Hétérojonction photovoltaïque : une technologie pour l’avenir ?

Le 9 septembre 2022, la Commission européenne lançait l’Alliance européenne pour l’industrie solaire, portée par l’accélérateur européen EIT InnoEnergy ainsi que des organisations industrielles du secteur. L’objectif étant de réindustrialiser l’Europe pour reprendre une place dans le secteur du solaire à l’échelle mondiale. Dans ce cadre, un type de cellules photovoltaïques focalise l’attention : les cellules photovoltaïques à hétérojonction.

Qu’est-ce que l’hétérojonction ?

On parle d’hétérojonction lorsque deux matériaux différents sont mis en contact. Par exemple, dans le cadre d’une cellule photovoltaïque, l’hétérojonction désigne la mise en contact du silicium monocristallin et du silicium amorphe. Elle s’oppose à l’homojonction, qui qualifie un fonctionnement reposant sur un seul matériau. Dans le cadre de l’énergie solaire, il s’agit par exemple d’une cellule composée de silicium monocristallin seul.

Son application dans le domaine du photovoltaïque

Dans le cadre de l’industrie solaire photovoltaïque, le terme “hétérojonction” est utilisé pour désigner une nouvelle sorte de cellules solaires.

Développée en France depuis 2005 par le CEA (Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives), la technologie photovoltaïque à hétérojonction est une nouvelle piste pour améliorer les taux de rendement des panneaux. 

En effet, cette solution en rupture par rapport au standard en homojonction, dominant dans l’industrie mondiale, permettrait d’atteindre un taux de rendement supérieur à 20%. 

Cet aspect est central dans la perspective du développement de l’énergie solaire : avec de meilleurs rendements, on limite les besoins en matériaux pour la construction d’un panneau, de même que leurs coûts de production et leurs prix de vente. On peut ainsi espérer démocratiser l’utilisation du photovoltaïque auprès des particuliers.

Qu’est-ce qu’une cellule solaire à hétérojonction ?

Une cellule solaire à hétérojonction est une cellule combinant deux technologies : celle d’une cellule en silicium cristallin, conventionnellement utilisée dans les panneaux solaires les plus courants, sur laquelle on appose, en face avant et en face arrière, deux couches minces de silicium amorphe. 

Pour faire simple, une cellule à hétérojonction est composée de trois couches : une tranche de silicium cristallin prise en sandwich entre deux couches de silicium amorphe. 

Cette structuration multicouches permet une captation plus importante des photons lumineux, donc une production énergétique plus élevée : ceci explique pourquoi les cellules solaires à hétérojonction sont plus efficaces que les cellules en homojonction. 

De plus, le silicium amorphe dispose d’un atout de taille : s’il convertit moins bien la lumière du soleil en électricité, il reste cependant bien moins onéreux à produire que son homologue cristallin. Ce qui a une incidence sur le coût de production du panneau dans sa globalité.

Comment ces cellules solaires augmentent l’efficacité ? 

Le fonctionnement d’une cellule solaire en hétérojonction s’appuie sur le même principe que n’importe quelle cellule solaire : celle-ci capte une partie du rayonnement solaire et la transforme en énergie, laquelle est ensuite transformée en électricité injectable dans le réseau. 

Toutefois, elle est plus efficace du fait de la multiplication des couches qui la composent. Une cellule solaire en homojonction ne dispose que d’une couche : celle-ci laisse certains rayons la traverser et/ou rebondir à sa surface. 

Une cellule solaire en hétérojonction, quant à elle, en présente trois. Outre la couche du milieu, commune aux cellules solaires conventionnelles, elle possède deux fines couches à l‘avant et à l’arrière, lesquelles captent elles aussi la lumière du soleil direct. 

Par ailleurs, une cellule à hétérojonction utilise aussi bien sa face avant (exposée au soleil) que sa face arrière pour produire de l’électricité. En effet, elle est en capacité de capter le rayonnement solaire réfléchis par les couches inférieures et le sol. 

Ainsi, on peut obtenir un gain de puissance de l’ordre de 10 % à 20 %, ce qui explique pourquoi un panneau solaire à hétérojonction peut atteindre des rendements de 24% ou plus.

Source : https://www.cea.fr/comprendre/Pages/energies/renouvelables/essentiel-sur-cellules-photovoltaiques.aspx 

Avantages de l’hétérojonction solaire

Si le développement de la technologie de l’hétérojonction est en plein essor, c’est parce qu’elle présente de nombreux avantages. 

Une cellule photovoltaïque à hétérojonction est d’abord plus économique, aussi bien au moment de sa production que sur l’ensemble de sa durée de vie. En effet, le design de ses composants (silicium amorphe notamment) est plus simple par rapport à une cellule conventionnelle. De plus, le nombre d’étapes nécessaires à sa production (fabrication et intégration) est réduit, ce qui permet de la produire à un coût restreint.

Les procédés de fabrication des cellules à hétérojonction réduisent par ailleurs l’impact environnemental du photovoltaïque, puisqu’il se réalise à plus faible température.

