Les événements météorologiques extrêmes récents ont souligné l’importance de réduire les émissions de dioxyde de carbone qui augmentent les températures mondiales. Une transition rapide d’une économie énergétique vers des sources d’énergie renouvelables est nécessaire pour atteindre les objectifs de réduction des émissions. La source d’énergie renouvelable la moins chère est les panneaux solaires. Notre recherche récemment publiée montre comment réduire le coût d’utilisation des panneaux solaires en utilisant des matériaux de silicium moins chers à haut rendement.
L’Australie est allée plus loin dans installation de panneaux solaires, mais notre voyage solaire ne fait que commencer. Cette année, l’humanité a franchi une étape importante avec 1 térawatt (TW) – 1 million x 1 million de watts – capacité solaire installée. Cependant, les experts estiment que 70TW photovoltaïque pourraient être nécessaires d’ici 2050 pour soutenir tous les secteurs de l’économie.
Pour aider à stimuler cette absorption solaire photovoltaïque rapide, nous avons besoin de panneaux solaires à haut rendement et à faible coût. Au cours des dix dernières années, plusieurs nouvelles conceptions de cellules solaires ont abouti à des rendements record. Cependant, cette conception nécessite également des matériaux de haute qualité, ce qui la rend plus chère.
Recherche récente nous avons découvert le type de silicium nécessaire pour fabriquer des cellules solaires à haut rendement.
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Tous les silicones ne sont pas identiques
Plus de 95% des panneaux solaires sont en silicium. Le silicium utilisé pour fabriquer les cellules solaires est similaire à celui utilisé dans ébrécher l’ordinateur. C’est essentiellement du sable très pur.
Pour faire fonctionner une cellule solaire, nous devons créer un champ électrique afin que tout le courant qu’elle produit puisse circuler dans une seule direction. Cela se fait en ajoutant des atomes d’impuretés au silicium. Ce processus est connu sous le nom de « dopage ».
Dans la fabrication de panneaux commerciaux, le type de silicone le plus couramment utilisé est le silicone de « type p ». Ce matériel estse doper avec des atomes qui ont un électron de moins que le silicium, comme le bore ou plus tard le gallium.
Une très fine couche sur une surface remplie d’atomes peut alors être collée avec du silicium « de type n ». La réunion de ces deux types de silicium formera une “jonction pn”. La région de type p et la région de type n ont une grande différence dans le nombre d’électrons. Cela force les électrons à se déplacer rapidement et crée un champ électrique qui entraîne le courant dans nos cellules solaires.
Les panneaux solaires de toit conventionnels que l’on trouve aujourd’hui en Australie sont fabriqués à partir de silicium de type p, car ils sont environ 10 % moins chers que le silicium de type n traité au phosphore.
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Une plus grande efficacité coûte de l’argent
Les chercheurs essaient constamment d’améliorer l’efficacité des panneaux solaires afin de produire plus d’énergie pour les consommateurs. En 2017, efficacité record 26,7% atteint pour les cellules solaires au silicium. Il y a un mois, LONGI Solaire annonce un rendement de 26,5% – très proche d’un record mondial – pour ce type de cellule solaire fabriquée en usine et non en laboratoire.
Ce type de cellule solaire est appelé «hétérojonction à base de silicium». Un élément spécial des cellules solaires à hétérojonction à base de silicium est que leur surface est recouverte d’une très fine couche – environ 1 000 fois plus fine qu’un cheveu humain – de silicium amorphe. Cette fine couche lisse la surface et réduit les pertes d’énergie importantes.
Sanyo a développé cette conception de cellule dans les années 1990. À cette époque, des conducteurs en silicium de type n de haute qualité étaient utilisés pour fabriquer des cellules à hétérojonction à base de silicium, bien que ces conducteurs soient plus chers.
La raison principale est que la lumière du soleil dégrade les conducteurs de type p moins chers. Cependant, la compréhension de ce phénomène et la manière d’y faire face ont fait du chemin depuis les années 1990.
Notre découverte
Au cours des 30 dernières années, toutes les cellules solaires à hétérojonction à base de silicium, y compris les cellules record, ont été fabriquées à l’aide de conducteurs en silicium de type n. Dans notre projet de recherchenous voulions tester si une plaquette de type p moins chère pouvait également être utilisée.
Grâce à des tests approfondis, nous avons constaté que les cellules solaires à hétérojonction fabriquées avec du silicium de type p ne fonctionnent pas bien. Cela nous déroute. Cependant, un jour, nous avons soudainement réalisé quelque chose.
Nous avons remarqué qu’une exposition accidentelle à l’éclairage de la pièce pendant seulement dix secondes avant le test réduisait la tension de la cellule de type p jusqu’à 30 mV. Cela peut réduire son efficacité de 1 %, c’est-à-dire de 22 % à 21 %. En conséquence, nos cellules fonctionnent bien moins bien que prévu. Tout comme une personne souffrant d’une allergie sévère est plus sensible au pollen au printemps, nous avons réalisé que les cellules solaires à hétérojonction à base de silicium à haut rendement fabriquées avec des conducteurs de type p sont beaucoup plus sensibles à la dégradation induite par la lumière.
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Le problème a été identifié, nous avons maintenant la solution
Nous pensons que cette observation est la raison pour laquelle les cellules à haut rendement n’ont été explorées qu’en utilisant du silicium à prix élevé. Les chercheurs précédents n’étaient pas conscients de la sensibilité des plaquettes de type p à la dégradation et n’avaient pas encore les connaissances nécessaires pour les surmonter.
Heureusement, nous savons maintenant que la dégradation est causée par la liaison du bore et de l’oxygène dans le conducteur en silicium. Le traitement avec des lasers à haute intensité s’est avéré efficace pour stabilise les cellules en quelques secondes.
Le tir laser peut faciliter le déplacement de l’hydrogène déjà flottant dans le silicium et “passiver” les dommages indésirables au bore et à l’oxygène. La façon exacte dont l’hydrogène fait cela fait toujours l’objet de recherches actives, mais nous savons que cela pourrait résoudre le problème. Notre recherche confirmé qu’une infirmière laser courte peut stabiliser les performances des cellules solaires à hétérojonction à base de silicium de type p.
Forts de ces nouvelles connaissances, nous avons pu continuer à développer des technologies à haut rendement avec des matières premières moins chères. Cela réduira le coût de chaque watt d’électricité solaire produite. En mars de cette année, le fabricant de panneaux solaires LONGi Solar a annoncé efficacité 25,47% pour les cellules solaires à base de silicium fabriquées à l’aide de conducteurs de type p.
Le fait que les fabricants produisent des cellules solaires efficaces à des prix potentiellement inférieurs montre que nos découvertes ont un impact réel sur l’industrie. La réduction du coût des cellules solaires fournira à des millions de consommateurs une électricité moins chère au milieu de la lutte contre le changement climatique.
