la fabrication des cellules photovoltaïques

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  • 1. La fabrication des cellules photovoltaques L'nergie solaire photovoltaque provient de la transformation directe d'une partie du rayonnement solaire en nergie lectrique. Cette conversion d'nergie s'effectue par le biais d'une cellule dite photovoltaque, base sur un phnomne physique appel effet photovoltaque qui consiste produire un courant lorsque la surface de cette cellule est expose la lumire. Deux technologies de cellules photovoltaques sont prsentes aujourd'hui : Les cellules dites cristallines (poly et mono) Les cellules dites couches minces Le constituant essentiel d'une cellule photovoltaque responsable de l'effet photovoltaque est un semi-conducteur. Le semi-conducteur le plus utilis aujourd'hui est le silicium. Nous voquerons donc uniquement le silicium dans cette prsentation, mais d'autres semi-conducteurs existent tel que le slnium, le tellure de cadmium, etc. La fabrication des cellules photovoltaques en 4 tapes : 1. La silice: matire premire d'une cellule photovoltaque 2. Extraction purification du silicium photovoltaque 3. Obtention des lingots de silicium 4. Obtention des wafers photovoltaques 5. Le dopage et jonction P-N
  • 2. 1. La silice : matire premire d'une cellule photovoltaque La silice est un compos chimique nomm aussi dioxyde de silicium, de formule chimique SiO2. La silice est llment le plus rpandu dans la crote terrestre aprs loxygne. Il reprsente 25 % de la masse de la crote terrestre. La silice se prsente sous la forme d'un minral dur. Dans la nature, on la trouve en grande quantit dans : Les roches sdimentaires dtritiques (sables, grs), Les roches mtamorphiques, (schistes, gneiss, quartzites) (Les roches mtamorphiques sont formes par la recristallisation (et gnralement la dformation) de roches sdimentaires ou de roches magmatiques sous l'action de la temprature et de la pression qui croissent avec la profondeur dans la crote terrestre ou au contact d'autres roches. Les roches magmatiques. L'extraction de la silice s'effectue dans des carrires de silice. En 2010, la production annuelle des carrires de silice en France slve environ 8 millions de tonnes. La photo ci-contre est une carrire de silice en Haute-Savoie (France). La photo ci-contre est une carrire de sable silice Fontainebleau (France). Considrs comme un des meilleurs gisements mondiaux de sables siliceux, avec celui de Mol en Belgique, ces sables stendent de Nemours Etampes et Dourdan sur prs de 50 km. Il y a 33 millions d'annes, la mer envahit la rgion parisienne et dpose 60 m de sable dans la rgion dEtampes : ce sont les sables de Fontainebleau. Les gisements fournissent des sables fins blancs de trs grande puret (97 99 % de silice).
  • 3. La fabrication des cellules photovoltaques L'nergie solaire photovoltaque provient de la transformation directe d'une partie du rayonnement solaire en nergie lectrique. Cette conversion d'nergie s'effectue par le biais d'une cellule dite photovoltaque, base sur un phnomne physique appel effet photovoltaque qui consiste produire un courant lorsque la surface de cette cellule est expose la lumire. Deux technologies de cellules photovoltaques sont prsentes aujourd'hui : Les cellules dites cristallines Les cellules dites couches minces 2. Extraction et purification du silicium Extraction du silicium partir de la silice Le silicium est un lment chimique de symbole Si. Il n'existe pas l'tat pur dans la nature. Le silicium (Si) est donc extrait de la silice (SiO2) grce la raction chimique simplifie suivante : SiO2 + 2 C Si + CO Cette raction se ralise dans un four arc car elle ncessite de faire fondre la silice. La temprature du four peut atteindre 3 000 C. La puissance du four peut aller jusqu 30 MW, afin denclencher les ractions chimiques. En ralit, la raction de rduction de la silice en silicium rsulte d'un grand nombre de ractions chimiques intermdiaires. La puissance du four peut aller jusqu 30 MW, afin denclencher les ractions chimiques. Aprs cette opration, le silicium est obtenu sous forme liquide. Sa puret est de 98 %. Il faut le purifier encore de plusieurs ordres de grandeur afin d'obtenir un matriau adquate pour les applications photovoltaques. Purification du silicium Il s'agit, en partant du silicium mtallurgique, de faire une purification chimique. De nombreux procds ont t dvelopps par les diffrents producteurs mondiaux de silicium. Au final, le procd de purification aboutit l'obtention de lingots de silicium purifis 99.99 % :
  • 4. 3. Obtention des lingots de silicium Une fois l'tape de purification termine, vient l'tape de cristallisation du silicium liquide. Le produit issue de cette tape est un lingot de silicium l'tat solide. Il existe deux grandes mthodes de cristallisation. La premire permet d'obtenir du silicium polycristallin (compos de plusieurs cristaux). La deuxime permet d'obtenir du silicium monocristallin (compos d'un seul cristal). Le silicium polycristallin Le silicium liquide est mis dans un creuset en graphite. La technique est simple et peu nergivore. Le silicium polycristallin est obtenu par coulage en lingotire dans laquelle s'opre un refroidissement lent, de l'ordre de quelques dizaines d'heures. On obtient au final des lingots cubique. Cette forme est recherche afin d'optimiser l'espace lorsque les plaquettes (obtenues par dcoupage en lamelles des lingots de silicium) seront places en srie sur un module photovoltaque.
