Quel procédé de métallisation pour les cellules photovoltaïques de demain?

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1 Mardi 12 Juin 2012 Quel procédé de métallisation pour les cellules photovoltaïques de demain? 1. La technologie photovoltaïque : quelques chiffres clés 2. Les cellules en silicium cristallin : principe de fonctionnement 3. Avantages et inconvénients du procédé de métallisation actuel et solutions alternatives 4. Conclusion Sébastien Thibert: s.thibert@mpo-energy.com energy.com

2 1. La technologie photovoltaïque : quelques chiffres clés Une production en contradiction avec les ressources : En 6 heures les déserts reçoivent plus d énergie que l humanité en consomme annuellement Seulement 0,3% des 40 millions km 2 de déserts équipés de collecteurs solaires auraient pu suffire pour répondre aux besoins énergétiques de la planète en 2009 Mais, moins de 3% de la consommation mondiale d énergie était d «origine» solaire en 2009 Sources : [Epia2011, Ren212011] # 1

3 1. La technologie photovoltaïque : quelques chiffres clés Néanmoins, le photovoltaïque est une industrie en pleine croissance menée par la réduction des coûts : 1839 : Découverte de l effet photovoltaïque par Becquerel 1954 : Première cellule en silicium réalisée dans les laboratoires Bell avec un rendement de 4% Coût de la cellule > 1500$/Wc 2011 : Plus de 50 GW ( 50 centrales nucléaires) de capacité installée en Europe (80% du marché mondial) Coût du module PV < 2 $/Wc Prévisions : 100 GW installées en Europe en 2016 Parité réseau atteinte progressivement : coût de l électricité PV < 0,12 /kwh en 2020 (sud Europe) Sources : [Epia2011, Ren212011, Pvxchange2012] # 2

4 1. La technologie photovoltaïque : quelques chiffres clés Plusieurs filières en développement: Couche mince Organique Silicium cristallin (>80%) du marché Plusieurs leviers pour réduire les coûts des systèmes PVs : Economie d échelle Durée de vie Coûts de production Rendement Innovation Etc Sources : [NREL2012] # 3

5 2. Les cellules en silicium cristallin : Principe de fonctionnement Principe de fonctionnement et effet photovoltaïque Absorption des photons incidents Conversion en paire électron/trou Accélération des paires (jonction p/n et p + /p) Séparation des paires (jonction p/n et p + /p) Collecte des porteurs Le dispositif doit favoriser L absorption du maximum de photons incidents La conversion de l énergie des photons en charges électriques La collecte sans pertes de charges dans un circuit extérieur E E # 4

6 2. Les cellules en silicium cristallin : Principe de fonctionnement Procédé standard d élaboration des cellules Nettoyage et Texturation Création de la jonction pn par Diffusion Phosphore Dépôt d une Couche Anti Reflet (CAR) en Face Avant (FAV) Sérigraphie des contacts Recuit >800 C: prise de contact et formation du Back Surface Field (BSF) Ouverture de jonction # 5

7 3. Avantages et inconvénients du procédé de métallisation actuel et solutions alternatives Principe : Déposer une encre conductrice à travers un masque. Contact FAV : grille d une pate d argent Contact FAR : pate d aluminium pleine plaque Pourquoi la sérigraphie? Haut débit (pas de vide) 1 wafer.s -1 Technologie mature utilisée depuis 1970 : Simple, fiable et rapide, utilisée en microélectronique Principales limitations dues à la sérigraphie des contacts en FAV : Motifs poreux après sérigraphie Résistivité des contacts 2 fois supérieure à celle de l argent pur (ρ = Ω.cm)Diminution du rendement Motifs larges (> 80µm) ombrage de 8 à 10% de la cellule Diminution du rendement Emploi d argentaugmentation des coûts (métallisation 40% du coût process des cellules) Les pâtes doivent assurer un bon contact, une bonne conductivité et être facilement soudables La sérigraphie des contacts en face avant limite non seulement le rendement, mais augmente également le coût de production d une cellule photovoltaïque Besoin d une solution alternative # 6 FAR FAV

