Le rôle crucial de la technologie laser dans la fabrication des cellules photovoltaïques

Alors que l'industrie photovoltaïque (PV) poursuit sa quête d'un rendement de conversion plus élevé et de coûts de fabrication plus faibles, la technologie des procédés est devenue un facteur déterminant pour les performances et la production à grande échelle des cellules. Des cellules PERC aux cellules TOPCon et HJT, et plus largement aux cellules solaires pérovskites et tandem, les architectures cellulaires se complexifient tandis que les marges de manœuvre des procédés se réduisent. Dans ce contexte d'évolution, la technologie laser est passée d'un outil de soutien à une capacité de fabrication essentielle, sous-tendant plusieurs générations de cellules PV à haut rendement.

Dans les lignes de production PERC, l'ablation laser permet la structuration à l'échelle micrométrique des couches de passivation afin de former des contacts locaux stables. Dans la fabrication des cellules TOPCon, le dopage au bore par laser est largement reconnu comme une voie essentielle pour atteindre des rendements cellulaires supérieurs à 26 %. Dans les cellules pérovskites et tandem émergentes, la gravure laser détermine directement la faisabilité d'une production à grande échelle et de haute uniformité. Grâce à son fonctionnement sans contact, sa haute précision et sa zone affectée thermiquement minimale, la technologie laser est devenue un outil indispensable pour améliorer l'efficacité et la fiabilité de la production dans l'ensemble de l'industrie photovoltaïque.

La technologie laser comme base commune pour la fabrication avancée de cellules photovoltaïques

Avec les progrès des technologies cellulaires, les fabricants sont confrontés à plusieurs défis communs : des structures plus fines, des matériaux plus sensibles et des exigences de rendement de plus en plus strictes. Le traitement laser répond à ces défis grâce à une combinaison unique de capacités :
* Procédé sans contact, évitant les contraintes mécaniques et les microfissures
* Contrôle spatial au niveau du micron, adapté aux structures cellulaires fines et complexes
* Apport d'énergie localisé et ultra-court, minimisant les dommages thermiques
* Haute compatibilité avec l'automatisation et le contrôle numérique des processus
Ces attributs font de la technologie laser une plateforme de traitement extrêmement polyvalente et évolutive, applicable aussi bien aux cellules de silicium cristallin conventionnelles qu'aux architectures tandem de nouvelle génération.

Principales applications laser dans les technologies cellulaires courantes
1. Cellules PERC : un modèle de traitement laser mature
Le succès industriel de la technologie PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) est étroitement lié au traitement laser à grande échelle. L'ablation laser permet d'ouvrir sélectivement la couche de passivation en oxyde d'aluminium sur la face arrière, formant ainsi des contacts locaux tout en préservant les performances de passivation.
De plus, le dopage sélectif par laser (SE) permet un dopage localisé et important sous les contacts de la face avant, réduisant ainsi la résistance de contact et améliorant généralement le rendement de la cellule d'environ 0,3 %. La maturité et la stabilité de ces procédés laser ont permis une production de masse à long terme et une domination du marché par les cellules PERC.

2. Cellules TOPCon : Le dopage au bore par laser, un procédé révolutionnaire
Les cellules TOPCon (contacts passivés par oxyde tunnel) utilisent des plaquettes de silicium de type N, offrant des avantages intrinsèques en termes de sélectivité des porteurs et de performances électriques. Cependant, la diffusion de bore conventionnelle en four haute température présente des inconvénients, notamment une forte consommation d'énergie, un débit plus lent et un risque accru d'altération de l'intégrité de l'oxyde tunnel.
Le dopage au bore par laser permet un chauffage localisé et ultrarapide, autorisant la diffusion sélective des atomes de bore dans des zones spécifiques sans exposer la totalité de la plaquette à des températures élevées. Cette approche réduit considérablement la résistance de contact tout en préservant la qualité de la passivation et est largement considérée comme un procédé essentiel pour dépasser les 26 % de rendement des cellules TOPCon.

