Observation et analyse pour l’évaluation de cellules solaires
Depuis quelques années, les combustibles fossiles perdent en popularité au profit de l’énergie photovoltaïque dans une optique de prévention du réchauffement climatique et de préservation de l’environnement. Le principal avantage des cellules solaires réside dans la possibilité de générer une quantité illimitée d’énergie en n’importe quel endroit bien exposé au soleil et ce, sans nuire à l’environnement. De ce fait, et parce que la productivité énergétique ne dépend pas de l’échelle de l’équipement, la demande de cellules photovoltaïques explose.
Cette section récapitule tout ce que vous devez savoir sur les cellules solaires, notamment leur principe de fonctionnement et leur structure, et vous présente des exemples d’observation haute résolution, de mesure et d’analyse haute précision et d’évaluation quantitative optimisée.
- Principe de fonctionnement, structure et rendement de conversion d’énergie des cellules solaires
- Problèmes d’observation, de mesure, d’analyse et d’évaluation des cellules solaires
- Derniers exemples d’applications de notre microscope, qui optimise l’observation, la mesure et l’analyse et permet une évaluation quantitative des cellules solaires
- Un microscope numérique 4K qui optimise l’observation, la mesure, l’analyse et l’évaluation des cellules solaires
Principe de fonctionnement, structure et rendement de conversion d’énergie des cellules solaires
La majorité des cellules solaires actuellement disponibles sont des cellules solaires au silicium ou des cellules solaires à semi-conducteur composé. Bien que les cellules solaires au silicium soient les plus répandues, les cellules solaires à semi-conducteur composé grignotent une part de marché de plus en plus importante grâce à leur coût de production plus faible. Découvrez ci-dessous le principe de fonctionnement et la structure des cellules solaires et comparez les principaux matériaux de composition et les rendements de conversion d’énergie des cellules solaires au silicium et des cellules solaires à semi-conducteur composé.
Principe de fonctionnement des cellules solaires
Les cellules solaires au silicium, les plus répandues, sont basées sur la jonction interne de deux semi-conducteurs, l’un de type n et l’autre de type p, possédant chacun des propriétés différentes.
Lorsqu’un panneau solaire est exposé au soleil, des électrons (négatifs) et des trous (positifs) sont générés. Les trous sont attirés par le semi-conducteur de type p, tandis que les électrons sont attirés par le semi-conducteur de type n. Par exemple, lorsqu’une charge, telle qu’une ampoule, est connectée aux électrodes à l’avant et à l’arrière, un courant électrique traverse la jonction comme illustré ci-dessous.
- A : Film antireflet
- B : Silicium de type n
- C : Silicium de type p
- D : Électrodes
- E : Courant
Structure d’une installation solaire
Le schéma structurel ci-dessous indique le nom des éléments unitaires d’une installation solaire, détaillés par la suite.
- A : Cellule
- B : Module
- C : Champ
- Cellule
- La cellule est le plus petit élément unitaire.
- Série ou réseau de cellules
- Une unique cellule émet une faible tension. Une série de cellules contient plusieurs cellules connectées en série afin de générer la tension requise.
Le réseau de cellules contient plusieurs séries de cellules connectées en série ou en parallèle afin d’augmenter encore la tension.
- Module
- Un module, également appelé panneau solaire, est un ensemble contenant plusieurs réseaux de cellules, destiné à être installé en extérieur. Le module est recouvert de résine ou de verre armé, afin de protéger les cellules internes, et maintenu par un cadre pour renforcer sa solidité.
- Champ
- Plusieurs modules sont connectés pour former un champ.
Rendements de conversion d’énergie et matériaux des cellules solaires
Le rendement de conversion d’énergie est un indicateur clé de la performance des cellules solaires. Ce paramètre indique la fraction d’énergie solaire incidente convertie en énergie électrique. Le rendement de conversion d’énergie d’un module et le rendement de conversion d’énergie d’une cellule sont deux indicateurs probants du rendement de conversion d’énergie d’une installation photovoltaïque. Ces deux paramètres sont expliqués ci-dessous.
- Rendement de conversion d’énergie du module
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Le rendement de conversion d’énergie du module permet de déterminer la capacité d’un module solaire (panneau solaire) à générer de l’énergie. Le rendement de conversion d’énergie d’un module représente le pourcentage d’énergie électrique convertie pour environ 1 kW d’énergie lumineuse sur 1 m² de module solaire.
- Rendement de conversion d’énergie de la cellule
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Une cellule est le plus petit élément unitaire du module solaire. Le rendement de conversion d’énergie de la cellule indique le rendement de conversion d’énergie par cellule solaire. Il peut être obtenu au moyen de la formule suivante.
La recherche et le développement des cellules solaires se poursuivent pour améliorer d’année en année le rendement de conversion d’énergie de la cellule et du module. Cependant, les technologies modernes ne peuvent absorber 100% de l’énergie lumineuse incidente ni convertir 100% de l’énergie lumineuse absorbée en électricité du fait d’une multitude de facteurs, tels que la réflexion lumineuse des panneaux solaires et la résistance des cellules.
