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Cristallisation du silicium constituant majeur des panneaux photovoltaïques

La tempé&éééLe 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 cellules photovoltaïques sont donc des capteurs solaires. Ils constituent les modules photovoltaïques 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 conversion en courant de la tension continue obtenue a lieu dès que la connexion de la cellule 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

Silicium France PAC Environnement
Fabrication photovoltaïque à base de silicium

La fabrication des panneaux se fait par étape : transformation du silicium, puis découpe des lingots pour obtenir les plaquettes 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. Un grand nombre de petits cristaux le compose, 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 nécessite une purification. Le processus  puis recristallisé en lingots utilisés pour fabriquer les cellules photovoltaïques. Ensuite on procède à l’ajout des 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 le type de silicium. 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. Une couche de nitrure de silicium (Si3N4) le recouvre. De cette manière la silice du quartz ne réagit pas avec le silicium liquide.
Après homogénéisation de la température du bain de silicium, le creuset se refroidit progressivement. Ce refroidissement du bas vers le haut permet ainsi la formation de cristaux multicristallins de tailles et d’orientations différentes.

Cette cristallisation s’avère peu coûteuse. Elle donne un matériau de qualité moyenne. Cette qualité provient 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

Le chimiste polonais Czochralski invente cette méthode au début du XXème siècle. Cette technique consiste à obtenir une structure monocristalline. Il s’agit de fondre du silicium polycristallin de haute pureté. On utilise un creuset en quartz en rotation placé dans un four d’étirage sous argon. Cette technique permet 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. Ils ont tous la même orientation cristalline. La température ou la vitesse de tirage permet de contrôler le diamètre.

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. Cependant son coût élevé puisqu’il nécessite une longue durée de fabrication des cristaux. De plus, il 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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