EP4540868A1 - Procédé d'amélioration du rendement de conversion d'une cellule photovoltaïque et équipement associé - Google Patents

Procédé d'amélioration du rendement de conversion d'une cellule photovoltaïque et équipement associé

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Publication number
EP4540868A1
EP4540868A1 EP23732611.1A EP23732611A EP4540868A1 EP 4540868 A1 EP4540868 A1 EP 4540868A1 EP 23732611 A EP23732611 A EP 23732611A EP 4540868 A1 EP4540868 A1 EP 4540868A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
temperature
cell
irradiance
photovoltaic cell
conversion efficiency
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23732611.1A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jordi Veirman
Jean-Sébastien CARON
Pedro JERONIMO
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP4540868A1 publication Critical patent/EP4540868A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F71/00—Manufacture or treatment of devices covered by this subclass
    • H10F71/128—Annealing
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F10/00—Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells
    • H10F10/10—Individual photovoltaic cells, e.g. solar cells having potential barriers
    • H10F10/16—Photovoltaic cells having only PN heterojunction potential barriers
    • H10F10/164—Photovoltaic cells having only PN heterojunction potential barriers comprising heterojunctions with Group IV materials, e.g. ITO/Si or GaAs/SiGe photovoltaic cells
    • H10F10/165—Photovoltaic cells having only PN heterojunction potential barriers comprising heterojunctions with Group IV materials, e.g. ITO/Si or GaAs/SiGe photovoltaic cells the heterojunctions being Group IV-IV heterojunctions, e.g. Si/Ge, SiGe/Si or Si/SiC photovoltaic cells
    • H10F10/166—Photovoltaic cells having only PN heterojunction potential barriers comprising heterojunctions with Group IV materials, e.g. ITO/Si or GaAs/SiGe photovoltaic cells the heterojunctions being Group IV-IV heterojunctions, e.g. Si/Ge, SiGe/Si or Si/SiC photovoltaic cells the Group IV-IV heterojunctions being heterojunctions of crystalline and amorphous materials, e.g. silicon heterojunction [SHJ] photovoltaic cells
    • H—ELECTRICITY
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    • H10F77/16—Material structures, e.g. crystalline structures, film structures or crystal plane orientations
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    • H10F77/166—Amorphous semiconductors
    • H10F77/1662—Amorphous semiconductors including only Group IV materials
    • H10F77/1668—Amorphous semiconductors including only Group IV materials presenting light-induced characteristic variations, e.g. Staebler-Wronski effect

Definitions

  • TITLE METHOD FOR IMPROVING THE CONVERSION EFFICIENCY OF A PHOTOVOLTAIC CELL AND ASSOCIATED EQUIPMENT
  • the technical field of the invention is that of improving the conversion efficiency of a photovoltaic cell, whether the latter is isolated or in a group in a photovoltaic module (or a photovoltaic garland).
  • the present invention relates more particularly to a method for improving the conversion efficiency of a photovoltaic cell and associated equipment. It also relates to a method for improving the conversion efficiency of a plurality of photovoltaic cells interconnected with each other.
  • Photovoltaic cells with high conversion efficiency are known to see their energy conversion efficiency improve under the combined action of illumination and exposure to high temperature. These treatments will be grouped under the name “enhancement treatments”. These effects can be of very diverse natures and can find their origin in an improvement of the substrate of the photovoltaic cell and/or the improvement of the interfaces between the component layers of said photovoltaic cell.
  • Document WO 2020/082131 discloses, for example, a process for improving a silicon substrate in which cooling is carried out actively at a speed of between 10 °C/s and 20 °C/s, while reducing the illumination of the substrate. Cooling is maintained until the substrate reaches a temperature below 150°C.
  • the invention relates to a method for improving the conversion efficiency of a photovoltaic cell, said method comprising the following steps: heating the photovoltaic cell so that its temperature reaches a temperature range [Tm, TM ] called “range of processing temperatures”, said range of processing temperatures extending between a minimum processing temperature Tm and a maximum processing temperature TM, the difference between the maximum processing temperature TM and the minimum processing temperature Tm being below 30°C; treating the photovoltaic cell so as to increase its conversion efficiency by exposing it to electromagnetic radiation, the temperature of the photovoltaic cell being maintained within a treatment temperature range [Tm, TM], the irradiance of the electromagnetic radiation presenting a first substantially constant value, called “treatment irradiance”; cool the photovoltaic cell by means of an active cooling device until the temperature of the photovoltaic cell reaches a temperature, called the “threshold temperature”, at which the absence of exposure no longer has an effect on the conversion efficiency of the photovoltaic cell; the method being
  • Conversion efficiency means the ratio between the electrical power delivered by the photovoltaic cell subjected to radiation and the power of said radiation.
  • Radiation is for example solar radiation, presenting a certain irradiance.
  • irradiance we mean the surface density of light power. It represents the power of electromagnetic radiation received by a unit area.
  • the electromagnetic radiation is preferably directed perpendicular to the surface of the photovoltaic cell.
  • irradiance we also mean the total irradiance of the radiation. This is for example the integral of the spectral irradiance of electromagnetic radiation over a spectral range, extending for example between 300 nm and 1200 nm.
  • substantially constant irradiance value we mean that the irradiance in question varies by less than 10% as a function of time and advantageously by less than 5% as a function of time.
  • the method for improving the conversion efficiency of a photovoltaic cell according to the invention may present one or more complementary characteristics among the following, considered individually or according to all technically possible combinations: the threshold temperature is strictly lower than the processing temperature range [Tm, TM] and preferably at least 10°C away from this range, or even at least 20°C away from this range , or even more preferably, at least 30 ° C from this range; in other words, the threshold temperature is strictly lower than the minimum treatment temperature Tm and lower by at least 10 °C of this minimum treatment temperature Tm (i.e.
  • the threshold temperature T s verifies T s ⁇ Tm - 10 °C), or even lower by at least 20 °C than this minimum treatment temperature Tm, or even more preferred, lower by at least 30 °C of this minimum treatment temperature Tmi the range of treatment temperatures [Tm, TM] extends over less than 20 °C, or even less than 10 °C; in other words the difference between the maximum treatment temperature TM and the minimum treatment temperature Tm is less than 20°C, or even less than 10°C; the cooling irradiance is greater than 1 kW/m 2 , preferably greater than 3 kW/m 2 , and even more preferably greater than 5 kW/m 2 ; the cooling irradiance is strictly greater than the treatment irradiance; the cooling irradiance is constant; the electromagnetic radiation presents, during the cooling step, at least one component comprised in [300 nm; 1200 nm] and advantageously at least a first component included in [300 nm; 550 nm] and at
  • the processing temperature range is greater than 170°C (i.e. Tm > 170°C) and less than 300°C (i.e. TM ⁇ 300 °C) and preferably less than 250 °C (i.e. TM ⁇ 250 °C);
  • the photovoltaic cell is a TOPCon type photovoltaic cell, the processing temperature range is greater than 400 °C (i.e.
  • the invention further relates to equipment for improving the conversion efficiency of a photovoltaic cell, comprising at least one light source, an active cooling device and means configured to carry out the method of improving the efficiency of conversion of a photovoltaic cell according to the invention.
  • the equipment also includes a controller making it possible to control each light source and the cooling device according to a predetermined profile.
  • the radiation source is sized to completely irradiate the photovoltaic module.
  • the equipment comprises a mobile support in translation relative to the light source and configured to transport a group of photovoltaic cells simultaneously.
  • the invention also relates to a method of improving the conversion efficiency of a group of interconnected photovoltaic cells, said method comprising the step of improving the conversion efficiency of each photovoltaic cell of the group of photovoltaic cells by means of the method for improving the conversion efficiency of a photovoltaic cell according to the invention.
  • the step of improving the conversion efficiency of each photovoltaic cell is carried out simultaneously on all the photovoltaic cells of the group of photovoltaic cells.
  • the group of photovoltaic cells is encapsulated in a transparent matrix.
  • FIG. 1 schematically represents an example of a photovoltaic cell such as can be implemented by the invention.
  • FIG. 2 represents an implementation of a method of the invention, allowing the improvement of the conversion efficiency of a photovoltaic cell as represented by [Fig. 1 ],
  • FIG. 3 schematically represents equipment configured to implement the method of [Fig. 2],
  • FIG. 4 represents two examples of implementation of a heating step of the process of [Fig. 2],
  • FIG. 5 schematically represents an example of implementation of another method according to the invention, allowing improvement in the conversion efficiency of a group of photovoltaic cells.
  • a method 1 for improving the conversion efficiency of a photovoltaic cell 2 will now be described. Said method 1 applies to different types of photovoltaic cells. It applies particularly well to a silicon heterojunction cell 2 (SHJ), as represented by [Fig. 1 ], Cell 2 comprises for example a substrate 21 of doped crystalline silicon and two layers of amorphous silicon 22, 23 arranged on either side of the substrate 21. One of the amorphous silicon layers 22, 23 is doped with the same type of conductivity as the substrate 21, for example n-type, and the other layer is doped with the opposite type of conductivity, that is to say with type p.
  • SHJ silicon heterojunction cell 2
  • the heterojunction is formed by the n-doped crystalline silicon substrate 21 and the p-doped amorphous silicon layer, this layer forming the emitter of cell 2.
  • the emitter can be located on the front face or on the rear face of cell 2.
  • the silicon heterojunction cell 2 is particularly sensitive to defects located at the interface between the crystalline silicon substrate 21 and the amorphous silicon layers 22-23. These defects can be dangling bonds, also called “dangling bonds”, or impurities such as metal ions. They introduce energy levels into the silicon bandgap and increase the number of electron-hole recombinations at interfaces, which deteriorates the conversion efficiency of the cell, including in particular the output parameters of the photovoltaic cell, such as the open circuit voltage.
  • the cell 2 can also include a passivation layer 24 of intrinsic hydrogenated amorphous silicon, placed between the substrate 21 and each layer of amorphous silicon 22, 23. It can also be covered with a layer of transparent conductive oxide 25 (or TCO, for “Transparent Conductive Oxide” in English).
  • a passivation layer 24 of intrinsic hydrogenated amorphous silicon placed between the substrate 21 and each layer of amorphous silicon 22, 23. It can also be covered with a layer of transparent conductive oxide 25 (or TCO, for “Transparent Conductive Oxide” in English).
  • the photovoltaic cell 2 can be a so-called “tandem” photovoltaic cell based on perovskite. It comprises, for example, a silicon heterojunction coupled to a perovskite-based junction.
  • the photovoltaic cell 2 can be a so-called “TOPCon” photovoltaic cell for “Tunneling Oxide Passivated Contact” in English.
  • FIG. 2 illustrates an example of implementation of method 1 for improving the conversion efficiency of a silicon heterojunction cell 2.
  • FIG. 2 illustrates more particularly a measurement of the temperature T (reported on the left ordinate) of cell 2 during the course of process 1.
  • T of cell 2 we preferably mean the average temperature of said cell 2.
  • this temperature T is, for example, measured at a point in cell 2 by means of a thermocouple and perhaps does not faithfully represent the average temperature of cell 2.
  • the assumption will be made that the temperature varies little within cell 2 itself.
  • Method 1 is, for example, implemented using equipment 3 as illustrated in [Fig. 3], It may be conventional equipment, such as equipment making it possible to interconnect cells, called a “stringer” in English. Said equipment 3 is however advantageously configured to be able to carry out method 1 according to the invention. It comprises for example at least one light source 32, an active cooling device 34 and a controller 36. The equipment 3 also comprises a mobile support 35 in translation relative to to the light source. This mobile support 35 is called “conveyor 35” in the following.
  • the controller 36 is configured to control the light source 32 and the active cooling device 34 so as to implement the method 1 for improving the conversion efficiency of a photovoltaic cell 2 as described below.
  • the controller 36 is for example configured to control the aforementioned elements, according to a predetermined profile.
