Allemagne : les cellules HJT à base d'AZO sans MgF₂ subissent une dégradation de 16,38 % sous chaleur humide

fr.wedoany.com Rapport : Des recherches menées au Forschungszentrum Jülich GmbH en Allemagne montrent que les cellules solaires à hétérojonction (HJT) utilisant de l'oxyde de zinc dopé à l'aluminium (AZO) en remplacement de l'oxyde d'indium-étain (ITO) comme couche d'oxyde transparent conducteur (TCO) sont plus sujettes à la dégradation de leurs performances en environnement de chaleur humide. Après l'ajout d'une couche de revêtement en fluorure de magnésium (MgF₂) sur la surface de l'AZO, la dégradation de l'efficacité après 1 000 heures de vieillissement par chaleur humide a été maintenue à environ 7 %.

Les chercheurs expliquent que l'AZO se développe avec une structure polycristalline, ce qui permet aux molécules d'eau de pénétrer rapidement le long des joints de grains, entraînant une dégradation des propriétés électriques du matériau, ainsi qu'une perte de conductivité et de transparence optique. Pour clarifier ce processus, l'équipe a examiné les changements de performances photoélectriques et de morphologie de surface des cellules HJT à base d'AZO dans des conditions de chaleur humide, en utilisant des cellules à base d'ITO comme référence.

Au cours de l'expérience, les chercheurs ont déposé des couches d'ITO ou d'AZO de 70 nanomètres d'épaisseur sur les surfaces avant et arrière de cellules HJT bifaciales, et ont déposé des films d'ITO et d'AZO indépendants sur des substrats en verre afin d'observer séparément les changements du matériau d'oxyde transparent conducteur lui-même. Ensuite, les cellules ont été intégrées dans des mini-modules monocellulaires de 210 mm × 210 mm, selon deux schémas d'encapsulation : l'un en structure verre/verre, avec des plaques de verre de 3,2 mm des deux côtés ; l'autre en structure face avant/face arrière légère, avec une face avant en éthylène-tétrafluoroéthylène (ETFE) et une face arrière en polyoléfine contenant de l'aluminium.

Les deux conceptions de modules ont été fabriquées respectivement avec des cellules SHJ à base d'ITO ou d'AZO, deux échantillons étant préparés pour chaque configuration. Tous les échantillons ont été soumis à un vieillissement accéléré par chaleur humide de 1 000 heures à 85 degrés Celsius et 85 % d'humidité relative, conformément à la norme IEC 61215, avec un enregistrement des performances électriques et des images d'électroluminescence (EL) toutes les 200 heures, ainsi que des mesures d'efficacité quantique externe et de réflectance.

Les résultats montrent qu'après 1 000 heures d'exposition à la chaleur humide, l'efficacité des cellules HJT à base d'AZO sans revêtement supplémentaire a diminué de 16,38 % en valeur relative, avec une réduction relative du facteur de remplissage de 9,84 %, étroitement liée à l'augmentation de la résistance série (Rs). Au cours de la même période, la perte d'efficacité des cellules à base d'ITO n'était que de 2,80 % en valeur relative, démontrant une stabilité nettement supérieure.

L'imagerie par électroluminescence (EL) a révélé des défauts marqués dans les modules légers à base d'AZO, principalement attribués à la pénétration de l'humidité et à la corrosion de la couche d'AZO ; aucun défaut équivalent n'a été observé dans les modules verre/verre à base d'AZO ni dans les dispositifs à base d'ITO. Cela indique que l'encapsulation verre/verre offre une protection plus efficace contre l'humidité, tandis que le matériau ITO présente intrinsèquement une meilleure résistance à l'humidité.

L'analyse chimique a révélé une augmentation des espèces liées aux groupes hydroxyle dans l'AZO après exposition à la chaleur humide, confirmant l'hypothèse d'une modification chimique induite par l'humidité. Les images de microscopie électronique à balayage (MEB) ont en outre montré l'apparition de rainures de corrosion sur la surface de l'AZO vieilli, tandis que l'ITO a conservé une structure uniforme et dense.

Pour remédier à cette faiblesse face à l'humidité, les chercheurs ont déposé une couche de revêtement en fluorure de magnésium (MgF₂) de 110 nanomètres d'épaisseur sur la surface avant des cellules à base d'AZO. Avec ce revêtement, la dégradation de l'efficacité des cellules après 1 000 heures est restée inférieure à environ 7 %, et les défauts d'électroluminescence ont été considérablement réduits par rapport aux cellules AZO non revêtues. L'équipe de recherche souligne que le MgF₂ peut ralentir la pénétration de l'humidité et la corrosion, mais ne constitue pas une barrière complète contre l'humidité ; la stabilité des cellules à base d'AZO reste inférieure à celle du groupe de référence à base d'ITO.

Les résultats associés ont été publiés dans la revue Solar Energy Materials and Solar Cells sous le titre « Unveiling the damp-heat-induced degradation mechanism of AZO-incorporated silicon heterojunction solar cells and modules ». L'article indique que cette étude révèle le mécanisme de dégradation des cellules et modules solaires à hétérojonction de silicium à base d'AZO dans des conditions de chaleur humide et propose des stratégies pratiques pour améliorer leur durabilité et leurs performances.