3. Cellules HJT : Recuit induit par laser pour l’optimisation de l’interface
Les cellules à hétérojonction (HJT) utilisent des couches de silicium amorphe pour une excellente passivation de surface. Cependant, des défauts d'interface tels que des liaisons pendantes peuvent toujours entraîner une recombinaison des porteurs de charge.
Le recuit induit par laser (LIA) utilise une irradiation laser contrôlée pour activer la migration de l'hydrogène à l'interface silicium amorphe/cristallin, réparant ainsi les défauts in situ. Ce procédé améliore la tension en circuit ouvert (Voc) et le facteur de remplissage (FF), ce qui en fait une méthode pratique pour l'optimisation du rendement des transistors à hétérojonction (HJT).

4. Cellules pérovskites et cellules tandem : gravure laser pour une intégration à grande échelle
Dans les cellules pérovskites et les cellules tandem pérovskite/silicium, le traitement laser n'est pas seulement un outil de fabrication, mais aussi un facteur déterminant de leur structure. Les étapes standard de gravure laser P1, P2 et P3 définissent la segmentation des électrodes, l'isolation des sous-cellules et l'interconnexion en série.
Compte tenu de la fragilité et de la stabilité thermique variable des couches fonctionnelles, le traitement laser, grâce à ses caractéristiques sans contact et de haute précision, est essentiel pour obtenir un rendement et une uniformité élevés dans les dispositifs de grande surface. De ce fait, la gravure laser est considérée comme un procédé fondamental pour l'industrialisation des cellules tandem.

Procédés laser à usage général pour la réduction des coûts et l'amélioration du rendement
Au-delà des applications spécifiques aux cellules, la technologie laser prend également en charge plusieurs étapes de fabrication multiplateformes :
* Transfert de lignes de grille par laser : permet des électrodes plus fines et une meilleure homogénéité par rapport à la sérigraphie, réduisant considérablement la consommation de pâte d’argent, notamment dans les procédés à basse température tels que le HJT.
* Découpe laser sans dommage : permet un traitement précis des demi-cellules et des découpes multiples avec un risque réduit de microfissures, améliorant ainsi la puissance de sortie du module.
* Isolation et passivation des bords par laser : répare les dommages causés aux bords après la découpe, réduisant les pertes par recombinaison et contribuant à l’amélioration du rendement au niveau du module.
Ces procédés laser généraux jouent un rôle important dans la réduction du coût par watt tout en améliorant le rendement global de fabrication.

Gestion thermique : le fondement d'un traitement laser stable
Avec l'évolution de la production photovoltaïque vers des cadences de production plus élevées et un fonctionnement continu de longue durée, la stabilité du procédé laser dépend de plus en plus d'un contrôle thermique précis. Même de faibles fluctuations de la puissance du laser peuvent affecter directement la résistance de contact, la densité de défauts ou la régularité de la largeur des lignes.
En production, les sources laser et les composants optiques fonctionnent sous contraintes thermiques constantes. Des systèmes de refroidissement et de régulation de température fiables sont donc essentiels pour maintenir la stabilité de l'énergie laser, minimiser la dérive de puissance et garantir la reproductibilité des procédés. Une gestion thermique efficace des sources laser, des modules de puissance et des ensembles optiques contribue directement à l'amélioration du rendement et de la robustesse des procédés, notamment pour les cellules TOPCon, HJT et tandem, caractérisées par des marges de procédé réduites.
Les solutions de contrôle de température industrielle développées pour les applications laser haute puissance continuent d'évoluer vers une plus grande stabilité, une réponse plus rapide et une fiabilité opérationnelle à long terme, fournissant une base solide pour la fabrication avancée de cellules photovoltaïques.

Conclusion
De la commercialisation à grande échelle des cellules PERC à l'adoption rapide des technologies TOPCon et HJT, et jusqu'à l'exploration des architectures tandem, la technologie laser est omniprésente dans les étapes les plus critiques de la fabrication des cellules photovoltaïques. Si elle ne définit pas la limite théorique d'efficacité, elle détermine fortement si cette efficacité peut être atteinte de manière constante, maîtrisée et à grande échelle.
À mesure que l'industrie photovoltaïque progresse vers une efficacité accrue et une plus grande fiabilité de fabrication, le traitement laser, associé au support système qui garantit sa stabilité, restera un moteur fondamental du progrès technologique et de la modernisation industrielle.