Table des matières en français
- Qu’est-ce qu’un module photovoltaïque multi-cut ?
- Pourquoi les modules à forte puissance nécessitent-ils une gestion plus fine du courant ?
- Pourquoi l’ombrage partiel affecte-t-il la production de l’ensemble du module ?
- Comment un circuit multi-cut améliore-t-il la réponse à l’ombrage ?
- Quelles sont les différences entre les différentes conceptions de segmentation ?
- Une segmentation plus poussée est-elle toujours meilleure ?
- Quels points faut-il considérer lors du choix de modules multi-cut ?
- Conclusion : la valeur du multi-cut réside dans la stabilité de production en conditions réelles
Ces dernières années, les modules demi-cellules sont devenus une conception courante sur le marché photovoltaïque. Par rapport aux modules traditionnels à cellules entières, la technologie demi-cellule permet de réduire le courant de fonctionnement de chaque unité de cellule, de limiter les pertes résistives internes et d’améliorer, dans une certaine mesure, la gestion thermique ainsi que la réponse aux ombrages partiels.
Cependant, avec le développement des cellules de type N, des wafers de plus grande taille et des modules à forte puissance, la concurrence entre modules photovoltaïques ne se limite plus à la puissance nominale mesurée dans les conditions de test standard. Les chemins de courant internes, les pertes thermiques, la réponse à l’ombrage et la stabilité de fonctionnement à long terme deviennent des facteurs de plus en plus importants pour le rendement réel.
Dans ce contexte, les conceptions à trois découpes, quatre découpes et d’autres architectures de cellules plus segmentées attirent davantage l’attention.
Le « multi-cut » ne consiste pas simplement à découper les cellules en morceaux plus petits. Son objectif réel est de réorganiser les chemins de courant internes du module grâce à des unités de cellule plus segmentées et à une conception de circuit plus flexible, afin d’aider le module à maintenir une production plus stable en cas de température élevée, d’ombrage partiel et de conditions de toiture complexes.
1. Qu’est-ce qu’un module photovoltaïque multi-cut ?
Un module photovoltaïque multi-cut désigne un module dans lequel les cellules solaires entières sont découpées en unités plus petites, puis connectées en série, en parallèle ou selon une architecture hybride.
Les formes courantes de segmentation incluent :
Les modules demi-cellules : les cellules entières sont découpées en deux parties ; cette conception est aujourd’hui mature et largement utilisée ;
Les modules à trois découpes : les cellules entières sont découpées en trois parties afin de réduire davantage le courant de fonctionnement de chaque unité de cellule ;
Les modules à quatre découpes et plus : les cellules sont encore plus segmentées pour permettre une conception de circuit plus fine ;
Les modules shingled : une méthode particulière de segmentation et d’interconnexion à haute densité.
Vu de l’extérieur, le multi-cut peut sembler être une simple modification de la méthode de découpe des cellules. Mais du point de vue du fonctionnement du module, il modifie surtout la répartition interne du courant, les chemins d’interconnexion et la réponse à l’ombrage.
Dans les modules traditionnels à cellules entières, chaque cellule supporte un courant de fonctionnement relativement élevé. Lorsque la taille des cellules augmente et que la puissance des modules progresse, la gestion du courant devient plus importante. C’est dans ce contexte que les conceptions multi-cut se développent : en divisant de plus grandes unités de production en unités de cellule plus petites, elles réduisent le courant unitaire et offrent davantage de marge pour une conception de circuit plus flexible.
2. Pourquoi les modules à forte puissance nécessitent-ils une gestion plus fine du courant ?
Le multi-cut suscite de l’intérêt parce que les modules à forte puissance nécessitent une gestion plus précise du courant interne, des pertes thermiques et des chemins d’interconnexion.
À l’intérieur d’un module photovoltaïque, les rubans, les zones d’interconnexion et les chemins conducteurs génèrent tous une certaine perte résistive. Cette perte est liée au carré du courant et peut être comprise à l’aide de la formule suivante :
P_loss = I²R
I représente le courant, et R représente la résistance.
