après l'empreinte des électrodes sur les cellules solaires, le contact des électrodes avec la cellule solaire en silicium est formé des deux côtés dans des fours en ligne. Les fours standard auraient nécessité une chambre de chauffage beaucoup plus grande pour augmenter le débit à ce stade.
Au lieu de cela, le consortium du projet a installé une vitesse de bande trois fois plus rapide dans le four et a comparé la qualité des cellules solaires frittées avec la norme actuelle. Ils ont pu augmenter considérablement le débit sans compromettre l'efficacité des cellules solaires.
Le traitement beaucoup plus rapide des cellules solaires dans le four ne compromet pas l'efficacité. Crédit :Fraunhofer ISE
Tests et analyse des défauts sans contact
Pour la caractérisation des cellules solaires complètes, le consortium a élaboré deux concepts. Une méthode sans contact et une méthode utilisant des contacts glissants ont été mises en place pour permettre aux futures lignes de production de tester plus rapidement les cellules.
Cela permet de maintenir une vitesse continue de 1,9 mètre par seconde tout en mesurant les cellules, l'équipe démontrant une grande précision de mesure pour les deux concepts. Un brevet a été déposé pour la méthode sans contact. La cellule solaire en contact des deux côtés établit un nouveau record mondial d'efficacité de 26 %
