Effets de la dégradation induite par la lumière dans les rayons solaires et les techniques d'atténuation

L'énergie solaire est devenue la pierre angulaire de la transition mondiale vers l'énergie renouvelable, offrant une alternative propre et évolutive aux combustibles fossiles. Les réseaux photovoltaïques (PV) déployés dans les installations résidentielles, commerciales et de services publics génèrent maintenant des centaines de gigawatts d'électricité chaque année. Cependant, les performances à long terme et la viabilité économique de ces systèmes dépendent fortement de la façon dont ils résistent aux facteurs de stress environnementaux pendant leur durée de vie opérationnelle.

Comprendre la dégradation induite par la lumière (DL)

LID désigne une réduction de la puissance d'une cellule ou d'un module solaire qui se produit lorsqu'elle est exposée pour la première fois au soleil. Contrairement à l'usure progressive de l'exposition à long terme à l'environnement, LID se manifeste rapidement, généralement dans les premières heures à jours de l'éclairage. La dégradation n'est pas réversible dans des conditions normales d'exploitation et entraîne une baisse permanente de l'efficacité.

La perte de puissance typique attribuée à LID varie de 1 % à 3 % de la puissance nominale initiale pour les modules de silicium monocristallin standard, bien que certains types de cellules et procédés de fabrication puissent subir des pertes supérieures à 5 %. Pour une grande exploitation solaire produisant 100 mégawatts, une perte de rendement de 3 % se traduit par une réduction significative du rendement énergétique annuel et des revenus sur la durée de vie de l'actif de 25 à 30 ans.

Le mécanisme physique derrière le LID

Au niveau des semi-conducteurs, le LID est causé par la formation de défauts réactifs de recombinaison dans le réseau cristallin de silicium. Lorsqu'une cellule solaire est exposée à la lumière, l'énergie des photons génère des paires de trous d'électrons. Dans une wafer en silicium très pure et bien entretenue, ces porteurs de charge sont collectés efficacement aux électrodes de la cellule. Cependant, certains complexes de défauts, activés par la lumière, agissent comme centres de recombinaison.

Le boron est couramment utilisé comme dopant de type p dans les plaquettes monocristallines de silicium, et l'oxygène est incorporé pendant le processus de croissance cristalline, en particulier dans les lingots cultivés en Czz. Sous l'éclairage, les paires de bore-oxygène (B-O) forment un défaut métastable qui est très efficace pour capturer les porteurs minoritaires. Cette dégradation induite par la lumière (BO-LID) est le mécanisme de dégradation dominant dans les cellules solaires conventionnelles de type pz de silicium. D'autres dopants et impuretés, comme le galnium ou le fer, peuvent également participer au LID par différentes voies chimiques, bien que de gravité variable.

Types de dégradation induite par la lumière

Bien que le BO-LID soit le plus commun, le terme LID englobe plusieurs voies de dégradation distinctes. Il est important de déterminer le type particulier qui affecte un module donné pour choisir la stratégie d'atténuation appropriée.

LID Boron-Oxygen (BO-LID)

La BO-LID est la forme la plus étudiée de LID. Elle se produit dans des wafers en silicium de type p dopés avec du bore et cultivés par la méthode Czochralski. La dégradation se déroule en deux étapes : d'abord, un composant rapide qui se stabilise en quelques heures et un composant lent qui peut prendre des jours pour saturer. La perte de puissance totale est généralement de 2 à 3 % de la cote nominale du module. Le défaut est métastable sous éclairage mais peut être partiellement ou entièrement régénéré par recuit thermique à des températures supérieures à 100 °C, qui est exploitée dans certains procédés industriels.

LID de fer-bron (Fe-LID)

La contamination par le fer est une autre source courante de LID, en particulier dans les cellules fabriquées avec des contrôles de propreté moins stricts. Les atomes de fer, qui peuvent être introduits lors de la sciage ou du traitement cellulaire, peuvent s'associer avec des atomes de bore dans le silicium de type p. Sous l'éclairage, les paires fer-boron se dissocient, et le fer interstitiel devient un centre de recombinaison très efficace. Fe-LID est généralement moins sévère que BO-LID dans des environnements de fabrication bien contrôlés, mais il peut devenir significatif dans les cellules à forte teneur en fer.

Dégradation induite par la lumière et la température élevée (LeTID)

Le TID peut causer des pertes de puissance de 5 à 10 % ou plus. La cause profonde exacte du LeTID demeure à l'étude, mais on croit qu'il implique de l'hydrogène, des impuretés métalliques et des défauts structurels dans le vrac de silicium. Le TID pose un défi particulier parce que son apparition peut être retardée de mois ou d'années, et la dégradation n'est pas facilement inversée. Les stratégies d'atténuation du LeTID diffèrent de celles du LID traditionnel, exigeant un contrôle minutieux des conditions de cuisson, de la teneur en hydrogène et des processus de métallisation au cours de la fabrication des cellules.

