Passivation des micro-trous pour des cellules solaires en silicium de grande surface et haute efficacité avec contact passivé par oxyde tunnel (TOPCon)

Pourquoi de minuscules défauts comptent pour l’énergie solaire

Les panneaux solaires en silicium modernes sont déjà remarquablement efficaces pour convertir la lumière du soleil en électricité, mais les pousser encore plus près de leurs limites physiques exige de comprendre ce qui se passe à des échelles incroyablement petites. Cette étude examine en profondeur l’un des concepts de cellule solaire dominante aujourd’hui, appelé TOPCon, et montre que des défauts supposés nuisibles à l’échelle atomique peuvent, en réalité, être transformés en éléments utiles. En apprenant à contrôler ces « micro-trous » nanométriques, les auteurs démontrent comment fabriquer des cellules solaires de taille industrielle avec des rendements record.

Un nouveau type de cellule solaire en silicium

Les panneaux solaires en silicium alimentent désormais tout, des toits aux immenses centrales dans le désert, et les cellules TOPCon (contact passivé par oxyde tunnel) émergent comme une technologie de référence. Dans ces dispositifs, une fine couche isolante d’oxyde de silicium est intercalée entre le wafer de silicium principal et une couche de silicium fortement dopée qui aide à extraire les charges électriques. Cette architecture peut, en théorie, fournir des efficacités de conversion d’énergie très élevées à faible coût, ce qui la rend attractive pour le déploiement massif d’énergie solaire nécessaire aux objectifs climatiques et de neutralité carbone. Entreprises et instituts de recherche ont déjà rapporté des cellules TOPCon avec des rendements au‑delà de 26 %, et les prix industriels de l’électricité dans certaines régions sont tombés à des fractions de centime par kilowatt-heure.

Le mystère des espaces microscopiques

Malgré ces succès, les détails microscopiques du fonctionnement des cellules TOPCon sont restés flous. En particulier, les chercheurs débattent depuis longtemps du rôle des « micro-trous » — de minuscules endroits où la couche d’oxyde est perturbée et où les deux régions de silicium peuvent interagir plus directement. La sagesse conventionnelle voulait que ces micro-trous soient essentiellement nuisibles : des zones où l’oxyde protecteur manque, créant des défauts qui favorisent la recombinaison des porteurs de charge et gaspillent de l’énergie. Pourtant, les expériences et les modèles informatiques n’étaient pas entièrement d’accord sur le degré de nuisance des micro-trous, ni sur le nombre qui pouvait être toléré avant une baisse de performance. Cette incertitude limitait la capacité des fabricants à affiner leurs procédés.

Observer l’interface atome par atome

Pour résoudre cette énigme, l’équipe a utilisé des microscopes électroniques de pointe capables d’imager des colonnes atomiques individuelles à l’interface entre le wafer de silicium, l’oxyde et la couche de silicium polycristallin. Ils ont comparé des cellules TOPCon à l’échelle industrielle différant d’environ 1,3 point de pourcentage en rendement mais paraissant presque identiques sous des microscopes plus conventionnels. Avec une résolution et une cartographie chimique supérieures, ils ont découvert que tous les micro-trous ne se valent pas. Certains micro-trous manquent totalement d’oxygène et créent un contact silicium–silicium direct truffé de défauts ; ceux-ci se comportent comme de véritables « micro-trous recombinatifs » nuisibles à la performance du dispositif. D’autres, en revanche, contiennent encore suffisamment d’atomes d’oxygène pour « apaiser » chimiquement les liaisons incomplètes, tout en restant assez fins pour permettre le passage des charges par effet tunnel. Les auteurs qualifient ces nouvelles structures de « micro-trous passivants ».

Transformer les défauts en atouts

En découpant soigneusement les cellules selon différentes directions et en comptant ces micro-structures, les chercheurs ont constaté que les dispositifs les plus performants contiennent en réalité un nombre énorme de micro-trous — de l’ordre du billion par centimètre carré — bien plus que les estimations antérieures. Crucialement, les meilleures cellules sont dominées par le type passivant. Les modélisations montrent que ce qui importe le plus n’est pas la taille exacte ou l’espacement des micro-trous, mais la qualité de la passivation chimique de leurs surfaces. Si les micro-trous sont bien passivés, ils offrent de nombreuses petites voies électriques à faible résistance, améliorant le flux de charges sans introduire de pertes excessives. Les mesures de procédé corroborent cette vision : les cellules riches en micro-trous passivants présentent des durées de vie des porteurs plus longues, des tensions en circuit ouvert plus élevées, une résistance de contact plus faible et des performances uniformes sur de grands wafers industriels. En utilisant cette approche, l’équipe démontre des cellules de taille commerciale avec un rendement certifié de 25,40 % et une excellente tension de sortie.

Orienter la prochaine génération de cellules solaires

Ce travail suggère un changement de perspective pour les technologues solaires quant aux imperfections d’interface. Plutôt que de chercher à éliminer complètement les micro-trous, l’objectif devient de les concevoir pour qu’ils restent riches en oxygène et électriques doux. L’étude expose des leviers pratiques — tels que la température d’oxydation, l’apport en oxygène et les traitements thermiques ultérieurs — que les fabricants peuvent ajuster pour favoriser les micro-trous passivants plutôt que les nuisibles. Pour un non-spécialiste, le message clé est qu’en maîtrisant le contrôle de structures larges de seulement quelques milliardièmes de mètre, les ingénieurs peuvent extraire davantage d’électricité de la même lumière solaire, réduire les coûts et accélérer la diffusion des technologies d’énergie propre.

Citation: Zhang, W., Zhang, K., Bai, Y. et al. Passivating pinholes for large-area and high-efficiency silicon solar cells with tunnel oxide passivated contact. Nat Commun 17, 2490 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70511-2

Mots-clés: cellules solaires en silicium, TOPCon, micro-trous, passivation d'interface, rendement photovoltaïque