Cellules solaires HJT : l’oxyde de zinc, un bouclier anti-UV qui améliore la production électrique

Les modules photovoltaïques à hétérojonction de silicium (HJT) comptent parmi les technologies les plus prometteuses du secteur solaire. Pourtant, comme tous les dispositifs à base de silicium cristallin, ils subissent une dégradation accélérée lorsqu’ils sont exposés aux rayons ultraviolets (UV). Une équipe de chercheurs de la Southwest Petroleum University, en Chine, vient de démontrer que l’application d’un film mince d’oxyde de zinc (ZnO) à la surface des cellules permet de réduire significativement cette dégradation et d’augmenter la production cumulée d’électricité sur le long terme. Cette avancée, publiée dans la revue Current Applied Physics, pourrait bien changer la donne pour l’industrie photovoltaïque.

Comprendre les cellules solaires à hétérojonction (HJT)

Les cellules à hétérojonction de silicium combinent une couche de silicium cristallin, généralement de type n, avec des couches minces de silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) de part et d’autre. Cette architecture permet une excellente passivation des surfaces, ce qui réduit les recombinaisons des porteurs de charge et offre des rendements de conversion parmi les plus élevés du marché. Selon le National Renewable Energy Laboratory (NREL), les cellules HJT peuvent dépasser 26 % de rendement en laboratoire, un niveau remarquable qui explique leur adoption croissante dans les modules commerciaux haut de gamme.

Malgré leurs performances record, les cellules HJT présentent une sensibilité particulière aux radiations ultraviolettes. Les couches de silicium amorphe et les électrodes en oxyde transparent conducteur (TCO) peuvent être endommagées par les photons UV à haute énergie. Ce phénomène, appelé dégradation induite par les UV (UV-ID), entraîne une baisse progressive du courant de court-circuit et du rendement de conversion, ce qui réduit la durée de vie utile du module et donc sa rentabilité à long terme.

La dégradation induite par les UV, un défi pour les modules photovoltaïques

La dégradation des modules solaires sous l’effet des UV est un problème bien documenté. Les photons UV, dont la longueur d’onde est comprise entre 280 et 400 nm, possèdent une énergie suffisante pour briser les liaisons chimiques et créer des défauts à l’intérieur des matériaux semi-conducteurs. Dans les cellules HJT, ces défauts se concentrent notamment au niveau des couches de silicium amorphe et des interfaces avec le TCO, ce qui dégrade la durée de vie des porteurs minoritaires et, in fine, le rendement du dispositif.

Les stratégies actuelles pour atténuer cette dégradation reposent principalement sur l’encapsulation. Les matériaux comme l’éthylène-acétate de vinyle (EVA) ou les polymères de type POE sont utilisés pour bloquer ou convertir les rayons UV. Toutefois, ces solutions présentent des limites : soit elles réduisent la transmission de la lumière visible, soit elles ne protègent pas suffisamment les interfaces internes de la cellule. C’est pourquoi les chercheurs explorent des solutions au niveau du dispositif lui-même, comme l’a souligné Jian Yu, auteur correspondant de l’étude, dans une interview accordée à pv magazine : « Les approches actuelles peuvent être classées en deux catégories : les stratégies matérielles, comme l’encapsulation avec coupure ou conversion UV, et les stratégies au niveau du dispositif, comme l’optimisation de la structure. Le potentiel d’amélioration de ces dernières reste toutefois limité. »

L’oxyde de zinc comme filtre UV innovant

Le ZnO est un oxyde métallique transparent à large bande interdite (environ 3,37 eV). Il présente une absorption extrêmement efficace dans la gamme UV, de 300 à 400 nm, tout en laissant passer la majorité de la lumière visible. Cette propriété en fait un candidat idéal pour servir de couche de protection « écran solaire » à la surface des cellules photovoltaïques. En absorbant les photons UV avant qu’ils n’atteignent la structure sensible de la cellule, le ZnO agit comme une barrière physique qui empêche les dommages induits par le rayonnement.

