Développement de nouvelles pâtes de sérigraphie pour la métallisation et l'interconnexion de cellules solaires hétérojonction et tandem

Development of new screen-printing pastes for metallization and interconnection of heterojunction and tandem solar cells

• Auteur / Autrice : Nathalie Ronayette
• Direction : Daniel Bellet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : 2MGE - Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEA Grenoble / LITEN

Mots clés

Mots clés libres

Photovoltaïque

Substitution Ag

Matériaux transparents conducteurs

Cellules à hétérojonctions

Photovoltaics

Substitution of Ag

Transparent conductive materials

Heterojunction solar cells

Résumé

Les cellules à hétérojonction présentent de nombreux intérêts en comparaison des autres technologies (PERC, PERT...) actuellement utilisée dans le domaine photovoltaïque. Leurs avantages principaux sont la haute performance de ces cellules, l'absence de sensibilité au PID et LID, la haute bifacialité intrinsèque de la cellule (90%) et la moindre sensibilité à la température de la technologie (-0.27 %/°C). Enfin, cette technologie est compatible avec l'utilisation de wafers plus fins permettant aujourd'hui de viser des impacts environnementaux plus faibles. Une des contraintes liées à l'utilisation de ces cellules réside dans l'utilisation de procédés basse température pour la réalisation des panneaux photovoltaïque (< 200°C). L'interconnexion et la métallisation des cellules est ainsi aujourd'hui réalisée par technologie de collage à l'aide de pâte adhésive conductrice chargée en particule d'argent. Si les procédés sont aujourd'hui bien maitrisés, ils restent trop consommateurs d'argent. Le projet de thèse se situe dans la substitution et la diminution de ce matériau critique dans ces adhésifs. Dans un premier temps, une première voie de remplacement des particules pures d'argent par des particules de cuivre enrobées par une coquille d'argent sera réalisée. Le choix des formes et tailles des particules ainsi que le liant/polymère en lien avec le procédé d'interconnexion des cellules sera étudié afin de garantir un procédé compatible avec les machines actuelles et une fiabilité des interconnexions (tests selon la norme IEC 61215). La synthèse des particules et leur formulation dans des pâtes sera réalisée au sein du laboratoire LMSE au DTNM. La caractérisation, l'interconnexion et les tests de fiabilité de ces procédés sera réalisé au laboratoire LAM au DTS. Dans un second temps, l'intégration de matériaux novateurs tels que les nanofils d'argent, les nanotubes de carbone ou bien d'autres particules de cuivre avec un coating différent seront étudiés et testés. Le spectre d'application de ces pâtes sera aussi élargi à la pâte de métallisation pour les cellules à hétérojonction mais aussi pour les cellules tandem ayant des contraintes de températures plus importante (< 130°C). Ce sujet de thèse sera réalisé en lien avec les équipes du LMSE du DTNM. Ce laboratoire mettra ses connaissances dans l'élaboration de nanoparticules et la formulation des pâtes pour sérigraphie. L'application et les études de fiabilités seront réalisées au SMSP au sein du DTS. La thèse sera basée sur le site du DTS au Bourget du Lac mais un temps d'essai pouvant aller jusqu'à 30% de la thèse sera réalisé au sein du centre du CEA Grenoble.

Heterojunction cells have many advantages compared to other technologies (PERC, PERT...) currently used in the photovoltaic field. Their main advantages are the high performance of these cells, the absence of sensitivity to PID and LID, the high intrinsic bifaciality of the cell (90%) and the lower temperature sensitivity of the technology (-0.27 %/°C). Finally, this technology is compatible with the use of thinner wafers, which allows us to target lower environmental impacts. One of the constraints linked to the use of these cells is the use of low temperature processes for the production of photovoltaic panels (< 200°C). The interconnection and metallisation of the cells is currently carried out by bonding technology using conductive adhesive paste loaded with silver particles. Although the processes are now well mastered, they still consume too much silver. The thesis project focuses on the substitution and reduction of this critical material in these adhesives. In a first step, a first way to replace pure silver particles by copper particles coated with a silver shell will be realized. The choice of particle shapes and sizes as well as the binder/polymer in relation to the cell interconnection process will be studied in order to guarantee a process compatible with current machines and reliable interconnections (tests according to IEC 61215). The synthesis of the particles and their formulation in pastes will be carried out in the LMSE laboratory at DTNM. The characterisation, interconnection and reliability tests of these processes will be carried out in the LAM laboratory at DTS. In a second step, the integration of innovative materials such as silver nanowires, carbon nanotubes or other copper particles with a different coating will be studied and tested. The application spectrum of these pastes will also be extended to metallization paste for heterojunction cells but also for tandem cells with higher temperature constraints (< 130°C). This thesis subject will be carried out in collaboration with the LMSE teams of the DTNM. This laboratory will contribute its knowledge in the elaboration of nanoparticles and the formulation of pastes for screen printing. The application and reliability studies will be carried out at the SMSP within the DTS. The thesis will be based at the DTS site in Le Bourget du Lac but up to 30% of the thesis will be carried out at the CEA Grenoble centre.