Le silicium cristallin à la base des panneaux photovoltaïques
Les panneaux photovoltaïques ou modules photovoltaïques sont constitué de plusieurs couches, mais le constituant majeur permettant le principe de conversion des photons contenu dans les rayons solaires est le silicium, on parle de semi-conducteur. Les panneaux photovoltaïques sont donc des capteurs solaires et d’une surface de l’ordre de 1m2 et qui permet d’obtenir directement de l’énergie électrique à partir de la lumière du soleil.
Les panneaux sont composé d’un ensemble de cellules photovoltaïques de 10 à 20 cm² reliées entre elles.
Sous l’effet de la lumière, chaque cellule émet des électrons grâce à l’effet photoélectrique découvert expérimentalement en 1839 par le français Antoine-César Becquerel et interprété initialement par l’allemand Henrich Hetz.
La tension continue obtenue est convertie en un courant dès que la cellule est connectée à un circuit électrique. Les cellules sont fabriquées à partir de plaquettes d’un matériau semi-conducteur, c’est-à-dire qui a la propriété de pouvoir conduire un courant électrique dans certaines conditions uniquement ; le semi-conducteur le plus utilisé est le silicium.
Les étapes de fabrication des modules photovoltaïques
La transformation du silicium en panneaux photovoltaïques en passant par les lingots dans lesquels seront découpées les plaquettes de silicium nécessaires à la fabrication des cellules. Le silicium utilisé comme matière première est l’élément chimique dont le noyau compte 14 protons. Il est abondant sur terre mais n’existe cependant pas à l’état naturel. Il faut donc également le produire.
De la silice au silicium photovoltaïque
On obtient le silicium à partir de la silice que l’on trouve notamment dans le sable et le quartz. La silice, dont le nom chimique est « dioxyde de silicium », est un assemblage d’un atome de silicium et de deux atomes d’oxygène (SiO2). Le raffinage du silicium consiste à séparer ces atomes dans un four, étape fortement consommatrice d’énergie. Elle permet d’obtenir du silicium liquide qualifié de « métallurgique ».
La purification du silicium métallurgique par des procédés principalement chimiques fournit le silicium polycristallin composé d’un grand nombre de petits cristaux, c’est-à-dire d’éléments « dont la structure atomique est ordonnée et périodique dans les trois directions de l’espace ».
Pour son utilisation dans l’industrie photovoltaïque, le silicium doit être davantage purifié. Il est pour cela fondu puis recristallisé en lingots utilisés pour fabriquer les cellules photovoltaïques. C’est à cette étape que sont ajoutés les produits dopants nécessaires au bon fonctionnement des cellules.
Procédés de cristallisation du silicium photovoltaïque : les méthodes traditionnelles
La cristallisation du silicium en lingots peut s’opérer selon divers procédés dont on donne ici l’état de l’art. Ils conduisent à différentes qualités de cristal et donc de cellules photovoltaïques, selon que le silicium obtenu est multicristallin, c’est-à-dire composé d’une multitude de cristaux microscopiques caractérisés par une taille et une orientation variées, ou monocristallin, c’est à dire formé d’un unique cristal macroscopique.
Procédé de croissance dirigée pour du silicium multicristallin
Cette technique dite également « solidification dirigée » consiste à faire fondre du silicium purifié dans un creuset en quartz recouvert d’une couche de nitrure de silicium (Si3N4) de manière à ce que la silice du quartz ne réagisse pas avec le silicium liquide.
Après homogénéisation de la température du bain de silicium, le creuset se refroidit progressivement du bas vers le haut permettant ainsi la formation de cristaux multicristallins de tailles et d’orientations différentes.
Cette cristallisation s’avère peu coûteuse mais elle donne un matériau de qualité moyenne en raison de la présence de défauts, en particulier les joints entre les grains et les impuretés métalliques. Les lingots obtenus possèdent des propriétés – notamment la puissance lumineuse et la transmission de l’énergie des photons à travers le circuit électrique – plus faibles que ceux issus de la cristallisation Czochralski.
La cristallisation Czochralski (CZ) obtenant du silicium monocristallin
Cette méthode a été inventée par le chimiste polonais Czochralski au début du XXème siècle. Cette technique consiste à obtenir une structure monocristalline en fondant du silicium polycristallin de haute pureté dans un creuset en quartz en rotation placé dans un four d’étirage sous argon afin de garantir une atmosphère neutre pour éviter l’oxydation.
La cristallisation se fait par contact entre le silicium fondu et un germe, qui est une fraction d’un cristal préalablement obtenu. Lorsque la température se stabilise, le bain se solidifie sur le germe qui est plus froid et qui est en mouvement de rotation inverse. Ensuite on extrait le cristal formé en tirant lentement ce germe vers le haut. Ainsi, on obtient un lingot de cristaux ayant tous la même orientation cristalline et de diamètre contrôlé en modifiant la température ou la vitesse de tirage.
Pour les cellules solaires, le germe est orienté <100>, c’est-à-dire que le plan atomique où les atomes du cristal sont rangés est horizontal, dans le but de faciliter la texturation de surface. Ce procédé permet d’obtenir un matériau ayant de bonnes propriétés électriques mais avec un coût élevé puisqu’il nécessite une longue durée de fabrication des cristaux et produit une faible quantité de silicium monocristallin. Le cristal produit constituera le lingot.
Vous trouverez de nombreuses informations sur la fabrication des panneaux photovoltaïques et plus généralement sur la filière photovoltaïque sur la page Facebook de France PAC Environnement et des videos explicatives sur la chaîne Youtube de France PAC Environnement.
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