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La fabrication des cellules photovoltaïques

L'énergie solaire photovoltaïque provient de la transformation directe d'une partie du rayonnement solaire en énergie électrique. Cette conversion d'énergie s'effectue par le biais d'une cellule dite photovoltaïque, basée sur un phénomène physique appelé effet photovoltaïque qui consiste à produire un courant lorsque la surface de cette cellule est exposée à la lumière.

Deux technologies de cellules photovoltaïques sont présentes aujourd'hui :
  • Les cellules dites cristallines
  • Les cellules dites couches minces
Dans cette partie du cours, nous étudierons le processus de fabrication d'une cellule photovoltaïque. Le plan du cours est le suivant :

LA FABRICATION DES CELLULES PHOTOVOLTAÏQUES

  1. La silice: matière première d'une cellule photovoltaïque
  2. Extraction purification du silicium photovoltaique
  3. Obtention des lingots de silicium
  4. Obtention des wafers photovoltaïques
  5. Le dopage et jonction P-N


Obtention des lingots de silicium

Une fois l'étape de purification terminée, vient l'étape de cristallisation du silicium liquide. Le produit issue de cette étape est un lingot de silicium à l'état solide. Il existe deux grandes méthodes de cristallisation. La première permet d'obtenir du silicium polycristallin (composé de plusieurs cristaux). La deuxième permet d'obtenir du silicium monocristallin (composé d'un seul cristal).

• Le silicium polycristallin

Le silicium liquide est mis dans un creuset en graphite. La technique est simple et peu énergivore.

Cristallisation du silicium en lingots polycristallins
Le silicium polycristallin est obtenu par coulage en lingotière dans laquelle s'opère un refroidissement lent, de l'ordre de quelques dizaines d'heures.

On obtient au final des lingots cubique. Cette forme est recherchée afin d'optimiser l'espace lorsque les plaquettes (obtenues par découpage en lamelles des lingots de silicium) seront placées en série sur un module photovoltaïque.

           

Le silicium polycristallin présente une couleur grise. Il est constitué d'une mosaïque de cristaux monocristallins de silicium, d'orientation et de tailles différentes.
Constitution d'un wafer de silicium polycristallin

• Le silicium monocristallin

Une des méthodes pour fabriquer du silicum monocristallin est la méthode dite de Czochralski.
Le silicium est placé dans un creuset de quartz et maintenu liquide à l'aide d'éléments chauffants. Lorsque la surface est à la température limite de solidification, on y plonge un germe monocristallin. Le silicium se solidifie sur ce germe selon la même orientation cristallographique. On tire lentement le germe vers le haut, avec un mouvement de rotation, tout en contrôlant minutieusement la température et la vitesse.

Technique Czochralski, permettant d'obtenir un lingot circulaire de silicium monocristallin




Cristallisation du silicium en lingots polycristallins
Le silicium monocristallin ainsi obtenu, sous forme de lingots circulaires, est constitué d'un seul type de cristal et présente une couleur uniforme grise.

Le silicium monocristallin, plus élaboré que le silicium polycristallin, présente un rendement (conversion de l'énergie lumineuse en énergie électrique) supérieur. Sa production demande cependant une plus grande dépense énergétique.

L'équeutage consiste à éliminer les extrémités du lingot soit mal cristallisées soit riches en impuretés. Les extrémités sont ensuite refondus pour le départ d'un nouveau cycle de production.

Lors du tirage, le diamètre du lingot varie légèrement ce qui constitue des ondulations à sa surface. Pour obtenir des plaquettes de même diamètre un polissage cylindrique est nécessaire.