Cellules TOPCon : remplacer 10 % de l’argent par du nickel réduit d’environ 11 % le coût de métallisation arrière

Remplacer une partie de l’argent par du nickel dans la pâte sérigraphiée de la face arrière des cellules TOPCon réduit d’environ 11 % le coût de métallisation par watt de cette face, sans perte de rendement significative : c’est le résultat d’une étude menée par des chercheurs des universités de Yangzhou, Jiaxing et Changzhou, en Chine. Avec 10 % de nickel, un essai de production sur 219 cellules a donné un rendement moyen de 26,67 %, contre 26,77 % pour les cellules de référence tout argent.

Pourquoi l’argent pèse sur le coût des cellules solaires

Selon les auteurs, la pâte d’argent est devenue le deuxième poste de coût dans la fabrication des cellules solaires. La forte demande de l’industrie photovoltaïque pousse en outre à la hausse les prix mondiaux de l’argent. Les architectures à haut rendement, comme le TOPCon et l’hétérojonction (HJT), reposent justement sur des pâtes de métallisation à base d’argent.

« Le développement de technologies de métallisation utilisant peu ou pas d’argent est devenu une exigence essentielle pour assurer une croissance durable de l’industrie photovoltaïque », écrivent les chercheurs. Plusieurs pistes sont explorées par la filière : la métallisation au cuivre, les pâtes hybrides, et les contacts argent-nickel, qui associent la conductivité de l’argent au coût plus faible du nickel.

Cette dernière approche doit cependant prouver sa tenue sur plusieurs critères : résistance de contact, conductivité des lignes métalliques, compatibilité avec la cuisson et fiabilité à long terme.

Le protocole de l’étude

Les travaux, intitulés « Contacts hybrides argent-nickel sérigraphiés pour les couches SiOx/n+-Poly-Si des cellules solaires TOPCon », ont été publiés dans la revue Progress in Photovoltaics: Research and Applications.

L’équipe a fabriqué des cellules TOPCon sur des substrats industriels de 182 mm × 182 mm, d’environ 100 μm d’épaisseur. Les contacts arrière ont été sérigraphiés avec des pâtes contenant 6 %, 10 %, 15 %, 30 % et 60 % de nickel en poids, ainsi qu’avec une pâte de référence 100 % argent.

Des conditions d’impression identiques

Toutes les pâtes ont été imprimées avec une maille de 430 fils, une distance de décollement de 1,2 mm et une pression de raclette de 55 N. Les cellules ont ensuite été cuites dans un four à bande, à 711 °C au maximum sur la face avant et 660 °C sur la face arrière.

Les performances ont été mesurées par courbes courant-tension et Suns-Voc, complétées par des mesures de résistivité de contact et de résistivité des lignes métalliques. La microscopie électronique a servi à analyser la microstructure des contacts et leurs interfaces avec le silicium.

Les résultats selon la teneur en nickel

Les faibles teneurs en nickel préservent largement les performances. Sous illumination par la face avant, les rendements atteignent 26,26 % avec 6 % de nickel, 26,21 % avec 10 %, 25,86 % avec 15 % et 26,26 % avec 30 %.

À 60 % de nickel, le rendement chute brutalement à 6,88 %, en raison d’une résistance électrique accrue et de pertes par recombinaison. Les résistivités de contact mesurées pour les cinq formulations sont respectivement de 2,62, 2,79, 3,27, 3,43 et 1,63 mΩ·cm². Paradoxalement, la pâte à 60 % de nickel a donc la résistivité de contact la plus faible, mais ses lignes métalliques présentent une résistivité exceptionnellement élevée, ce qui plombe la cellule.

La pâte à 10 % de nickel retenue

Les chercheurs ont jugé que la pâte à 10 % de nickel offrait le meilleur compromis entre performances et coût. Ils l’ont optimisée en ajustant la composition de la poudre d’argent, pour améliorer le tassement et la densification des particules, et en modifiant le point de ramollissement de la fritte de verre, pour mieux l’adapter à la cuisson.

Un essai de production proche de la référence argent

Sur un essai de production de 219 cellules, la pâte optimisée a atteint un rendement moyen de 26,67 %, contre 26,77 % pour 215 cellules de référence à pâte d’argent conventionnelle. La meilleure cellule a atteint 26,87 % de rendement, avec une tension en circuit ouvert de 0,744 V, une densité de courant de court-circuit de 41,47 mA/cm² et un facteur de forme de 87,10 %.

« Lorsque 10 % de l’argent est remplacé par du nickel, la consommation d’argent par watt est d’environ 8 mg/W », précisent les chercheurs. En intégrant le coût de formulation de la pâte, la complexité accrue de fabrication et les pertes potentielles de rendement, le coût de métallisation par watt de la face arrière est réduit d’environ 11 %.

Pour situer ces enjeux de matières premières dans la chaîne de valeur du photovoltaïque, l’Agence internationale de l’énergie publie régulièrement des analyses sur les chaînes d’approvisionnement solaires, et l’ADEME suit l’impact environnemental des modules.

Questions fréquentes

Qu’est-ce qu’une cellule solaire TOPCon ?

Une cellule TOPCon (tunnel oxide passivated contact) est une cellule en silicium dont la face arrière comporte une fine couche d’oxyde tunnel et une couche de silicium polycristallin dopé, qui limitent les pertes électriques. C’est l’une des architectures à haut rendement aujourd’hui utilisées par les fabricants.

Pourquoi chercher à réduire l’argent dans les cellules photovoltaïques ?

La pâte d’argent sert à former les contacts électriques des cellules. Selon les chercheurs de cette étude, elle est devenue le deuxième poste de coût de fabrication des cellules, et la demande du secteur photovoltaïque pousse le prix de l’argent à la hausse.

Peut-on remplacer beaucoup d’argent par du nickel ?

Pas sans limite. Dans cette étude, les rendements restent proches de la référence jusqu’à 30 % de nickel, mais tombent à 6,88 % avec 60 % de nickel, à cause de la résistivité très élevée des lignes métalliques. Les chercheurs ont retenu 10 % de nickel comme meilleur compromis.

Quelle économie apporte la pâte argent-nickel ?

Avec 10 % de nickel, les chercheurs estiment le coût de métallisation par watt de la face arrière réduit d’environ 11 %, en tenant compte du coût de la pâte, de la complexité de fabrication et des pertes de rendement possibles.