La fabrication des cellules photovoltaïques

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Comme on l’a vu dans le chapitre précédent, les cellules photovoltaïques, appelées aussi photopiles, sont composées principalement de silicium pris en sandwich entre deux électrodes.

Ce silicium peut être à l’état massif, il est dit dans ce cas cristallin, du fait de sa structure atomique ordonnée.

Il peut être à l’inverse produit directement sur une plaque de verre ou une matière synthétique, on parle alors de silicium amorphe avec une structure atomique désordonnée.

Le silicium cristallin

Il représente 90 % du marché mondial actuel.

Il est produit sous forme de barreaux purifiés obtenus par fusion et moulage, de section ronde ou carrée, qui sont ensuite découpés en plaquettes d’environ 0,2 mm d’épaisseur.

Selon la technologie employée, ce silicium cristallin peut être :

  • Monocristallin : les photopiles sont formées d’un seul cristal ordonné. Ce matériau est fabriqué en barreaux étirés à partir d’un germe, ou recristallisés à haute température. Historiquement, c’est le premier silicium apparu dans l’industrie du photovoltaïque. Les cellules sont bleues unies, avec un rendement de 15 à 18%.
  • Polycristallin : il est constitué de cristaux de 1 mm à environ 2 cm assemblés, appelés « grains ». Ce matériau moins onéreux, est élaboré dans de grands creusets de fonderie, par la fonte et le refroidissement de blocs de silicium purifié. C’est le silicium le plus utilisé aujourd’hui. Les cellules sont bleues, avec des reflets « pailletés » suivant l’orientation des cristaux. Leur rendement est de 12 à 15%.

Dans les deux cas, le silicium est découpé en tranches par des scies à fil, ce qui donne la forme particulière des cellules photovoltaïques.

Sur ces plaquettes (wafers), on réalise l’incorporation des dopants, phosphore et bore, par des techniques de diffusion ou d’implantation sous vide.

Ensuite, le silicium est couvert d’une couche antireflet en face avant (face sud), qui réduit à moins de 5% les pertes par réflexion de la lumière incidente, et qui lui donne la couleur bleue foncée caractéristique des photopiles au silicium cristallin.

Le dessus et le dessous de la plaquette sont ensuite couverts de contacts métalliques pour collecter l’électricité générée par le panneau solaire.

Pour laisser passer la lumière, l’électrode avant est déposée sous forme de grille, l’électrode arrière étant simplement recouvert d’une couche métallique continue.

Le lingot de silicium cristallin est découpé en fines tranchesLe lingot de silicium cristallin est découpé en fines tranches

Le silicium amorphe

Il s’agit d’un silicium fixé en couches minces de quelques microns seulement, sur un support en verre ou en matière synthétique.

Avec cette technologie, le silicium est produit directement à partir du gaz silane (Si H4). Les plaques de verre ou un support synthétique sont placés dans une enceinte chauffée où l’on fait le vide.

Du silane est injecté et décomposé par une décharge radiofréquence. Le silicium libéré se dépose alors sur les supports.

La présence d’hydrogène (H) est également nécessaire pour la qualité du matériau (il limite le nombre de défauts, en saturant les liaisons pendantes de silicium présentes à cause de la structure atomique désordonnée).

  • L’adjonction des dopants pour réaliser les couches p et n, est obtenue par ajout de gaz PH3 (phosphine) et B2H6 (diborane) au silane.
  • En pratique, le support comporte, sur la face où l’on dépose le silicium, une couche mince transparente et conductrice faite d’oxyde d’étain (SnO2) servant d’électrode (+). L’électrode (-) arrière est produite par un dépôt métallique sur le silicium.

Moins cher, éventuellement plus esthétique pour l’intégration, le silicium amorphe permet de fabriquer des cellules si minces qu’elles peuvent être intégrées sur des supports souples.

De couleur bordeaux, son rendement reste cependant inférieur de moitié à celui du cristallin. De nouveaux matériaux apparaissent avec des rendements qui se rapprochent du cristallin : l’arséniure de gallium (AsGa), le tellure de cadmium (CdTe) ou le cuivre indium sélénium (CIS).

Le silicium amorphe peut être intégré sur tout de sorte de supportLe silicium amorphe peut être intégré sur tout de sorte de support

En conclusion

Les cellules ou photopiles sont l’élément basique pour constituer un panneau solaire, appelé aussi photogénérateur.


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