Vues : 0 Auteur : Éditeur du site Heure de publication : 2026-07-31 Origine : Site
Dans le contexte de l'avancement de l'objectif mondial de double carbone et de la construction de nouveaux systèmes électriques, la production d'énergie photovoltaïque est devenue la technologie de production d'énergie renouvelable qui connaît la croissance la plus rapide au monde en raison de ses avantages en termes d'attributs propres et à faible émission de carbone, de ressources étendues et de forte adaptabilité. En tant que support principal des systèmes de production d'énergie photovoltaïque, les modules photovoltaïques remplissent la fonction principale de convertir directement l'énergie solaire en énergie électrique. Leur efficacité de conversion, leur durée de vie, leur stabilité et leur adaptabilité environnementale déterminent directement la capacité de production d’électricité, les coûts d’exploitation et de maintenance ainsi que les avantages du cycle de vie complet des systèmes de production d’énergie photovoltaïque.
Après des décennies d’itération technologique, l’industrie photovoltaïque a évolué d’une première technologie polycristalline à faible rendement à un modèle technologique dominé par des cellules en silicium cristallin de type N à haut rendement et des cellules tandem à pérovskite frontière. Les percées continues dans l'efficacité de conversion des modules commerciaux, l'optimisation des performances d'atténuation et l'amélioration de l'adaptabilité des scénarios ont considérablement réduit le coût actualisé de l'électricité (LCOE) de la production d'énergie photovoltaïque, réalisant ainsi la transformation de l'énergie photovoltaïque d'une énergie supplémentaire en énergie de base. Basé sur les dernières réalisations technologiques de l'industrie photovoltaïque, cet article mène une analyse professionnelle systématique à partir de six dimensions : principes fondamentaux, itinéraires techniques, processus structurels, gestion et contrôle des performances, diagnostic d'exploitation et de maintenance et tendances frontières.
Le principal mécanisme de conversion d'énergie des modules photovoltaïques est l'effet photovoltaïque, qui fait essentiellement référence à l'excitation photo-induite des porteurs et au processus de migration directionnelle des matériaux semi-conducteurs sous éclairage. Le silicium cristallin, le matériau de base des cellules photovoltaïques, a une bande interdite fixe dans sa structure de bande, qui peut absorber avec précision l'énergie des photons dans les bandes visibles et proche infrarouge de la lumière solaire pour réaliser une conversion photoélectrique.
Le mécanisme de travail spécifique comprend quatre étapes principales. Premièrement, l’excitation des photons : lorsque des photons solaires irradient la surface de la cellule, les photons dont l’énergie est supérieure à l’énergie de la bande interdite du silicium brisent la liaison électronique de valence des atomes de silicium et excitent les paires électron-trou. Deuxièmement, la séparation des porteurs : le champ électrique intégré formé par la jonction PN sépare rapidement les électrons et les trous, les électrons migrant vers la région de type N et les trous vers la région de type P, réalisant ainsi la séparation directionnelle des charges positives et négatives. Troisièmement, l’accumulation de charges : les charges s’accumulent continuellement aux deux pôles de la cellule pour former une force photoélectromotrice stable. Quatrièmement, la puissance de sortie : une boucle fermée est formée à travers les lignes de grille métallique, les rubans de soudure et les circuits externes du module, et la migration directionnelle des porteurs génère un courant continu, convertissant finalement l'énergie solaire en énergie CC disponible.
Les cellules photovoltaïques simples ont une tension et un courant de sortie limités. Dans la production industrielle, plusieurs cellules sont connectées en série et en parallèle et conditionnées dans des modules photovoltaïques. Associées à des films adhésifs d'emballage, du verre trempé, des feuilles de fond et d'autres structures, les cellules sont protégées avec des performances stables pour s'adapter aux conditions de fonctionnement extérieures complexes et à long terme.
