Le processus de fabrication standard des systèmes photovoltaïques présente plusieurs étapes. Les explications qui suivent valent pour la filière silicium cristallin. En 2011, 88% du marché photovoltaïque était en effet encore basé sur les technologies du silicium cristallin. Chacune de ces étapes est décrite plus en détail dans le document "Systèmes photovoltaïques : fabrication et impact environnemental".
Une fois les plaques découpées vient la fabrication des cellules, qui va permettre d’exploiter les propriétés de semi-conducteur du silicium et de transformer l’énergie lumineuse captée en énergie électrique.
La plaque doit être de l'ordre d'une centaine de microns pour absorber les photons incidents. La face arrière est dopée p+ par diffusion d'aluminium et joue aussi le rôle de conducteur ohmique avec l'électrode arrière. La zone avant est dopée n+. Une couche anti-reflet est déposée dessus.
En 2010, la production de silicium polycristallin a été de 145 000 tonnes, dont 83% pour l'industrie solaire (source US Geological Survey). (Attention : on utilise souvent abusivement le terme polycristallin pour parler des modules multicristallins, or le silicium polycristallin n'intervient qu'au début pour ensuite être transformé en silicium monocristallin ou multicristallin). Sur la base d'un besoin de 15t/MWc, l'industrie photovoltaïque a produit 8 GWc de panneaux photovoltaïques à base de silicium cristallin. L’obtention de ce matériau arrive en fin d’un processus de raffinage que l’on peut séparer en deux grandes étapes :
Elle est réalisée dans un four à arc, outil typique de l’industrie métallurgique. La pureté du MG-Si est de l’ordre de 98 à 99%.
Elle est réalisée par le procédé Siemens, hérité de l’électronique et utilise des réacteurs chimiques pour synthétiser le silicium polycristallin ou poly-Si. De toute la chaîne de production des modules photovoltaïques, c’est l’étape la plus consommatrice en énergie. En raison du coût de cette étape et du fait qu’une pureté moindre peut être tolérée, des techniques pour produire le silicium solaire à partir de nouveaux procédés chimiques mais aussi métallurgiques, le procédé Elkem notamment, sont explorées.
A ce stade et jusqu'à la fabrication du module sont mis en jeu des savoir-faire propres à l’industrie photovoltaïque.
Le silicium va être purifié encore une fois, dopé uniformément et découpé en plaques une fois refroidi. La technique de cristallisation consiste à solidifier progressivement le silicium polycristallin fondu de manière contrôlée. C’est dans la charge de silicium en fusion que sera ajouté l’élément dopant, généralement du bore qui donne un dopage de type p. Le matériau présente au final un réseau cristallin, qui est un arrangement ordonné des atomes de silicium. L’élimination des impuretés se fait par ségrégation. Plus solubles en phase liquide que solide, les impuretés vont migrer vers les zones se solidifiant en dernier. Dans le cas d’un refroidissement par le bas, elles vont se concentrer sur le haut du lingot.
Pour la cristallisation, trois grandes voies sont possibles, selon le choix technologique fait par le fabricant.
Le silicium monocristallin est obtenu par croissance ou étirage d’un lingot cylindrique à partir d’un monocristal « souche » selon le procédé Czochralski ou CZ. Les cellules finales du silicium monocristallin ont un des meilleurs rendements (15%), mais pour une plus grande dépense énergétique à cette étape.
Le silicium multicristallin est obtenu par coulage en lingotière dans laquelle s’opère un refroidissement lent, de l’ordre de quelques dizaines d’heures. Sa mise au point est moins énergivore, et le rendement final des cellules est d’environ 12%.
Le sciage des plaques (mc-Si et sc-Si) : Les lingots monocristallins et les briques multicristallines sont après la première étape découpés en tranches par une scie à fil, à une épaisseur d’environ 250 µm. L’opération est réalisée en présence de slurry, une solution organique contenant des abrasifs en suspension. Il faut souligner une perte importante de matériau lors du sciage (30 à 40% non recyclé). Sur les schémas, on remarque que les coins du silicium monocristallin sont arrondis car la plaque est découpée dans un lingot cylindrique.
Cette dernière option technologique combine les étapes de cristallisation et de mise en forme du silicium, et présente l’avantage de minimiser la perte matière. Il est obtenu par entraînement d’un ruban de silicium sur un support plan ou tubulaire à partir d’un bain de silicium fondu. C'est un procédé quasiment abandonné dans l'industrie en 2019.
La fonction des modules est de protéger les cellules du milieu extérieur et de faciliter leur mise en œuvre, tout en limitant le plus possible les pertes optiques et les baisses de rendement dues à l’échauffement des cellules en fonctionnement.
L'incidence des rayons lumineux sur les modules photovoltaïques ne permet pas de recueillir l'intégralité de l'énergie : une partie du rayon est réfléchie. Pour diminuer cette perte optique, les modules photovoltaïques sont équipés en face avant de verres spéciaux avec un traitement anti-reflet permettant de retenir (par réfraction) les rayons lumineux.