LID en surface

La dégradation peut également se produire à l'interface nitride silicium-silicium, en particulier dans les cellules avec passivation suboptimale de surface. La lumière peut déclencher des changements dans l'état de charge des films diélectriques, modifier la passivation d'effet de champ et augmenter la vitesse de recombinaison de surface.

Facteurs qui influent sur la gravité de la DLJ

L'ampleur du DL dans un module donné dépend de plusieurs facteurs interdépendants, qui couvrent la qualité du matériau, la conception des cellules et les conditions de fabrication.

  • Concentration d'oxygène:[ Les Wafers cultivés par la méthode Czochralski ont des concentrations d'oxygène allant de 5×1017 à 2×1018 atomes/cm3. Des niveaux d'oxygène plus élevés augmentent directement la densité des défauts B-O et aggravent le BO-LID. Le silicium de zone de flottaison (FZ) qui a une teneur négligeable en oxygène est pratiquement immunisé contre le BO-LID mais est plus coûteux et rarement utilisé dans les cellules solaires commerciales.
  • Type et concentration de dopants: Le silicium de type P dopé au galnium au lieu du bore ne forme pas de défauts B-O et ne présente donc guère ou pas de BO-LID. Cela a suscité un intérêt croissant pour les wafers dopés au galnium, bien que la disponibilité et le coût demeurent des considérations.
  • Architecture de cellules: Les cellules PERC sont particulièrement sensibles au LeTID en raison de leur plus haut budget thermique et de leur incorporation à l'hydrogène pendant le traitement. Inversement, les architectures avancées comme les cellules hétérojonctives (HJT) ou les cellules de contact arrière internumériques (IBC), qui utilisent des wafers de type n, sont largement immunitaires au LID lié au bore.
  • La propreté de fabrication:[ La contamination par des métaux de transition tels que le fer, le cuivre ou le nickel pendant la croissance, le traitement par bourrage ou la transformation cellulaire du lingot augmente la densité des centres de recombinaison liés aux métaux, exacerbant le Fe-LID et d'autres voies de dégradation entraînées par l'impureté.
  • Histoire thermique: Le profil de température pendant le tir, le recuit et la laminage des cellules influence l'énergie d'activation de la formation de défauts. Les cellules qui subissent un refroidissement rapide peuvent geler dans une concentration plus élevée de défauts métastables, augmentant le LID initial.

Mesure et quantification de l'IDL

La mesure précise de la LID est essentielle pour qualifier les modules et valider les techniques d'atténuation. L'industrie photovoltaïque s'appuie sur des protocoles d'essai normalisés pour caractériser la dégradation. La norme la plus largement référencée est IEC 61215, qui comprend une séquence d'essai de dégradation induite par la lumière (MQT 19).

Dans la pratique, les essais LID consistent à mesurer la courbe de tension de courant (I-V) d'un module dans des conditions d'essai standard (STC : 1000 W/m2, 25°C, spectre AM1,5) avant et après l'exposition cumulative à la lumière. Le pourcentage de baisse de puissance maximale (Pmax) définit la magnitude de l'ID. À des fins de recherche, des expériences de laboratoire contrôlées utilisent des simulateurs solaires à DEL ou à xénon-arc pour fournir un éclairage étalonné et répétable tout en surveillant les paramètres cellulaires tels que la tension en circuit ouvert (Voc), le courant court-circuit (Isc et le facteur de remplissage (FF).

Il est important de noter que le LID est distinct des autres modes de dégradation tels que la dégradation induite par le potentiel (PID), la fissuration cellulaire ou la décoloration encapsulante.

Techniques d'atténuation pour les ILD

LID mitigant nécessite une approche multi-étendue qui traite des propriétés du matériau, du traitement cellulaire, de l'assemblage de modules et du fonctionnement du système. Aucune solution unique n'élimine toutes les formes de LID, mais l'intégration soigneuse des stratégies décrites ci-dessous peut réduire la perte de puissance totale à bien moins de 1% dans les modules commerciaux modernes.

Sélection du matériel et qualité de la cire

La façon la plus directe de réduire le BO-LID est de remplacer les gaufres de type p à dopage bore par des solutions de rechange qui ne sont pas le précurseur du défaut B-O. Les gaufres de type p à dopage gallien présentent un LID minimal parce que le galnium ne forme pas de complexes de recombinaison activés par la lumière avec de l'oxygène. De même, les gaufres de type n au silicium, qui sont dopées avec du phosphore ou d'autres éléments donneurs, ne contiennent aucun bore et sont pratiquement exemptes de BO-LID. Les cellules de type N ont également l'avantage d'une durée de vie plus longue et d'une meilleure tolérance aux impuretés courantes.

