Dossier - Les cellules photovoltaïques, cœur des panneaux solaires

Dossier - Les cellules photovoltaïques, cœur des panneaux solaires

ven, 01/03/2020 - 14:24 -- egedec

Le silicium, star du photovoltaique

De nombreuses cellules photovoltaiques ont vu le jour pour exploiter au mieux la lumiere du Soleil au travers de panneaux solaires. Afin de produire de l'electricite, silicium, terres rares ou plastiques sont employes, mais chaque technologie a des atouts et des faiblesses dans ce domaine prometteur.

En 2011, 87 % des installations photovoltaiques installees dans le monde comportaient du silicium mono ou multi cristallin. Bien qu'etant l'element chimique le plus abondant sur Terre apres l'oxygene, le silicium ne peut etre trouve a l'etat pur. Il doit donc etre extrait de la silice, purifie, mis en forme puis dope avant d'etre utilise. Toutes ces operations ont un important cout energetique. 

De nombreuses cellules photovoltaiques differentes existent de nos jours. Elles sont classees en trois generations. La premiere d'entre elles renferme les structures composees de silicium monocristallin ou multicristallin, qui se differencient donc par le procede industriel employe pour fabriquer les galettes. La 2e generation rassemble les cellules dites a couches minces et les cellules organiques. Toutes les autres technologies (cellule de Gratzel, cellule a boites quantiques, etc.) appartiennent a la 3e generation. 

Les cellules au silicium cristallin equipaient a elles seules 87 % des systemes photovoltaiques installes dans le monde en 2011. Percons le secret de leur fabrication. 

Le silicium, l'element le plus abondant sur Terre apres l'oxygene

La croute terrestre se compose a 25,7 % de silicium (Si). Cependant, cet element, le plus abondant sur Terre apres l'oxygene, n'est pas directement exploitable puisqu'il n'est pas present a l'etat pur. Il doit donc etre extrait de differents mineraux, comme la silice (ou dioxyde de silicium SiO2), avant d'etre exploite.

Pour ce faire, il faut chauffer la matiere premiere dans de puissants fours a arcs (jusqu'a 35 MW) afin d'atteindre des temperatures superieures a 3.000 degC. Dans un premier temps, les blocs ou grains de silice sont places dans une cuve en presence de materiaux reducteurs, tel du coke. Les arcs electriques sont ensuite generes entre des electrodes de graphite. Ils vont provoquer la montee en temperature, faire fondre la silice (des 1.650 degC), puis faciliter la recombinaison de ses atomes d'oxygene avec le carbone du materiau reducteur. Il s'en suit alors un degagement de monoxyde de carbone (CO) et de dioxyde de carbone (CO2) tandis que du silicium s'ecoule hors du four par des orifices adaptes. Cette matiere renfermant encore de nombreuses impuretes est a ce stade qualifiee de metallurgique.

Le silicium ne devient pur a 99,9999 % qu'apres avoir subi differents traitements physiques et chimiques complementaires. Il est alors suffisamment pur pour etre utilise dans l'industrie photovoltaique. C'est en adaptant l'etape suivante, la recristallisation, que le silicium va devenir soit monocristallin, soit multicristallin. 

La fabrication des lingots de silicium

Le silicium multicristallin est facile a obtenir. Il suffit de placer la matiere en fusion dans un creuset en graphite, puis de la refroidir par le bas durant plusieurs dizaines d'heures. La solidification se fait donc de bas en haut, tout en causant l'apparition de plusieurs cristaux a gros grains dans la colonne. Le lingot obtenu peut ensuite etre decoupe en briques de dimensions definies.

La fabrication du silicium monocristallin necessite plus d'operations (procede de Czochralski). La matiere premiere en fusion est coulee dans un creuset en quartz ou elle est maintenue a l'etat liquide, mais a la limite de la solidification, par chauffage. L'atmosphere est alors neutralisee grace a l'injection d'argon, afin d'eviter tout probleme d'oxydation. Par la suite, un germe monocristallin presentant une orientation cristallographique connue est mis en contact avec le liquide, puis progressivement tire vers le haut (vitesse de 1 mm/sec) et mis en rotation (30 tours/min). Du silicium liquide est alors entraine a sa suite. Il va rapidement refroidir et donc se solidifier, tout en adoptant l'orientation cristallographique du precurseur. 

Il se forme ainsi un seul et unique cristal geant de forme cylindrique. Il est ensuite equeute (les extremites riches en impuretes ou mal cristallisees sont retirees), avant de subir une operation d'equarrissage. Ses bords sont donc coupes de maniere a lui donner une forme carree, mais avec des coins arrondis.

Un lingot pour 2.000 wafers de silicium

Les lingots et les briques sont ensuite simultanement decoupes en plusieurs centaines de plaques grace a des scies a fils (certaines entreprises en decoupent jusqu'a 2.000 en une fois). Ces galettes, ou wafer en anglais, font 200 a 350 um d'epaisseur.

Pres de 30 a 40 % de la matiere est perdue durant cette etape, car les scies a fil font au moins 150 mm de diametre, et le volume scie est reduit en poudre. Elle peut cependant etre recyclee sous certaines conditions, par exemple lorsque le silicium monocristallin a ete debite a l'aide d'une scie diamantee. Les plaquettes multicristallines sont pour leur part decoupees avec des fils metalliques recouverts par d'autres melanges d'abrasifs. 

Le dopage, la cle de la jonction p-n

A ce stade, les galettes de silicium sont dopees uniformement p ou n, selon leur position initiale dans le lingot. La prise de contact des deux cotes n'aboutirait donc pas a la creation d'une jonction p-n. Certaines zones de la plaquette doivent donc etre enrichies en phosphore ou, a l'inverse, en bore.

Plusieurs procedes existent, mais seul celui qui est majoritairement utilise par les industriels est presente : la diffusion thermique. L'operation requiert a nouveau de hautes temperatures. Les galettes doivent en effet etre chauffees entre 800 et 900 degC, avant qu'un gaz contenant la solution dopante, par exemple du chlorure de phosphoryle (type n) ou de diborane (type p), ne soit injecte dans le milieu. La chaleur permet alors au dopant d'acquerir suffisamment d'energie pour penetrer dans la matiere, et ainsi aller s'immiscer entre des atomes de Si. Petit detail, un dopage efficace ne s'obtient que lorsque la temperature du four est parfaitement homogene.

Les autres procedes industriels de dopage sont : l'implantation ionique, la transmutation et la technique par laser. Des la fin de cette etape, la jonction p-n est creee, les galettes peuvent etre assemblees pour donner naissance a une cellule photovoltaique cristalline. 

source :  futura-sciences  

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