Contenu :
1. Pourquoi couper les cellules solaires ?
2. Les principes de la découpe
3. Avantages des panneaux découpés en 1/3 par rapport aux panneaux découpés en demi
4. Pourquoi les fabricants ne produisent-ils pas de cellules solaires découpées en 1/4 ou même en 1/5 ?
5. Conclusion
Pourquoi couper les cellules solaires ?
Ces dernières années, la technologie photovoltaïque (PV) a rapidement progressé et est devenue largement utilisée. La demande pour des panneaux solaires haute puissance augmente, et réduire les pertes d'énergie tout en augmentant la puissance de sortie de ces panneaux est devenu une priorité pour les fabricants du monde entier. La découpe des cellules solaires est une technique utilisée pour améliorer l'efficacité des panneaux en rendant les cellules plus petites, ce qui réduit la résistance et améliore la puissance de sortie.
Mais pourquoi la découpe des cellules solaires est-elle devenue un sujet populaire dans l'industrie seulement récemment ? Une raison est l'augmentation de la taille des wafers de silicium de 156 mm (M1) à 161,7 mm (M4). Cette augmentation de taille a accru la surface et le courant du wafer d'environ 7 %, mais a également augmenté les pertes électriques de 15 %. Cela a poussé l'industrie à trouver des moyens de réduire les pertes liées au courant. De plus, la découpe des cellules peut réduire les pertes d'ombrage causées par les électrodes métalliques de la cellule et augmenter le nombre de busbars, ce qui aide à améliorer le flux de courant.
De plus, les avancées dans les processus de fabrication des wafers et des cellules permettent désormais de contrôler les cellules de taille standard sans avoir besoin de mesurer à nouveau les cellules découpées après leur division. Cela simplifie le processus de production, le rendant plus efficace et rentable.
En résumé, découper les cellules solaires en morceaux plus petits aide à rendre les panneaux solaires plus puissants et efficaces, répondant ainsi à la demande croissante de solutions solaires haute performance.
Les principes de la découpe des cellules solaires
1. Processus de découpe
· Mise au carré du lingot de silicium : Transformation du lingot de silicium en un bloc répondant aux spécifications requises.
· Découpe et meulage du bloc de silicium : Retrait des extrémités et aplatissement, chanfreinage et arrondissement du bloc de silicium.
· Collage du bloc de silicium : Liaison du bloc de silicium à une plaque de travail en préparation pour la découpe au fil.
· Découpe du bloc de silicium : Utilisation d'une scie à fil multiple pour découper le bloc de silicium en fines tranches de silicium.
· Nettoyage des wafers de silicium : Nettoyage de la surface des wafers pour enlever la boue par pré-nettoyage, insertion et nettoyage ultrasonique.
· Tri et emballage des wafers de silicium : Classification des wafers selon les normes et emballage pour le stockage.
2. Techniques de découpe
LSC - Gravage et clivage laser
Cette technique repose sur la technologie d'ablation laser. La technologie des cellules découpées en demi utilise généralement la découpe laser, où les cellules solaires de taille standard sont coupées verticalement le long des busbars principaux en deux moitiés égales. Ces moitiés sont ensuite interconnectées par soudage pour une connexion en série.
Processus : Un laser crée des lignes de gravure sur toute la longueur des bords de la cellule découpée en demi. Dans certains cas, la gravure ne sépare pas complètement la cellule mais laisse une rainure d'environ la moitié de l'épaisseur de la cellule. La cellule est ensuite brisée mécaniquement le long de ces lignes de gravure.
Avantages : Cette méthode évite de créer des chemins de shunt dans la jonction p-n en effectuant la gravure à partir de l'arrière de la cellule. Pour les cellules PERC (Passivated Emitter and Rear Contact) avec une couche métallique arrière complète, créer une petite ouverture à l'arrière ne cause aucune perte de puissance.
Innovations : Fraunhofer CSP a développé et breveté une version avancée de la technique LSC. Cela implique d'appliquer la gravure laser à des cellules solaires légèrement courbées, réalisant un processus en une seule étape où la gravure et la rupture se produisent dans la même station.