  • Said predetermined profile includes for example, as a function of time, the irradiance of each light source 32, the cooling power of the active cooling device 34 or even the translation speed of the conveyor under each light source 32.
  • a cell 2 can be placed on the conveyor 35 of the equipment 3 in order to be processed.
  • the conveyor 35 is sized to support a group of cells 2, interconnected or not, so that they are processed simultaneously.
  • method 1 initially comprises a heating step 11 of cell 2 so that its temperature T reaches a temperature range [Tm; TM] known as the “processing temperature range” or “bonus temperature range”.
  • the range of treatment temperatures is particular in that it extends over less than 30°C. It defines a temperature range in which cell 2 will be maintained during a treatment step.
  • the temperature range advantageously extends to less than 20°C, or even less than 10°C.
  • Heating 11 is carried out so that the net heat flow of cell 2 is positive (from the point of view of cell 2).
  • net heat flow we mean the sum of the heat flows leaving cell 2 and the heat flows entering cell 2.
  • the outgoing heat flows include for example the heat flows evacuated by conductive transfer (with the elements in contact with the cell) and/or convective transfer (for example with ambient air) and/or by radiative transfer (following, for example, the Stefan-Boltzmann law).
  • the incoming heat flows include, for example, heat flows provided by conductive transfer (for example with a hot element in contact with the cell) and/or by radiative transfer (for example at means of electromagnetic radiation E).
  • a positive net heat flow increases the temperature of cell 2.
  • Heating 11 of cell 2 is preferably carried out by exposing cell 2 to electromagnetic radiation E (radiative heat transfer). It can be completed using a hot plate (conductive heat transfer).
  • the irradiance of the radiation presents, in this step, a value, called heating irradiance.
  • the heating irradiance le is constant and equal to 50 kW/m 2 (irradiance values reported on the ordinate to the right in [Fig. 2]).
  • the objective of heating step 11 is to increase, if possible quickly, the temperature T of cell 2 so that it reaches the treatment temperature range [Tm; TM].
  • the heating irradiance is then relatively high, so that the temperature rise time is short.
  • the heating step 11 ends as soon as the temperature T of cell 2 reaches the treatment temperature range [Tm; TM].
  • the rise in temperature during heating step 11 can be very rapid and can cause a brief exceeding of the treatment temperature range, also called “overshoot” in English.
  • This overshoot must be preferably limited because it can strongly impact the thermal budget of cell 2.
  • the overshoot is therefore preferentially weak, or even absent.
  • the presence of an overshoot may be acceptable if it allows a short heating step 11 to be carried out, therefore making it possible to reduce the total duration of the treatment.
  • a criterion can be used to determine whether the temperature of the cell during heating step 11 is controlled. This criterion indicates that the temperature of cell 2 must not exceed the maximum processing temperature for more than a limited time.
  • the heating step 11 is not sufficiently controlled and has too significant an impact on the thermal budget of cell 2.
  • the limiting duration d is advantageously described by d • (T - T M ⁇ 100 °C • s where T M is the upper limit of the processing temperature range.
  • an overshoot of 50°C, during which the temperature of cell 2 reaches 270°C for a range of processing temperatures extending over [210°C; 220 °C] should preferably last less than two seconds.
  • An overshoot at 320°C considering the same range of processing temperatures (i.e. an overshoot of 100°C) should preferably last less than a second.
  • the limiting duration d is preferably described by d • T - T M ⁇ 50°C • s
  • an overshoot of 50°C should preferably last less than one second and an overshoot of 100°C should preferably last less than 0.5 s.
  • the time limit is advantageously considered over the entire heating step 11. It therefore corresponds to the sum of the durations of several overshoots.
  • the temperature of cell 2 must preferably not exceed a critical temperature beyond which the cell suffers rapid and irreversible damage.
  • the critical temperature of a silicon heterojunction cell is, for example, 300°C.
  • the critical temperature of a tandem cell is for example 200°C (a priori tandem cells are not able to withstand an overshoot).
  • the critical temperature of a TOPCon cell is for example 600°C.
  • heating step 11 can end; a brief moment, before the temperature T of cell 2 reaches the processing temperature range [Tm; TM]. However, it ends early while still taking into account the thermal inertia of cell 2 (and advantageously also the thermal inertia of the environment of cell 2) and the irradiance of the radiation E during the next step (processing step). In this way, the temperature T of cell 2 reaches the processing temperature range while minimizing the chance of observing an overshoot.
  • the electromagnetic radiation E used during the heating step 11 is emitted by the light source 32.
  • the cell 2 is advantageously oriented so that it presents one of its faces to the light source 31 and preferably so that the electromagnetic radiation E is perpendicular to this face.
  • Method 1 comprises, consecutively, a processing step 12 of cell 2.
  • Treatment 12 of cell 2 is carried out by exposing the latter to electromagnetic radiation E.
  • the latter has an irradiance IT, called “treatment irradiance” or “bonus irradiance”, preferably lower than the heating irradiance.
  • the electromagnetic radiation E used in this step advantageously comes from the same light source 32 as that used during the heating step. However, it can come from another light source.
  • the treatment irradiance IT is chosen to increase the conversion efficiency of cell 2. In the example given, the treatment irradiance IT is substantially constant and equal to 9.5 kW/m 2
  • Silicon heterojunction cells 2 are known to see their energy conversion efficiency improve by approximately 0.3% absolute under the combined action of illumination and temperature. This so-called “enhancement” phenomenon results, for example, from the improvement of at least one of the passivation layers 24 in hydrogenated amorphous silicon and/or from the improvement of the interfaces between the amorphous silicon layers 22, 23 and the TCO 25 layers. The enhancement can also improve the TCO 25 layer itself.
  • the same principle is applicable to other types of cells, such as a tandem cell or a TOPCon cell.
  • the processing temperature range may be different.
  • the treatment irradiance IT is also chosen so that the temperature of cell 2 is maintained in the temperature range [Tm; TM] during this step.
  • the processing temperature range for a silicon heterojunction cell is advantageously above 170°C. It is advantageously less than 300°C when the treatment time is short (for example much less than 15 s). Apart from a short treatment time, the temperature range is preferably below 250°C.
  • the range of treatment temperatures for a tandem cell is advantageously greater than 100° C. and advantageously less than 160.
  • For a TOPCon cell it is advantageously greater than 400 °C and advantageously less than 600 °C.
  • the range of treatment temperatures considered is advantageously reduced and less than or equal to 30° C. (or even less). In this way, the temperature of cell 2 is approximately constant and process 1 is carried out in a controlled and reproducible manner.
  • the treatment irradiance IT is for example chosen so that the net heat flow of cell 2 is low or zero during the duration of the treatment step 12.
  • the incoming heat flow depends at least on the heat provided by electromagnetic radiation E of irradiance IT.
  • a zero net heat flow makes it possible to maintain the thermal balance of cell 2 for the duration of the treatment. It can be difficult to achieve perfect balance (i.e. perfectly zero heat flow).
  • the net heat flow is then advantageously low enough so that the temperature of cell 2 remains in the treatment range [Tm; TM] for the duration of processing step 12.
  • Method 1 then comprises a step of cooling 13 of cell 2. Cooling 13 of cell 2 is carried out so as to freeze the increase in the conversion efficiency of cell 2 obtained during the processing step. 12. It is carried out in particular until the temperature of cell 2 is less than or equal to a temperature Ts, called the “threshold temperature”. At a temperature below the threshold temperature Ts, the absence of exposure to electromagnetic radiation no longer has any effect on the conversion efficiency of the cell 2.
  • the threshold temperature Ts is, in this example of a silicon heterojunction cell, equal to 150°C (i.e. 60°C from the processing range).
  • cooling irradiance an IR irradiance, during this stage, called “cooling irradiance”.
  • thermal inertia can be observable, during which the cell 2 maintains a temperature T substantially constant and within the processing temperature range.
  • the observable thermal inertia may include the thermal inertia specific to cell 2 and/or a thermal inertia of the cooling device 34 (which may have a non-negligible start-up time).
  • the end of the processing step 12 and the start of the cooling step 13 then advantageously coincide with the moment when the control instructions are sent to the different instruments (such as the light source 32 or the cooling device 34). .
  • the start-up inertia of the light source 32 is generally zero and the gross change in irradiance can then materialize the change of stage.
  • the E radiation can be emitted by a different light source as long as the cooling irradiance satisfies the aforementioned conditions (irradiance and orientation in particular). However, it is more advantageous for the E radiation to come from the same source as that used during treatment 12. Indeed, it is preferable for the exposure to said E radiation to be maintained, without a drop in exposure (which can be observed when switching from one source to another) at the risk of observing a reduction in conversion efficiency.
  • the cooling irradiance IR is chosen so that it does not compensate for the heat flow leaving cell 2 during the cooling step.
  • the net heat flow is then negative (from the point of view of cell 2, in other words, the outgoing heat flows exceed the incoming heat flows).
  • the cooling 13 (that is to say the negative net heat flow) is for example made possible by the implementation of the active cooling device 34 which allows, despite the heat provided by the IR cooling irradiance, to lower the temperature of cell 2 to the threshold temperature Ts.
  • the active cooling device 34 can implement heat transfer by conduction and/or convection. In the first case, it may be a plate (called a “chuck” in English), regulated in temperature.
  • blower configured to create an air flow 340 sweeping one side of the cell 2 (preferably the side exposed to radiation E). The rate of air flow is then adjusted (for example by means of controller 36) to remove the heat necessary for cooling.
  • Another way to define the end of the treatment step 12 and the start of the cooling step 13 is to observe the change in sign of the net heat flow.
  • the start of cooling stage 13 corresponds to the moment when the net heat flow becomes negative.
  • the cooling irradiance IR is greater than or equal to the treatment irradiance IT.
  • the cooling irradiance IR is in this case constant and strictly greater than the treatment irradiance IT and equal to 20 kW/m 2
  • the cooling irradiance IR could, depending on one mode of implementation, present a non-constant irradiance, for example increasing or decreasing, while being greater than or equal to the IT treatment irradiance.
  • the exposure of cell 2 to electromagnetic radiation E is advantageously interrupted.
  • the cooling device 34 can then also be interrupted. However, it is preferable that the active cooling device 34 continues to operate until the temperature of cell 2 reaches a temperature well below the threshold temperature Ts, for example ambient temperature.
  • the threshold temperature Ts varies depending on the cell types.
  • the threshold temperature Ts of a tandem cell is less than or equal to 70°C.
  • the threshold temperature Ts is less than or equal to 400 °C.
  • the threshold temperature Ts is less than or equal to 160 °C.
  • the duration of the process (heating 11, treatment 12 and cooling 13 steps) is 7.5 s.
  • the method therefore makes it possible to improve the conversion efficiency of cell 2 and freeze said improvement in a time well below 60 s or even less than 15 s.
  • the improvement process as such is therefore compatible with an industrial rate (a duration of less than 60 s being an upper limit and a duration of between 15 s and 20 s being a frequent upper limit).
  • method 1 makes it possible to quickly improve a cell 2, the cooling speed is on the other hand not a constraint of method 1.
  • the methods of the prior art offer solutions for rapidly cooling the cell at improve, thus minimizing the loss of gain.
  • method 1 according to the invention proposes to continue the heat treatment of cell 2 until the temperature of cell 2 freezes its state (and therefore improves the conversion efficiency). Cooling step 13 can therefore be carried out slowly, as long as it maintains the exposure of cell 2 to electromagnetic radiation when its temperature is higher than its threshold temperature Ts. Slow cooling may be necessary when the thermal stresses in cell 2 during rapid cooling are too great. This is for example the case for a cell in a photovoltaic module or a photovoltaic chain.
  • the cooling irradiance IR has a sufficient impact on the conversion efficiency, it is advantageously chosen greater than 1 kW/m 2
  • the irradiance of IR cooling is therefore preferably greater than 3 kW/m 2 and even more preferably, greater than 5 kW/m 2 .