La synthèse des différentes étapes est présentée ci-dessous :
Le processus de fabrication standard des systèmes photovoltaïques présente plusieurs étapes. Les explications qui suivent valent pour la filière silicium cristallin. En 2011, 88% du marché photovoltaïque était en effet encore basé sur les technologies du silicium cristallin. Chacune de ces étapes est décrite plus en détail dans le document "Systèmes photovoltaïques : fabrication et impact environnemental".
En 2010, la production de silicium polycristallin a été de 145 000 tonnes, dont 83% pour l'industrie solaire (source US Geological Survey). (Attention : on utilise souvent abusivement le terme polycristallin pour parler des modules multicristallins, or le silicium polycristallin n'intervient qu'au début pour ensuite être transformé en silicium monocristallin ou multicristallin). Sur la base d'un besoin de 15t/MWc, l'industrie photovoltaïque a produit 8 GWc de panneaux photovoltaïques à base de silicium cristallin. L’obtention de ce matériau arrive en fin d’un processus de raffinage que l’on peut séparer en deux grandes étapes :
Elle est réalisée dans un four à arc, outil typique de l’industrie métallurgique. La pureté du MG-Si est de l’ordre de 98 à 99%.
Elle est réalisée par le procédé Siemens, hérité de l’électronique et utilise des réacteurs chimiques pour synthétiser le silicium polycristallin ou poly-Si. De toute la chaîne de production des modules photovoltaïques, c’est l’étape la plus consommatrice en énergie. En raison du coût de cette étape et du fait qu’une pureté moindre peut être tolérée, des techniques pour produire le silicium solaire à partir de nouveaux procédés chimiques mais aussi métallurgiques, le procédé Elkem notamment, sont explorées.
A ce stade et jusqu'à la fabrication du module sont mis en jeu des savoir-faire propres à l’industrie photovoltaïque.
Le silicium va être purifié encore une fois, dopé uniformément et découpé en plaques une fois refroidi. La technique de cristallisation consiste à solidifier progressivement le silicium polycristallin fondu de manière contrôlée. C’est dans la charge de silicium en fusion que sera ajouté l’élément dopant, généralement du bore qui donne un dopage de type p. Le matériau présente au final un réseau cristallin, qui est un arrangement ordonné des atomes de silicium. L’élimination des impuretés se fait par ségrégation. Plus solubles en phase liquide que solide, les impuretés vont migrer vers les zones se solidifiant en dernier. Dans le cas d’un refroidissement par le bas, elles vont se concentrer sur le haut du lingot.
Pour la cristallisation, trois grandes voies sont possibles, selon le choix technologique fait par le fabricant.
Le silicium monocristallin est obtenu par croissance ou étirage d’un lingot cylindrique à partir d’un monocristal « souche » selon le procédé Czochralski ou CZ. Les cellules finales du silicium monocristallin ont un des meilleurs rendements (15%), mais pour une plus grande dépense énergétique à cette étape.
Le silicium multicristallin est obtenu par coulage en lingotière dans laquelle s’opère un refroidissement lent, de l’ordre de quelques dizaines d’heures. Sa mise au point est moins énergivore, et le rendement final des cellules est d’environ 12%.
Le sciage des plaques (mc-Si et sc-Si) : Les lingots monocristallins et les briques multicristallines sont après la première étape découpés en tranches par une scie à fil, à une épaisseur d’environ 250 µm. L’opération est réalisée en présence de slurry, une solution organique contenant des abrasifs en suspension. Il faut souligner une perte importante de matériau lors du sciage (30 à 40% non recyclé). Sur les schémas, on remarque que les coins du silicium monocristallin sont arrondis car la plaque est découpée dans un lingot cylindrique.
Cette dernière option technologique combine les étapes de cristallisation et de mise en forme du silicium, et présente l’avantage de minimiser la perte matière. Il est obtenu par entraînement d’un ruban de silicium sur un support plan ou tubulaire à partir d’un bain de silicium fondu. C'est un procédé quasiment abandonné dans l'industrie en 2019.
Une fois les plaques découpées vient la fabrication des cellules, qui va permettre d’exploiter les propriétés de semi-conducteur du silicium et de transformer l’énergie lumineuse captée en énergie électrique.
La plaque doit être de l'ordre d'une centaine de microns pour absorber les photons incidents. La face arrière est dopée p+ par diffusion d'aluminium et joue aussi le rôle de conducteur ohmique avec l'électrode arrière. La zone avant est dopée n+. Une couche anti-reflet est déposée dessus.
La fonction des modules est de protéger les cellules du milieu extérieur et de faciliter leur mise en œuvre, tout en limitant le plus possible les pertes optiques et les baisses de rendement dues à l’échauffement des cellules en fonctionnement.
L'incidence des rayons lumineux sur les modules photovoltaïques ne permet pas de recueillir l'intégralité de l'énergie : une partie du rayon est réfléchie. Pour diminuer cette perte optique, les modules photovoltaïques sont équipés en face avant de verres spéciaux avec un traitement anti-reflet permettant de retenir (par réfraction) les rayons lumineux.
La synthèse des différentes étapes est présentée ci-dessous :
