Diodes de dérivation intégrées dans la cellule pour des modules photovoltaïques à contact arrière en silicium, efficaces et tolérants à l’ombrage

Panneaux solaires plus sûrs pour les toitures quotidiennes

On attend des panneaux solaires installés sur les toits qu’ils produisent de l’électricité en silence pendant des décennies, mais dans la réalité ils se retrouvent recouverts de feuilles, de neige, de cheminées ou à l’ombre de bâtiments voisins. Même de petites zones d’ombre peuvent réduire la puissance d’un panneau et, plus inquiétant, créer des points chauds dangereux susceptibles d’endommager le matériel. Cet article examine un nouveau type de cellule solaire en silicium qui intègre une fonction de sécurité directement dans chaque cellule, rendant les panneaux à la fois plus efficaces et beaucoup plus tolérants aux ombrages du quotidien.

Pourquoi l’ombre pose un si gros problème

Un panneau solaire n’est pas un seul dispositif, mais une chaîne de nombreuses cellules câblées ensemble. Lorsqu’une cellule est à l’ombre, son courant électrique diminue, tandis que les autres cellules éclairées continuent à forcer un courant à travers elle. La cellule ombragée se retrouve alors en polarisation inverse, état électrique où elle ne fournit plus d’énergie mais en absorbe. Le résultat peut être une surchauffe locale importante — des « points chauds » — qui gaspillent de l’énergie et, dans les cas extrêmes, peuvent endommager voire enflammer une partie du module. La protection standard utilise des composants électroniques supplémentaires appelés diodes de dérivation câblées autour de groupes de cellules, mais installer une diode pour chaque cellule serait trop volumineux et coûteux, et regrouper de nombreuses cellules sous une même diode n’offre qu’une protection partielle.

Transformer chaque cellule en soupape de sécurité

Les auteurs proposent une refonte astucieuse des cellules à contacts arrière en silicium pour que chaque cellule intègre son propre comportement de « dérivation » sans ajouter de composants séparés. Plutôt que de compter sur une diode externe unique pour protéger de nombreuses cellules, ils ingénient les couches sur la face arrière de la cellule pour créer de nombreux petits canaux de conduction inverse répartis sur la surface. Ces canaux restent essentiellement inactifs pendant le fonctionnement normal, préservant une grande efficacité, mais s’activent lorsque la cellule est forcée en polarisation inverse par l’ombre. En pratique, la cellule gagne une soupape de sécurité interne, offrant automatiquement un chemin pour que le courant contourne les zones ombragées avant que des tensions dangereuses et des points chauds ne se forment.

Comment fonctionnent les canaux cachés dans la cellule

Au cœur du dispositif se trouve un empilement soigneusement conçu de matériaux sur l’arrière du wafer de silicium. Les cellules à contact arrière positionnent déjà les contacts positifs et négatifs côte à côte à l’arrière, séparés par de fines bandes. L’équipe exploite les bords de ces interstices pour insérer des couches fines superposées qui favorisent les électrons d’une zone et les trous (leurs équivalents positifs) d’une autre. Sous polarisation inverse, les électrons entrant dans la cellule ombragée traversent le silicium et sont dirigés vers ces régions de recouvrement, où le paysage énergétique leur permet de « tunneliser » à travers l’empilement et de réapparaître sous forme de courant pouvant être évacué en toute sécurité. Comme des empilements similaires sont répétés des centaines de fois sur l’arrière de la cellule, le courant inverse se répartit au lieu de se concentrer en un point faible unique. Simulations et mesures montrent que ces canaux conçus se comportent comme de nombreuses petites diodes spécialement calibrées, intégrées directement dans la cellule.

Maintenir de hautes performances en lumière ordinaire

Toute voie supplémentaire pour le courant risque de devenir une fuite qui gaspille de l’énergie lorsque la cellule fonctionne normalement. Une réalisation clé de ce travail est la conception des empilements de couches de sorte qu’ils transportent un courant important uniquement quand la cellule est amenée en inverse, mais contribuent très peu lorsque la cellule opère dans sa direction directe habituelle. L’équipe analyse la circulation des électrons et des trous à travers les empilements dans les deux conditions et ajuste l’épaisseur et les propriétés des matériaux afin que l’effet de tunnel décroisse progressivement à mesure que la tension directe s’approche du point de fonctionnement de la cellule. En conséquence, des prototypes avec la nouvelle structure atteignent une efficience de conversion certifiée de 27,49 %, au niveau des meilleures cellules à contact arrière en silicium, tout en offrant une conduction inverse efficace lorsque c’est nécessaire.

Des panneaux plus frais et plus stables en conditions réalistes

Pour vérifier si cette refonte microscopique fait une différence concrète, les chercheurs ont fabriqué des modules solaires complets avec leurs nouvelles cellules et les ont comparés à des modules conventionnels lors de tests d’ombrage sévères. Lorsque plusieurs cellules étaient fortement ombragées, les modules standards développaient des régions chaudes grimpant rapidement à environ 190 degrés Celsius. Les nouveaux modules, en revanche, se stabilisaient autour de 90 degrés, avec une diffusion de la chaleur plus homogène et beaucoup moins de points endommagés de façon permanente. Dans des tests où seule une partie d’une unique cellule était à l’ombre, les modules conventionnels perdaient près de la moitié de leur puissance, même en présence de diodes de dérivation externes. Les modules équipés des nouvelles cellules n’affichaient que des chutes de puissance modestes, démontrant que les canaux intégrés aident à maintenir un flux électrique plus régulier malgré l’éclairement irrégulier.

Un pas vers une énergie solaire plus intelligente et plus robuste

Ce travail montre que la protection contre l’ombrage n’a pas besoin de passer par un câblage et des composants supplémentaires à l’extérieur de la cellule. En tissant le comportement de dérivation dans la structure même de la cellule, les auteurs créent des modules solaires à la fois très efficaces et beaucoup plus tolérants aux ombres quotidiennes, tout en réduisant potentiellement coûts et complexité. À mesure que l’énergie solaire se répand sur des toits encombrés et dans des villes pleines d’obstacles et de variations d’éclairement, ces cellules auto‑protectrices et résistantes à l’ombrage pourraient rendre les systèmes solaires plus sûrs, plus durables et plus fiables pour les particuliers et les gestionnaires de réseaux.

Citation: Tang, H., Li, Y., Lin, H. et al. In-cell bypass diodes for high-efficiency and shading-tolerant back contact silicon photovoltaic modules. Nat Commun 17, 3360 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70005-1

Mots-clés: cellules solaires, ombrage partiel, contact arrière en silicium, diode de dérivation, modules photovoltaïques