  • the active cooling device 34 is dimensioned as a function of the cooling irradiance IR so that the net heat flow for cell 2 is outgoing.
  • the active cooling device is more important when the IR cooling irradiance is high, the difference between the processing temperature range and the threshold temperature is high, and the targeted cooling duration is short.
  • the cooling irradiance IR can be chosen strictly greater than the treatment irradiance IT without this having a negative impact on the cell 2 (since its temperature decreases and moves away from critical temperatures at which it can be damaged). In this way, the IR cooling irradiance can be high, making it possible to maintain, or even further improve, the increase in conversion efficiency.
  • [0079] illustrates an example of the improvement (named “gain” in the table) of the conversion efficiency obtained with five silicon heterojunction cells, after the implementation of method 1 according to the invention and after the implementation of a process of the prior art.
  • the IT treatment irradiance considered is 9.5 kW/m 2 .
  • the heating irradiance considered is 50 kW/m 2 . According to both methods, the cells are heated for 1.5 s and then treated for 1 s.
  • the two processes differ in that the process according to the invention comprises a cooling step 13 as described previously (cooling irradiance of 20 kW/m 2 until the temperature of the cell reaches 160 ° C after 'approximately 5 s) and in that the method according to the prior art comprises a cooling step without illumination and at a cooling speed of 10 ° C/s (i.e. rapid cooling in the dark as suggested by document WO 2020/082131).
  • Each process is implemented on a group of five silicon heterojunction cells. Each group of five cells shows an almost identical initial conversion efficiency (within 0.1%).
  • the first group, having undergone the process according to the prior art sees a gain in its conversion efficiency of less than 0.3% absolute.
  • the second group having undergone the process according to the invention, sees a gain in its conversion efficiency greater than 0.4% absolute.
  • the electromagnetic radiation E can have at least one component comprised in [300 nm; 1200 nm], Indeed, this spectral window offers the best enhancement efficiency. Below 300 nm, E radiation is too energetic and can damage cell 2. In addition, absorption is mainly carried out on the surface and therefore does not allow effective treatment in the thickness of cell 2. Beyond of 1200 nm, the absorption of electromagnetic radiation E is low and considerably extends the minimum cooling time. It is therefore advantageous for the electromagnetic radiation E to include at least one component between [300 nm; 1200 nm], or even extends substantially over this spectral range.
  • the electromagnetic radiation E comprises at least two components. At least one first component included in the range [300 m; 550 nm], called the “blue” range and at least a second component included in the range [800 nm; 1200 nm], called the “infrared” range or “IR” for “infrared” in English.
  • the combination of these two ranges allows you to benefit from the advantages of each range.
  • Each component in the blue range is efficiently absorbed on the surface and therefore makes it possible to effectively improve the conversion efficiency (in particular via improving the stacking of the layers on the surface of cell 2).
  • Each component in the IR range is absorbed over the entire thickness of cell 2 and makes it possible to homogenize the improvement in efficiency in cell 2.
  • the electromagnetic radiation E used comprises a first component at 455 nm and a second component at 940 nm.
  • the irradiance of the second component represents 70% of the total irradiance of electromagnetic radiation.
  • the irradiance of the first component represents 30% of this total irradiance.
  • the threshold temperature Ts plays an important role in the successful performance of process 1. Indeed, a poor evaluation of this temperature can involve a premature stopping of the electromagnetic radiation E and therefore a reduction in the improvement in the conversion efficiency.
  • method 1 can advantageously comprise a preliminary step of estimating the threshold temperature Ts of cell 2. By estimate, we mean that the threshold temperature Ts is not measured directly on cell 2 but determined by means of measurements obtained on cells with equivalent characteristics.
  • control cells having properties close to cell 2 which must be improved (which we will call “cell to improve”).
  • the properties that can influence the threshold temperature Ts of a cell are generally the state of the layers composing said cell as well as the state of the interfaces between these layers. It is therefore wise for the control cells to be obtained using the same process as that used to obtain cell 2 to be improved.
  • the deposition or growth processes of the different layers are for example carried out under the same conditions and from the same materials.
  • Each control cell of the plurality of control cells undergoes a treatment process which can be compared to the heating 11, treatment 12 and cooling 13 steps as described above.
  • the treatment method differs from the method according to the invention in that exposure to electromagnetic radiation is stopped arbitrarily, during cooling, for different temperatures, called stop temperatures.
  • the conversion efficiency of each witness cell is then determined, for example, by measuring the open circuit voltage of each witness cell.
  • the conversion efficiencies obtained before and after the treatment are compared based on the shutdown temperatures.
  • a first part of the control cells can show an improvement in the conversion efficiency which is substantially equal (for example to within 20%) and maximum.
  • another part of the control cells may show a lower or no improvement in yield, or even a negative one.
  • the control cells whose exposure to electromagnetic radiation was stopped while their temperatures were still higher than the threshold temperature Ts (which is to be determined) are those showing the poorest gains in conversion efficiency.
  • the control cells whose exposure to electromagnetic radiation was stopped while their temperatures were below the threshold temperature Ts (which is to be determined) are those showing the best gains in conversion efficiency.
  • a shutdown temperature associated with a high efficiency gain can be considered as the threshold temperature Ts estimated to improve cell 2.
  • the threshold temperature Ts can also be estimated by an interpolation between the measured conversion efficiency gains and the temperatures d associated stop.
  • each control cell of the plurality of control cells undergoes exposure to high irradiance, for example 10 kW/m 2 , for approximately one minute, while maintaining the temperature of each cell at 200 °C.
  • the control cells are stored at different constant temperatures, for example between 100°C and 300°C. This can for example be achieved by placing the cells on supports heated to the desired temperatures for at least 30 s. A measurement of the conversion efficiency of each cell makes it possible to determine the cell(s) for which the efficiency gain is acceptable as well as the desired storage temperatures. The threshold temperature is then the lowest storage temperature.
  • the active cooling device 34 can also be implemented during the processing step 12 (as long as the net heat flow is low or even zero). Said device 34 thus makes it possible to contribute to the regulation of the temperature of cell 2 during its exposure to electromagnetic radiation E. In this way, the temperature T of cell 2 can be maintained more robustly in the temperature range of treatment. The advantage is to be able to use a higher IT treatment irradiance than in the absence of thermal regulation, making it possible to accelerate or increase the improvement in conversion efficiency. [0090] In the absence of the active cooling device 34 during the treatment step 12, the treatment irradiance IT is advantageously chosen so that the temperature T of the cell 2 remains in the treatment temperature range [ Tm; TM]. The treatment irradiance IT is advantageously less than 100 kW/m 2 and even more advantageously less than 50 kW/m 2 . The IT treatment irradiance can strongly depend on the type of cell 2 to be improved.
  • the treatment irradiance IT is preferably included in [7 kW/m 2 ; 10 kW/m 2 ].
  • a silicon heterojunction cell 2 must preferably maintain a temperature below 300°C or even below 250°C.
  • the treatment irradiance IT is preferably included in [3 kW/m 2 ; 5 kW/m 2 ].
  • the treatment temperature range for a TOPCon cell must be less than 600°C.
  • the IT treatment irradiance can therefore, in this case, be less than 100 kW/m 2 and for example close to 50 kW/m 2
  • the electromagnetic radiation E can also present, during processing step 12, at least one component included in the range [300 nm; 1200 nm] and advantageously at least one component in the blue range and at least one component in the IR range. This can also be the case during heating step 11.
  • FIG. 4 illustrates, for example, a measurement of the temperature T of a silicon heterojunction cell 2 as a function of time t, during two executions of the heating step 11. The two realizations differ from each other by the heating irradiance used. In a first case (squares in [Fig. 4]), the heating irradiance le is 48 kW/m 2 In a second case (circles in [Fig. 4]), the heating irradiance le is halved and equal to 24 kW/m 2 .
  • the heating step 11 then advantageously ends at the end of this duration T.
  • the rise in temperature of cell 2 to the final temperature Tf of 180°C is carried out in 7 s.
  • Reducing the duration of heating step 11 amounts to minimizing the area between the ordinate in [Fig. 4] and the temperature curve T.
  • reducing the duration amounts to minimizing the following quantity where Tf is the final temperature of cell 2 at the end of heating step 11, 7; is the initial temperature of cell 2 and T is the duration of heating step 11 (in [Fig. 4], T is illustrated for an associated irradiance equal to 48 kW/m 2 ).
  • Minimizing this quantity amounts, approximately, to minimizing the area of the triangle formed by the ordinate of [Fig. 4] and the rising edge of the temperature curve. In other words, the quantity to be minimized can be approximated by where R is the heating rate in °C/s.
  • the heating irradiance le is then advantageously greater than 10 kW/m 2 .
  • a heating irradiance greater than 30 kW/m 2 makes it possible to raise the temperature of a silicon heterojunction cell in less than 4 s.
  • a heating irradiance greater than 50 kW/m 2 makes it possible to raise the temperature of the same cell in less than 2 s.
  • the heating irradiance is advantageously substantially constant in order to provide maximum energy in a minimum of time.
  • the invention also relates to a method 4 for improving the conversion efficiency of a group of cells 2.
  • the group is particular in that the cells 2 are interconnected two by two. These are, for example, cells 2 within a photovoltaic garland (called a “string” in English) or within a photovoltaic module. In the latter case, the cells 2 can be encapsulated in a transparent matrix, intended to protect the cells from the external environment (such as air or humidity) and/or arranged between two protective plates, for example in glass, intended to ensure mechanical strength of the whole.
  • the group of cells 2 can also include a backsheet.
  • the transparent matrix and/or the protective plates can increase the thermal inertia of the cells 2, because they can also contribute to the thermal insulation of the latter. This may result in a reduction in the conversion yield when these cells are treated according to a process of the prior art. Indeed, the cells are likely to stay longer at a high temperature without being exposed to electromagnetic radiation (or not sufficiently exposed) at the end of illumination.
  • Method 4 offers a solution to this problem in that it includes a step 40 of improving the conversion efficiency of each cell 1 of the group of cells.
  • the improvement step includes carrying out method 1 for improving the conversion efficiency of a cell 2 as described previously on each cell 2 of the group of cells. Thanks to the active cooling device 34, exposure to electromagnetic radiation can be maintained until the cells 2 reach the threshold temperature Ts. This mode of implementation echoes the slow cooling discussed previously.
  • the improvement method 1 advantageously applies simultaneously to all the cells 2 of the group. In this way, even if the cooling is slow (for example because of the thermal inertia caused by the transparent matrix and/or the protective plates and/or the backsheet), the number of cells processed in parallel makes it compatible process 4 with an industrial rate.
  • Equipment 3 illustrated by [Fig. 3] can advantageously be configured to carry out the improvement process on the cell group 2. It is sufficient, for example, that the entire group can be placed under the light source 32 and under the blower 34.

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Abstract

L'invention concerne un procédé (1) d'amélioration du rendement de conversion d'une cellule photovoltaïque comprenant les étapes de : - traiter (12) la cellule en l'exposant à un rayonnement électromagnétique présentant une irradiance de traitement (IT); et - refroidir (13) la cellule jusqu'à ce que sa température (T) atteigne une température seuil (TS), l'exposition de la cellule au rayonnement électromagnétique étant maintenue et l'irradiance de refroidissement du rayonnement électromagnétique (IR) étant supérieure ou égale à l'irradiance de traitement (IT).

Description

DESCRIPTION
TITRE : PROCÉDÉ D’AMÉLIORATION DU RENDEMENT DE CONVERSION D’UNE CELLULE PHOTOVOLTAÏQUE ET ÉQUIPEMENT ASSOCIÉ
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
[0001] Le domaine technique de l’invention est celui de l’amélioration du rendement de conversion d’une cellule photovoltaïque, que cette dernière soit isolée ou en groupe dans un module photovoltaïque (ou une guirlande photovoltaïque).
