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Présentation des panneaux solaires IBC : types, progrès et défis
Qu'est-ce qu'une cellule de panneau solaire IBC ?
Les cellules solaires IBC, également appelées cellules à contacts arrière interdigités, sont un type de cellule solaire dont les contacts métalliques positifs et négatifs sont situés à l'arrière. En 1975, Schwartz a proposé la cellule solaire à contacts arrière, initialement utilisée dans les systèmes à haute concentration. Après des années de développement, le panneau solaire à contacts arrière interdigités (IBC) a été mis au point. Les panneaux/modules solaires IBC sont dépourvus de lignes de grille sur la face avant, ce qui augmente considérablement la surface de réception de la lumière et améliore ainsi leur rendement. Contrairement aux concepts de passivation d'autres cellules en silicium cristallin, telles que… topcon Les modules solaires HJT et IBC améliorent principalement leur rendement de conversion grâce à des modifications structurelles. Les cellules IB (Interdigitated Back Contact), également appelées cellules à contacts arrière interdigités, comportent des électrodes métalliques positives et négatives disposées de manière interdigitée sur leur face arrière. Les cellules IBC sont dépourvues de grille métallique sur leur face avant ; l’émetteur, le champ arrière et les électrodes métalliques positives et négatives correspondantes sont intégrés de manière interdigitée à l’arrière. Cette structure frontale non ombragée élimine complètement les pertes dues à l’ombrage causé par les électrodes de grille, permettant une utilisation optimale de la lumière incidente et améliorant ainsi le rendement et la production d’énergie des cellules.
Caractéristiques structurelles des panneaux solaires IBC
Sur la face arrière d'un substrat de silicium de type N à longue durée de vie, des régions de diffusion alternées P+ et N+ sont formées. La face avant est texturée avec une structure pyramidale pour améliorer l'absorption de la lumière, et un champ de surface avant (FSF) est créé. Cette face avant utilise généralement une couche de passivation et un revêtement antireflet en SiNx. La face arrière utilise des couches ou des empilements de passivation tels que SiO2, AlOx ou SiNx. Enfin, des contacts métalliques sélectifs pour P et N sont formés sur la face arrière.
Types de panneaux solaires IBC
L'une des technologies clés des cellules IBC réside dans la conception de l'électrode arrière, car elle influe non seulement sur les performances de la cellule, mais détermine aussi directement le processus de fabrication des modules IBC. Selon la conception de l'électrode, les cellules IBC peuvent être classées en trois grandes catégories :
- Cellules IBC sans grille
- Cellules IBC à quatre barres omnibus
- Cellules IBC à contact ponctuel
Ces cellules sont dotées de fines lignes de grille imprimées au dos, sans nécessiter de pâte isolante ni de barres omnibus. Comparées aux cellules IBC à barres omnibus, leur fabrication est plus simple et moins coûteuse. Cependant, l'assemblage des modules requiert un équipement spécial et une grande précision, ce qui engendre des coûts supplémentaires.
Ces cellules permettent un assemblage modulaire par brasage conventionnel, avec des exigences de précision moindres et sans équipement spécialisé, ce qui les rend très adaptables. Cependant, leur fabrication nécessite l'impression de pâte isolante et de barres omnibus, ce qui complexifie le processus.
Ces cellules ne nécessitent pas de pâte isolante et les lignes de la grille principale et fine sont imprimées en une seule étape, ce qui simplifie le processus de fabrication. Pour l'assemblage des modules, une feuille métallique est utilisée pour interconnecter les cellules, avec des exigences de précision moindres que pour les cellules sans grille.
Progrès récents dans le module solaire IBC
L'entreprise américaine SunPower a développé trois générations de cellules solaires IBC. La troisième génération, produite en 2014 à partir de plaquettes de silicium CZ de type N, a atteint un rendement maximal de 25,2 %. Selon les rapports, le rendement de production en série de SunPower atteint 25 %, tandis que celui de LG atteint 24,5 %.
