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Réflexions Scientifiques et stratégiques sur l’énergie solaire

10 janvier 2015 à 10 h 00 min

Ainsi, il est important de noter qu’une seule source de production d’électricité n’est pas envisageable, et qu’il sera indispensable de s’orienter vers de nombreuses technologies pour répondre à la demande. Les problèmes de l’énergie ne peuvent laisser indifférents les scientifiques et même le citoyen désireux de s’informer sur le thème récurrent des énergies renouvelables.

C’est dans ce contexte que j’apporte une  contribution sur l’aspect scientifique et stratégique de l’énergie solaire. Suite à la complexité technologique et le degré de maturité scientifique, l’énergie solaire présente effectivement ses limites, que nous mettrons en évidence. Les deux grandes familles d’utilisation de l’énergie solaire sont l’énergie photovoltaïque et l’énergie solaire thermique.

Energie photovoltaïque

La croissance du photovoltaïque n’aurait probablement pas été si rapide sans l’introduction de subventions par certains pays. Néanmoins, l’industrialisation massive du secteur de ces dix dernières années a permis de diminuer sensiblement le prix des panneaux photovoltaïques, qui n’a pas encore atteint l’objectif escompté.

Du côté de la recherche, on observe une course aux hauts rendements à travers plusieurs pistes telles que l’introduction de nouveaux matériaux photosensibles, l’amélioration du confinement optique de la lumière pénétrant dans le composant,  la combinaison de plusieurs couches de matériaux semi-conducteurs (multi-jonctions) pour couvrir le spectre lumineux le plus large. Actuellement, la technologie du silicium cristallin est majoritaire sur le marché de l’énergie photovoltaïque malgré sa complexité technologique et dont le rendement est à peine acceptable.

Principe de fonctionnement

Une cellule photovoltaïque est un composant électronique qui, exposé à la lumière (photons), génère de l’électricité. C’est l’effet photovoltaïque qui est à l’origine du phénomène. Le courant continu obtenu est fonction de la lumière incidente.  Les cellules photovoltaïques les plus répandues sont constituées de semi-conducteurs, principalement le silicium et se présentent généralement sous la forme de fines plaques d’une dizaine de centimètres de côté, prises en sandwich entre deux contacts métalliques, dont l’épaisseur est de l’ordre de 0,2 à 0,3 mm appelée wafer.

Les cellules sont réunies dans des modules solaires photovoltaïques «PV» ou panneaux solaires, en fonction de la puissance recherchée. Pour illustrer la complexité technologique, nous présentons les phases essentielles  de la production des panneaux PV. Aujourd’hui, la majorité des modules sont fabriqués à partir de cellules photovoltaïques au silicium poly-cristallin. Il existera ainsi, pendant toute la vie de la jonction, une charge positive de la région N (phosphore) au bord de la jonction où il existe un déficit d’électrons et une charge négative dans la région P (bore), où il existe un excès d’électrons.

A partir d’un lingot de silicium purifié, on entreprend différentes opérations tel que :
– Le découpage en wafer au moyen d’une scie circulaire diamantée de grande précision. Le travail s’effectue dans l’eau afin d’éviter tout échauffement et toute pollution. A la fin de l’opération, pratiquement la moitié du silicium est perdue sous forme de poudre.
– Le rodage des faces a pour but d’éliminer les irrégularités de surface provoquées par les grains de la scie diamant lors du tronçonnage. Ce rodage mécanique s’effectue avec de la poudre de carbure de silicium.

Après cela, un rodage chimique vient supprimer les dernières irrégularités sur la couche superficielle. A cet effet, on utilise des bains d’acides (acides fluorhydrique et nitrique), puis les wafers sont rincées soigneusement et séchées. Cette attaque chimique peut être remplacée ou complétée par un polissage électrolytique.

– La couche antireflet est déposée  sur la face dopée N exposée au soleil, elle permet de faciliter au maximum la pénétration des photons à travers la surface, ou plutôt de minimiser la réflexion des photons. Cette couche antireflet est traditionnellement réalisée en nitrure de silicium, produit à partir d’un mélange silane/ammoniac à l’aide  d’un réacteur plasma. 

– Les contacts métalliques sont déposés pour permettre le transfert d’un maximum d’électrons.

– L’utilisation industrielle des cellules dans l’énergie photovoltaïque se fait sous la forme de panneaux composés de plusieurs cellules montées en parallèle ou en série.

– Les chaînes de cellules sont encapsulées dans un plastique pour les protéger des agressions extérieures (rayons UV, humidité) et les isoler électriquement.

– Le module est placé dans un cadre métallique qui va lui donner une grande rigidité mécanique.

– Le module subit enfin des tests mécaniques, optiques et électriques, avant d’être mis sur le marché.