[0002] La présente invention concerne plus particulièrement un procédé d’amélioration du rendement de conversion d’une cellule photovoltaïque et un équipement associé. Elle concerne également un procédé d’amélioration du rendement de conversion d’une pluralité de cellules photovoltaïques interconnectées entre elles.
ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
[0003] Les cellules photovoltaïques à haut rendement de conversion sont connues pour voir leur rendement de conversion énergétique s’améliorer sous l’action conjuguée d’un éclairement et d’une exposition à haute température. Ces traitements seront regroupés sous l’appellation « traitements de bonification ». Ces effets peuvent être de natures très diverses et peuvent trouver leur origine dans une amélioration du substrat de la cellule photovoltaïque et/ou de l’amélioration des interfaces entre les couches composants ladite cellule photovoltaïque.
[0004] Malgré la diversité des mécanismes physiques à l’origine de ces effets, il est remarquable de noter que les développements récents des traitements de bonification permettent aujourd’hui d’envisager des traitements de l’ordre de la dizaine de secondes, permettant d’atteindre une cadence de traitement industrielle. Néanmoins, le gain de bonification offert par ces traitements de bonification courts est généralement incomplet, c’est-à-dire en deçà d’un gain maximum atteignable avec des traitements de bonification plus longs.
[0005] Dans ce contexte, il existe un besoin d’améliorer le gain de bonification tout en maintenant une cadence industrielle.
[0006] Une des raisons de cette réduction de gain de bonification est la création de défauts dans le substrat et/ou les couches d’une cellule lorsque celle-ci est maintenue à haute température « dans le noir », c’est à dire sans illumination de traitement. C’est notamment le cas à la fin du traitement de bonification, lorsque l’illumination est arrêtée mais que la cellule traitée reste chaude.
[0007] Parmi les solutions offertes, il est connu de réduire le temps nécessaire au refroidissement de la cellule en l’absence d’illumination. Le document WO 2020/082131 divulgue par exemple un procédé de bonification d’un substrat de silicium dans lequel le refroidissement est réalisé de manière active à une vitesse comprise entre 10 °C/s et 20 °C/s, tout en réduisant l’illumination du substrat. Le refroidissement est conservé jusqu’à ce que le substrat atteigne une température inférieure à 150 °C.
[0008] Toutefois, cette solution n’offre pas les résultats escomptés. En effet, même un bref temps de séjour à une température élevée (comprise entre 150 °C et 200 °C), sans illumination ou avec une illumination trop faible, peut impacter le gain acquis.
[0009] Il existe donc un besoin de figer efficacement l’effet de la bonification en fin de procédé.
RÉSUMÉ DE L’INVENTION
[0010] Pour cela, l’invention concerne un procédé d’amélioration du rendement de conversion d’une cellule photovoltaïque, ledit procédé comprenant les étapes suivantes : chauffer la cellule photovoltaïque de sorte que sa température atteigne une gamme de températures [Tm, TM] dite « gamme de températures de traitement », ladite gamme de températures de traitement s’étendant entre une température minimale de traitement Tm et une température maximale de traitement TM, la différence entre la température maximale de traitement TM et la température minimale de traitement Tm étant inférieure à 30 °C ; traiter la cellule photovoltaïque de manière à augmenter son rendement de conversion en l’exposant à un rayonnement électromagnétique, la température de la cellule photovoltaïque étant maintenue dans une la gamme de températures de traitement [Tm, TM], l’irradiance du rayonnement électromagnétique présentant une première valeur sensiblement constante, dite « irradiance de traitement » ; refroidir la cellule photovoltaïque au moyen d’un dispositif de refroidissement actif jusqu’à ce que la température de la cellule photovoltaïque atteigne une température, dite « température seuil », à laquelle l’absence d’exposition n’a plus d’effet sur le rendement de conversion de la cellule photovoltaïque ; le procédé étant remarquable en ce que l’exposition de la cellule photovoltaïque au rayonnement électromagnétique est maintenue jusqu’à ce qu’à la fin de l’étape de refroidissement et en ce que l’irradiance du rayonnement électromagnétique lors de l’étape de refroidissement présente une deuxième valeur dite « irradiance de refroidissement » et en ce que l’irradiance de refroidissement est supérieure ou égale à l’irradiance de traitement.
[0011] Par rendement de conversion, on entend le rapport entre la puissance électrique délivrée par la cellule photovoltaïque soumise à un rayonnement et la puissance dudit rayonnement. Le rayonnement est par exemple le rayonnement solaire, présentant une certaine irradiance.
[0012] Par irradiance, on entend la densité surfacique de puissance lumineuse. Elle représente la puissance du rayonnement électromagnétique reçue par une unité de surface. Le rayonnement électromagnétique est de préférence dirigé perpendiculairement à la surface de la cellule photovoltaïque.
[0013] Par irradiance, on entend d’ailleurs l’irradiance totale du rayonnement. Il s’agit par exemple de l’intégrale de l’irradiance spectrale du rayonnement électromagnétique sur une gamme spectrale, s’étendant par exemple entre 300 nm et 1200 nm.
[0014] Par valeur d’irradiance sensiblement constante, on entend que l’irradiance en question varie de moins de 10 % en fonction du temps et avantageusement de moins de 5 % en fonction du temps.
[0015] Par augmentation ou amélioration du rendement de conversion, on entend augmenter la puissance électrique délivrée par la cellule photovoltaïque pour une irradiance reçue et une température donnée (l’irradiance reçue dépend d’une l’irradiance spectrale). L’augmentation ou l’amélioration du rendement de conversion revient à augmenter les paramètres de sorties de la cellule photovoltaïque tels que la tension en circuit ouvert et/ou le courant de court-circuit de la cellule photovoltaïque et/ou le facteur de forme de la cellule photovoltaïque.
[0016] Par effet sur le rendement de conversion, on entend l’exposition ou non de la cellule photovoltaïque à un rayonnement électromagnétique n’influence pas le rendement de conversion de la cellule photovoltaïque, que ce soit positivement ou négativement. En d’autres termes, l’arrêt de l’exposition de la cellule photovoltaïque à un rayonnement électromagnétique ne modifie pas les paramètres de sorties de la cellule photovoltaïque telle que sa tension en circuit ouvert et/ou son courant de court- circuit.
[0017] Par température de la cellule photovoltaïque, on entend sa température moyenne.
[0018] Le maintien de l’exposition à un rayonnement électromagnétique lors du refroidissement, avec une irradiance au moins égale à l’irradiance de traitement, permet de conserver l’augmentation du rendement de conversion, dit « gain de bonification », offert par le traitement de la cellule. Dès lors que la cellule photovoltaïque atteint la température seuil, l’exposition au rayonnement électromagnétique peut être arrêtée, permettant de conserver le gain de bonification. En effet, pour une température inférieure à la température seuil, le gain de bonification est figé. Le dispositif de refroidissement actif permet de réduire la température de la cellule photovoltaïque malgré l’augmentation de l’irradiance du rayonnement électromagnétique.
[0019] Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, le procédé d’amélioration du rendement de conversion d’une cellule photovoltaïque selon l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : la température seuil est strictement inférieure à la gamme de températures de traitement [Tm, TM] et préférentiellement distante d’au moins 10 °C de cette gamme, voire distante d’au moins 20 °C de cette gamme, voire de manière encore préférée, distante d’au moins 30 °C de cette gamme ; autrement dit, la température seuil est strictement inférieure à la température minimale de traitement Tm et inférieure d’au moins 10 °C de cette température minimale de traitement Tm (c’est à dire que la température seuil Ts vérifie Ts < Tm - 10 °C), voire inférieure d’au moins 20 °C de cette température minimale de traitement Tm, voire de manière encore préférée, inférieure d’au moins 30 °C de cette température minimale de traitement Tmi la gamme de températures de traitement [Tm, TM] s’étend sur moins de 20 °C, voire sur moins de 10 °C ; autrement dit la différence entre la température maximale de traitement TM et la température minimale de traitement Tm est inférieure à 20 °C, voire inférieure à 10 °C ; l’irradiance de refroidissement est supérieure à 1 kW/m2, préférentiellement supérieure à 3 kW/m2, et encore préférentiellement supérieure à 5 kW/m2 ; l’irradiance de refroidissement est strictement supérieure à l’irradiance de traitement ; l’irradiance de refroidissement est constante ; le rayonnement électromagnétique présente, lors de l’étape de refroidissement, au moins une composante comprise dans [300 nm ; 1200 nm] et avantageusement au moins une première composante comprise dans [300 nm ; 550 nm] et au moins une deuxième composante comprise dans [800 nm ; 1200 nm] ; le procédé comprend une étape d’estimation de la température seuil, déterminée au moyen de mesures de rendements de conversion obtenues sur au moins une cellule photovoltaïque, dite « cellule témoin », ayant subie une étape de traitement et une étape de refroidissement durant laquelle l’exposition au rayonnement électromagnétique est interrompue lorsque ladite cellule photovoltaïque atteint une température arbitraire ; le procédé comprend une étape d’estimation de la température seuil, déterminée au moyen de mesures de rendements de conversion obtenues sur au moins une cellule photovoltaïque, dite « cellule témoin », en fonction d’une vitesse de refroidissement sans illumination ; la durée totale de l’étape de traitement et de l’étape de refroidissement est inférieure à 60 s, voire inférieure à 15 s ; le dispositif de refroidissement actif est basé sur le transfert de chaleur par convection et/ou par conduction ; le dispositif de refroidissement actif est basé sur la convection d’un écoulement d’air ; le maintien de la température de la cellule photovoltaïque dans la gamme de températures de traitement [Tm, TM], par exemple pendant l’étape de traitement, est obtenue au moyen du rayonnement électromagnétique et du dispositif de refroidissement actif ; en l’absence du dispositif de refroidissement actif lors de l’étape de traitement, l’irradiance de traitement est inférieure à 100 kW/m2 et préférentiellement inférieure à 50 kW/m2, préférentiellement comprise dans [3 kW/m2 ; 5 kW/m2] lorsque la cellule photovoltaïque est une cellule photovoltaïque de type « tandem à base de pérovskite », préférentiellement comprise dans [7 kW/m2 ; 10 kW/m2] lorsque la cellule photovoltaïque est une cellule photovoltaïque à hétérojonction de silicium, et inférieure à 100 kW/m2, et préférentiellement inférieure à 50 kW/m2, lorsque la cellule photovoltaïque est une cellule photovoltaïque de type « TOPCon » ; le rayonnement électromagnétique présente, lors de l’étape de traitement, au moins une composante comprise dans [300 nm ; 1200 nm] et avantageusement au moins une première composante comprise dans [300 m ; 550 nm] et au moins une deuxième composante comprise dans [800 nm ; 1200 nm] ; l’étape de chauffage est avantageusement configurée pour minimiser la quantité suivante : 1 - où Tf est la température finale de la cellule photovoltaïque à la fin de l’étape de chauffe, comprise dans la gamme de températures de traitement [Tm, TM], Tt est la température initiale de la cellule photovoltaïque lors de l’exécution de l’étape de chauffe et T est le durée de l’étape de chauffe ; lorsque la cellule photovoltaïque est une cellule photovoltaïque de type tandem à base de pérovskite, la gamme de températures de traitement [Tm, TM] est supérieure à 100 °C (c’est à dire Tm > 100 °C) et inférieure à 200 °C (c’est à dire TM < 200 °C) et préférentiellement inférieure à 150 °C (autrement dire TM < 150 °C) ; lorsque la cellule photovoltaïque est une cellule photovoltaïque à hétérojonction de silicium, la gamme de températures de traitement est supérieure à 170 °C (c’est à dire Tm > 170 °C) et inférieure à 300 °C (c’est à dire TM < 300 °C) et préférentiellement inférieure à 250 °C (c’est à dire TM < 250 °C) ; lorsque la cellule photovoltaïque est une cellule photovoltaïque de type TOPCon, la gamme de températures de traitement est supérieure à 400 °C (c’est à dire Tm > 400 °C) et inférieure à 600 °C (c’est à dire TM < 600 °C) ; minimiser la quantité 1 - comprend la minimisation de la quantité (rf - T^/ R OÙ R est la vitesse de chauffe en °C/s ; lors de l’étape de chauffe, la cellule photovoltaïque est exposée au rayonnement électromagnétique, l’irradiance du rayonnement électromagnétique présentant une troisième valeur, dite « irradiance de chauffe », avantageusement strictement supérieure à l’irradiance de refroidissement et préférentiellement supérieure à 10 kW/m2, avantageusement supérieure à 30 kW/m2 et encore plus avantageusement supérieure à 50 kW/m2 ; le rayonnement électromagnétique présente, lors de l’étape de chauffe, au moins une composante comprise dans [300 nm ; 1200 nm] et avantageusement une première composante comprise dans [300 nm ; 550 nm] et une deuxième composante comprise dans [800 nm ; 1200 nm] ; la température de la cellule photovoltaïque lors de l’étape de chauffe est contrôlée de sorte qu’elle soit supérieure à la gamme de températures de traitement [Tm ; TM] moins d’une durée limite ; la durée limite satisfaisant max • (T ~ TM) < 100 °C • s où dmax est la durée limite, T est la température de la cellule photovoltaïque et TM est la température de traitement maximale. [0020] L’invention concerne en outre un équipement d’amélioration du rendement de conversion d’une cellule photovoltaïque, comprenant au moins une source lumineuse, un dispositif de refroidissement actif et des moyens configurés pour réaliser le procédé d’amélioration du rendement de conversion d’une cellule photovoltaïque selon l’invention.