TMC - Clivage thermomécanique
Contrairement à la LSC, la TMC n'utilise pas de techniques d'ablation qui peuvent causer des microfissures. Au lieu de cela, elle applique un gradient thermique fortement concentré le long du bord de la cellule découpée en demi, induisant un stress mécanique localisé qui provoque la fissuration.
Processus : En appliquant un gradient thermique, le matériau subit un stress mécanique localisé qui conduit à la fissuration sans ablation du matériau.
Avantages : Les processus TMC n'impliquent pas d'ablation et réduisent les effets thermiques globaux, ce qui minimise les dommages structurels aux wafers lorsque les paramètres de processus sont optimisés.
Innovation : Certains équipements pour les cellules découpées en demi utilisant la TMC sont déjà disponibles sur le marché ou en cours de développement. Parmi les fabricants notables figurent 3D-Micromac AG et Innolas Solutions GmbH d'Allemagne.
En résumé, la découpe des cellules solaires implique une série d'étapes précises pour assurer des performances et une efficacité optimales. Les techniques LSC et TMC offrent des avantages différents et peuvent être choisies en fonction des besoins spécifiques et des capacités de fabrication.
Avantages des cellules découpées en 1/3 par rapport aux cellules découpées en demi
1. Réduction des pertes de résistance et augmentation de la puissance de sortie
Une source de perte de puissance dans les panneaux solaires est la perte de résistance, qui se produit lors de la transmission du courant. Les cellules solaires utilisent des busbars pour se connecter aux fils et cellules adjacents, et le courant circulant à travers ces busbars entraîne une perte d'énergie. En découpant les cellules solaires en moitiés, le courant produit par chaque cellule est réduit de moitié, entraînant des pertes de résistance plus faibles à mesure que le courant circule à travers les cellules et les fils du panneau solaire.
En utilisant la formule de la perte de puissance électrique P=I2RP = I^2RP=I2R, lorsque le courant est réduit à un tiers de sa valeur initiale, la perte de puissance est significativement réduite. Avec les cellules découpées en 1/3, le courant n'est que d'un tiers de celui de la cellule d'origine, comparé à la moitié dans les cellules découpées en demi. Cela réduit encore la résistance en série des cellules, minimisant ainsi les pertes d'énergie et augmentant ainsi la puissance de sortie et l'efficacité des modules solaires.
2. Réduction de l'effet de point chaud
Dans les modules de cellules de taille normale, si une cellule est ombragée, elle peut créer un point chaud, entraînant une dégradation des performances ou même des dommages à la cellule. La technologie des cellules découpées en 1/3 réduit le risque de points chauds en augmentant le nombre de cellules et en réduisant ainsi le courant dans chaque cellule. Avec une répartition de la chaleur plus uniforme et une réduction des effets de points chauds, les modules découpés en 1/3 ont une durée de vie prolongée et une fiabilité à long terme accrue.
3. Augmentation du facteur de remplissage
Le facteur de remplissage (FF) est une mesure de la qualité d'une cellule solaire. Il s'agit de la puissance disponible au point de puissance maximale (Pm) divisée par la tension en circuit ouvert (Voc) et le courant de court-circuit (Isc).
La technologie des cellules découpées en 1/3 améliore la gestion du courant, augmente le facteur de remplissage du module et offre donc de meilleures performances dans des conditions de fonctionnement réelles.
4. Amélioration de la tolérance à l'ombre
Comparées aux cellules de taille normale, les cellules découpées en demi démontrent une plus grande résistance aux effets d'ombre. Cela n'est pas dû aux cellules elles-mêmes, mais plutôt à la méthode de câblage utilisée pour connecter les cellules découpées en demi au sein du panneau. Dans les panneaux solaires traditionnels construits avec des cellules de taille normale, les cellules sont connectées en série, où l'ombrage d'une cellule dans une série peut arrêter toute la rangée de produire de l'énergie. Un panneau standard a généralement 3 rangées de cellules connectées indépendamment, donc l'ombrage d'une cellule dans une rangée élimine la moitié de la production d'énergie de ce panneau.