- Matériaux et caractéristiques des cellules solaires
- Les cellules solaires peuvent être fabriquées en divers matériaux en fonction de l’application visée, des fonctions requises et des coûts envisagés. Le rendement de conversion d’énergie varie en fonction des matériaux. C’est pourquoi, les fabricants travaillent sans relâche à la recherche et au développement de matériaux et de procédés de fabrication innovants pour assurer un rendement de conversion d’énergie toujours plus élevé à moindre coût.
Vous trouverez ci-dessous le détail des matériaux utilisés par catégorie de cellules solaires, silicium ou semi-conducteur composé, et les propriétés associées.
- Cellule solaire au silicium
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- Monocristal
- Les cellules solaires composées de silicium monocristallin sont onéreuses mais affichent un rendement de conversion d’énergie élevé et une haute fiabilité.
- Polycristal
- Les cellules au silicium polycristallin sont les plus répandues du fait de leur coût plus faible.
- Silicium amorphe
- Le silicium amorphe est un silicium non cristallin : les cellules solaires composées de silicium amorphe sont moins onéreuses que celles au silicium polycristallin mais affichent également un rendement de conversion d’énergie moindre.
- Cellules multi-jonction
- Plusieurs types de cellule solaire, notamment des cellules au silicium amorphe et au silicium polycristallin en couche mince, sont stratifiés pour former une structure en tandem. Les cellules solaires multi-jonction possèdent un haut rendement de conversion d’énergie.
- Cellule solaire à semi-conducteur composé
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- Cuivre indium sélénium (CIS)
- Les cellules solaires CIS sont composées de cuivre, d’indium et de sélénium. Ce type de cellule peut être fabriqué à moindre coût tout en affichant un rendement de conversion d’énergie relativement élevé.
- Cuivre indium gallium sélénium (CIGS)
- Les cellules solaires CIGS sont composées de quatre éléments : les trois éléments des cellules CIS auxquels s’ajoute le gallium. Ce type de cellule solaire offre un rendement de conversion d’énergie légèrement plus élevé que les cellules solaires CIS.
- Tellurure de cadmium (CdTe)
- Les cellules solaires CdTe sont composées de cadmium et de tellure. Ce type de cellule est principalement employé en Europe.
- Arséniure de gallium (GaAs)
- Les cellules solaires GaAs sont composées de gallium et d’arséniure. Ce type de cellule solaire possède un haut rendement de conversion d’énergie mais son coût est élevé. Il est utilisé sur les satellites et autres applications avancées.
Problèmes d’observation, de mesure, d’analyse et d’évaluation des cellules solaires
Dans une industrie photovoltaïque portée par les démarches de préservation de l’environnement et la demande croissante d’énergies renouvelables, les fabricants recherchent et développent des cellules solaires offrant un rendement de conversion d’énergie toujours plus élevé à moindre coût et se livrent bataille pour conquérir de nouveaux marchés. Afin de proposer des produits photovoltaïques et de stockage d’énergie parfaitement stables et fiables sur la durée, un contrôle et une assurance de qualité extrêmement exigeants sont indispensables.
Les cellules solaires présentent des irrégularités de surface permettant d’augmenter la surface utile. Sur chaque section se mêlent plusieurs matériaux aux couleurs et degrés de brillance bien différents. Ce mélange complique l’observation, la mesure et l’analyse précises des composants microscopiques, tels que les électrodes, sur les produits et prototypes défectueux.
Au microscope numérique, l’observation, la mesure, l’analyse et toutes les opérations associées prennent un temps considérable et demandent un haut niveau de compétence. D’un autre côté, lorsqu’une échelle graduée est utilisée pour effectuer une mesure visuelle, les valeurs mesurées varient d’un opérateur à l’autre.
Avec un microscope électronique à balayage (SEM), la préparation de l’échantillon pour la mesure en coupe est particulièrement fastidieuse et chronophage. Il est également difficile d’identifier les matériaux et corps étrangers sur les zones défectueuses car le SEM ne capture pas d’image couleur.
Derniers exemples d’applications de notre microscope, qui optimise l’observation, la mesure et l’analyse et permet une évaluation quantitative des cellules solaires
Les récentes avancées technologiques des microscopes numériques résolvent les problèmes inhérents aux microscopes optiques et optimisent considérablement l’observation, la mesure et l’analyse. Notre dernier microscope numérique automatise de nombreuses fonctions, facilitant l’observation sur l’images haute résolution la mesure 2D et 3D haute précision et le comptage des particules sur la surface des cellules solaires.
Alliant haute fonctionnalité et excellente convivialité, le microscope numérique 4K Série VHX de KEYENCE capture des images nettes et exécute des mesures dimensionnelles précises grâce à ses objectifs HR haute résolution, son capteur d’image CMOS 4K, son éclairage et ses technologies de traitement d’image, optimisant et accélérant toute une série d’opérations, de l’observation, la mesure et l’analyse jusqu’à la création de rapports sur les cellules solaires.