Cela signifie que, dans des conditions comparables, plus le courant de fonctionnement est élevé, plus les pertes résistives internes et les contraintes de chauffage local deviennent importantes. En découpant une cellule entière en unités plus petites, le courant de fonctionnement de chaque unité peut être réduit, ce qui contribue à limiter une partie des pertes internes.
Dans un cas idéal :
- le courant d’une demi-cellule est d’environ 1/2 de celui d’une cellule entière ;
- le courant d’une unité à trois découpes est d’environ 1/3 de celui d’une cellule entière ;
- le courant d’une unité à quatre découpes est d’environ 1/4 de celui d’une cellule entière.
D’après la formule, la réduction du courant peut entraîner une diminution des pertes résistives selon une relation quadratique. Mais dans un module réel, les performances finales ne dépendent pas uniquement d’un calcul mathématique. La qualité de découpe, la passivation des bords, la conception des rubans, la structure série-parallèle, la segmentation des diodes de dérivation et la fiabilité de l’encapsulation influencent toutes la production effective du module.
Le multi-cut n’est donc pas seulement une technique de découpe des cellules. Il s’agit d’une approche de conception de circuit axée sur la réduction du courant, la limitation des pertes et la fiabilité à long terme.
3. Pourquoi l’ombrage partiel affecte-t-il la production de l’ensemble du module ?
L’ombrage partiel affecte la production du module parce que le courant dans un circuit en série est souvent limité par l’unité de cellule ayant le courant le plus faible.
Les cellules d’un module photovoltaïque ne fonctionnent pas de manière totalement indépendante. Elles sont connectées en série ou selon des configurations série-parallèle pour former des chaînes de cellules. Lorsqu’une cellule ou une zone du module est ombragée, sa capacité de production diminue, tout comme son courant de sortie.
Dans un circuit en série, le courant de toute la chaîne est souvent déterminé par la cellule qui produit le courant le plus faible. Autrement dit, une ombre locale peut non seulement affecter la zone ombragée elle-même, mais aussi réduire la production de toute la chaîne.
En cas d’ombrage sévère, la cellule ombragée peut entrer en polarisation inverse et passer d’une unité productrice d’énergie à une charge consommatrice. Cela peut provoquer un échauffement local, généralement appelé effet de point chaud.
Pour réduire ce risque, les modules sont généralement équipés de diodes de dérivation. Lorsqu’une chaîne de cellules est fortement ombragée, la diode de dérivation permet au courant de contourner la zone affectée afin de protéger les cellules. Toutefois, la section contournée ne contribue plus à la production de puissance, ce qui entraîne malgré tout une baisse de la sortie du module.
Les performances face à l’ombrage ne dépendent donc pas seulement des cellules elles-mêmes. Elles sont aussi fortement influencées par la conception du circuit interne, la segmentation des diodes de dérivation et l’agencement des chaînes de cellules.
4. Comment un circuit multi-cut améliore-t-il la réponse à l’ombrage ?
La conception multi-cut peut réduire l’effet secondaire d’un ombrage local grâce à des unités de cellule et des zones de circuit plus segmentées.
Dans les structures de modules traditionnelles, les cellules et les chaînes de cellules sont divisées en sections relativement grandes. Un ombrage local peut donc affecter une partie plus importante de la sortie du circuit. La conception multi-cut divise les grandes unités de cellule en unités de production plus petites et utilise des structures série-parallèle plus fines, ce qui permet de limiter plus facilement le déséquilibre de courant à une zone réduite.
Avec une conception de circuit adaptée, les modules multi-cut peuvent contribuer à :
- réduire le courant de fonctionnement de chaque unité de cellule ;
- limiter une partie des pertes résistives le long des chemins d’interconnexion ;
- réduire les contraintes d’échauffement local ;
- limiter les pertes secondaires causées par l’ombrage local ;
- permettre aux zones non ombragées de continuer à produire autant que possible.