Les travaux menés par l’équipe chinoise se distinguent des approches classiques par le choix du matériau et la méthode de fabrication. Les films de ZnO ont été déposés par pulvérisation cathodique magnétron en courant continu (DC), une technique industrielle bien maîtrisée. Les chercheurs ont ajusté la puissance de dépôt, la pression, le débit d’oxygène et la température du substrat afin d’optimiser les propriétés optiques du film. Les résultats sont spectaculaires : les films présentent une transmittance moyenne de seulement 16 à 18 % dans la région UV, tandis qu’ils conservent une transmittance supérieure à 90 % dans le visible. Autrement dit, le film bloque presque intégralement les UV tout en permettant à la lumière utile d’atteindre la cellule.

Des films minces capables de bloquer les UV sans gêner la lumière visible

Cette transparence sélective est essentielle pour la performance photovoltaïque. En effet, une simple couche opaque réduirait le nombre de photons disponibles pour générer de l’électricité. Le ZnO, grâce à sa large bande interdite, n’absorbe pas la lumière visible. Cela permet d’atteindre un double objectif : réduire les pertes de photons aux courtes longueurs d’onde tout en améliorant le potentiel photovoltaïque théorique du dispositif. Les chercheurs ont également noté que cette absorption complémentaire pouvait, en théorie, améliorer la réponse spectrale du silicium cristallin, qui est relativement faible dans le domaine UV.

Le choix du ZnO est également motivé par sa compatibilité avec les procédés industriels existants. Les couches minces d’oxyde métallique sont déjà utilisées dans de nombreux domaines de l’électronique et de l’optique. La possibilité de les intégrer dans la fabrication de modules solaires sans équipement supplémentaire majeur représente un avantage économique non négligeable pour les fabricants.

Les résultats des recherches menées par la Southwest Petroleum University

Pour valider leur approche, les chercheurs ont testé deux configurations distinctes. Dans la première, le film de ZnO a été déposé directement sur la surface du TCO de cellules HJT pré-métallisées. Dans la seconde, le film a été appliqué sur la face avant en verre de modules finis. Cette deuxième méthode est particulièrement intéressante car elle permet de protéger la cellule sans modifier le processus de fabrication de la cellule elle-même.

Les échantillons ont ensuite été soumis à des doses contrôlées de rayonnement UV, allant jusqu’à 60 kWh/m². Ces conditions équivalent à plusieurs années d’exposition en extérieur dans un climat ensoleillé, ce qui permet d’évaluer la fiabilité à long terme des dispositifs.

Réduction mesurée de la dégradation des cellules

Les résultats sont éloquents. Concernant les cellules nues, le dépôt direct de ZnO a permis de réduire la dégradation de la durée de vie des porteurs minoritaires de 54,9 % à 32,6 % après une exposition à 60 kWh/m². Ce paramètre, qui mesure la capacité des porteurs à rester actifs avant de se recombiner, est un indicateur clé de la santé du matériau semi-conducteur.

En termes de performances électriques, les cellules recouvertes de ZnO ont montré une dégradation du rendement de conversion limitée à 3,49 %, contre 5,74 % pour les cellules non revêtues. Le gain est donc de plus de deux points de pourcentage, ce qui représente une amélioration substantielle de la durabilité. Il est important de noter que le film de ZnO entraîne initialement une légère perte de performance due à une absorption parasite dans le spectre visible, mais cette perte est largement compensée par la protection apportée face aux UV.

Une protection renforcée grâce au verre recouvert de ZnO

La seconde approche, consistant à recouvrir le verre de protection du module, s’est révélée encore plus efficace. Après une exposition à 40 kWh/m² d’UV, la dégradation de la durée de vie des porteurs a été limitée à 24,9 %, contre une valeur bien plus élevée pour les cellules non protégées. Après 60 kWh/m², les cellules sous verre ZnO affichaient des dégradations du courant de court-circuit et du rendement de seulement 1,23 % et 2,31 %, respectivement. En comparaison, les cellules sans ZnO présentaient des dégradations de 2,75 % et 4,72 %.

Cette protection renforcée s’explique par la position du film de ZnO : en étant appliqué sur le verre, il intercepte les UV avant même qu’ils n’atteignent l’encapsulant et la cellule. Cette disposition agit en amont de la structure, offrant ainsi une barrière plus complète. De plus, certains matériaux d’encapsulation, comme l’EVA, sont eux-mêmes sensibles aux UV et peuvent se dégrader, ce qui accélère la perte de performance. Le ZnO les protège également.