En Chine, Trina Solar se consacre à la recherche et au développement de cellules photovoltaïques monocristallines IBC. En mai 2017, l'entreprise a développé de manière indépendante une cellule IBC en silicium monocristallin de type N de grande surface (6 pouces, soit 243,2 cm²) affichant un rendement de 24,13 %. En février 2018, le rendement de cette cellule a été encore amélioré pour atteindre 25,04 %, avec une tension en circuit ouvert de 715,6 mV. Elle a ensuite été testée et certifiée par les Laboratoires japonais de sécurité électrique et de technologies environnementales (JET). C'est la première fois qu'une cellule solaire monocristalline à jonction unique fabriquée en Chine dépasse les 25 % de rendement, certifiée par un organisme tiers. Elle représente également le rendement de conversion le plus élevé au monde pour une cellule solaire monocristalline produite sur un substrat de silicium cristallin de grande surface (6 pouces), marquant ainsi une avancée significative pour Trina dans la recherche sur les technologies photovoltaïques de pointe. 
Développement futur des modules solaires IBC
La technologie HBC (Heterojunction Back Contact), qui combine les technologies IBC et HJ, permet d'améliorer encore le rendement des cellules. Cette méthode utilise du silicium amorphe intrinsèque pour la passivation de surface de la plaquette et forme une hétérojonction à l'arrière à l'aide de films de silicium amorphe de type N et de type P. L'avantage de cette approche réside dans l'exploitation des excellentes propriétés de passivation de surface du silicium amorphe, combinées aux atouts de la structure IBC, qui ne présente aucun ombrage métallique. Avec la même structure de dispositif, un rendement record de 26,6 % a été atteint en 2017. Sa tension en circuit ouvert (Voc) a atteint 0,740 V, sa densité de courant de court-circuit (Jsc) 42,5 mA/cm² et son facteur de remplissage (FF) 84,6 %. Pour les cellules solaires en silicium cristallin, la limite théorique de Jsc est de 43 mA/cm².
Comme illustré sur la figure, la structure de la cellule HBC diffère de celle des cellules IBC traditionnelles : les régions de l’émetteur arrière et du champ de surface arrière (BSF) sont constituées de couches de silicium amorphe p+ et n+, avec une couche de passivation en silicium amorphe intrinsèque insérée dans la zone de contact de l’hétérojonction. L’association des technologies IBC et de passivation au silicium amorphe représente sans aucun doute la voie à suivre pour améliorer l’efficacité des cellules IBC. 
Le défi du module solaire IBC
- Le procédé de fabrication est complexe et nécessite la préparation de zones P et N interdigitées à l'arrière de la cellule, ainsi que la formation de contacts métalliques et de lignes de grille par-dessus. Les étapes clés comprennent le dopage par diffusion, le revêtement de passivation et la métallisation des lignes de grille. De multiples étapes de masquage et de photolithographie sont nécessaires, et l'écart entre les zones P et N doit être extrêmement précis afin d'éviter les fuites, ce qui exige des fabricants de cellules une grande expertise en matière de développement de procédés.
- Le matériau de base présente des exigences élevées, notamment une longue durée de vie des porteurs minoritaires. Les cellules IBC étant des cellules à jonction arrière, une longueur de diffusion plus importante des porteurs minoritaires est nécessaire afin de minimiser, voire d'éviter complètement, la recombinaison des porteurs photogénérés avant qu'ils n'atteignent la jonction pn arrière.
- La complexité du processus de fabrication des cellules IBC engendre des coûts de production nettement supérieurs à ceux des cellules traditionnelles en silicium cristallin. Les cellules PERC classiques ayant déjà atteint un rendement de 23 %, et les cellules TOPCon et HJT pouvant atteindre 24,5 %, le gain de rendement des cellules IBC peine à compenser l'augmentation des coûts, ce qui rend leur compétitivité moins évidente.
