Accès rapides en un clic :
- Les processus de fabrication du silicium cristallin d'un panneau photovoltaïque
- La découpe des lingots de silicium, la fabrication des wafers d'un panneau photovoltaïque
- Traitements et métallisation des wafers d'un panneau photovoltaïque
- Les processus de fabrication d'un panneau photovoltaïque de silicium cristallin en images. Schéma complet
Les panneaux photovoltaïques sont composés de cellules de silicium cristallin, un semi-conducteur permettant de convertir l’énergie solaire en électricité grâce à l’effet photovoltaïque.
La fabrication du silicium cristallin puis des cellules photovoltaïques monocristallines ou polycristallines nécessite diverses étapes.
Voici un descriptif des divers processus de fabrication d’un panneau photovoltaïque…
1. Les processus de fabrication du silicium cristallin d'un panneau photovoltaïque
♦ Le silicium est le matériau semi-conducteur le plus couramment utilisé pour les cellules photovoltaïques. Son utilisation représente plus de 90 % de la production mondiale de modules.
♦ La fabrication du silicium cristallin passe par différentes étapes. Le silicium doit être extrait, purifié, puis cristallisé.
✦ Etape 1 : Le raffinage du silicium
❖ Le raffinage du silicium consiste à l’extraire et le purifier. Le silicium est obtenu à partir de la silice contenue notamment dans le quartz et le sable. La silice est un constituant de la croûte terrestre et donc des roches primaires, le silicium est l’élément chimique le plus abondant sur Terre après l’oxygène (il représente 27,7 % de la croute terrestre). La silice est un composé minéral, il s’agit du dioxyde de silicium, un assemblage d’un atome de silicium et de deux atomes d’oxygène (SiO2).
❖ L’extraction du silicium consiste donc à séparer les atomes par carboréduction. La silice brute est en effet réduite avec du carbone (charbon, copeaux de bois…) par fusion dans un four à arc électrique, à des températures d’environ 2000 °C. Cette réaction permet d’en extraire l’oxygène et du silicium à l’état liquide.
❖ La réaction de réduction résulte de nombreuses réactions chimiques intermédiaires. La carboréduction permet d’obtenir du silicium liquide, pur à 98-99 %. Ce silicium est dit de grade métallurgique, son taux d’impureté ne permet pas encore son exploitation pour la filière solaire.
❖ Le silicium métallurgique doit donc être encore purifié afin d’obtenir un silicium de grade solaire utilisable pour la fabrication des cellules.
❖ Les procédés de purification permettent d’améliorer les propriétés semi-conductrices du silicium. La purification par procédé chimique est la plus répandue toutefois de nouveaux procédés chimiques mais aussi métallurgiques se développent ou sont explorés.
💡 Notes :
Le silicium peut être utilisé dans divers domaines qu’il s’agisse de métallurgie, de solaire photovoltaïque ou de microélectronique.
A chacun de ces types d’utilisation, un taux de pureté spécifique est exigé. Le silicium est donc classé selon son degré de pureté et distingué par type d’utilisation :
⬗ le silicium métallurgique (pureté minimale de 99%) : MG-silicium (metallurgical grade) notamment pour les alliages d’aluminium et les silicones (polymères sous forme de gel, résine, gomme…).
⬗ le silicium solaire (pureté minimale de 99,9999%) : SoG-silicium (solar grade) utilisé pour les cellules photovoltaïques.
⬗ le silicium électronique (pureté minimale de 99,999 999 99%) : EG-silicium (electronic grade) utilisés pour les puces électroniques.
✦ Etape 2 : La cristallisation du silicium d’un panneau photovoltaïque
❖ Le silicium obtenu est très pur puisqu’il est purifié à 99,999 %, il est toutefois encore impropre pour la composition d’une cellule photovoltaïque. Le silicium doit atteindre une structure cristalline (tel l’arrangement des atomes dans un cristal).