  • 5. Le silicium polycristallin prsente une couleur grise. Il est constitu d'une mosaque de cristaux monocristallins de silicium, d'orientation et de tailles diffrentes. Le silicium monocristallin Une des mthodes pour fabriquer du silicium monocristallin est la mthode dite de Czochralski. Le silicium est plac dans un creuset de quartz et maintenu liquide l'aide d'lments chauffants. Lorsque la surface est la temprature limite de solidification, on y plonge un germe monocristallin. Le silicium se solidifie sur ce germe selon la mme orientation cristallographique. On tire lentement le germe vers le haut, avec un mouvement de rotation, tout en contrlant minutieusement la temprature et la vitesse. Le silicium monocristallin ainsi obtenu, sous forme de lingots circulaires, est constitu d'un seul type de cristal et prsente une couleur uniforme grise. Le silicium monocristallin, plus labor que le silicium polycristallin, prsente un rendement (conversion de l'nergie lumineuse en nergie lectrique) suprieure. Sa production demande cependant une plus grande dpense nergtique.
  • 6. L'queutage consiste liminer les extrmits du lingot soit mal cristallises soit riches en impurets. Les extrmits sont ensuite refondues pour le dpart d'un nouveau cycle de production. Lors du tirage, le diamtre du lingot varie lgrement ce qui constitue des ondulations sa surface. Pour obtenir des plaquettes de mme diamtre un polissage cylindrique est ncessaire. 4. Obtention des wafers photovoltaques Les lingots cylindriques (silicium monocristallin) ou paralllpipdiques (silicium polycristallin) de silicium obtenus l'issue de l'tape de solidification sont ensuite scis en fines plaques de 200 micromtres d'paisseur qui sont appeles wafers (en anglais, "wafer" signifie "galette"). La coupe des lingots est effectue par une scie fil. Compte-tenu de la faible paisseur des tranches dcoupes (300 m), le principal problme du sciage est la perte de dcoupe. Afin de minimiser ces pertes, la solution technique retenue est la scie fil. En effet, la perte de dcoupe (kerf) typique des scies fil est de 200 m 240 m, ce qui reprsente 55% de perte en moins par rapport aux scies diamtre intrieur (perte de dcoupe de 310 m 350 m). Avec une scie fil, il faut donc 570 m de silicium pour produire une tranche de 350 m. L'tape du sciage reprsente un lment dterminant dans le cot de la production des cellules photovoltaques.
  • 7. 5. Dopage du silicium Les wafers de silicium obtenus l'issue de l'tape de sciage sont alors introduits dans un racteur de croissance dans lequel va se drouler l'tape de dopage. Qu'est-ce que le dopage ? Le dopage est une mthode permettant de raliser la jonction P-N. Cela consiste introduire des impurets dans un cristal intrinsque pour modifier ces proprits lectriques. Le semi-conducteur dop est alors appel "semi-conducteur extrinsque". Il existe deux types de dopage : le type N (Ngatif) et le type P (Positif). Dopage de type N Le dopage de type N consiste ajouter un atome de phosphore au sein de la structure cristalline du silicium. Le phosphore disposant de 5 lectrons sur sa couche lectronique externe va s'associer avec 4 atomes de silicium, laissant ainsi libre un lectron : Cet ajout a pour effet de donner la structure cristalline une charge globale ngative. Dopage de type P Le dopage de type P consiste ajouter un atome de bore au sein de la structure cristalline du silicium. Le bore disposant de 3 lectrons sur sa couche lectronique externe va s'associer avec 4 atomes de silicium, laissant ainsi libre un trou : Cet ajout a pour effet de donner la structure cristalline une charge globale positive. Les 3 mthodes

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