Rapport cellules/modules pour les modules ETFE : pourquoi 33 cellules solaires ne correspondent pas à la puissance nominale.

Un acheteur OEM nous a contactés par courriel le trimestre dernier avec une excellente question. Les spécifications de ses cellules indiquaient une efficacité de 26,21 TP3T. Son panneau comportait 33 cellules demi-coupées d'une puissance d'environ 4,37 W chacune, soit une puissance totale de 144,2 W. Alors pourquoi l'étiquette indiquait-elle 130 W ?

Quatorze watts, apparemment manquants.

Le panneau solaire fonctionnait parfaitement. Cet écart a un nom, une formule et des causes bien identifiées : les ingénieurs l’appellent… rapport cellule/module (CTM). Ce qui suit détaille les calculs relatifs à un véritable module solaire à contact arrière ETFE de 130 W, vous propose trois vérifications que vous pouvez effectuer sur n'importe quelle fiche technique en une minute et répond à une question qui nous est posée presque chaque semaine : La couche de fibre de verre consomme-t-elle de l'énergie ?

Ce que mesure réellement le CTM

Le CTM compare deux nombres : la somme des puissances des cellules individuelles, testées par flash avant la lamination, à la puissance nominale du module fini dans les conditions STC.

Un ratio inférieur à 100% est courant. L'assemblage des cellules en module implique l'ajout de film, d'adhésif, d'espaces, de conducteurs et de résistance, chacun ayant un faible coût.

Ce qui surprend les acheteurs, c'est que CTM puisse grimper au-dessus de 100%. L'institut Fraunhofer ISE a construit des modules de demi-cellules à 104% CTM en intégrant délibérément des gains optiques dans la structure. À l'échelle industrielle, ce changement s'est déjà produit : selon les données de l'ITRPV CTM a réussi le test de référence 100% en 2021., avec des conceptions de demi-cellules supérieures à 100,5% et des conceptions à trois coupes proches de 101%.

Un module n'est pas un simple boîtier qui perd de la lumière. C'est un système optique dont certains éléments restituent de l'énergie.

Le piège : diviser le rendement du module par le rendement de la cellule

Une erreur en particulier se retrouve plus souvent que toute autre dans les feuilles de calcul des achats. Un acheteur constate un rendement de module de 20,21 TP3T et un rendement de cellule de 26,21 TP3T, effectue une division, obtient 77,11 TP3T et signale que l'usine perd 231 TP3T lors de la lamination.

Le chiffre est erroné, et la raison est structurelle plutôt qu'arithmétique. L'efficacité d'une cellule est mesurée sur sa surface ; l'efficacité d'un module est mesurée sur l'ensemble du panneau. Un panneau comporte des bords, des espaces entre les cellules et des zones de routage — aucun de ces éléments ne produit d'énergie et aucun ne doit être pris en compte dans le calcul des pertes de lamination.

Distinguez les deux effets et les chiffres cessent d'être suspects. L'un est géométrique, déterminé par la mise en page ; l'autre est physique et lié à l'intégration, déterminé par le processus. Les regrouper masque le seul effet réellement exploitable.

Exemple concret : 130 W de contact arrière flexible

Prenons un produit réel : un module flexible à contact arrière ETFE de 1090 × 590 mm, 33 cellules demi-coupées dans un réseau 3 × 11, d'une puissance nominale de 130 W en conditions STC.

Ensuite, la géométrie. Chaque demi-cellule mesure environ 91 × 183,75 mm, donc 33 d'entre elles couvrent environ 0,552 m². Le panneau couvre 0,643 m². La surface active se situe donc à proximité de 85.8%.

Multipliez les trois ensemble :

Nous recommandons cette vérification à tous les acheteurs, car elle est rapide et difficile à falsifier. Si les trois chiffres d'un fournisseur ne se rapprochent pas à quelques dixièmes près, il y a un problème : une efficacité cellulaire surestimée, une surface erronée ou une fiche technique copiée d'un autre produit.

Deux autres vérifications, et aucune n'a besoin d'un laboratoire.

Le contrôle d'efficacité est un test rigoureux. Ces deux opérations prennent une minute et détectent immédiatement les fiches techniques falsifiées.

Volts par cellule. Divisez les tensions des modules par le nombre de cellules : 20,13 V ÷ 33 = 0,61 V à puissance maximale, 23,45 V ÷ 33 = 0,71 V en circuit ouvert. Ces valeurs correspondent à l’emplacement prévu pour le silicium du contact arrière. Si vous obtenez 0,5 ou 0,9 V, soit le nombre de cellules est erroné, soit les données électriques sont falsifiées.