Actuellement, les cellules en silicium cristallin dominent le marché des modules photovoltaïques industrialisés, représentant plus de 95 % de la part de marché mondiale, qui est divisée en deux systèmes techniques majeurs : le type P et le type N. Entre-temps, les cellules à pérovskite et tandem, en tant que nouvelle génération de technologies de pointe, sont entrées dans la phase pilote industrielle, avec des différences significatives en termes de performances, de technologies et de scénarios d'application selon les différentes voies techniques.
La technologie PERC (Passivated Emitter and Rear Contact) est l’itération principale des cellules de type P. En ajoutant une couche de passivation d'oxyde d'aluminium et une couche protectrice de nitrure de silicium sur la face arrière des cellules, cela réduit efficacement la perte de recombinaison des porteurs sur la surface arrière de la cellule et améliore l'efficacité d'absorption de la lumière et l'efficacité de conversion photoélectrique. À l'heure actuelle, le rendement de conversion des modules PERC commerciaux est maintenu de manière stable entre 22,5 % et 23,5 %, ce qui est proche de la limite de rendement théorique de 24,5 % pour les cellules au silicium de type P, ce qui laisse une marge limitée pour l'amélioration technologique.
Avec des processus matures, des installations de support de chaîne industrielle complète et de faibles coûts de fabrication, la technologie PERC a été le choix principal pour les centrales photovoltaïques dans le passé. Cependant, il présente des inconvénients inhérents : un taux d'atténuation de la lumière élevé avec une atténuation annuelle initiale d'environ 2,0 % et une atténuation annuelle constante d'environ 0,45 % les années suivantes ; il souffre également d'une atténuation induite par la lumière et par l'électricité, avec des performances de production d'énergie médiocres dans des conditions de température élevée et de faible luminosité, étant ainsi progressivement remplacé par des technologies de type N. À ce stade, l’industrie exploite principalement le potentiel d’efficacité résiduel grâce à l’optimisation de la texture du silicium noir, au processus de métallisation multi-barres (SMBB) et à l’itération de la couche de passivation.
TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact) est la technologie principale des cellules de type N actuelles et est devenue la principale direction d'expansion de l'industrie en raison de ses excellents avantages en termes de performances. Cette technologie prépare une couche tunnel ultra-mince d'oxyde de silicium et une couche de polysilicium dopé sur la face arrière de la cellule pour former une structure de contact passivée, ce qui réduit considérablement le taux de recombinaison de surface des cellules et améliore la tension en circuit ouvert et le facteur de remplissage.
Par rapport à la technologie PERC, les modules TOPCon présentent des avantages fondamentaux importants : l'efficacité de conversion commerciale atteint 25 % à 26 % avec un plafond d'efficacité plus élevé ; les performances d'atténuation sont grandement optimisées, avec une atténuation de première année ≤ 1 % et une atténuation annuelle constante de seulement 0,3 %, offrant ainsi des gains exceptionnels en matière de production d'énergie sur tout le cycle de vie ; il a une réponse supérieure à la lumière faible, une adaptabilité à haute température et une résistance à l'ombrage, adapté aux scénarios complexes tels que les zones montagneuses, les toits résidentiels, industriels et commerciaux. De plus, cette technologie est compatible avec la plupart des équipements de ligne de production PERC existants avec des performances de coût de rénovation élevées, permettant une industrialisation la plus rapide et devenant la voie technique privilégiée pour les nouveaux projets photovoltaïques.
La technologie des cellules tandem est une technologie de base de pointe permettant de briser la limitation de bande interdite du silicium monocristallin et de surmonter la limite d'efficacité de conversion photoélectrique. Son principe de base est d'empiler verticalement des sous-cellules avec différentes bandes interdites pour absorber respectivement différentes bandes spectrales de lumière solaire, maximisant ainsi l'utilisation des ressources du spectre solaire. Parmi elles, les technologies en tandem silicium cristallin-pérovskite et en tandem pérovskite-organique ont réalisé les progrès les plus importants.