[0021] Avantageusement, l’équipement comprend également un contrôleur permettant de piloter chaque source lumineuse et le dispositif de refroidissement en fonction d’un profil prédéterminé.
[0022] Avantageusement, la source de rayonnement est dimensionnée pour irradier entièrement le module photovoltaïque.
[0023] Encore avantageusement, l’équipement comprend un support mobile en translation par rapport à la source lumineuse et configuré pour transporter un groupe de cellules photovoltaïques simultanément.
[0024] L’invention concerne également un procédé d’amélioration du rendement de conversion d’un groupe de cellules photovoltaïques interconnectées, ledit procédé comprenant l’étape d’améliorer le rendement de conversion de chaque cellule photovoltaïque du groupe de cellules photovoltaïques au moyen du procédé d’amélioration du rendement de conversion d’une cellule photovoltaïque selon l’invention.
[0025] Avantageusement, l’étape d’amélioration du rendement de conversion de chaque cellule photovoltaïque est réalisée simultanément sur toutes les cellules photovoltaïques du groupe de cellules photovoltaïques.
[0026] Avantageusement, le groupe de cellules photovoltaïques est encapsulé dans une matrice transparente.
[0027] L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent.
BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
[0028] Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention. Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique. [0029] La [Fig. 1 ] représente schématiquement un exemple de cellule photovoltaïque telle que pouvant être mise en œuvre par l’invention.
[0030] La [Fig. 2] représente une mise en œuvre d’un procédé de l’invention, permettant l’amélioration du rendement de conversion d’une cellule photovoltaïque telle représentée par la [Fig. 1 ],
[0031] La [Fig. 3] représente schématiquement un équipement configuré pour mettre en œuvre le procédé de la [Fig. 2],
[0032] La [Fig. 4] représente deux exemples de mise en œuvre d’une étape de chauffe du procédé de la [Fig. 2],
[0033] La [Fig. 5] représente schématiquement un exemple de mise en œuvre d’un autre procédé selon l’invention, permettant l’amélioration du rendement de conversion d’un groupe de cellules photovoltaïques.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE
[0034] Un procédé 1 d’amélioration du rendement de conversion d’une cellule photovoltaïque 2 va maintenant être décrit. Ledit procédé 1 s’applique à différents types de cellules photovoltaïques. Il s’applique particulièrement bien à une cellule 2 à hétérojonction de silicium (SHJ), telle que représentée par la [Fig. 1 ], La cellule 2 comprend par exemple un substrat 21 en silicium cristallin dopé et deux couches de silicium amorphe 22, 23 disposées de part et d'autre du substrat 21 . L’une des couches de silicium amorphe 22, 23 est dopée du même type de conductivité que le substrat 21 , par exemple de type n, et l'autre couche est dopée du type de conductivité opposé, c’est-à-dire de type p.
[0035] L'hétérojonction est formée par le substrat 21 en silicium cristallin dopé n et la couche de silicium amorphe dopé p, cette couche formant l'émetteur de la cellule 2. L’émetteur peut être situé en face avant ou en face arrière de la cellule 2.
[0036] La cellule 2 à hétérojonction de silicium est particulièrement sensible aux défauts situés à l’interface entre le substrat 21 en silicium cristallin et les couches de silicium amorphe 22-23. Ces défauts peuvent être des liaisons pendantes, également appelées « dangling bonds » en anglais, ou des impuretés telles que des ions métalliques. Ils introduisent des niveaux d’énergie dans la bande interdite du silicium et augmentent le nombre de recombinaisons électron-trou aux interfaces, ce qui détériore le rendement de conversion de la cellule, dont notamment les paramètres de sortie de la cellule photovoltaïque, tels que la tension en circuit ouvert.
[0037] La cellule 2 peut également comporter une couche de passivation 24 en silicium amorphe hydrogéné intrinsèque, disposée entre le substrat 21 et chaque couche de silicium amorphe 22, 23. Elle peut également être recouverte d’une couche d’oxyde transparent conducteur 25 (ou TCO, pour « Transparent Conductive Oxyde » en anglais).
[0038] Alternativement, la cellule photovoltaïque 2 peut être une cellule photovoltaïque dite « tandem » à base de pérovskite. Elle comprend par exemple une hétérojonction de silicium couplée à une jonction à base de pérovskite.
[0039] Selon une autre alternative, la cellule photovoltaïque 2 peut être une cellule photovoltaïque dite « TOPCon » pour « Tunneling Oxide Passivated Contact » en anglais. Il s’agit notamment d’une cellule à hétérojonction de silicium dans laquelle le substrat est séparée d’une couche dopée (et notamment l’émetteur) par une barrière tunnel.
[0040] La [Fig. 2] illustre un exemple de mise en œuvre du procédé 1 d’amélioration du rendement de conversion d’une cellule 2 à hétérojonction de silicium. La [Fig. 2] illustre plus particulièrement une mesure de la température T (reportée sur l’ordonnée à gauche) de la cellule 2 lors du déroulement du procédé 1. Par température T de la cellule 2, on entend préférentiellement la température moyenne de ladite cellule 2. Dans les faits, cette température T est, par exemple, mesurée en un point de la cellule 2 au moyen d’un thermocouple et ne représente peut-être pas de manière fidèle la température moyenne de la cellule 2. Toutefois, pour simplifier la description du procédé 1 , l’hypothèse sera faite que la température varie peu au sein même de la cellule 2.
[0041] Le procédé 1 est, par exemple, mis en œuvre au moyen d’un équipement 3 tel qu’illustré à la [Fig. 3], Il peut s’agir d’un équipement conventionnel, tel qu’un équipement permettant de réaliser l’interconnexion de cellules, appelé « stringer » en anglais. Ledit équipement 3 est toutefois avantageusement configuré pour pouvoir réaliser le procédé 1 selon l’invention. Il comprend par exemple au moins une source lumineuse 32, un dispositif 34 de refroidissement actif et un contrôleur 36. L’équipement 3 comprend également un support mobile 35 en translation par rapport à la source lumineuse. Ce support mobile 35 est appelé « convoyeur 35 » dans la suite.
[0042] Le contrôleur 36 est configuré pour piloter la source lumineuse 32 et le dispositif 34 de refroidissement actif de manière à mettre en œuvre le procédé 1 d’amélioration du rendement de conversion d’une cellule photovoltaïque 2 tel que décrit ci-après.
[0043] Plus particulièrement, le contrôleur 36 est par exemple configuré pour piloter les éléments précités, selon un profil prédéterminé. Ledit profil prédéterminé comprend par exemple, en fonction du temps, l’irradiance de chaque source lumineuse 32, la puissance de refroidissement du dispositif 34 de refroidissement actif ou encore la vitesse de translation du convoyeur sous chaque source lumineuse 32. Une cellule 2 peut être disposée sur le convoyeur 35 de l’équipement 3 afin d’être traitée. Le convoyeur 35 est dimensionner pour supporter un groupe de cellules 2, interconnectée ou non, afin qu’elles soient traitées simultanément.
[0044] À l’état initial (avant t = 0.0 s), la température T mesurée de la cellule 2 est de 12 °C. Dans le mode de mise en œuvre de la [Fig. 2], le procédé 1 comprend dans un premier temps, une étape de chauffe 11 de la cellule 2 de sorte que sa température T atteigne une gamme de températures [Tm ; TM] dite de « gamme de températures de traitement » ou de « gamme de températures de bonification ».
[0045] La gamme de températures de traitement est particulière en ce qu’elle s’étend sur moins de 30 °C. Elle définit une plage de températures dans laquelle sera maintenue la cellule 2 pendant une étape de traitement. La gamme de températures s’étend avantageusement sur moins de 20 °C, voire même sur moins de 10 °C.
[0046] La chauffe 11 est réalisée de sorte que le flux de chaleur net de la cellule 2 soit positif (du point de vue de la cellule 2). Par flux de chaleur net, on entend la somme des flux de chaleur sortants de la cellule 2 et des flux de chaleur entrant dans la cellule 2. Les flux de chaleur sortants comprennent par exemple les flux de chaleur évacués par transfert conductif (avec les éléments en contact avec la cellule) et/ou transfert convectif (par exemple avec l’air ambiant) et/ou par transfert radiatif (suivant, par exemple, la loi de Stefan-Boltzmann). Les flux de chaleur entrants comprennent par exemple les flux de chaleur apportés par transfert conductif (par exemple avec un élément chaud au contact de la cellule) et/ou par transfert radiatif (par exemple au moyen d’un rayonnement électromagnétique E). Un flux de chaleur net positif permet d’augmenter la température de la cellule 2.
[0047] La chauffe 11 de la cellule 2 est préférentiellement réalisée par exposition de la cellule 2 à un rayonnement électromagnétique E (transfert de chaleur radiatif). Elle peut être complétée au moyen d’une plaque chauffante (transfert de chaleur conductif). L’irradiance du rayonnement présente, dans cette étape, une valeur le, dite irradiance de chauffe. Dans l’exemple actuel, l’irradiance de chauffe le est constante et égale à 50 kW/m2 (valeurs d’irradiances reportées sur l’ordonnée à droite sur la [Fig. 2]). L’objectif de l’étape de chauffe 11 est d’augmenter, si possible rapidement, la température T de la cellule 2 de sorte qu’elle atteigne la gamme de températures de traitement [Tm ; TM]. L’irradiance de chauffe le est alors relativement élevée, afin que le temps de montée de la température soit court. L’étape de chauffe 11 prend fin dès lors que la température T de la cellule 2 atteint la gamme de températures de traitement [Tm ; TM].
[0048] Dans l’exemple de la [Fig. 2], la gamme de températures de traitement s’étend, dans cet exemple, entre Tm = 210 °C et TM = 220 °C. La température T de la cellule 2 à la fin de l’étape de chauffe 11 est de T = 210 °C.