C’est l’une des raisons pour lesquelles la conception multi-cut suscite de l’intérêt dans les projets de toitures complexes.
Dans les projets réels, l’ombrage est rarement régulier. Les cheminées, les ombres d’arbres, les acrotères, les équipements de ventilation, les fenêtres de toit et les bâtiments voisins peuvent créer des ombres de formes et de directions différentes. Certaines sont localisées, d’autres horizontales, et d’autres encore se déplacent avec l’angle du soleil.
Ainsi, l’amélioration de la réponse à l’ombrage par le multi-cut dépend de la cohérence entre la conception du circuit interne et le scénario d’ombrage réel. Cette technologie ne supprime pas l’ombre et ne garantit pas de meilleures performances dans toutes les conditions d’ombrage. Elle offre cependant une base de conception plus flexible pour réduire la propagation des pertes dues aux déséquilibres locaux.
5. Quelles sont les différences entre les différentes conceptions de segmentation ?
Les différentes conceptions de segmentation ne peuvent pas être simplement classées de la meilleure à la moins bonne. Elles correspondent à des compromis différents en matière de gestion du courant, de procédé d’encapsulation et d’adaptation aux applications.
Le tableau suivant compare les principales structures de modules selon leur changement de conception, leur fonction principale et les points à surveiller :
Même si plusieurs fabricants utilisent des méthodes de segmentation similaires, leurs conceptions de circuit réelles peuvent être différentes. Une meilleure réponse à l’ombrage local ne dépend pas seulement du nombre de découpes, mais aussi de l’agencement des chaînes de cellules, de la conception des chemins parallèles, de la segmentation des diodes de dérivation et de la stabilité du procédé d’encapsulation.
6. Une segmentation plus poussée est-elle toujours meilleure ?
Une segmentation plus importante ne signifie pas automatiquement de meilleures performances. L’essentiel est de savoir si la conception du circuit est pertinente et si la fiabilité et les coûts restent maîtrisés.
Lorsque les cellules sont divisées en unités plus petites, le courant de fonctionnement de chaque unité diminue, ce qui peut théoriquement réduire les pertes résistives et l’échauffement local. Mais en même temps, le nombre de bords découpés, de chemins d’interconnexion, de points de soudure et de structures d’encapsulation augmente, ce qui impose des exigences plus élevées en matière de constance de fabrication et de fiabilité à long terme.
Si les bords de découpe ne sont pas correctement traités, les risques de recombinaison de bord, de microfissures ou de dégradation à long terme peuvent augmenter. Si la structure d’interconnexion devient trop complexe, la constance de production et la vérification de fiabilité à long terme peuvent également devenir plus difficiles.
En outre, les différentes formes d’ombrage ne produisent pas toujours les mêmes résultats. L’ombrage localisé, l’ombrage horizontal, l’ombrage vertical et l’ombrage de bord sous faible angle solaire affectent les zones de circuit du module de manière différente. Une conception de segmentation performante dans un type d’ombrage ne présente pas nécessairement le même avantage dans tous les scénarios.
La question essentielle n’est donc pas de savoir combien de fois une cellule peut être découpée, mais si le module peut atteindre un équilibre raisonnable entre courant plus faible, pertes réduites, fiabilité, coût et scénario d’application.
7. Quels points faut-il considérer lors du choix de modules multi-cut ?
Lors du choix de modules multi-cut, il ne suffit pas de regarder le nombre de découpes. La conception du circuit, les conditions d’ombrage, la méthode d’installation et la fiabilité à long terme doivent aussi être prises en compte.
Il faut d’abord examiner la conception du circuit interne du module. Même si deux modules utilisent tous deux une conception demi-cellule, trois découpes ou une autre architecture multi-cut, l’agencement des chaînes de cellules, les chemins parallèles et les zones de protection par diode de dérivation peuvent varier. Ces détails déterminent souvent les performances en cas d’ombrage.