❖ La technique de cristallisation consiste à solidifier le silicium liquide. Le silicium est ainsi fondu puis refroidi, il est recristallisé selon divers procédés afin d’obtenir un bloc de silicium à l’état solide, dit lingot.
❖ Le procédé détermine la qualité du cristal, le silicium multicristallin (dit polycristallin une fois qu’il compose un module) est composé d’une multitude de cristaux agglomérés. Le silicium monocristallin, comme son nom l’indique est formé d’un unique cristal.
❖ Les étapes de purification et de cristallisation sont très énergivores et très onéreuses. Les recherches sont actives pour améliorer les procédés et les rendre moins couteux.
✥ Le silicium multicristallin/polycristallin d’un panneau photovoltaïque
⤷ Le silicium polycristallin est généralement obtenu selon la technique de solidification dirigée.
➛ Le silicium est fondu et coulé dans un creuset de forme parallélépipédique.
➛ La descente en température est contrôlée, le refroidissement est lent et progressif et s’opère du bas vers le haut. Le silicium est ainsi solidifié à partir du bas au fond du creuset.
➛ De multiples cristaux de tailles et d’orientations différentes se forment tandis que les impuretés migrent vers les zones se solidifiant en dernier (dans ce cas sur le haut), on parle d’élimination des impuretés par ségrégation.
➛ On obtient au final des lingots cubiques de silicium multicristallin.
➛ La mosaïque de cristaux confère aux cellules solaires polycristallines leur couleur bleue non uniforme.
✥ Le silicium monocristallin d’un panneau photovoltaïque
⤷ Le silicium monocristallin est obtenu selon un processus de cristallisation complexe et long. La méthode dite de Czochralski est la plus utilisée.
➛ Le silicium est placé dans un creuset de quartz et maintenu à l’état liquide à la limite de la solidification.
➛ Un petit cristal de silicium monocristallin de grande pureté, appelé germe, est fixé à une tige réfractaire (qui résiste à de très hautes températures) puis mis en contact avec la masse de silicium fondu. La cristallisation est ainsi réalisée par contact entre le silicium en fusion et le germe monocristallin plus froid qui sert de support.
➛ Le silicium liquide s’accroche au germe, il est entrainé, tiré et extrait lentement vers le haut dans un mouvement de rotation de la tige réfractaire. Il se refroidit et se solidifie sur le germe selon une baisse de la température et une vitesse scrupuleusement contrôlées. On parle de la croissance du monocristal.
➥ Crédit photos 1 à 4 docplayer Silicon technology, auteur Heiner-ryssel
➥ Crédit dernière photo (photo 6) Wikimedia Вігор Тядійчук, CC BY-SA 1.0
➥ Source photo crédit auteur E. Dornberger Wacker Chemi AG Photograph of a silicon CZ puller with 200 mm crystal publication thesisErichDornberger.pdf
➛ Le diamètre du cristal augmente par rotation jusqu’à obtention d’un barreau cylindrique, dit lingot, de qualité monocristalline. En effet durant ce processus, le silicium se cristallise sur le germe selon la même et unique orientation cristallographique. Le silicium ainsi obtenu a une structure monocristalline, il est constitué d’un seul type de cristal.
➛ La vitesse de rotation et de tirage détermine le diamètre du barreau.
➛ La cellule issue d’un unique cristal a un aspect uniforme de couleur presque noire.
➛ Le silicium monocristallin est plus élaboré que le silicium polycristallin puisque le procédé utilisé permet d’obtenir un matériau de meilleure qualité cristalline. Les propriétés électriques et conductrices sont supérieures ce qui induit un meilleur rendement.
➛ Si le matériau semiconducteur obtenu est de la meilleure qualité possible, le procédé de cristallisation du silicium monocristallin présente néanmoins divers inconvénients. En effet, la fabrication du silicium monocristallin nécessite malheureusement une plus grande dépense énergétique et un coût plus élevé. Outre une fabrication plus complexe et plus longue, pour une même quantité de matériau utilisé, la quantité de silicium monocristallin produite est quant à elle plus faible.