La réduction de la teneur en oxygène des plaquettes en Cz par l'amélioration des techniques de croissance des cristaux, comme l'application de champs magnétiques pendant la traction ou l'optimisation de la rotation des creusets, réduit également la densité des défauts B-O. Le silicium de zone de flottaison, bien que coûteux, fournit la solution ultime pour les applications sensibles à l'oxygène, telles que les cellules solaires de qualité spatiale ou les cellules de référence utilisées dans les laboratoires d'étalonnage.

Traitements préconditionnés et de régénération

Comme LID se manifeste pendant les premières heures d'exposition à la lumière, les fabricants peuvent conditionner les modules pour stabiliser les défauts avant l'expédition. La plus simple est d'exposer les modules finis à un éclairage contrôlé (généralement 1 soleil à 25-50 °C) pendant 20-50 heures, permettant la dégradation dans un cadre d'usine plutôt que sur le terrain. Après cette préconditionnement, les modules sont testés et triés de nouveau, et la puissance nominale de la feuille de données reflète les performances stabilisées plutôt que le pic initial.

Une méthode plus avancée consiste à recuiter le module, dans lequel il est éclairé à des températures élevées (100-200°C) pendant plusieurs minutes. L'énergie thermique fournit l'activation nécessaire pour transformer les défauts B-O métastables en une configuration stable, moins réactive-active. Cet état de régénération persiste dans des conditions normales de fonctionnement, empêchant ainsi la LID. La régénération a été commercialisée avec succès par plusieurs fabricants de cellules de premier plan et peut réduire la BO-LID à moins de 0,5 %. Cependant, le processus doit être optimisé avec soin pour éviter d'endommager l'encapsulant ou la feuille arrière du module et pour éviter les effets négatifs tels que l'activation de LeTID dans les cellules PERC.

Revêtements anti-LID et traitements de surface

Deuxièmement, certains films diélectriques, tels que le nitride de silicium (SiNx) déposé par dépôt chimique de vapeur amélioré par le plasma (PECVD), contiennent de l'hydrogène qui peut se répandre dans le volume de silicium et les défauts de recombinaison passivate, y compris les complexes B-O. L'effet de passivation de l'hydrogène dépend de la température et peut être optimisé par un contrôle minutieux des paramètres de dépôt et des étapes de recuit subséquentes.

Les revêtements anti-LID spécialement conçus pour inhiber la formation de défauts B-O ont été étudiés dans des milieux de recherche. Ces revêtements intègrent généralement des espèces chargées positivement qui modifient le champ électrique local près de la surface du silicium, réduisant la section transversale de capture du défaut. Cependant, cette approche reste expérimentale et n'a pas encore obtenu une adoption commerciale généralisée.

Traitement optimisé des cellules et gestion thermique

Le profil thermique de la cellule pendant le tir et la laminage a un effet profond sur le LID. Le refroidissement rapide après l'étape de contact-feux peut geler dans une forte concentration de défauts métastables. En étendant la rampe de refroidissement ou en ajoutant un anné contrôlé à des températures intermédiaires, les fabricants peuvent réduire la densité initiale des centres de recombinaison active. De même, l'étape de la laminage, qui expose la cellule à des températures d'environ 150°C pendant 10-20 minutes, peut servir d'anné de régénération partielle si le processus est bien contrôlé.

Pour le LeTID dans les cellules PERC, la teneur en hydrogène des couches diélectriques doit être gérée avec soin. L'excès d'hydrogène peut former des complexes avec des impuretés métalliques ou des limites de grains qui deviennent réactives sous la lumière et la chaleur. Réduire la concentration d'hydrogène, modifier la température de cuisson ou passer à d'autres schémas de passivation tels que l'oxyde d'aluminium (Al2O3) ont été montrés pour réduire la susceptibilité au LeTID.

Stratégies d'atténuation au niveau du système

Au niveau du système, les concepteurs et les exploitants de systèmes ont moins d'options pour atténuer le LID, car la dégradation se produit dans les jours suivant l'installation.

  • Cotes de module sur-déterminantes:[ Les spécifications d'approvisionnement peuvent exiger que les modules soient préconditionnés ou cotés en fonction de la puissance stabilisée (après LID). Cela garantit que le tableau fournit son rendement énergétique attendu à partir du premier jour, sans compter sur un bonus de puissance initial qui disparaît après LID.
  • Mise en service contrôlée: Pour les grands systèmes, l'échelonnement de la connexion des onduleurs ou l'utilisation de la réduction pendant les premiers jours de fonctionnement peuvent réduire le taux de formation de défauts en limitant la charge courante. Cependant, cette stratégie a un avantage pratique limité parce que LID dépend de l'éclairage, pas de la charge.
  • Sélectivité du module:[ Dans certains cas, les modules à fort potentiel de LID peuvent être placés dans des positions moins critiques sur le tableau, en réservant les positions les plus performantes pour les modules premium. Cette approche nécessite une caractérisation par module I-V et est plus réalisable dans les installations petites à moyennes.
  • Surveillance et application de la garantie:[ Des systèmes de surveillance avancés qui suivent les courbes I-V de niveau module ou les rapports de performance de niveau chaîne peuvent détecter LID dans les premières semaines d'exploitation. Les propriétaires d'actifs peuvent alors réclamer une couverture de garantie si la dégradation dépasse les limites spécifiées par le fabricant.