Densité de courant. Divisez le courant de court-circuit par la surface active d'une cellule — dans une chaîne en série, chaque cellule est parcourue par le même courant. Ici : 6,77 A ÷ 167,2 cm² = 40,5 mA/cm².

Considérez cette valeur comme une limite à ne pas franchir. Une fiche technique indiquant plus de 43 mA/cm² environ n'est pas optimiste ; c'est impossible. Nous avons déjà vu des valeurs annoncées dépassant les 46 mA/cm². Attention : lorsque les cellules sont disposées en groupes parallèles plutôt qu'en série, divisez d'abord le courant du module par le nombre de groupes parallèles.

Où vont donc les 14 watts manquants ?

Ce 9.8% ne désigne pas une seule chose. Il en désigne au moins six, et seules certaines d'entre elles impliquent la lumière.

C’est pourquoi, selon cette dernière explication, on ne peut pas estimer le CTM en multipliant les valeurs de transmittance issues de quatre fiches techniques de fournisseurs. La modélisation de Fraunhofer intègre les gains et les pertes dans un même calcul, et non dans une série de soustractions.

Séparation des pertes optiques et des pertes électriques

Six mécanismes regroupés en un seul chiffre ne sont pas très utiles pour résoudre un problème. La distinction est cependant simple et dépend du paramètre affecté par chaque mécanisme. Les pertes optiques consomment des photons et se répercutent donc sur le courant. Les pertes électriques affectent la tension et le facteur de remplissage, sans incidence notable sur le courant.

Demandez donc les données flash des deux côtés de la lamination et calculez deux ratios :

• Isc du module ÷ Isc de la cellule Il s'agit de votre CTM optique. La réflexion de la feuille avant, l'absorption de l'encapsulant et la diffusion de la fibre de verre convergent toutes ici.
• Le reste se situe dans Voc et facteur de remplissage : résistance d'interconnexion, désadaptation et recombinaison des bords coupés.

Cette distinction est cruciale sur le plan commercial. Dans le cas principalement optique, les discussions portent sur les matériaux : poids de la fibre, qualité de l’encapsulant, nombre de couches. Dans le cas principalement électrique, les matériaux ne suffisent pas ; la discussion se concentre alors sur la conception des conducteurs, leur tri et le procédé de séparation. Les fournisseurs incapables de fournir les deux types de données flash ne les mesurent généralement pas.

La découpe mérite une mention spéciale, car l'approche courante est erronée. La construction à demi-coupe est clairement avantageuse : le courant est divisé par deux et les pertes par effet Joule sont quatre fois moindres, ce qui vaut largement le coup. 3 à 5% plus de puissance que leurs équivalents à cellules complètes. La vraie question est de savoir ce que le processus de séparation permet de récupérer. Peu de choses, s'il est bien réalisé : l'institut Fraunhofer ISE fait état d'un coût optimisé pour la séparation thermique par laser. seulement légèrement supérieure à 0,1% en valeur absolue en termes d'efficacité, La passivation des bords permet de récupérer environ 851 TP3T de cette valeur. Les méthodes de traçage et de rupture moins coûteuses causent beaucoup plus de dommages, qui se manifestent ultérieurement sous forme de fissures sous charge.

La fibre de verre bloque-t-elle la lumière ? La réponse honnête

Prenez une feuille de fibre de verre sèche : elle paraît blanche, opaque, sans intérêt. Les acheteurs la repèrent sur un schéma de couches et en concluent que le panneau laisse passer un dixième de la lumière solaire. Cette intuition est compréhensible. Mais elle est, en général, erronée.

La fibre de verre sèche apparaît blanche car ses fibres sont entourées d'air. La fibre de verre E a un indice de réfraction proche de 1,56, contre 1,00 pour l'air, et cette différence d'indice provoque une diffusion de la lumière à chacune des millions d'interfaces entre les fibres. La lamination sous vide modifie ces calculs. L'encapsulant remplit l'espace entre les fibres, et les matériaux EVA et POE de qualité photovoltaïque ont un indice d'environ 1,48. La différence d'indice passe d'environ 0,56 à environ 0,08, et la diffusion diminue fortement.