De même, les cellules découpées en demi sont également connectées en série, mais les panneaux fabriqués avec des cellules découpées en demi ont deux fois plus de cellules (120 au lieu de 60), ce qui entraîne deux fois plus de rangées de cellules indépendantes. Cette configuration de câblage réduit la perte de puissance dans les panneaux construits avec des cellules découpées en demi lorsqu'une seule cellule est ombragée, car l'ombrage d'une cellule ne peut éliminer qu'un sixième de la production d'énergie totale du panneau.
Par extension, les cellules découpées en 1/3 présentent une sensibilité encore plus faible à l'ombrage local comparé aux cellules découpées en demi. Même si certains segments de cellule sont ombragés, la production d'énergie globale reste largement inchangée, assurant une efficacité globale plus élevée dans la génération d'électricité.
5. Compétitivité accrue sur le marché
Les performances et l'efficacité améliorées des modules découpés en 1/3 les rendent plus compétitifs sur le marché, capables de répondre aux exigences des marchés haut de gamme et des applications spécialisées. Cette amélioration réduit les coûts de dépenses, générant ainsi des avantages économiques plus élevés.
Avec une production d'énergie accrue par module, moins de modules sont nécessaires pour générer l'électricité requise pour les installations solaires au sol et sur les toits. Cette réduction du nombre de modules contribue à minimiser l'espace nécessaire pour l'installation. Pour les grandes fermes solaires utilitaires, la réduction de l'espace requis aide à réduire la superficie nécessaire pour établir des installations photovoltaïques solaires. Cela, à son tour, réduit les coûts d'investissement en capital pour les développeurs solaires, car le terrain représente un investissement initial significatif pour la construction de grandes centrales solaires.
Pourquoi les fabricants ne produisent-ils pas de cellules solaires découpées en 1/4 ou même en 1/5 ?
Bien que les modules découpés en 1/4 et 1/5 pourraient offrir une puissance de sortie légèrement supérieure par module, optimiser une solution énergétique implique de considérer des complexités de fabrication supplémentaires.
En particulier, incorporer davantage de découpes de cellules solaires nécessite des diodes de dérivation supplémentaires pour la protection du circuit au sein du module. Cela augmente l'utilisation de matières premières, entraînant des coûts supplémentaires et des délais de production prolongés. Pour les solutions solaires résidentielles axées sur la réduction des coûts en plus de l'efficacité, garder les modules élégants et simples est avantageux. Les cellules solaires découpées en 1/3, nécessitant seulement trois diodes de dérivation, trouvent un équilibre entre l'abordabilité et les performances améliorées pour les utilisateurs finaux. Ce design minimise également les risques associés aux futures mises à niveau tout en maximisant les capacités d'efficacité actuelles.
Conclusion
Les cellules solaires découpées en 1/3, comparées aux cellules découpées en demi, améliorent considérablement les performances et l'efficacité globales des modules de panneaux solaires en réduisant davantage le courant et la résistance, en minimisant les pertes de puissance, en optimisant la distribution de la chaleur et en améliorant la fiabilité des composants. Ces avantages rendent la technologie de découpe en 1/3 plus attrayante pour les applications haut de gamme et les scénarios spécifiques. Malgré le processus de fabrication plus complexe, les améliorations des performances et les avantages économiques l'emportent souvent sur ces coûts supplémentaires.
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Références :
Sharma, N. (2024, 15 mars). Half-Cut Solar Cells- Are they Worth the Hype ? Ornate Solar. https://ornatesolar.com/blog/why-should-you-choose-half-cut-cell-modules-for-your-solar-projects
Trina Solar. (2022, 31 octobre). Quel est l'engouement pour les cellules solaires 1⁄3-Cut ? https://www.trinasolar.com/us/resources/blog/third-cut-solar-cells
Les contributeurs de Wikipédia. (2024, 21 avril). Rendement des cellules solaires. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Solar-cell_efficiency
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