Les matériaux pérovskites présentent les avantages d’une bande interdite réglable, d’un coefficient d’absorption de la lumière élevé, d’une préparation flexible et d’une production de masse à faible coût, formant un complément parfait aux cellules de silicium cristallin. L'efficacité certifiée à l'état stable des cellules solaires tandem pérovskite-organiques développées au niveau national atteint 28,04 %, tandis que l'efficacité des dispositifs sur petite surface des cellules tandem silicium-pérovskite cristallins ultra-minces est certifiée par NREL à 33,4 %, établissant un nouveau record mondial. Les cellules tandem intègrent un rendement élevé, un poids léger et une adaptabilité flexible, qui sont non seulement applicables aux centrales photovoltaïques au sol à grande échelle, mais conviennent également aux scénarios émergents tels que le photovoltaïque intégré aux bâtiments (BIPV), le photovoltaïque monté sur véhicule et la production d'énergie portable, servant de direction itérative principale de la future technologie photovoltaïque.
La structure d'emballage et le processus de fabrication des modules photovoltaïques déterminent directement leur stabilité extérieure, leur efficacité de production d'électricité et leur durée de vie. L'industrie a réalisé des améliorations globales en termes de densité de puissance, de fiabilité et de durabilité des modules grâce à une innovation structurelle continue et à une amélioration des processus. La structure standard du module photovoltaïque se compose de verre trempé, d'un film adhésif d'emballage, de cellules, d'une feuille de fond, d'un cadre et d'une boîte de jonction de l'extérieur vers l'intérieur, et chaque structure coopère pour réaliser des fonctions telles que la transmission de la lumière et la production d'énergie, la protection d'isolation, les performances d'étanchéité et d'étanchéité à l'humidité et la résistance à la compression mécanique.
Les mises à niveau actuelles des processus traditionnels se concentrent sur quatre directions principales. Premièrement, la technologie d'agencement de cellules sans espace élimine la conception traditionnelle d'espace entre les cellules, maximise la zone de réception de lumière efficace des modules et améliore la production globale d'énergie sans modifier les dimensions des modules. Deuxièmement, la technologie de feuille de fond conductrice intégrée annule la structure traditionnelle de la série de rubans, adopte un mode conducteur de contact sur toute la surface, réduit les risques de joints de soudure, réduit les fissures cachées, le dessoudage et la perte de transmission, soulage les contraintes du module et améliore les performances d'étanchéité et la résistance à l'atténuation. Troisièmement, la technologie de métallisation multi-barres et à grille fine réduit la zone d'ombrage des lignes du réseau, améliore l'efficacité de la transmission actuelle et s'adapte aux besoins de production d'énergie des cellules à haut rendement. Quatrièmement, les nouvelles technologies de passivation et de protection adoptent des structures nanocouches, des films minces d'oxyde d'indium et de cérium et d'autres nouveaux matériaux pour améliorer la résistance aux intempéries, au vieillissement et à l'ombrage des modules et prolonger le cycle de vie complet.
De plus, la conception structurelle de la diode de dérivation intégrée est devenue la configuration standard des nouveaux modules. Il peut rapidement conduire le canal de dérivation lorsque les modules sont partiellement ombragés, évitant ainsi les dommages causés aux cellules par effet de point chaud et améliorant considérablement la stabilité de la production d'énergie et la durée de vie des modules dans des conditions de travail complexes.
Les performances réelles de production d’électricité des modules photovoltaïques ne sont pas constantes. Affectés par les conditions environnementales, les caractéristiques des matériaux, les défauts de processus et d'autres facteurs, une atténuation continue et des fluctuations dynamiques se produisent. La clarification de son mécanisme d'influence est au cœur de la gestion des performances des modules et de la prévision de la durée de vie.