Translucide ne signifie cependant pas transparent. Ce résidu de 0,08 explique précisément pourquoi la quantité de fibres demeure la variable déterminante. Comme l'a souligné l'équipe de l'EPFL à l'origine de l'étude la plus citée sur ce sujet : même un léger décalage entre la fibre et la matrice réduit la transmittance, et cet effet s'accroît avec le poids du renfort.

Les données : la transmittance diminue avec le poids de la fibre

Des chercheurs de l'EPFL ont encapsulé des cellules photovoltaïques sous des laminés de fibres de verre de densité croissante, puis ont mesuré le courant de court-circuit par rapport à des cellules nues. Le résultat est sans équivoque.

Source: Pascual et al., EPFL, CISBAT 2013. Les valeurs sont des rapports de courant de court-circuit sur 300–800 nm.

L'architecture des fibres a eu un impact négligeable : le motif de tissage a influencé le résultat de quelques pourcents seulement, tandis que le poids total des fibres a varié de plusieurs dizaines de pourcents. Le nombre de fibres croisées était légèrement inférieur au nombre de fibres unidirectionnelles, ce que les auteurs ont attribué à la présence de poches d'air emprisonnées aux points de croisement.

Notez la faible valeur limite : même à 410 g/m², bien plus lourd que les voiles utilisés dans le photovoltaïque flexible, la transmittance reste à 881 TP3T. La question pertinente n’a donc jamais été “ ce panneau contient-il de la fibre de verre ? ” Combien de grammes par mètre carré, sur quelle face, et à quel point l'imprégnation était-elle complète ?

La position de la couche détermine le coût

La plupart des stratifiés souples sont construits symétriquement, avec le même renfort au-dessus et en dessous de la cellule, ce qui assure l'équilibre de l'empilement et empêche le panneau de se courber lors du refroidissement. Optiquement, cependant, les deux couches n'ont presque rien en commun. Seule l'une est exposée à la lumière du soleil.

Les couches arrière ne sont pas gratuites, mais elles sont peu coûteuses ; elles modifient la réflexion interne au lieu d’intercepter la lumière incidente. Lorsqu’un schéma concurrent montre un renforcement important devant la cellule, dont la structure est constituée, possède un budget optique différent de celui de la cellule qui porte sa structure à l'arrière.

Pourquoi les modules flexibles partent avec un retard — et ce n'est pas la fibre de verre

Commençons par la bonne nouvelle : l’ETFE remporte bel et bien une manche. La fiche technique de l’ETFE Norton de Saint-Gobain indique… n = 1,40 et transmission supérieure à 95%. Effectuez le calcul de Fresnel : l’air sur ETFE réfléchit environ 2,8%, contre environ 4,3% pour le verre nu à 1,52. Sans revêtement, l’ETFE laisse passer plus de lumière.

Voici maintenant la double mauvaise nouvelle. Le verre courant n'est pas sans revêtement : une couche antireflet le ramène à environ 2%, annulant ainsi l'avantage de l'ETFE par rapport au produit concurrent. Quant à la seconde limitation, elle n'apparaît sur aucune fiche technique. Recyclage léger Ce procédé fonctionne par réflexion totale interne : la lumière qui manque une cellule est diffusée par les couches arrière, frappe la couche avant de l'intérieur, et au-delà de l'angle critique, revient pour une seconde réflexion sur le silicium. Cet angle dépend de l'indice de réfraction de la couche avant ; or, un faible indice est un inconvénient. Le verre, avec un indice de 1,52, donne environ 41° ; l'ETFE, avec un indice de 1,40, donne environ 46°.

Angle critique plus large, cône d'échappement plus large, plus de lumière perdue à l'avant au lieu d'être renvoyée à la cellule. Ce qui facilite l'aller se révèle néfaste au retour. Il s'agit d'un problème structurel, sans lien avec la fibre de verre, le nombre de membranes ou la qualité de la lamination. C'est d'ailleurs une des raisons pour lesquelles un stratifié flexible ne pourra jamais égaler le verre traité antireflet sur une membrane CTM, aussi bien fabriqué soit-il. La densité des contacts arrière accentue ce problème : avec une forte couverture cellulaire, la surface exposée de la feuille arrière est réduite, limitant ainsi la diffusion de la lumière. Par conséquent, un film arrière blanc capte moins de watts que dans un module à contacts arrière espacés.

La transmittance totale n'est pas le chiffre que vous recherchez.

Les fournisseurs indiquent une valeur. Pour un composite en fibre de verre, cette valeur est insuffisante : un stratifié peut laisser passer la lumière (90%) tout en conservant un aspect laiteux, car la lumière y est diffusée. Ce phénomène, appelé voile, est mesuré séparément.