Il faut ensuite tenir compte du scénario du projet. Si la toiture ne présente pas d’ombrage, si l’orientation est homogène et si les conditions d’installation sont bonnes, les différences entre structures de segmentation peuvent ne pas être très marquées. En revanche, si le projet comporte des cheminées, des ombres d’arbres, des acrotères, des ombres d’équipements ou des conditions de fonctionnement à température élevée, les capacités de faible courant et de réponse locale des conceptions multi-cut deviennent plus pertinentes.
La fiabilité du module est également essentielle. Une segmentation plus élevée signifie davantage de bords découpés et de zones d’interconnexion. La qualité de découpe, la passivation des bords, le procédé d’encapsulation, la constance des soudures et la résistance aux conditions extérieures à long terme sont donc très importantes.
Enfin, la conception du système doit aussi être prise en compte. L’orientation des modules, la conception des chaînes, la compatibilité avec l’onduleur, la durée d’ombrage et les conditions d’exploitation-maintenance influencent toutes la production finale. Les modules multi-cut peuvent contribuer à améliorer certains problèmes de fonctionnement, mais ils ne remplacent pas une conception de système adaptée.
Pour les toitures commerciales et industrielles, les toitures résidentielles complexes, les projets BIPV ou les applications présentant un risque d’ombrage partiel, l’enjeu réel ne se limite pas à la puissance crête mesurée en conditions de test standard. Il concerne surtout la stabilité de production à long terme dans les conditions réelles d’exploitation.
8. Conclusion : la valeur du multi-cut réside dans la stabilité de production en conditions réelles
Des demi-cellules au multi-cut, le développement des modules photovoltaïques évolue d’une recherche centrée sur la puissance nominale vers une production plus stable dans les conditions réelles d’exploitation.
La valeur centrale du multi-cut n’est pas de démontrer jusqu’à quel point une cellule peut être découpée. Elle réside plutôt dans l’utilisation d’un courant plus faible, de circuits plus segmentés et d’une interconnexion plus adaptée pour réduire les pertes internes, améliorer la gestion thermique et renforcer la stabilité de sortie sous ombrage partiel.
À mesure que les modules à forte puissance se généralisent, les chemins de courant internes et la segmentation des circuits auront une influence croissante sur les performances à long terme du système. Pour les toitures complexes, les environnements à température élevée et les applications exposées à un risque d’ombrage partiel, la stabilité de la production électrique est souvent plus importante que la puissance nominale seule.
Ainsi, lorsqu’il est question de modules multi-cut, la vraie question n’est pas de savoir combien de fois une cellule peut être découpée, mais si la conception du circuit peut aider le module à produire de l’électricité de manière plus stable et plus fiable dans les conditions réelles.
Sources et références
Fraunhofer ISE — Techno-Economic Analysis of Half Cell Modules – The Impact of Half Cells on Module Power and Costs
https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/documents/publications/conference-paper/36-eupvsec-2019/Mittag_4AV120.pdf
Fraunhofer CSP / IMWS — Reduced Shading Effect on Half-Cell Modules
https://publica.fraunhofer.de/entities/publication/19a6c151-450a-4100-955c-c6ec63f84360
Fraunhofer / IEEE Journal of Photovoltaics — A Comprehensive Study of Module Layouts for Silicon Solar Cells Under Partial Shading
https://publica.fraunhofer.de/bitstreams/3b85b226-12c0-45e5-8ce2-693c666bed55/download
NREL — Partially Shaded Operation of a Grid-Tied PV System
https://docs.nrel.gov/docs/fy09osti/46001.pdf
EPJ Photovoltaics — Challenges and Advantages of Cut Solar Cells for Shingling and Half-Cell Modules
https://www.epj-pv.org/articles/epjpv/full_html/2024/01/pv230065/pv230065.html