Gain de production et avantage économique sur 25 ans

Au-delà de la simple protection, l’impact économique de cette innovation est un aspect central de l’étude. À l’échelle du module, les essais ont montré que le verre recouvert de ZnO réduisait la dégradation du rendement de 4,99 % à 4,12 % après une exposition à 60 kWh/m². Cette différence, cumulée sur la durée de vie d’un module photovoltaïque qui est typiquement de 25 ans, conduit à un gain de production cumulée d’électricité de 4,8 %.

Les chercheurs ont également calculé le coût actualisé de l’électricité (LCOE), qui représente le coût moyen de production d’un kilowattheure sur toute la durée de vie du système, en tenant compte de l’investissement initial, des coûts d’exploitation et de la production totale. Les modules protégés par ZnO présentent un LCOE inférieur, de 0,0262 $/kWh, par rapport aux modules conventionnels. Ce chiffre est très compétitif et démontre que malgré le coût supplémentaire lié au dépôt du film d’oxyde de zinc, la rentabilité globale est améliorée grâce à l’allongement de la durée de vie et à la réduction des pertes de production.

Ce gain de 4,8 % peut sembler modeste à première vue, mais dans un parc solaire de grande taille, il se traduit par des revenus supplémentaires significatifs sur la durée de vie de l’installation. Il contribue également à une meilleure prédictibilité de la production, un facteur important pour les investisseurs.

Un potentiel d’application bien au-delà des cellules HJT

L’intérêt de cette technologie ne se limite pas aux cellules HJT. Les matériaux à large bande interdite comme le ZnO peuvent être employés dans d’autres architectures photovoltaïques, notamment les cellules TOPCon, les cellules à pérovskite et les cellules tandem pérovskite-silicium. Jian Yu estime que « grâce au dopage, à l’ingénierie des interfaces et à l’optimisation des procédés de dépôt des films, les oxydes métalliques à large bande interdite pourraient servir de couches efficaces d’absorption des UV et de stabilisation des interfaces ». Cette polyvalence s’explique par le fait que la dégradation induite par les UV n’est pas spécifique aux cellules HJT : elle affecte également les autres technologies de cellules à haut rendement.

L’utilisation du ZnO présente en outre un avantage écologique. L’oxyde de zinc est un matériau abondant, non toxique et déjà largement utilisé dans des applications industrielles comme les crèmes solaires, les peintures ou les céramiques. Il ne fait pas appel à des éléments rares ou coûteux, ce qui facilite son adoption à grande échelle. Associé à des procédés de dépôt matures comme la pulvérisation cathodique, il pourrait être intégré assez rapidement dans les lignes de production existantes.

Conclusion

La recherche menée par la Southwest Petroleum University met en lumière une solution élégante et efficace pour protéger les cellules solaires à hétérojonction contre la dégradation induite par les UV. En exploitant les propriétés uniques de l’oxyde de zinc, les scientifiques sont parvenus à créer une « crème solaire » pour panneaux photovoltaïques, qui filtre les rayons UV sans altérer la transmission de la lumière visible. Les résultats montrent une réduction substantielle de la dégradation des cellules, un gain de production cumulée de 4,8 % sur 25 ans et un LCOE plus compétitif.

Au-delà des cellules HJT, cette technologie ouvre des perspectives prometteuses pour toutes les filières photovoltaïques à haut rendement. Alors que les exigences en matière de résistance aux conditions climatiques se font de plus en plus strictes, les oxydes métalliques à large bande interdite pourraient devenir un standard industriel. Les travaux de l’équipe chinoise constituent une avancée significative vers une énergie solaire plus durable, plus fiable et plus rentable.

Pour en savoir plus sur les propriétés de l’oxyde de zinc, vous pouvez consulter la fiche dédiée sur Wikipédia. L’étude complète est disponible dans la revue Current Applied Physics.

Aurélien CHAPUIS

Aurélien Chapuis est diplômé du Master Management et Gestion de l’Énergie de l’ESCP Business School. Expert en stratégie photovoltaïque et business developer pour PV Solaire Énergie depuis 2019, il accompagne les professionnels du secteur dans leur croissance et vulgarise les enjeux de la transition énergétique pour le grand public.

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