La lumière diffusée n'est pas automatiquement perdue ; un photon atteignant la cellule génère un courant quel que soit le trajet emprunté. Cependant, le voile est un indicateur fiable du contrôle du processus. Les travaux de l'EPFL sur les modules légers sans verre ont permis de le constater. EVA et POE transmettent tous deux autour de 90% de 350 à 1100 nm environ, tout en notant que certaines polyoléfines deviennent laiteuses après la lamination, réduisant la transmittance et augmentant la réflectance.

Un aspect laiteux indique une imprégnation incomplète, de l'air emprisonné ou un procédé de stratification qui n'a pas permis de combler les vides. Dans le cas d'une fabrication en fibre de verre, chacun de ces problèmes rétablit les interfaces verre-air que le procédé était censé éliminer. Demandez l'indice de voile. Il vous renseigne sur la qualité de fabrication, et pas seulement sur le film.

À quoi ressemble un bon CTM, par format

Les benchmarks n'ont de sens que dans un format donné. Mesurer uniquement un stratifié ETFE flexible contre un module en verre sur un CTM ne permet pas d'obtenir des résultats pertinents.

Les chiffres du module de verre suivent données de la feuille de route de l'ITRPV. Les plages de valeurs flexibles reflètent nos propres données de construction et les études d'intégration de modules publiées — des recommandations d'ingénierie, et non des spécifications certifiées.

Considérez ce tableau comme un compromis, et non comme un classement. Un module flexible sacrifie plusieurs points de CTM au profit du poids, du rayon de courbure et de la résistance aux fissures ; sur le toit d'un camping-car ou une terrasse incurvée, ce compromis justifie pleinement l'existence du produit. Un CTM d'environ 90% est satisfaisant. Un CTM annoncé de 99% sur la même structure devrait vous alerter.

Comment isoler soi-même le coût de la fibre de verre

Pas besoin de laboratoire de recherche : quatre coupons et un spectrophotomètre avec sphère d’intégration suffisent. Plastifiez quatre échantillons acellulaires selon votre recette :

Mesurez la transmittance totale, la transmittance directe, le voile et la réflectance entre 300 et 1200 nm, puis pondérez ces valeurs en fonction de la réponse spectrale de votre cellule. Une moyenne basée uniquement sur la lumière visible est trompeuse, car le silicium est fortement sensible au proche infrarouge. Le rapport C ÷ B est le paramètre à négocier avec un fournisseur ; tout le reste relève de l'interprétation.

Douze questions à se poser avant de passer une commande OEM

La question 8 révèle plus de problèmes que toutes les autres réunies : de nombreuses fiches techniques mentionnent encore l’EVA car un modèle datant de plusieurs années n’a pas été mis à jour. La question 2 est celle à laquelle les fournisseurs s’attendent le moins, et une réponse vague en dit long sur tout le reste.

Points clés à retenir

• CTM compare la puissance du module à la somme des puissances des cellules. Une valeur inférieure à 100% est normale ; les modules en verre courants dépassent désormais cette valeur.
• Ne jamais diviser le rendement du module par le rendement de la cellule — cela mélange géométrie et pertes d'intégration.
• Efficacité du module = efficacité de la cellule × couverture active × CTM. À utiliser comme outil d'audit de cohérence.
• Divisez le courant de court-circuit du module par la surface active d'une cellule. Au-delà de 43 mA/cm² environ, les données de la fiche technique sont inapplicables, voire imprévisibles.
• Divisez la tension du module par le nombre de cellules. Le silicium à contact arrière donne environ 0,61 V à Vmp et environ 0,71 V à Voc.
• Le rapport Isc isole la perte optique ; ce qui reste se trouve dans Voc et le facteur de remplissage, et est de nature électrique.
• Environ 90% CTM est une valeur saine pour un stratifié ETFE flexible renforcé.
• La fibre de verre devient translucide une fois l'encapsulant imprégné — translucide, et non transparente. Le poids surfacique est primordial ; le tissage importe peu. Seul le renfort sur la face avant engendre un réel surpoids.
• L'indice de réfraction faible de l'ETFE réduit la réflexion de première surface, mais élargit le cône de fuite ; par conséquent, les panneaux flexibles recyclent moins de lumière que le verre antireflet. Cet écart est d'ordre structurel.

Foire aux questions

Comment calculer le rapport cellule/module ?