✥ Le dopage du silicium cristallin et l’effet photovoltaïque
⤷ Qu’il s’agisse de silicium polycristallin ou monocristallin, des atomes dopants sont incorporés en faible quantité au silicium en fusion. Le dopage consiste à introduire des atomes dans le silicium afin de modifier ses propriétés conductrices.
➛ Le silicium d’une cellule photovoltaïque est ainsi constitué de deux couches, l’une est dopée négativement et l’autre positivement selon la concentration d’électrons (charges négatives libres).
➛ Le dopage du semi-conducteur est essentiel pour permettre l’effet photovoltaïque. En effet, lorsque les photons lumineux incidents transfèrent une énergie suffisante aux électrons, c’est la composition des deux couches de silicium dopé qui permet la mise en mouvement des électrons et leur circulation dans un même sens.
➛ Chaque électron libéré (de charge négative) laisse « derrière lui » un trou d’électron (de charge positive), le dopage permet également d’empêcher leur recombinaison immédiate.
⬗ Lorsque le silicium est dopé d’atomes de bore, qui présentent chacun un électron de moins que les atomes de silicium, le semi-conducteur obtenu est dit de type P, il présente alors un déficit en électrons. Le silicium de type P constitue généralement la couche inférieure. A ce stade de fabrication d’une cellule photovoltaïque le dopage est généralement de type P.
⬗ Si des atomes de phosphore sont ajoutés, le silicium obtenu est de type N, les atomes de phosphore contiennent chacun un électron de plus qu’un atome de silicium, cet ajout confère au silicium des électrons libres en excès. Le silicium de type N correspond, le plus souvent, à la couche supérieure de la cellule, celle en face avant et directement exposée aux rayons lumineux. Le dopage de type N peut être réalisé lors du traitement des plaquettes de silicium.
⤷ Le dopage modifie les propriétés électriques du silicium et ses charges libres. Les éléments dopants sont dits impuretés, leur incorporation ciblée et parfaitement calculée permet de contrôler et d’optimiser la conductivité électrique du silicium. 
2. La découpe des lingots de silicium, la fabrication des wafers d'un panneau photovoltaïque
♦ Le silicium cristallin obtenu est de qualité solaire, les lingots doivent être découpés et débités en plaquettes, appelées wafers, pour devenir des cellules photovoltaïques.
✦ Etape 3 : La découpe des lingots de silicium cristallin
❖ Le lingot de silicium multicristallin de forme cubique est débarrassé de ses impuretés en surface et est découpé en briques. Ce sont ces cubes qui donnent aux cellules photovoltaïques polycristallines leur forme parfaitement carrée.
❖ Le lingot de silicium monocristallin est un unique cristal de silicium géant, de forme cylindrique, il doit être ébouté, ses extrémités riches en impuretés sont ainsi retirées. Les bords du cylindre sont ensuite découpés de façon à obtenir une forme proche du carré, il s’agit de l’étape d’équarrissage. Les cellules monocristallines sont ainsi facilement identifiables grâce à leurs coins arrondis.
❖ Les lingots monocristallins et multicristallins sont alors découpés en fines plaquettes, grâce à des scies à fil diamanté. Un liquide ou lubrifiant est généralement utilisé pour limiter l’échauffement. Le silicium cristallin se présente désormais sous la forme de wafers (terme anglais qui signifie plaquette ou tranche). A ce stade l’épaisseur des wafers est en moyenne de 200 à 300 μm (μm=micromètre, soit 0,2 à 0,3 mm).
❖ Les surfaces des wafers sont soumises à un rodage afin d’éliminer toutes irrégularités et traces de sciage. Les wafers sont ensuite traités chimiquement et polis pour réduire les micro-défauts résiduels (par abrasion mécanique et attaque chimique). Ces diverses étapes permettent d’améliorer la rugosité à l’échelle atomique et la planéité des wafers.