Enfin, une cellule à hétérojonction est une cellule photovoltaïque plus performante. Comme nous l’expliquions plus haut, les cellules photovoltaïques suivant cette technologie affichent des rendements supérieurs à la plupart des cellules en monocristallin. À noter par ailleurs qu’elles se montrent plus efficaces sous des températures élevées que les cellules composées de silicium monocristallin ou polycristallin conventionnel. Ainsi, leur efficacité ne décroît que de 0,25% par degré contre 0,35 % pour une cellule standard. Un bon point dans la perspective du réchauffement global du climat.

L’hétérojonction solaire : haut rendement et fabrication simplifiée

Un rendement supérieur aux autres cellules 

Nous l’évoquions plus haut : l’hétérojonction permet une meilleure captation directe mais également indirecte des rayons du soleil, ce qui induit un rendement amélioré par rapport aux cellules composées d’une seule couche de silicium monocristallin.

Il faut en effet savoir que les couches de silicium amorphe apposées de part et d’autre de la couche de silicium monocristallin permettent de concentrer le rayonnement solaire vers les zones de collecte d’énergie. Cet effet est d’ailleurs renforcé par le fait que les couches de silicium amorphe sont elles-mêmes recouvertes d’un oxyde transparent.

C’est ainsi qu’un des laboratoires du CEA est parvenu à produire des cellules dont le rendement atteint 24%. À noter que le rendement de conversion des cellules photovoltaïques du marché est plutôt de l’ordre de 19 à 20 %. 

Par ailleurs, une surface de 120 demi-cellules, fabriquées sur la chaîne pilote du CEA, a développé une puissance nominale de 348 W, dans des conditions certifiées comparables à celles de l’exploitation commerciale. De leur côté, les cellules classiques présentent des puissances nominales d’une moyenne de 320 W.

Une fabrication plus simple, plus rapide et moins énergivore

Il est important de noter que les procédés de fabrication d’une cellule à hétérojonction sont plus simples et plus courts que dans le cas des cellules photovoltaïques classiques. Leur fabrication comporte ainsi moitié moins d’étapes (10 contre 21), telles que :  

• La gravure par bain chimique pour former les pyramides sur les « wafers ».
• Le nettoyage et le dépôt par plasma de couches nanométriques de silicium amorphe.
• Le dépôt d’un oxyde transparent conducteur sur les deux faces.
• La sérigraphie d’un motif de lignes métalliques pour la collecte des charges électriques.

De plus, le procédé de fabrication est moins énergivore que celui d’une cellule photovoltaïque traditionnelle actuellement commercialisée. Quand les process utilisés classiquement nécessitent à certaines étapes des températures portées à 800 à 850°C, celui des cellules à hétérojonction ne réclame qu’une température moyenne d’environ 200°C.

De fait, l’empreinte carbone et le taux de retour énergétique (TRE) des cellules photovoltaïques en hétérojonction sont réduits, compte-tenu des économies d’énergie réalisées durant leur production.

Quelles différences entre cellules classiques et cellules à hétérojonction ?

Les cellules classiques et les cellules à hétérojonction diffèrent donc en plusieurs points, qui découlent de leurs différences structurelles. C’est en effet grâce à l’ajout de deux couches supplémentaires à la tranche monocristalline que la cellule à hétérojonction peut valoriser les rayons réfléchis à l’arrière des modules et ainsi gagner en performance.

C’est également grâce à cette formation inédite que les panneaux à hétérojonction pourraient avoir deux pics de production au lieu d’un. Dans le cas des panneaux classiques, la puissance maximale est atteinte vers midi. La physionomie particulière des panneaux en hétérojonction pourrait leur permettre de profiter quant à eux d’un pic de production à 10 heures le matin et à 16 heures l’après-midi, soit à deux moments où les consommations sont importantes. Ce décalage des pics pourrait ainsi faciliter le lissage de la production des installations. Il faudrait pour cela qu’ils soient placés à la verticale et orientés est-ouest.

Où en est le développement de cette technologie ?

La technologie de l’hétérojonction n’en est pour le moment qu’au tout début de sa phase d’industrialisation. Toutefois, cette technologie émergente est prête à être exploitée à grande échelle. 

Deux projets industriels européens l’ont adopté dans cette optique : 

• Le projet d’une filiale d’Enel, acteur majeur de la production d’électricité en Italie : 100 millions d’euros ont été ainsi investis dans une usine de panneaux photovoltaïques située à Catane (Sicile), dans le but d’en faire le premier site de production de cellules à hétérojonction en Europe.
• Le projet de Recom-Sillia, acteur européen leader de l’industrie solaire : une gigafactory près de Lyon est en cours de construction. La production de panneaux photovoltaïques à hétérojonction devrait commencer en 2024 et rapidement se compter en gigawatts.

Ce début d’industrialisation permet d’entrevoir les potentialités en matière de compétitivité de cette technologie, d’autant que les rendements des technologies chinoises plafonnent et que leur rentabilité est de moins en moins bonne.

Conclusion

A l’aube de son industrialisation, le photovoltaïque à hétérojonction cumule de nombreux avantages. Consistant à ajouter deux couches de silicium amorphe à la tranche de silicium monocristallin composant une cellule photovoltaïque, cette technologie développe de hauts rendements tout en proposant des procédés de construction plus économiques et plus sobres énergétiquement parlant. Elle permettrait en outre de produire de l’électricité solaire de manière différenciée dans le temps par rapport aux cellules classiques.