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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


Dopage du silicium

Les wafers de silicium obtenus à l'issue de l'étape de sciage sont alors introduits dans un réacteur de croissance dans lequel va se dérouler l'étape de dopage.
Qu'est-ce que le dopage ?

Le dopage est une méthode permettant de réaliser la jonction P-N. Cela consiste à introduire des impuretés dans un cristal intrinsèque pour modifier ces propriétés électriques. Le semi-conducteur dopé est alors appelé "semi-conducteur extrinsèque".
Il existe deux types de dopage : le type N (Négatif) et le type P (Positif).

Dopage de type N

Le dopage de type N consiste à ajouter un atome de phosphore au sein de la structure cristalline du silicium. Le phosphore disposant de 5 électrons sur sa couche électronique externe va s'associer avec 4 atomes de silicium, laissant ainsi libre un électron :
Dopage de type N
Cet ajout a pour effet de donner à la structure cristalline une charge globale négative.

Dopage de type P

Le dopage de type P consiste à ajouter un atome de bore au sein de la structure cristalline du silicium. Le bore disposant de 3 électrons sur sa couche électronique externe va s'associer avec 4 atomes de silicium, laissant ainsi libre un trou :
Dopage de type P
Cet ajout a pour effet de donner à la structure cristalline une charge globale positive.
Les 3 méthodes de dopages

• LA DIFFUSION - On utilise un four, dans lequel on injecte des gaz avec une solution dopante pour le silicium. Avec la chaleur, le dopant a une énergie suffisante pour entrer dans la plaquette de silicium. Cette méthode est assez ancienne, et nécessite d'avoir une température uniforme dans le four.
• LE CROISSANCE EPITAXIALE - Cette méthode utilise toujours un four, mais cette fois-ci les atomes du dopant sont déposés sur le silicium qui se présente sous la forme d'une plaquette. On a ainsi un dépot en surface, et non pas une insertion comme pour la méthode de dopage par diffusion. La température du four doit avoisiner les 1 200 °C.
• LE BOMBARDEMENT IONIQUE - Une source (appelé faisceau ionique énergétique) produit des ions, qui sont ensuite accélérés, et par le biais d'un contrôle très précis, ceux-ci vont alors se positionner sur la plaquette. L'avantage de ce principe est que l'opération se déroule à température ambiante. Le défautn de cette technique est qu'elle peut provoquer des dommages au silicium induisant un réarrangement indésirablede sa structure cristalline, exigeant ainsi une recristallisation subséquente.
La filière photovoltaïque utilise majoritairement le dopage par diffusion.

Dopage des wafers de silicium dans un four à diffusion


Dans le processus de fabrication d'une cellule photovoltaïque, les wafers, obtenus par sciage des lingots de silicium purifié, subiront soit un dopage de type N soit un dopage de type P.

La suite du procédé est d'associer un wafer dopé N avec un wafer type P :
Association d'un wafer de type P et d'un wafer de type N
Les électrons en excès de la région dopé N ont tendance à diffuser vers la région P (où ils sont minoritaires). Il en est de même pour les trous en sens inverse.

Formation de la jonction P-N
Les électrons et les trous se concentrent alors au niveau de l'interface entre les deux tranches.
Formation de la jonction P-N
Cela a pour effet de créer un champ électrique créant une barrière de potentiel au niveau de la zone centrale. Cette zone devient un isolant et s'appelle la jonction P-N.
           

Le champ électrique ainsi créé a tendance à repousser les électrons vers la zone N et les trous vers la zone P. De ce fait, lorsque la zone dopé N est exposé au rayonnement lumineux, un électron de la couche de valence du silicium est arraché, laissant parallèlement un trou. Sous l'effet de champ électrique créé par la jonction P-N, l'électron diffuse à l'extrémité de la zone N, et le trou se déplace à l'extrémité de la zone P. Lorsque les deux faces de ces deux zones sont reliés par un conducteur, un courant se créé, car l'électron va combler le trou. Une cellule photovoltaïque est constituée d'une tranche dopé N posée sur une tranche dopé P. L'interface entre les deux tranches s'appelle la jonction P-N. La tranche dopé N correspondra à la partie de la cellule exposée au rayonnement solaire.