❖ Les wafers sont ensuite nettoyés pour débarrasser les éventuelles particules résiduelles et impuretés.
❖ Lors de ces opérations de découpes, sciage et nettoyage, les déchets résiduels induisent une perte importante de silicium cristallin. Les résidus dus au sciage constituent ce qui est appelé le kerf, les technologies se perfectionnent afin de revaloriser ce kerf de silicium très pur. D’autres procédés sont développés afin de limiter la quantité de kerf ou pour éliminer totalement ce type de résidus. L’objectif est désormais de réduire toutes les pertes composées de particules de silicium. En récupérant les micro-poudres ou copeaux de silicium, le recyclage et la revalorisation du semi-conducteur sont possibles par refonte. Limiter les pertes de matière signifie aussi une réduction des besoins en silicium.
3. Traitements et métallisation des wafers d'un panneau photovoltaïque
♦ La qualité des wafers obtenus détermine l’efficacité de conversion de l’énergie solaire en électricité et les futures performances. Les wafers sont donc contrôlés pour détecter les éventuelles microfissures et anomalies. La résistivité, la rugosité et les dimensions sont également vérifiées.
♦ Les wafers subissent divers traitements pour améliorer la conductivité électrique et le rendement. Une étape dite de métallisation est indispensable pour permettre la conduction du courant. Les cellules ainsi formées sont prêtes à être assemblées pour constituer les modules photovoltaïques.
✦ Etape 4 : Traitements des wafers d’un panneau photovoltaïque
✥ Texturation
⤷ La face avant du wafer (exposée à la lumière) est traitée chimiquement afin de limiter la réflexion des rayons lumineux.
⤷ La surface du wafer est parfaitement lisse, et même trop lisse, elle reflète une grande partie des rayons incidents.
Un traitement chimique est nécessaire pour décaper le silicium en surface, il consiste à créer une texturation en forme de minuscules pyramides. Ces structures pyramidales à quatre côtés constituent autant de pièges en entonnoirs pour les rayons lumineux et leurs photons. Chaque photon réfléchi a alors la possibilité de heurter une autre facette de la pyramide, voire plusieurs, pour y céder son énergie à un électron du silicium.
⤷ La texturation permet ainsi une plus grande absorption de l’énergie solaire. Une partie des photons lumineux cèdent leur énergie aux électrons du silicium, leur circulation génère un courant électrique, aussi plus le nombre de photons « captés » est grand, plus la quantité d’énergie absorbée et convertie en électricité est augmentée.
✥ Dopage
⤷ Comme expliqué précédemment, le silicium est généralement de type P (dopé positivement). Grâce aux atomes de bores qui ont été ajoutés, il présente un déficit en électrons. La face qui sera exposée à la lumière doit être dopée N, ou plus exactement contre-dopée, pour obtenir une couche où les électrons seront cette fois en excès. Le silicium est donc dopé avec des atomes de phosphore qui comportent chacun un électron de plus que l’atome de silicium.
⤷ A ce stade, le dopage est généralement réalisé par diffusion thermique. Dans un four spécial, un composé dopant est diffusé à haute température et réagit avec le silicium, les atomes de phosphore pénètrent la couche supérieure du wafer de silicium à la profondeur souhaitée. L’épaisseur de la couche dopée N est très fine comparativement à la couche dopée P bien plus épaisse.
⤷ L’apport des « impuretés » de phosphore confère au semi-conducteur une couche supérieure de type N (dopée négativement) et permet la formation d’une zone frontière entre les deux couches dopées P et N, appelée jonction PN. La réalisation de la jonction PN est fondamentale pour permettre la circulation des électrons. Lorsque la cellule est soumise au rayonnement solaire, la face avant devient de polarité négative tandis que la face arrière devient de polarité positive.