Divisez la puissance nominale du module en conditions STC par la somme des puissances mesurées de chaque cellule qui le compose (testées en flash), puis multipliez par 100. Dans l'exemple de 130 W : 130 ÷ 144,2 = 90,2%. Utilisez les données mesurées sur les demi-cellules lorsque cela est possible ; calculer la puissance d'une cellule à partir d'un rendement annoncé donne une approximation, et non une mesure précise.

Quel est un bon rapport cellules/modules pour un panneau solaire flexible ?

Pour un module ETFE renforcé, une température de couleur d'environ 88 à 941 TP3T est réaliste. Les modules en verre dépassent désormais 1001 TP3T grâce au traitement antireflet du verre, à une interconnexion éprouvée et à une meilleure récupération de la lumière, ce qui permet de compenser les pertes. Il est conseillé de comparer un panneau flexible à d'autres panneaux flexibles.

Pourquoi le rendement de mon module est-il bien inférieur au rendement de la cellule ?

Deux raisons indépendantes. Une partie de la surface du panneau ne contient pas de silicium, et les pertes d'intégration réduisent la puissance produite par le silicium. Dans l'exemple détaillé ci-dessus, la couverture représentait environ 14% et le CTM environ 10%.

La fibre de verre réduit-elle le rendement des panneaux solaires ?

Le renforcement en fibre de verre sur la face avant engendre un léger surpoids. Ce surpoids dépend du poids surfacique et de la qualité de l'imprégnation, et non de la simple présence de fibre de verre. Le renforcement sur la face arrière n'entraîne quasiment aucun surcoût optique direct.

Une demi-pile a-t-elle exactement la moitié de la puissance d'une pile complète ?

Presque, mais non. La découpe crée de nouvelles arêtes où les porteurs se recombinent, si bien que les deux moitiés réunies mesurent légèrement moins que l'original. La séparation thermique optimisée par laser coûte environ 0,1% en efficacité absolue, et la passivation des bords en récupère la majeure partie.

CTM est-il une spécification certifiée ?

Non. La puissance des modules relève de la norme IEC 61215 et la mesure des cellules de la norme IEC 60904, mais aucune norme ne régit la manière dont le rapport est présenté. Toute valeur CTM doit être considérée comme une revendication de qualification, et non comme une valeur certifiée.

Parlez de vos propres chiffres

Chaque stratifié est le fruit d'un compromis. Poids des fibres contre résistance à la fissuration. Nombre de couches contre contraintes optiques. Rayon de courbure contre rigidité. Il n'existe pas de structure universellement idéale ; il n'y a que celle qui convient au mode de montage du panneau et aux contraintes auxquelles il est soumis.

Envoyez-nous une fiche technique — n'importe laquelle — et nous effectuerons l'audit présenté dans cet article en fonction de celle-ci. Tension par cellule, densité de courant par rapport à la limite physique et efficacité. Vous recevez trois valeurs et notre analyse de leur cohérence. Sans engagement, nous vous indiquerons si les chiffres de la concurrence sont valides.

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Sources et lectures complémentaires

1. Fraunhofer ISE — CTM 100+ : amélioration des performances des modules par l’analyse des pertes entre cellules et modules
2. Fraunhofer ISE — Logiciel d'analyse cellule-module SmartCalc.CTM / SmartCalc.Module
3. Richter, Hermle et Glunz, Journal IEEE de photovoltaïque (2013) — Réévaluation du rendement limite des cellules solaires en silicium cristallin (Limites intrinsèques de 29,43% et 43,31 mA/cm²)
4. Plastiques de performance Saint-Gobain — propriétés typiques du film fluoropolymère Norton® ETFE (indice de réfraction, transmission)
5. Pascual, de Castro, Schueler, Vassilopoulos & Keller (EPFL, CISBAT 2013) — Transmittance lumineuse totale des stratifiés polymères renforcés de fibres de verre
6. Lisco, Virtuani & Ballif (EPFL, EU PVSEC 2020) — Optimisation de l'encapsulant de la couche frontale pour les modules PV légers sans verre
7. Lohmüller et al. (Fraunhofer ISE, SiliconPV 2025) — Isolation à faibles pertes des demi-cellules solaires TOPCon par TLS et passivation des bords Al₂O₃
8. magazine PV — Optimisation laser pour les cellules solaires demi-coupées
9. TaiyangActualités — Gains et pertes au niveau du module (données ITRPV cellule-module)