[0049] La montée en température lors de l’étape de chauffe 11 peut être très rapide et peut induire un bref dépassement de la gamme de températures de traitement, aussi appelé « overshoot » en anglais. Cet overshoot doit être préférentiellement limité car il peut impacter fortement le budget thermique de la cellule 2. L’overshoot est donc préférentiellement faible, voire même absent. La présence d’un overshoot peut être acceptable si elle permet de procédé à une étape de chauffe 11 courte, permettant donc de réduire la durée totale du traitement. Pour cela, un critère peut être utilisé pour déterminer si la température de la cellule lors de l’étape de chauffe 11 est contrôlée. Ce critère indique que la température de la cellule 2 ne doit pas dépasser la température de traitement maximale plus d’une durée limite. Au-delà de cette durée limite, on peut considérer que l’étape de chauffe 11 n’est pas suffisamment contrôlée et présente un impact trop important sur le budget thermique de la cellule 2. Plus fort est le dépassement de température par rapport à la température de traitement maximale TM et plus court doit être cette durée limite. La durée limite d est avantageusement décrite par d • (T - TM < 100 °C • s où TM est la borne supérieure de la gamme de températures de traitement.
[0050] Ainsi, un overshoot de 50 °C, pendant lequel la température de la cellule 2 atteint 270 °C pour une gamme de températures de traitement s’étendant sur [210 °C ; 220 °C] doit préférentiellement durer moins de deux secondes. Un overshoot à 320 °C considérant la même gamme de températures de traitement (c’est-à-dire un overshoot de 100 °C) doit préférentiellement durer moins d’une seconde. Avantageusement, la durée limite d est préférablement décrite par d • T - TM < 50 °C • s
[0051] Dans ce cas-là, un overshoot de 50 °C doit préférentiellement durer moins d’une seconde et un overshoot de 100 °C doit préférentiellement durer moins de 0,5 s. À noter que la durée limite est avantageusement considérée sur la totalité de l’étape de chauffe 11 . Elle correspond donc à la somme de durées de plusieurs overshoots.
[0052] Dans tous les cas, la température de la cellule 2 ne doit préférentiellement pas dépasser une température critique au-delà de laquelle la cellule subit des dommages rapides et irréversibles. La température critique d’une cellule à hétérojonction de silicium est par exemple de 300 °C. La température critique d’une cellule tandem est par exemple de 200 °C (à priori les cellules tandem ne sont pas en mesure de supporter un overshoot). La température critique d’une cellule TOPCon est par exemple de 600 °C.
[0053] Afin d’éviter un éventuel overshoot, l’étape de chauffe 11 peut prendre fin ; un bref instant, avant que la température T de la cellule 2 n’atteigne la gamme de températures de traitement [Tm ; TM]. Elle prend toutefois fin de manière anticipée en prenant tout de même en compte l’inertie thermique de la cellule 2 (et avantageusement également l’inertie thermique de l’environnement de la cellule 2) et l’irradiance du rayonnement E lors de l’étape suivante (étape de traitement). De la sorte, la température T de la cellule 2 atteint la gamme de températures de traitement en minimisant la chance d’observer un overshoot.
[0054] Le rayonnement électromagnétique E mis en œuvre pendant l’étape de chauffe 11 est émis par la source lumineuse 32. La cellule 2 est avantageusement orientée de sorte qu’elle présente une de ses faces à la source lumineuse 31 et préférentiellement de sorte que le rayonnement électromagnétique E soit perpendiculaire à cette face.
[0055] Le procédé 1 comprend, de manière consécutive, une étape de traitement 12 de la cellule 2. Le traitement 12 de la cellule 2 est réalisé par exposition de cette dernière au rayonnement électromagnétique E. Toutefois, ce dernier présente une irradiance IT, dite « irradiance de traitement » ou « irradiance de bonification », préférentiellement inférieure à l’irradiance de chauffe le. Le rayonnement électromagnétique E utilisé dans cette étape est avantageusement issu de la même source lumineuse 32 que celle utilisée lors de l’étape de chauffe. Il peut toutefois être issu d’une autre source lumineuse. L’irradiance de traitement IT est choisie pour augmenter le rendement de conversion de la cellule 2. Dans l’exemple donné, l’irradiance de traitement IT est sensiblement constante et égale à 9,5 kW/m2
[0056] Les cellules 2 à hétérojonction de silicium sont connues pour voir leur rendement de conversion énergétique s’améliorer d’environ 0,3 % absolu sous l’action conjuguée de l’éclairement et de la température. Ce phénomène dit de « bonification » résulte, par exemple, de l’amélioration d’au moins une des couches de passivation 24 en silicium amorphe hydrogéné et/ou de l’amélioration des interfaces entre les couches de silicium amorphe 22, 23 et les couches de TCO 25. La bonification peut également améliorer la couche de TCO 25 elle-même.
[0057] Le même principe est applicable à d’autres types de cellules, telles qu’une cellule tandem ou une cellule TOPCon. La gamme de températures de traitement peut en revanche être différente.
[0058] L’irradiance de traitement IT est également choisie de sorte que la température de la cellule 2 soit maintenue dans la gamme de températures [Tm ; TM] pendant cette étape. Par exemple, la gamme de températures de traitement pour une cellule à hétérojonction de silicium est avantageusement supérieure à 170 °C. Elle est avantageusement inférieure à 300 °C lorsque la durée de traitement est courte (par exemple bien inférieure à 15 s). En dehors d’une durée de traitement courte, la gamme de températures est, de manière préférée, inférieure à 250 °C.
[0059] La gamme de températures de traitement pour une cellule tandem est avantageusement supérieure à 100 °C et avantageusement inférieure à 160. Pour une cellule TOPCon, elle est avantageusement supérieure à 400 °C et avantageusement inférieure à 600 °C.
[0060] Dans ces plages étendues de températures, la gamme de températures de traitement considérée est avantageusement réduite et inférieure ou égale à 30 °C (voire moins). De la sorte, la température de la cellule 2 est à peu près constante et le procédé 1 est réalisé de manière contrôlée et reproductible.
[0061] Pour que la température de la cellule 2 soit maintenue dans la gamme de températures [Tm ; TM], l’irradiance de traitement IT est par exemple choisie de sorte que le flux de chaleur net de la cellule 2 soit faible ou nul pendant la durée de l’étape de traitement 12. Le flux de chaleur entrant dépend au moins de la chaleur apportée par le rayonnement électromagnétique E d’irradiance IT.
[0062] Un flux de chaleur net nul permet de conserver l’équilibre thermique de la cellule 2 pendant la durée du traitement. Il peut être difficile de parvenir à équilibre parfait (c’est-à-dire un flux de chaleur parfaitement nul). Le flux de chaleur net est alors avantageusement suffisamment faible pour que la température de la cellule 2 reste dans la gamme de traitement [Tm ; TM] pendant la durée de l’étape de traitement 12.
[0063] Il est également avantageux de refroidir activement la cellule 2 pendant l’étape de traitement 12 afin d’augmenter le flux de chaleur sortant de la cellule 2. De la sorte, l’irradiance de traitement IT peut être augmentée pour compenser le flux de chaleur sortant. Une irradiance de traitement IT plus élevée permet notamment d’augmenter la cinétique de traitement et également d’augmenter davantage le rendement de conversion énergétique. Le refroidissement actif la cellule 2 lors de l’étape de traitement 12 peut être réalisé au moyen du dispositif de refroidissement actif 34.
[0064] Le procédé 1 comprend ensuite une étape de refroidissement 13 de la cellule 2. Le refroidissement 13 de la cellule 2 est réalisé de manière à figer l’augmentation du rendement de conversion de la cellule 2 obtenue lors de l’étape de traitement 12. Il est notamment réalisé jusqu’à ce que la température de la cellule 2 soit inférieure ou égale à une température Ts, dite « température seuil ». À une température inférieure à la température seuil Ts, l’absence d’exposition à un rayonnement électromagnétique n’a plus d’effet sur le rendement de conversion de la cellule 2. La température seuil Ts est, dans cet exemple de cellule à hétéroj onction de silicium, égale à 150 °C (soit distant de 60 °C par rapport à la gamme de traitement).
[0065] Lors de l’étape de refroidissement 13, l’exposition de la cellule 2 au rayonnement électromagnétique E est maintenue. Le rayonnement électromagnétique E présente alors une irradiance IR, lors de cette étape, dite « irradiance de refroidissement ».
[0066] Au démarrage de l’étape de refroidissement 13 (lorsque l’irradiance passe de 9,5 kW/m2 à 20 kW/m2) une inertie thermique peut être observable, pendant laquelle la cellule 2 conserve une température T sensiblement constante et comprise dans la gamme de températures de traitement. L’inertie thermique observable peut comprendre l’inertie thermique propre à la cellule 2 et/ou une inertie thermique du dispositif 34 de refroidissement (qui peut présenter un temps de démarrage non négligeable). La fin de l’étape de traitement 12 et le début de l’étape de refroidissement 13 coïncident alors avantageusement avec l’instant où les consignes de pilotage sont envoyées aux différents instruments (tels que la source lumineuse 32 ou le dispositif 34 de refroidissement). Dans les faits, l’inertie de démarrage de la source lumineuse 32 est généralement nulle et le changement brut d’irradiance peut alors matérialiser le changement d’étape.
[0067] Le rayonnement E peut être émis par une source lumineuse différente dès lors que l’irradiance de refroidissement satisfait les conditions précitées (irradiance et orientation notamment). Toutefois, il est plus avantageux que le rayonnement E soit issu de la même source que celle utilisée lors du traitement 12. En effet, il est préférable que l’exposition audit rayonnement E soit maintenue, sans baisse d’exposition (qui peut être observée lorsque l’on passe d’une source à l’autre) au risque d’observer une réduction du rendement de conversion.
[0068] L’irradiance de refroidissement IR est choisie de sorte qu’elle ne compense pas le flux de chaleur sortant de la cellule 2 pendant l’étape de refroidissement. Le flux de chaleur net est alors négatif (du point de vue de la cellule 2, autrement dit, les flux de chaleur sortants excèdent les flux de chaleur entrants). Ainsi, même en présence du rayonnement électromagnétique E, la température de la cellule 2 décroit. Le refroidissement 13 (c’est-à-dire le flux de chaleur net négatif) est par exemple rendu possible par la mise en œuvre du dispositif 34 de refroidissement actif qui permet, malgré la chaleur apportée par l’irradiance de refroidissement IR, d’abaisser la température de la cellule 2 jusqu’à la température seuil Ts. Le dispositif 34 de refroidissement actif peut mettre en œuvre le transfert de chaleur par conduction et/ou par convection. Il peut s’agir, dans le premier cas, d’une plaque (dite « chuck » en anglais), régulée en température. Il peut également s’agir, dans le deuxième cas, d’une soufflerie configurée pour créer un écoulement d’air 340 balayant une face de la cellule 2 (préférentiellement la face exposée au rayonnement E). Le débit de l’écoulement d’air est alors ajusté (par exemple au moyen du contrôleur 36) pour évacuer la chaleur nécessaire au refroidissement.
[0069] Une autre façon de définir la fin de l’étape de traitement 12 et le début de l’étape de refroidissement 13 est d’observer le changement de signe du flux de chaleur net. Le début de l’étape de refroidissement 13 correspond à l’instant où le flux de chaleur net devient négatif.
[0070] De manière contre-intuitive, l’irradiance de refroidissement IR est supérieure ou égale à l’irradiance de traitement IT. Dans l’exemple de la [Fig. 2], l’irradiance de refroidissement IR est en l’occurrence constante et strictement supérieure à l’irradiance de traitement IT et égale à 20 kW/m2 L’irradiance de refroidissement IR pourrait, selon un mode de mise en œuvre, présenter une irradiance non-constante, par exemple croissante ou décroissante, tout en étant supérieure ou égale à l’irradiance de traitement IT.
[0071] Lorsque la température de la cellule 2 atteint la température seuil Ts, l’exposition de la cellule 2 au rayonnement électromagnétique E est avantageusement interrompue. Le dispositif 34 de refroidissement peut alors également être interrompu. Il est toutefois préférable que le dispositif 34 de refroidissement actif continue de fonctionner jusqu’à ce que la température de la cellule 2 atteigne une température bien inférieure à la température seuil Ts, par exemple la température ambiante.