8 Cahier des charges d un procédé alternatif : Réduction de l aire de contactréduction des pertes par ombrage Augmentation du ratio hauteur/largeurdiminution des pertes résistives dans le contact et l émetteur Utilisation d émetteurs plus faiblement dopésaugmentation de la réponse de la cellule dans le bleu/uv Ne pas augmenter les coûts 3. Avantages et inconvénients du procédé de métallisation actuel et solutions alternatives En résumé : Essayer de se rapprocher des contacts déposés par photolithographie (dans l industrie spatiale ou en laboratoire) sans augmenter les couts de production Sources : [Hilali2004, Zhao1999] # 7

9 3. Avantages et inconvénients du procédé de métallisation actuel et solutions alternatives Concept d une double couche pour une meilleure optimisation et réduction des couts: Seed layer (Ag/Ni/Ti/Cr): Prise de contact sur l émetteur, assure un bon contact électrique et mécanique Réduction de la largeur du contact Conductive layer (Ag/Cu): Augmentation de la conductivité Augmentation du ratio Hauteur/Largeur Utilisation du cuivre Optimisation individuelle de chacune des couches Augmentation du rendement et réduction des coûts Cu=7 /kg Ag=900 /kg Sources : [Horteis2007, Pysch2009] # 8

10 Conductive layer (Ag/Cu): Light Induced Plating (LIP) : Procédé électrolytique amélioré Seed layer (Ag/Ni/Ti/Cr): Plusieurs procédés disponibles : Inkjet Aerosol Jetting Flexographie/Tampographie rotative Etc 3. Avantages et inconvénients du procédé de métallisation actuel et solutions alternatives Sources : [Shin2010, Mette2007, Frey2011] # 9

11 4. Conclusion Technologie photovoltaïque en pleine expansion Plusieurs filières, les cellules en silicium cristallin représente plus de 80% du marché Pour que cette énergie soit plus compétitive il faut réduire les coûts associés : Coûts de production Rendement Innovation La métallisation des cellules est réalisée actuellement par sérigraphie : Haute cadence et procédé mature, mais limite les performances des cellules et augmente leur coût Besoin d une solution alternative Optimisation en deux temps de la métallisation, le concept «Seed & Plate» : Seed layer (Ag/Ni/Ti/Cr)Prise de contact et réduction de la largeur des contacts: Plusieurs procédés disponibles : Inkjet Aerosol Jetting Flexographie/Tampographie rotative Conductive layer (Ag/Cu)Augmentation du ratio hauteur/largeur et de la conductivité des contacts: Light Induced Plating (LIP) : Procédé électrolytique amélioré Merci de votre attention # 10

12 Bibliographie [Epia2011] EPIA and Greenpeace, Solar generation : Solar photovoltaic electricity empowering the world, [Ren212011]Ren21, Renewables 2011 global status report, [Pvxchange2011] [NREL2012] [Hilali2004] M. M. Hilali, A. Rohatgi, and B. To, A review and understanding of screen-printed contacts and selective-emitter formation, in Proceedings of the14th Workshop on Crystalline Silicon Solar Cell Materials and Processes, 2004, vol. 1617, no. August, pp [Zhao1999] J. Zhao and A. Wang, 24.5% Efficiency Silicon PERT Cells on MCZ Substrates and 24.7% Efficiency PERL Cells on FZ Substrates, Prog. Photovolt: Res. Appl, vol. 7, pp , [Horteis2007] M. Hörteis, A. Mette, P. Richter, F. Fidorra, and S. Glunz, Further progress in metal aerosol jet printing for front side metallization of silicon solar cells, in Proceedings of the 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, 2007, no. September, pp [Pysch2009] D. Pysch, A. Mette, A. Filipovic, and S. Glunz, Comprehensive analysis of advanced solar cell contacts consisting of printed fine-line seed layers thickened by silver plating, Progress in Photovoltaics: Research and Applications, vol. 17, no. 2, pp , [Shin2010] D.-Y. Shin, Fabrication of an inkjet-printed seed pattern with silver nanoparticulate ink on a textured silicon solar cell wafer, Journal of Micromechanics and Microengineering, vol. 20, no. 12, p , Dec [Mette2007] A. Mette, P. L. Richter, M. Hörteis, and S. Glunz, Metal aerosol jet printing for solar cell metallization, Progress in Photovoltaics: Research and Applications, vol. 15, no. 7, pp , [Frey2011] M. Frey, F. Clement, S. Dilfer, D. Erath, and D. Biro, Front-side Metalization By Means Of Flexographic Printing, Energy Procedia, vol. 8, no. April, pp , Jan Sébastien Thibert: s.thibert@mpo-energy.com energy.com # 11