Une solution pour limiter les fractures qui augmente la durée de vie des cellules photovoltaïques
Les cellules solaires classiques en silicium sont constituées de très fines plaquettes, d’une épaisseur d’environ 200 microns. Malgré une certaine capacité de flexion, elles sont susceptibles de se fissurer sous l’effet de forces mécaniques ou de contraintes thermiques. Ces microfissures sont si petites qu’elles sont impossibles à voir à l’œil nu, ce qui les rend difficiles à détecter. «Les microfissures peuvent notamment être causées par une mauvaise manipulation des cellules photovoltaïques lors de leur production, par des dommages occasionnés lors du transport et de l’installation des modules, ou par l’exposition à divers facteurs climatiques», note le professeur Marco Paggi, responsable du projet PHYSIC, financé par l’UE. S’appuyant sur des recherches pionnières menées dans le cadre d’un autre projet financé par le Conseil européen de la recherche, les chercheurs travaillant sur PHYSIC ont conclu que toutes les causes de fissures dans les cellules solaires au silicium sont d’une manière ou d’une autre liées à la fragilité du matériau. La tendance observée dans l’industrie, qui consiste à réduire l’épaisseur des cellules solaires afin d’économiser des matériaux, est donc susceptible de renforcer les effets de fissuration et de nuire à la durabilité des modules photovoltaïques. Une petite contrainte qui améliore la conductivité Pour trouver un remède potentiel à l’augmentation des fissures, les chercheurs ont abordé le problème sous un angle mécanique. La base de leur approche a consisté à considérer les cellules solaires non pas comme des composants autonomes, mais plutôt comme des composants intégrés à une structure stratifiée constituée de plusieurs couches de différents matériaux, notamment du verre et des polymères. L’équipe s’est concentrée sur les contraintes résiduelles constatées au cours du processus de stratification, qui sont causées par les différentes propriétés thermoélastiques des divers matériaux. «Une analyse minutieuse a permis de découvrir qu’exercer une faible contrainte de compression résiduelle sur les cellules solaires après la fabrication du module pouvait augmenter la conductivité électrique autour de n’importe quelle fissure. Sous l’effet de ces contraintes résiduelles souhaitables, les fissures ont tendance à se fermer, laissant le courant électrique les traverser librement», explique le professeur Paggi. En appliquant une technique de précontrainte innovante sur le matériau constituant la feuille de fond – la dernière couche de polymère formant la structure stratifiée qui se trouve à l’opposé du verre – les chercheurs ont réussi à augmenter la quantité de contraintes de compression dans le silicium et à provoquer la fermeture de la plupart des fissures. Les données obtenues par électroluminescence sur les cellules solaires fissurées avant et après traitement ont clairement démontré que les parties sombres de la cellule solaire redevenaient électriquement conductrices après application de la nouvelle technique de précontrainte proposée. L’importance de la résistance aux fissures Le projet PHYSIC a dévoilé une nouvelle génération de modules photovoltaïques offrant une meilleure résistance à la fissuration. L’approche du projet a pris pour base les caractéristiques mécaniques fondamentales des composites, jusqu’ici laissées de côté par les fabricants de panneaux photovoltaïques. «Négliger les problèmes de dégradation des matériaux peut s’avérer très néfaste pour l’exploitation des modules photovoltaïques et entraîner des pertes d’énergie électrique bien supérieures aux économies réalisées en améliorant l’efficacité de la conversion de l’énergie solaire», ajoute le professeur Paggi.
Mots‑clés
PHYSIC, fissuration, modules photovoltaïques, précontrainte, silicium, contraintes résiduelles, conductivité, fermeture de fissure