⤷ Des processus complémentaires par réactions chimiques sont nécessaires afin de dissoudre et éliminer la couche résiduelle d’éléments phosphorés en excès et présents sur les bords des wafers (la tranche constitue une zone inévitablement exposée qu’il faut « nettoyer »).
⤷ Le dopage de la couche inferieure dopée P peut être renforcée (dopée P+) sur la partie la plus externe pour encore améliorer les propriétés conductrices (par diffusion de bore ou d’aluminium).
➥ Voir article Au cœur de la cellule solaire pour comprendre l’effet photovoltaïque. Dopage du silicium cristallin et production d’électricité
✥ Dépôt de la couche antireflet
⤷ Afin de réduire la réflexion des rayons lumineux, une couche transparente antireflet est déposée sur la face avant. Il s’agit généralement d’un dépôt chimique de nitrure de silicium ou d’oxyde de titane.
⤷ Cette couche antireflet permet également de passiver certains défauts électriques. En effet, elle limite les recombinaisons entre les charges , phénomène qui peut être dû à d’éventuelles impuretés résiduelles. La couche antireflet améliore ainsi la conductivité et la conversion de l’énergie solaire en électricité.
✦ Etape 5 : Dépôt des contacts métalliques. La métallisation d’une cellule photovoltaïque
❖ Des contacts métalliques sont déposés en face avant et arrière pour constituer respectivement les électrodes négative et positive, on parle de métallisation. Les contacts métalliques permettent la collecte et la conduction des électrons libérés et mis en mouvement lorsque le silicium est soumis aux rayons lumineux.
❖ L’épaisseur et la largeur des conducteurs, tout comme leur espacement, sont très rigoureusement étudiés. En effet, la conception doit permettre la conduction d’un maximum d’électrons tout en limitant les pertes résistives. Les pertes résistives correspondent à la déperdition d’énergie par échauffement due à la résistance imposée au flux d’électrons par le conducteur (on parle aussi de pertes ohmiques).
❖ L’ombrage généré par les contacts en face avant doit également être minimisé afin d’optimiser le rendement.
❖ Les contacts métalliques sont déposés en surface par impression selon un procédé de sérigraphie. Ce procédé automatisé est le plus utilisé. Après dépôt de la pâte métallique par impression, un procédé de recuit très rapide à haute température dans un four est nécessaire. Le recuit assure la prise de contact et permet de consolider certaines liaisons, un film résistif est ainsi créé en surface.
✥ En face avant
⤷ Sur la face qui sera exposée à la lumière, les conducteurs métalliques en pâte d’argent sont imprimés selon un motif prédéterminé et forment une grille. La pâte métallique est riche en argent mais peu contenir du cuivre.
⤷ La grille est constituée de bandes conductrices appelées « doigts » et « busbars« .
➛ Les doigts correspondent aux bandes conductrices les plus minces, ils prennent contact sur le silicium et collectent le flux électrique généré par la cellule (circulation des électrons), ce sont donc les collecteurs du courant continu.
➛ A leur perpendiculaire, ces doigts sont connectés à des bandes conductrices plus larges et plus épaisses. Il s’agit des busbars (aussi appelés barres omnibus) où le courant est conduit et distribué de cellule en cellule.
✥ En face arrière
⤷ Une pâte d’aluminium est déposée par sérigraphie sur toute la face arrière du wafer, la métallisation forme ainsi une fine plaque conductrice.
⤷ L’aluminium constitue un élément dopant P dans le silicium. Lors du recuit des contacts métalliques, certains atomes d’argent diffusent dans le silicium, une couche de silicium surdopée P+ se forme sur quelques micromètres de profondeur. L’alliage aluminium-silicium crée un champ arrière répulsif P+ appelé BSF (pour Back Surface Field), cette couche permet de repousser les électrons et de réduire la vitesse de recombinaison.
