Dégradation uv des cellules solaires hjt : le rôle clé de l’hydrogène identifié

La durabilité des panneaux photovoltaïques est un enjeu majeur pour l’industrie solaire. Dans ce contexte, une avancée significative vient d’être réalisée par des chercheurs français sur la compréhension de la dégradation des cellules à hétérojonction (HJT), une technologie de pointe. Leurs travaux, publiés dans une revue scientifique de référence, identifient avec précision les mécanismes de dégradation induits par les ultraviolets (UV) et ouvrent la voie à des cellules solaires plus robustes et plus stables dans le temps.

Une découverte majeure sur la stabilité des panneaux hjt

Une équipe du CEA-Liten, institut spécialisé dans les nouvelles technologies de l’énergie, a levé le voile sur un phénomène critique affectant les cellules solaires à hétérojonction au silicium. Leur étude, intitulée « Compréhension des mécanismes de dégradation induits par les UV dans les cellules solaires HJT et de leur réversibilité : rôle de l’hydrogène et du dopage » et publiée dans Progress in Photovoltaics, démontre que la migration de l’hydrogène dans les couches sélectives dopées est le principal facteur de dégradation sous rayonnement UV.

« La nouveauté de ce travail réside avant tout dans l’identification du mécanisme à l’origine d’un problème de stabilité UV affectant les couches sélectives des cellules HJT au silicium », a expliqué Hugo Lajoie, auteur correspondant de l’étude. Cette découverte remet en cause l’explication traditionnelle, qui attribuait la dégradation principalement à la rupture des liaisons silicium-hydrogène à l’interface des couches.

Le mécanisme de dégradation : dopage et migration de l’hydrogène

Pour parvenir à ces conclusions, les scientifiques ont exposé des échantillons à des rayons UVA et UVB calibrés, simulant des conditions réalistes au niveau d’un module complet, en tenant compte de l’effet de filtre du verre et des encapsulants. Ils ont ainsi pu isoler le comportement des différentes couches de la cellule.

Leurs expériences ont révélé que les couches de silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) sont les principales responsables de la sensibilité aux UV. Plus spécifiquement, le niveau de dopage de ces couches, contrôlé par le flux de phosphine (PH₃) lors de leur fabrication par dépôt chimique en phase vapeur (PECVD), joue un rôle déterminant.

L’impact crucial du flux de phosphine

Les résultats sont éloquents : après une exposition aux UV, les cellules dont les couches sélectives ont été dopées avec un fort flux de PH₃ ont subi une perte relative du temps de vie des porteurs de charge de 63,3 %, contre seulement 9,5 % pour des couches non dopées. Cette différence spectaculaire prouve que le dopage amplifie considérablement la dégradation.

Le mécanisme identifié est le suivant : sous l’effet des photons UV, l’hydrogène présent dans la couche amorphe migre. Dans les couches fortement dopées, cette migration conduit à la formation de complexes défauts électroniquement inactifs (de type P–Si–H–Si), qui dégradent la conductivité électrique et la passivation de surface, essentielle au bon rendement de la cellule. Pour en savoir plus sur les principes de la technologie HJT, vous pouvez consulter les ressources de l’Agence Internationale de l’Énergie.

Une réversibilité partielle par traitement lumière et chaleur

Une lueur d’espoir émerge de ces travaux : la dégradation n’est pas totalement irréversible. L’équipe du CEA-Liten a démontré qu’un traitement de light soaking (trempage lumineux), combinant une activation thermique et une exposition à la lumière, peut partiellement restaurer les performances des cellules.

Ce traitement permet une reconfiguration des atomes d’hydrogène dans la couche de silicium amorphe. Les analyses par spectroscopie infrarouge (FTIR) montrent que le light soaking régénère spécifiquement les liaisons silicium-hydrogène dans les zones riches en vides, restaurant ainsi la passivation de surface proche de son niveau initial. « L’hydrogène faiblement lié peut migrer entre les sites, favorisant l’activation des dopants et une repassivation chimique partielle », précise Hugo Lajoie.

Un seuil d’irréversibilité à ne pas franchir

Cependant, les chercheurs mettent en garde : il existe un seuil de dose photonique au-delà duquel les dommages causés par les UV deviennent de plus en plus permanents. Cette découverte souligne l’importance d’une conception robuste dès la fabrication pour éviter d’atteindre ce point de non-retour lors de la vie opérationnelle des panneaux.

Perspectives : vers des cellules hjt plus durables

Ces découvertes fondamentales ont des implications industrielles directes. Elles tracent la voie pour améliorer significativement la fiabilité à long terme des modules photovoltaïques HJT, dont la part de marché ne cesse de croître grâce à leur haut rendement.

« Ce travail met en évidence la nécessité d’un design avancé des couches sélectives et d’une optimisation du filtrage UV au niveau module », conclut Hugo Lajoie. Les pistes d’amélioration sont claires :

• Un contrôle extrêmement précis de la quantité et de la configuration de l’hydrogène dans les couches de silicium amorphe.
• L’optimisation des procédés de dopage pour minimiser la formation de défauts sensibles aux UV.
• Le développement de filtres UV encore plus efficaces au niveau du verre protecteur ou des encapsulants des modules.

Ces avancées permettront de renforcer la durabilité de la technologie HJT sans compromettre ses excellentes propriétés de passivation et son rendement élevé, un enjeu clé pour accélérer la transition énergétique. Pour suivre les dernières innovations dans le secteur photovoltaïque, le portail pv magazine est une source d’information de référence.