[0072] Dans l’exemple illustré par la [Fig. 2], le maintien de l’exposition de la cellule 2 au rayonnement électromagnétique E lors de l’étape de refroidissement 13 permet de conserver une action de bonification de la cellule 2 jusqu’à ce que la température T de la cellule 2 soit suffisamment basse pour figer l’arrangement des couches et des interfaces entre ces couches. La température seuil Ts correspond ainsi à une température pour laquelle l’arrangement de ces couches et/ou de ces interfaces n’évolue plus en fonction de temps. L’exposition au rayonnement électromagnétique E peut donc être stoppée sans risque de dégradation de ces structures et donc sans risque de dégradation du rendement de conversion.
[0073] La température seuil Ts varie toutefois en fonction des types de cellules.. Par exemple, la température seuil Ts d’une cellule tandem est inférieure ou égale à 70 °C. Dans le cas d’une cellule TOPCon, la température seuil Ts est inférieure ou égale à 400 °C. Dans le cas d’une cellule à hétéroj onction de silicium (cas de la [Fig. 2]), la température seuil Ts est inférieure ou égale à 160 °C.
[0074] Dans l’exemple de la [Fig. 2], la durée du procédé (étapes de chauffe 11 , de traitement 12 et de refroidissement 13) est de 7,5 s. Le procédé permet donc d’améliorer le rendement de conversion de la cellule 2 et figer ladite amélioration dans un temps très inférieur à 60 s voire inférieure à 15 s. Le procédé d’amélioration en tant que tel est donc compatible avec une cadence industrielle (une durée inférieure à 60 s étant une limite haute et une durée comprise entre 15 s et 20 s étant une limite haute fréquente).
[0075] Si le procédé 1 permet de bonifier rapidement une cellule 2, la vitesse de refroidissement n’est en revanche pas une contrainte du procédé 1. En effet, les procédés de l’art antérieur proposent des solutions pour refroidir rapidement la cellule à bonifier, minimisant ainsi la perte de gain. À l’inverse, le procédé 1 selon l’invention propose de continuer le traitement thermique de la cellule 2 jusqu’à ce que la température de la cellule 2 fige son état (et donc l’amélioration du rendement de conversion). L’étape de refroidissement 13 peut donc être réalisée lentement, tant qu’elle conserve l’exposition de la cellule 2 au rayonnement électromagnétique lorsque sa température est supérieure à sa température seuil Ts. Un refroidissement lent peut s’avérer nécessaire lorsque les contraintes thermiques dans la cellule 2 lors d’un refroidissement rapide sont trop importantes. C’est par exemple le cas pour une cellule dans un module photovoltaïque ou une chaîne photovoltaïque.
[0076] Pour que l’irradiance de refroidissement IR ait un impact suffisant sur le rendement de conversion, elle est avantageusement choisie supérieure à 1 kW/m2 Plus l’irradiance de refroidissement IR est élevée et meilleure est la conservation (voire l’amélioration) du rendement de conversion lors du refroidissement. L’irradiance de refroidissement IR est donc préférentiellement supérieure à 3 kW/m2 et de manière encore préférée, supérieure à 5 kW/m2.
[0077] Le dispositif 34 de refroidissement actif est dimensionné en fonction de l’irradiance de refroidissement IR de sorte que le flux de chaleur net pour la cellule 2 soit sortant. Le dispositif de refroidissement actif est d’autant plus important que l’irradiance de refroidissement IR est élevée, que la différence entre la gamme de températures de traitement et la température seuil est élevée et que la durée de refroidissement ciblée est courte.
[0078] Toutefois, grâce au dispositif 34 de refroidissement actif, l’irradiance de refroidissement IR peut être choisie strictement supérieure à l’irradiance de traitement IT sans que cela n’ait d’impact négatif sur la cellule 2 (puisque sa température diminue et s’éloigne des températures critiques à laquelle elle peut subir un endommagement). De la sorte, l’irradiance de refroidissement IR peut être élevée, permettant de conserver, voire améliorer davantage, l’augmentation du rendement de conversion.
[0079] La [Table 1 ] illustre un exemple de l’amélioration (nommé « gain » dans le tableau) du rendement de conversion obtenu avec cinq cellules à hétérojonction de silicium, après la mise en œuvre du procédé 1 selon l’invention et après la mise en œuvre d’un procédé de l’art antérieur. La gamme de températures de traitement considérée s’étend entre Tm = 210 °C et TM = 220 °C. La température seuil considérée est Ts = 160 °C. L’irradiance de traitement IT considérée est de 9,5 kW/m2. L’irradiance de chauffe le considérée est de 50 kW/m2. Selon les deux procédés, les cellules sont chauffées pendant 1 ,5 s et ensuite traitée pendant 1 s. Les deux procédés diffèrent en ce que le procédé selon l’invention comprend une étape de refroidissement 13 telle que décrite précédemment (irradiance de refroidissement de 20 kW/m2jusqu’à ce que la température de la cellule atteigne 160 °C au bout d’environ 5 s) et en ce que le procédé selon l’art antérieur comprend une étape de refroidissement sans illumination et à une vitesse de refroidissement de 10 °C/s (c’est à dire un refroidissement rapide dans le noir tel que suggéré par le document WO 2020/082131 ). Chaque procédé est mis en œuvre sur un groupe de cinq cellules à hétérojonction de silicium. Chaque groupe de cinq cellules montre un rendement de conversion initial presque identique (à moins de 0,1 % près). Le premier groupe, ayant subi le procédé selon l’art antérieur, voit un gain de son rendement de conversion inférieur à 0,3 % absolu. En revanche, le second groupe, ayant subi le procédé selon l’invention, voit un gain de son rendement de conversion supérieur à 0,4 % absolu.
[0080] [Table 1 ]
[0081] Lors de l’étape de refroidissement 13, le rayonnement électromagnétique E peut présenter au moins une composante comprise dans [300 nm ; 1200 nm], En effet, cette fenêtre spectrale offre la meilleure efficacité de bonification. En deçà de 300 nm, le rayonnement E est trop énergétique et peut endommager la cellule 2. De plus, l’absorption est principalement réalisée en surface et ne permet donc pas un traitement efficace dans l’épaisseur de la cellule 2. Au-delà de 1200 nm, l’absorption du rayonnement électromagnétique E est faible et allonge considérablement le temps de refroidissement minimal. Il est donc avantageux que le rayonnement électromagnétique E comprenne au moins une composante entre [300 nm ; 1200 nm], voire s’étende de manière substantielle sur cette gamme spectrale.
[0082] De manière encore plus avantageuse, le rayonnement électromagnétique E comprend au moins deux composantes. Au moins une première composante comprise dans la gamme [300 m ; 550 nm], dite gamme « bleue » et au moins une deuxième composante comprise dans la gamme [800 nm ; 1200 nm], dite gamme « infrarouge » ou « IR » pour « infrared » en anglais. La combinaison de ces deux gammes permet de profiter des avantages de chaque gamme. Chaque composante dans la gamme bleue est absorbée efficacement en surface et permet donc d’améliorer efficacement le rendement de conversion (notamment via l’amélioration de l’empilement des couches en surface de la cellule 2). Chaque composante dans la gamme IR est absorbée sur toute l’épaisseur de la cellule 2 et permet d’homogénéiser l’amélioration du rendement dans la cellule 2. [0083] Dans l’exemple de la [Fig. 2], le rayonnement électromagnétique E utilisé comprend une première composante à 455 nm et une deuxième composante à 940 nm. L’irradiance de la deuxième composante représente 70 % de l’irradiance totale du rayonnement électromagnétique. L’irradiance de la première composante représente 30 % de cette irradiance totale.
[0084] La température seuil Ts joue un rôle important dans la bonne réalisation du procédé 1. En effet, une mauvaise évaluation de cette température peut impliquer un arrêt prématuré du rayonnement électromagnétique E et donc une réduction de l’amélioration du rendement de conversion. Pour cela, le procédé 1 peut avantageusement comprendre une étape préliminaire d’estimation de la température seuil Ts de la cellule 2. Par estimer, on entend que la température seuil Ts n’est pas mesurée directement sur la cellule 2 mais déterminée au moyen de mesures obtenues sur des cellules présentant des caractéristiques équivalentes.
[0085] Une façon de procéder peut être de réaliser une mesure du rendement de conversion sur une pluralité de cellules, dites « cellules témoins », présentant des propriétés proches de la cellule 2 qui doit être améliorée (que l’on nommera « cellule à bonifier »). Les propriétés pouvant influencer la température seuil Ts d’une cellule sont généralement l’état des couches composant ladite cellule ainsi que l’état des interfaces entre ces couches. Il est donc judicieux que les cellules témoins soient obtenues suivant le même procédé que celui utilisé pour obtenir la cellule 2 à bonifier. Les procédés de dépôt ou croissance des différentes couches sont par exemple réalisés dans les mêmes conditions et à partir des mêmes matériaux.
[0086] Chaque cellule témoin de la pluralité de cellules témoins subit un procédé de traitement pouvant s’apparenter aux étapes de chauffe 11 , de traitement 12 et de refroidissement 13 telles que décrites précédemment. Toutefois, le procédé de traitement diffère du procédé selon l’invention en ce que l’exposition au rayonnement électromagnétique est stoppée de manière arbitraire, lors du refroidissement, pour différentes températures, dites températures d’arrêt. Le rendement de conversion de chaque cellule témoin est ensuite déterminé, par exemple, en mesurant la tension de circuit ouvert de chaque cellule témoin. Les rendements de conversion obtenus avant et après le traitement sont comparés en fonction des températures d’arrêt. Une première partie des cellules témoins peut montrer une amélioration du rendement de conversion sensiblement égal (par exemple à 20 % près) et maximale. En revanche, une autre partie des cellules témoins peut montrer une amélioration du rendement plus faible, voire nulle, voire même négative. Les cellules témoins dont l’exposition au rayonnement électromagnétique a été stoppée alors que leurs températures étaient encore supérieures à la température seuil Ts (qui est à déterminer) sont celles montrant les moins bons gains de rendement de conversion. Les cellules témoins dont l’exposition au rayonnement électromagnétique a été stoppée alors que leurs températures étaient inférieures à la température seuil Ts (qui est à déterminer) sont celles montrant les meilleurs gains de rendement de conversion. Une température d’arrêt associée à un gain de rendement élevé peut être considéré comme la température seuil Ts estimée pour bonifier la cellule 2. La température seuil Ts peut également être estimée par une interpolation entre les gains de rendement de conversion mesurés et les températures d’arrêt associées.
[0087] Selon une autre manière de procéder, chaque cellule témoin de la pluralité de cellules témoins subit une exposition à une forte irradiance, par exemple 10 kW/m2, pendant environ une minute, tout en maintenant la température de chaque cellule à 200 °C. Lorsque l’exposition au rayonnement est coupée, les cellules témoins sont stockées à des températures constantes différentes, par exemple comprise entre 100 °C et 300 °C. Cela peut par exemple être réalisé en déposant les cellules sur des supports chauffés aux températures souhaitées pendant au moins 30 s. Une mesure du rendement de conversion de chaque cellule permet de déterminer la ou les cellules pour lesquelles le gain de rendement est acceptable ainsi que les températures de stockage souhaitée. La température seuil est alors la température de stockage la plus basse.
[0088]
[0089] Le dispositif 34 de refroidissement actif peut également être mis en œuvre lors de l’étape de traitement 12 (dès lors que le flux de chaleur net soit faible voire nul). Ledit dispositif 34 permet ainsi de contribuer à la régulation de la température de la cellule 2 lors de son exposition au rayonnement électromagnétique E. De la sorte, la température T de la cellule 2 peut être maintenue de manière plus robuste dans la gamme de températures de traitement. L’intérêt est de pouvoir utiliser une irradiance de traitement IT plus élevée qu’en l’absence de régulation thermique, permettant accélérer ou augmenter l’amélioration du rendement de conversion. [0090] En l’absence du dispositif 34 de refroidissement actif lors de l’étape de traitement 12, l’irradiance de traitement IT est avantageusement choisie de sorte que la température T de la cellule 2 reste dans la gamme de températures de traitement [Tm ; TM]. L’irradiance de traitement IT est avantageusement inférieure à 100 kW/m2 et encore plus avantageusement inférieure à 50 kW/m2. L’irradiance de traitement IT peut dépendre fortement du type de cellule 2 à bonifier.