Découvrez des exemples d’observation, de mesure et d’analyse de cellules solaires avec la Série VHX.
Mesure de forme 3D des électrodes
L’augmentation du rendement de conversion d’énergie des cellules solaires passe par la réduction de la largeur et de la hauteur des électrodes. En outre, lorsqu’un matériau précieux, tel que l’or, est utilisé pour les électrodes, une diminution du volume peut permettre de réduire le coût.
Il est difficile de mesurer avec précision les fines irrégularités d’une électrode au microscope optique, empêchant une mesure 3D rapide de la forme.
Le microscope numérique 4K Série VHX mesure la forme 3D au micron près, à partir d’une image haute résolution. La combinaison de la cartographie couleur, qui affiche les données de hauteur, et de la mesure de profil en plusieurs positions spécifiées, facilite la comparaison des formes microscopiques.
Observation en coupe de zones défectueuses
Lorsqu’une coupe enrobée de résine polie est observée sous fort grossissement au microscope optique, la plus petite irrégularité restée sur la surface rend impossible l’obtention d’une image entièrement nette, entravant l’observation. Lors de l’observation de la coupe d’un échantillon au microscope électronique à balayage (SEM), les étapes de préparation, telles que le vide d’air complet ou quasi-complet de la chambre à échantillon, prennent un temps considérable. Il est également difficile de détecter les changements de matériau et d’identifier les corps étrangers qui se mêlent à la coupe car le SEM ne capture pas d’image couleur.
Le microscope numérique 4K Série VHX intègre un capteur d’image CMOS 4K et offre une grande profondeur de champ grâce à son tout nouveau système optique. Ces innovations garantissent la capture d’images couleur 4K entièrement nettes sur l’ensemble du champ de vision, pour une observation précise, aucunement gênée par les irrégularités de surface de l’échantillon.
Le zoom continu, qui assure un grossissement fluide de la cible d’un facteur de 20x à 6000x sans manipuler les objectifs, est commandé simplement via la souris ou la console portable, permettant une observation haute résolution des échantillons en coupe en quelques opérations intuitives.
Observation de modules solaires (panneaux)
Au microscope optique, il est difficile d’observer des modules solaires (panneaux) qui juxtaposent plusieurs matériaux aux couleurs et degrés de brillance bien différents et présentent des irrégularités de surface et rayures subtiles et peu contrastées.
Le microscope numérique 4K Série VHX est équipé de la fonction HDR (haute plage dynamique), qui capture plusieurs images à différentes vitesses d’obturation et les assemble en une seule image riche en nuances et en contraste, qui fait ressortir les textures. La fonction de composition en profondeur garantit la capture d’images toujours entièrement nettes sur l’ensemble du champ de vision, et ce, quel que soit l’angle d’inclinaison du système d’observation orientable selon un angle libre.
Comptage des particules sur la surface de wafers
Grâce à ses fonctions automatiques, telles que l’éclairage multiple, qui capture automatiquement plusieurs images sous différents éclairages, laissant à l’opérateur la simple tâche de sélectionner l’image la mieux adaptée à l’observation, le microscope numérique 4K Série VHX facilite la détermination des conditions d’éclairage optimales pour démarrer immédiatement l’observation. Les conditions d’éclairage précédemment définies peuvent, en outre, être aisément reproduites sur d’autres échantillons.
La fonction de comptage/mesure automatique de surface permet de mesurer la surface et de compter les particules présentes en spécifiant simplement la zone visée. Dans cette zone, il est possible d’exclure les cibles inutiles, de séparer les cibles qui se chevauchent et d’utiliser une multitude de fonctions très pratiques.
L’obtention rapide de résultats d’analyse haute précision est ainsi accessible à tout opérateur, sans risque d’erreur liée à l’expérience ou au niveau de compétence.
Un microscope numérique 4K qui optimise l’observation, la mesure, l’analyse et l’évaluation des cellules solaires
En quelques étapes intuitives, le microscope numérique 4K Série VHX offre une observation détaillée sur des images haute résolution 4K entièrement nettes. À partir des images d’observation, le microscope exécute des mesures 2D et 3D (forme 3D) ainsi qu’un comptage/une mesure automatique de surface pour obtenir rapidement des données numériques précises, garantissant une évaluation quantitative fiable sans erreur humaine.
La Série VHX est un formidable outil, qui résout de nombreux problèmes affectant les microscopes optiques et SEM, pour une efficacité sans précédent. De plus, comme sur PC, un logiciel tableur peut être installé directement sur la Série VHX, permettant la création automatique de rapports détaillés par simple transfert des images et valeurs mesurées vers un modèle prédéfini. Ces innovations accélèrent et optimisent considérablement toute une série d’opérations essentielles en recherche et développement, en assurance et en contrôle qualité, pour prendre de l’avance sur un marché hautement concurrentiel.
Pour plus d’informations ou pour toute demande concernant la Série VHX, cliquez sur les boutons ci-dessous.