L'irradiation solaire est le facteur principal déterminant la production d'énergie du module, et la production d'énergie est fondamentalement linéairement positivement corrélée à l'irradiation. La température ambiante affecte directement l'efficacité de la conversion. Les cellules en silicium cristallin ont un coefficient de température négatif ; chaque augmentation de température de 1 ℃ réduit l'efficacité de conversion de 0,3 % à 0,4 %, et une température élevée réduit considérablement les performances de sortie du module. Le sable du vent, la pluie, la neige et l'ombrage de la poussière réduisent la zone de réception de la lumière, provoquant des points chauds, une polarisation inverse locale et d'autres problèmes et entraînant une perte de puissance. Une humidité élevée, un brouillard salin et un rayonnement ultraviolet accélèrent le vieillissement des matériaux d'emballage, provoquant le jaunissement du film adhésif, la fissuration de la feuille arrière, la défaillance de l'isolation et d'autres défauts.
L'atténuation du cycle de vie complet des modules photovoltaïques est principalement divisée en trois catégories. Premièrement, l'atténuation initiale induite par la lumière : les cellules de type P présentent généralement des défauts d'activation du porteur au début de l'éclairage, conduisant à une atténuation de puissance significative au cours de la première année, tandis que les cellules TOPCon de type N ne présentent pratiquement aucune atténuation évidente induite par la lumière. Deuxièmement, l'atténuation annuelle en régime permanent : elle est causée par l'accumulation du vieillissement des matériaux et de la perte de recombinaison des porteurs, qui est la principale cause de la dégradation des performances à long terme des modules. Troisièmement, l'atténuation induite par les contraintes : la charge mécanique, les cycles thermiques, l'ombrage local, les contraintes électriques et d'autres facteurs provoquent des fissures cachées dans les cellules, la chute du ruban, une défaillance de la diode de dérivation et d'autres pertes de puissance irréversibles.
Pour les nouvelles technologies telles que les cellules pérovskites, la séparation des phases halogènes est la principale incitation à l'atténuation. Sous une contrainte d'éclairage, les ions iodure et les ions bromure dans les films minces de pérovskite se redistribuent pour former des régions riches en iode et en brome, ce qui réduit considérablement la tension de sortie et la stabilité à long terme des dispositifs, et constitue également un goulot d'étranglement technique clé à éliminer dans l'industrialisation des technologies de pointe.
Les modules photovoltaïques sont sujets à divers défauts lors d'un fonctionnement extérieur à long terme, qui peuvent être divisés en défauts de corps de module et défauts de correspondance entre modules. Les défauts du corps incluent les fissures cachées des cellules, les points chauds, le vieillissement de l'emballage, la défaillance de la diode de dérivation, etc. Les défauts inter-modules incluent principalement l'inadéquation série-parallèle, la perte d'ombrage et un mauvais contact de ligne. Un diagnostic précis ainsi qu'un fonctionnement et une maintenance efficaces sont les clés pour améliorer l'efficacité de la production d'électricité des centrales électriques et réduire les coûts d'exploitation et de maintenance.
L'industrie a formé un système de diagnostic de pannes intelligent et précis. Basé sur le modèle de circuit équivalent à diode unique des modules photovoltaïques, il peut analyser les changements des paramètres électriques dans différentes conditions d'irradiation et de température et réaliser la traçabilité des mécanismes de défaillance. Les modèles de diagnostic d'intelligence artificielle tels que l'algorithme amélioré de recherche de moineau et l'algorithme de forêt aléatoire peuvent améliorer considérablement la précision de reconnaissance des défauts des panneaux photovoltaïques et réaliser une classification précise des défauts dans plusieurs conditions de travail. Combinée à la mesure de la température infrarouge, à la détection par électroluminescence EL, à l'inspection par UAV et à d'autres technologies, la détection visuelle des fissures cachées des modules, des points chauds, du vieillissement et d'autres défauts peut être réalisée, s'adaptant aux besoins d'exploitation et de maintenance des centrales photovoltaïques à grande échelle.
La gestion régulière du fonctionnement et de la maintenance peut retarder efficacement l'atténuation du module et réduire la probabilité de panne. Les principales mesures d'exploitation et de maintenance comprennent le nettoyage et le dépoussiérage réguliers, la détection des paramètres électriques, le dépistage et le remplacement des modules défectueux, ainsi que la détection de l'isolation des boîtes de jonction et des lignes. L’exploitation et la maintenance tout au long du cycle de vie peuvent améliorer efficacement les revenus globaux de production d’électricité des centrales électriques.