Normes et protocoles d'essai pour l'industrie

La communauté photovoltaïque internationale a établi des normes d'essai rigoureuses pour quantifier les LID et s'assurer que les modules répondent aux garanties de performance.La norme la plus pertinente est IEC 61215:2021, «Modules photovoltaïques terrestres (PV) — qualification de conception et homologation de type», qui comprend un essai de dégradation induit par la lumière (MQT 19). L'essai exige que le module soit exposé à une irradiation cumulative de 5 kWh/m2 à un rayonnement compris entre 500 W/m2 et 1000 W/m2 et à une température de module comprise entre 25 °C et 50 °C. La puissance maximale du module est mesurée avant et après l'exposition, et le changement est enregistré.

Outre la CEI 61215, le National Renewable Energy Laboratory (NREL) et d'autres organismes de recherche ont élaboré des protocoles spécialisés pour mesurer les ILD dans les cellules et les petits modules.Ces protocoles intègrent souvent des mesures à vie de porteurs minoritaires à l'aide de techniques telles que la photoconduction à quasi-équilibre (QSSPC) ou la désintégration des micro-ondes (μPCD).

Pour LeTID, le protocole d'essai est plus difficile parce que la dégradation nécessite à la fois une lumière et une température élevée. Le document technique PV Tech sur LeTID décrit une séquence d'essai modifiée impliquant une exposition prolongée à 75°C sous un éclairage solaire. La norme est toujours en évolution et les fabricants sont de plus en plus tenus de fournir des données de caractérisation du LeTID dans le cadre de fiches techniques des modules.

Perspectives d'avenir et recherche en cours

La réponse de l'industrie photovoltaïque à la LID a beaucoup évolué au cours de la dernière décennie. En 2010, la plupart des modules commerciaux ont perdu 2 à 3 % de leur puissance à la BO-LID dans les premiers jours de fonctionnement. Aujourd'hui, grâce à l'adoption généralisée de wafers dopés au gallicium, à l'amélioration de la croissance du cristal Cz et au recuit de régénération, les meilleurs modules de classe montrent une LID inférieure à 0,5 %.

Néanmoins, de nouveaux défis continuent de se poser. LeTID demeure une préoccupation pour les cellules PERC, en particulier dans les climats chauds, et les chercheurs étudient activement le rôle de l'hydrogène, des impuretés métalliques et des conditions de cuisson. Le développement de modèles prédictifs qui peuvent estimer LID et LeTID en fonction des paramètres de conception des cellules et des données de fabrication est un domaine de recherche actif.

Au niveau du module, les progrès dans les matériaux d'encapsulation et l'étanchéité des bords peuvent réduire l'entrée d'humidité, ce qui exacerbe le LeTID et d'autres formes de dégradation.

Enfin, de nouvelles techniques de mesure, comme l'imagerie par photoluminescence (PL) et la photoluminescence résolue dans le temps (TRPL), permettent une caractérisation non destructive plus rapide de la LID dans les modules finis. Ces outils peuvent être déployés dans les lignes de production pour fournir une rétroaction en temps réel sur l'efficacité des processus d'atténuation, permettant aux fabricants d'ajuster dynamiquement les paramètres et de réduire les déchets.

Conclusion

La dégradation induite par la lumière est un défi bien compris mais persistant dans l'industrie de l'énergie solaire. Elle réduit la puissance initiale des modules de silicium cristallin de 1 à 3 % ou plus, affectant l'économie des installations solaires sur tout leur cycle de vie. Les causes profondes – la formation de défauts dans le vrac de silicium due aux interactions entre dopants, oxygène et impuretés – sont maintenant parfaitement caractérisées, et une solide trousse d'outils de techniques d'atténuation a été développée.

Alors que l'industrie poursuit sa transition vers des architectures de type n et des conceptions cellulaires à plus grande efficacité, les mécanismes de dégradation spécifiques évolueront, mais le principe demeure le même : contrôler la pureté et l'histoire thermique du silicium, combinée à des processus intelligents au niveau de l'usine, garantit que les réseaux solaires assurent leur performance nominale de façon fiable pendant des décennies.