❖ Les wafers, une fois pourvus de contacts métalliques, seront capables de collecter et conduire le flux d’électrons généré par absorption du rayonnement solaire.
❖ Le wafer est désormais une cellule photovoltaïque cristalline, un dispositif permettant la conversion de l’énergie solaire en électricité.
Cellule cristalline d'un panneau photovoltaïque
✦ Etape 6 : Test et tri des cellules photovoltaïques
❖ Les wafers sont des plaquettes obtenues après découpe des lingots de silicium cristallin. Après plusieurs procédés destinés à améliorer la qualité des surfaces, ils subissent divers traitements afin de modifier leur composition. Le processus de texturation, le dopage (et la formation de la jonction PN), le dépôt antireflet et la métallisation constituent des étapes fondamentales pour permettre l’effet photovoltaïque et la génération d’un courant électrique. Ces divers procédés et les technologies employées permettent d’améliorer et contrôler les propriétés électriques et conductrices ainsi que le rendement. Ces wafers prêts à être utilisés pour convertir l’énergie solaire sont devenus des cellules, leur bon fonctionnement doit cependant être vérifié.
❖ Les cellules photovoltaïques sont donc testées et contrôlées, elles sont mesurées électriquement dans des conditions simulées de lumière solaire puis sont classées et triées selon leur rendement et leurs caractéristiques.
✦ Etape 7 : Assemblage des composants d’un panneau photovoltaïque
❖ Les cellules sont dotées de conducteurs métalliques, elles peuvent donc être assemblées et connectées les unes aux autres pour constituer un module.
❖ Les cellules sont interconnectées en série grâce à des languettes de connexion soudées qui permettent de connecter les busbars en face avant à la plaque conductrice en face arrière. Chaque série de cellules constitue une chaîne, tous ces sous-réseaux sont ensuite reliés pour permettre la conduction du courant jusqu’au boitier de jonction placé en face arrière du module.
❖ Une fois les cellules assemblées, elles sont placées entre deux films de résine transparents (polymère EVA), l’ensemble est disposé entre une plaque de verre solaire trempé en face avant et une feuille de fond isolante et protectrice en polymère en face arrière. Les strates superposées tel un millefeuille sont soumises à un laminage à chaud : une mise sous vide et une pression exercée permettent d’évacuer tout l’air. La résine se liquéfie sous l’effet de la température et adhère uniformément aux diverses strates qui deviennent solidaires et forment un seul corps compact. Les cellules ainsi encapsulées sont protégées de l’environnement extérieur et des aléas climatiques.
❖ L’ensemble de la structure est ensuite enserré dans un cadre en aluminium pour le maintien et la rigidité. La ou les boîte(s) de jonction et les câbles en face arrière permettent le branchement électrique.
❖ Chaque cellule ou module photovoltaïque fonctionne comme une pile électrique, une fois que le dispositif est relié à un circuit électrique et soumis au rayonnement lumineux, il présente un pôle positif et un pôle négatif, le courant généré par conversion de l’énergie solaire peut circuler.
➥ Voir article Composition et assemblage d’un module photovoltaïque
4. Les processus de fabrication d'un panneau photovoltaïque de silicium cristallin en images. Schéma complet
♦ Pour résumer les diverses étapes et processus de fabrication des cellules de silicium cristallin, Acsolue Energie vous propose son schéma récapitulatif complet.
Les cellules solaires photovoltaïques sont issues de nombreuses étapes de fabrication et de divers traitements. Acsolue Energie vous a présenté les processus standards, certains peuvent varier selon les technologies et les fabricants.
Bien évidemment, ces technologies évoluent perpétuellement afin d’améliorer les rendements. Pour rester connecté, un article consacré aux nouvelles technologies est disponible…😉
Ce contenu est protégé par copyright et le droit d’auteur. Toute utilisation ou reproduction est illicite et soumise à autorisation légale.
Pour toute information, merci de nous contacter à l’adresse suivante : contact@acslolue-energie.fr