Combinés aux progrès actuels de la recherche, du développement technologique et de l'industrialisation, les futurs modules photovoltaïques évolueront dans six directions principales : haute efficacité, faible atténuation, légèreté, flexibilité, intelligence et faible coût.
Premièrement, la technologie de type N remplacera entièrement la technologie de type P. Les cellules TOPCon seront continuellement itérées et optimisées grâce à la mise à niveau des processus de passivation et de métallisation pour améliorer encore l'efficacité de conversion et réduire le taux d'atténuation, devenant ainsi la technologie industrielle dominante au cours des 3 à 5 prochaines années, tandis que la technologie PERC se retirera progressivement du nouveau marché.
Deuxièmement, les cellules tandem accéléreront l’industrialisation. Avec des avantages d’ultra-haute efficacité, les cellules tandem silicium cristallin-pérovskite et pérovskite-organique réaliseront progressivement une production de masse en petits lots. Après avoir résolu les goulots d'étranglement techniques tels que la séparation des phases halogènes et la stabilité à long terme, ils ouvriront une nouvelle ère de technologie photovoltaïque à haut rendement et briseront le plafond d'efficacité des cellules en silicium monocristallin.
Troisièmement, une mise à niveau légère et flexible. De nouveaux modules photovoltaïques en pérovskite et en couches minces peuvent être préparés de manière flexible, brisant les limites morphologiques des modules traditionnels en silicium cristallin rigide, s'adaptant aux scénarios émergents tels que le photovoltaïque intégré aux bâtiments, l'énergie mobile et la production d'énergie portable en extérieur, et élargissant les limites des applications photovoltaïques.
Quatrièmement, optimisation continue de la structure et de la technologie. Les processus avancés tels que la disposition sans espace, la conduction intégrée et la protection de dérivation intelligente seront entièrement popularisés, améliorant continuellement la densité de puissance du module, la résistance à l'atténuation, la résistance à l'ombrage et la résistance aux intempéries, et réduisant le coût actualisé de l'électricité sur tout le cycle de vie.
Cinquièmement, intégration approfondie du fonctionnement et de la maintenance intelligents. Le diagnostic des défauts par intelligence artificielle, l'inspection intelligente des drones, la gestion des jumeaux numériques et d'autres technologies seront pleinement appliqués pour réaliser la prévision des défauts, la surveillance des performances, le fonctionnement et la maintenance intelligents des modules photovoltaïques, et améliorer le niveau de fonctionnement intelligent des centrales photovoltaïques.
L'itération continue de la technologie des modules photovoltaïques est le principal support du développement de haute qualité de l'industrie photovoltaïque. De la mise à niveau industrielle du PERC traditionnel de type P au TOPCon de type N jusqu'à la percée des technologies de pointe des cellules tandem, l'industrie a réalisé des progrès complets en termes d'efficacité, de stabilité et d'adaptabilité des scénarios de conversion photoélectrique. À l'heure actuelle, les modules de silicium cristallin de type N à haut rendement sont devenus le courant dominant du marché, améliorant considérablement l'économie et la fiabilité de la production d'énergie photovoltaïque. La percée de nouvelles technologies telles que le photovoltaïque tandem et le photovoltaïque flexible offre un large espace pour le développement à long terme de l'industrie photovoltaïque.
À l'avenir, grâce à l'innovation continue dans la science des matériaux, la technologie de l'emballage et la technologie intelligente d'exploitation et de maintenance, les modules photovoltaïques permettront de surmonter davantage les goulots d'étranglement en matière d'efficacité et de coûts, de s'adapter à des scénarios d'application plus complexes, de consolider continuellement la position énergétique principale de la production d'énergie photovoltaïque dans les nouveaux systèmes électriques et de fournir un soutien technique solide pour la transformation énergétique mondiale et la mise en œuvre des objectifs de double carbone.