[0091] Par exemple, lorsque cette dernière est une cellule photovoltaïque à hétérojonction de silicium, telle que présentée dans la [Fig. 2], alors l’irradiance de traitement IT est préférentiellement comprise dans [7 kW/m2 ; 10 kW/m2]. En effet, une cellule 2 à hétérojonction de silicium doit préférentiellement conserver une température inférieure à 300 °C voire inférieure à 250 °C.
[0092] Selon un autre exemple, lorsque la cellule 2 est une cellule photovoltaïque tandem, l’irradiance de traitement IT est préférentiellement comprise dans [3 kW/m2 ; 5 kW/m2].
[0093] La gamme de températures de traitement pour une cellule TOPCon doit être inférieure à 600 °C. L’irradiance de traitement IT peut donc, dans ce cas, être inférieure à 100 kW/m2 et par exemple voisine de 50 kW/m2
[0094] Le rayonnement électromagnétique E peut également présenter, lors de l’étape de traitement 12, au moins une composante comprise dans la gamme [300 nm ; 1200 nm] et avantageusement au moins une composante dans la gamme bleue et au moins une composante dans la gamme IR. Ça peut également être le cas lors de l’étape de chauffe 11 .
[0095] Afin de réduire la durée totale du procédé 1 , il est avantageux que l’étape de chauffe soit réalisée rapidement. Il est donc avantageux de chauffer rapidement la cellule 2 de sorte que sa température T atteigne rapidement la gamme de températures de traitement. La [Fig. 4] illustre, par exemple, une mesure de la température T d’une cellule 2 à hétérojonction de silicium en fonction du temps t, lors de deux réalisations de l’étape de chauffe 11 . Les deux réalisations diffèrent l’une de l’autre par l’irradiance de chauffe le utilisée. Dans un premier cas (carrés dans la [Fig. 4]), l’irradiance de chauffe le est de 48 kW/m2 Dans un deuxième cas (cercles dans la [Fig. 4]), l’irradiance de chauffe le est réduite de moitié et égale à 24 kW/m2. [0096] Dans le premier cas, la montée en température de la cellule 2 jusqu’à une température finale Tf de 180 °C est réalisée en T = 2 s. L’étape de chauffe 11 prend alors avantageusement fin au bout de cette durée T. Dans le deuxième cas, la montée en température de la cellule 2 jusqu’à la température finale Tf de 180 °C est réalisée en 7 s.
[0097] Réduire la durée de l’étape de chauffe 11 revient à minimiser l’aire entre l’ordonnée sur la [Fig. 4] et la courbe de température T. Autrement dit, la réduction de la durée revient à minimiser la quantité suivante où Tf est la température finale de la cellule 2 à la fin de l’étape de chauffe 11 , 7; est la température initiale de la cellule 2 et T est la durée de l’étape de chauffe 11 (dans la [Fig. 4], T est illustré pour une irradiance associée égale à 48 kW/m2). Minimiser cette quantité revient, de manière approchée à minimiser l’aire du triangle formé par l’ordonnée de la [Fig. 4] et le front montant de la courbe de température. En d’autres termes, la quantité à minimiser peut être approchée par où R est la vitesse de chauffe en °C/s. L’aire du triangle associée à la première chauffe (le = 48 kW/m2) est doublement hachuré. L’aire du triangle associée à la deuxième chauffe (le = 24 kW/m2) est égale à l’aire du triangle doublement hachurée et l’aire du triangle simplement hachuré. Afin de réduire la durée de l’étape de chauffe 11 , l’irradiance de chauffe le est alors avantageusement supérieure à 10 kW/m2. Une irradiance de chauffe le supérieure à 30 kW/m2 permet de réaliser la montée en température d’une cellule à hétérojonction de silicium en moins de 4 s. Une irradiance de chauffe le supérieure à 50 kW/m2 permet de réaliser la montée en température d’une même cellule en moins de 2 s.
[0098] L’irradiance de chauffe le est avantageusement sensiblement constante afin de fournir le maximum d’énergie en un minimum de temps.
[0099] L’invention concerne également un procédé 4 d’amélioration du rendement de conversion d un groupe de cellules 2. Le groupe est particulier en ce que les cellules 2 sont interconnectées deux à deux. Il s’agit par exemple de cellules 2 au sein d’une guirlande photovoltaïque (dite « string » en anglais) ou au sein d’un module photovoltaïque. Dans ce dernier cas, les cellules 2 peuvent être encapsulées dans une matrice transparente, destinée à protéger les cellules de l’environnement extérieur (tel que l’air ou l’humidité) et/ou disposées entre deux plaques de protection, par exemple en verre, destinée à assurer une tenue mécanique de l’ensemble. Le groupe de cellules 2 peuvent également comprendre une feuille de fond, dite « backsheet ».
[00100] La matrice transparente et/ou les plaques de protection peuvent augmenter l’inertie thermique des cellules 2, car elles peuvent également contribuer à l’isolation thermique de ces dernières. Il peut en résulter une réduction du rendement de conversion lorsque ces cellules sont traitées selon un procédé de l’art antérieur. En effet, les cellules sont susceptibles de rester plus longtemps à une température élevée sans être exposées à un rayonnement électromagnétique (ou pas suffisamment exposées) en fin d’illumination.
[00101] Le procédé 4 offre une solution à ce problème en ce qu’il comprend une étape d’amélioration 40 du rendement de conversion de chaque cellule 1 du groupe de cellules. Pour cela, l’étape d’amélioration comprend la réalisation du procédé 1 d’amélioration du rendement de conversion d’une cellule 2 tel que décrit précédemment sur chaque cellule 2 du groupe de cellules. Grâce au dispositif 34 de refroidissement actif, l’exposition au rayonnement électromagnétique peut être maintenue jusqu’à ce que les cellules 2 atteignent la température seuil Ts. Ce mode de mise en œuvre fait écho au refroidissement lent discuté précédemment.
[00102] Le procédé d’amélioration 1 s’applique avantageusement simultanément à toutes les cellules 2 du groupe. De la sorte, même si le refroidissement est lent (par exemple à cause de l’inertie thermique causée par la matrice transparente et/ou les plaques de protection et/ou la feuille de fond), le nombre de cellules traité en parallèle rend compatible le procédé 4 avec une cadence industrielle.
[00103] L’équipement 3 illustré par la [Fig. 3] peut avantageusement être configuré pour réaliser le procédé d’amélioration sur le groupe de cellule 2. Il suffit, par exemple, que le groupe entier puisse être placé sous la source lumineuse 32 et sous la soufflerie 34.

Claims

REVENDICATIONS
[Revendication 1 ] Procédé (1 ) d’amélioration du rendement de conversion d’une cellule photovoltaïque (2), ledit procédé (1 ) comprenant les étapes suivantes :
- chauffer (11 ) la cellule photovoltaïque (2) de sorte que sa température (T) atteigne une gamme de températures [Tm, TM] dite « gamme de températures de traitement », ladite gamme de températures de traitement s’étendant entre une température minimale de traitement Tm et une température maximale de traitement TM, la différence entre la température maximale de traitement TM et la température minimale de traitement Tm étant inférieure à 30 °C ;
- traiter (12) la cellule photovoltaïque (2) de manière à augmenter son rendement de conversion en l’exposant à un rayonnement électromagnétique (E), la température (T) de la cellule photovoltaïque (2) étant maintenue dans la gamme de températures de traitement [Tm, TM], l’irradiance du rayonnement électromagnétique (E) présentant une première valeur (IT) sensiblement constante, dite « irradiance de traitement » ;
- refroidir (13) la cellule photovoltaïque (2) au moyen d’un dispositif (34) de refroidissement actif jusqu’à ce que la température (T) de la cellule photovoltaïque (2) atteigne une température (Ts), dite « température seuil », à laquelle l’absence d’exposition au rayonnement électromagnétique (E) n’a plus d’effet sur le rendement de conversion de la cellule photovoltaïque (2) ; le procédé (1 ) étant caractérisé en ce que l’exposition de la cellule photovoltaïque (2) au rayonnement électromagnétique (E) est maintenue jusqu’à ce qu’à la fin de l’étape de refroidissement (13) et en ce que l’irradiance (IR) du rayonnement électromagnétique (E) lors de l’étape de refroidissement (13) présente une deuxième valeur dite « irradiance de refroidissement » et en ce que l’irradiance de refroidissement est supérieure ou égale à l’irradiance de traitement (IT).
[Revendication 2] Procédé (1 ) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la température seuil (Ts) est strictement inférieure à température minimale de traitement Tm.
[Revendication s] Procédé (1 ) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’irradiance de refroidissement (IR) est strictement supérieure à l’irradiance de traitement (IT).
[Revendication 4] Procédé (1 ) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rayonnement électromagnétique (E) présente, lors de l’étape de refroidissement (13), au moins une première composante comprise dans [300 nm ; 550 nm] et au moins une deuxième composante comprise dans [800 nm ; 1200 nm],
[Revendication s] Procédé (1 ) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la durée totale du procédé (1 ) est inférieure à 60 s.
[Revendication s] Procédé (1 ) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif (34) de refroidissement actif est basé sur le transfert de chaleur par convection et/ou par conduction.
[Revendication 7] Procédé (1 ) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le maintien de la température (T) de la cellule photovoltaïque (2) dans la gamme de températures de traitement [Tm, TM] est obtenue au moyen du rayonnement électromagnétique (E) et du dispositif (34) de refroidissement actif.
[Revendication s] Procédé (1 ) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’en l’absence du dispositif (34) de refroidissement actif lors de l’étape de traitement (12), l’irradiance de traitement (IT) est inférieure à 100 kW/m2
[Revendication 9] Procédé (1 ) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, lors de l’étape de chauffe (11 ), la cellule photovoltaïque (2) est exposée au rayonnement électromagnétique (E), l’irradiance du rayonnement électromagnétique présentant une troisième valeur (le), dite « irradiance de chauffe », strictement supérieure à l’irradiance de refroidissement (IR).
[Revendication 10] Équipement (3) d’amélioration du rendement de conversion d’une cellule photovoltaïque, comprenant au moins une source lumineuse (32), un dispositif (34) de refroidissement actif et des moyens (35, 36) configurés pour réaliser le procédé (1 ) d’amélioration du rendement de conversion d’une cellule photovoltaïque (2) selon l’une des revendications précédentes.
[Revendication 11] Équipement (3) selon la revendication précédente, comprenant également un contrôleur (36) permettant de piloter chaque source lumineuse (32) et le dispositif (34) de refroidissement en fonction d’un profil prédéterminé.
[Revendication 12] Procédé (4) d’amélioration du rendement de conversion d’un groupe de cellules photovoltaïques (2) interconnectées, ledit procédé (4) étant caractérisé en ce qu’il comprend l’étape d’améliorer (40) le rendement de conversion de chaque cellule photovoltaïque (2) du groupe de cellules photovoltaïques (2) au moyen du procédé (1 ) d’amélioration du rendement de conversion d’une cellule photovoltaïque (2) selon l’une des revendications 1 à 9. [Revendication 13] Procédé (4) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l’étape d’amélioration (40) du rendement de conversion de chaque cellule photovoltaïque (2) du groupe de cellules photovoltaïques (2) est réalisée simultanément sur toutes les cellules photovoltaïques (2) du groupe de cellules photovoltaïques (2). [Revendication 14] Procédé (4) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le groupe de cellules photovoltaïques (2) est encapsulé dans une matrice transparente et/ou disposé entre deux plaques de protection.
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