Un consortium dirigé par l’Institut Fraunhofer a développé une ligne de production innovante qui double le débit. De quoi réduire encore les coûts de production et accélérer le développement photovoltaïque.
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 au fur et à mesure que davantage d’installations photovoltaïques sont déployées dans le monde.
Pour répondre à ce besoin, un consortium piloté par l’Institut Fraunhofer et réunissant des fabricants d’installations, de sociétés de métrologie et d’instituts de recherche, a mis au point une ligne de production innovante avec un débit de 15 000 à 20 000 wafers par heure.
Cela représente le double du débit habituel, grâce à des améliorations apportées à plusieurs étapes individuelles du processus.
« 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 à l’Institut Fraunhofer.
« 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”, poursuit-il.
« En augmentant le débit et en rendant la technologie de production plus économe en ressources, nous pouvons réduire considérablement les coûts et libérer le potentiel de durabilité que nous pourrons exploiter grâce à la connaissance des processus et à l’excellence en ingénierie”, conclut-il.
Nouveaux concepts
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 entièrement réinventés », explique le Dr Florian Clement, à l’Institut Fraunhofer. Ce qui a permis de doubler le débit.
Parmi les nouveaux développements, les chercheurs ont mis 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.
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 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.
Tests sans contact et analyse des défauts
Pour la caractérisation des cellules solaires complètes, le consortium a élaboré deux concepts : une méthode sans contact et une méthode utilisant des contacts glissants, 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.