A ce jour, on constate plusieurs groupes de cellules PV ; en silicium  cristallin, amorphe et en composites dont trois principaux types (poly-cristallin, mono-cristallin et amorphe) sont retenues.

Les différents types de cellules  photovoltaïques et leur fabrication
Les  procédés  d’obtention  des  matériaux  de  silicium  poly-cristallin  et  mono-cristallin sont différents.  Mais, initialement, on doit assurer la production du silicium métallurgique.

Elaboration du silicium métallurgique par carbo-réduction

Le silicium est actuellement le matériau le plus utilisé pour fabriquer les cellules photovoltaïques. On obtient le silicium dit métallurgique de pureté (98 à 99%) par réduction de la silice «SiO2» qui est le composé le plus abondant dans la croûte terrestre et notamment dans le sable ou le quartz. L’élaboration s’effectue dans un four à arc électrique en présence du coke où différentes réactions chimiques ont lieu à des températures de 1800°C à 2000°C.

Le silicium métallurgique comprend des impuretés qui proviennent essentiellement des matières premières et des électrodes en graphite appartenant au four à arc électrique. Des travaux sur la réduction directe sont en cours telle que développée dans la sidérurgie, et leurs réussites réduiraient certainement le coût de la carbo-réduction. Un minimum d’éléments du groupe III (Al, Ti…) dans le minerai est conseillé, dans le cas contraire son extraction ultérieure lors de la purification physique reste difficile. Dans le cas contraire, on est obligé de recourir à la purification chimique.

Les différentes techniques de purification  du  silicium

Le silicium poly-cristallin est obtenu à partir du silicium métallurgique et par refonte des chutes de silicium monocristallin ou poly-cristallin. On différencie le silicium monocristallin, composé d’un seul cristal du silicium poly-cristallin, formé par de nombreux cristaux séparés par des joints de grains.

– Silicium poly-cristallin
Les grains de silicium poly-cristallins peuvent atteindre quelques centaines de nanomètres de diamètre moyen, regroupent des impuretés ségrégées lors de la fabrication et qui, en trop grande quantité, vont limiter les performances des cellules de manière considérable. Il n’est pas rare non plus de constater la présence d’autres impuretés ségrégées dans des zones incluses, connues sous le nom de dislocations.

Après la production du silicium métallurgique sous forme de cristaux, on passe à la  purification. La forte concentration d’impuretés en volume est à l’origine des plus faibles performances pour le silicium multi-cristallin. Cette problématique a été abordée en partie dans la thèse de Daniel Macdonald (Recombination and Trapping in Multicrystalline Silicon Solar Cells.

Thèse doctorat, Australian National University, 2001). Le traitement par un plasma d’argon, (oxygène et hydrogène) est une technique efficace pour volatiliser le bore sans apporter de contaminations. Il existe plusieurs techniques de purification du silicium métallurgique qui sont en cours de développement soit en phase laboratoire, soit en phase semi-industrielle.

La purification du silicium par plasma inductif et par brassage des forces électromagnétiques a été développée  qui consiste à volatiliser les impuretés à l’aide des gaz réactifs plasmagènes (O-, H+ et OH-) dont la température peut atteindre 1700°C. L’induction est un moyen efficace pour brasser et chauffer le silicium. Elle favorise le transfert des impuretés du bain vers la surface, et contrôle et homogénéise la température du silicium liquide dans le bain.

La purification par voie chimique (exemple Siemens) [A. Braga, S. Moreira, P. Zampieri, J. Bacchin, et P. MEI. «New processes  for the production of solar-grade polycrystalline silicon : A review» (pp. 418-424)] consiste à effectuer une purification à partir du silicium métallurgique en particulier à l’aide de l’acide chlorhydrique.

Cette méthode de purification à l’échelle industrielle nécessite des moyens de sécurité très stricts. Ce type de traitement nécessite également un broyage du silicium inférieur à 40 µm. L’attaque acide élimine de façon efficace Al, Ca, Fe, Ti, le  carbone et le phosphore, mais élimine très peu le bore qui peut être gardé en tant que dopant. En ajoutant de la chaux au silicium broyé avant l’attaque, jusqu’à 80% du phosphore initialement contenu dans le silicium est retiré.

Après purification, le silicium peut se solidifier suivant deux voies différentes :

– Une solidification non contrôlée dans une lingotière en cuivre.
– Une solidification contrôlée par la méthode  de Bridgman, qui consiste à verser le silicium liquide purifié dans un creuset en silice dont les parois latérales sont opaques, alors que le fond est transparent pour permettre l’extraction de la chaleur par radiations infrarouges. Les parois du creuset sont couvertes d’une couche en nitrure de silicium «Si3N4» afin de faciliter le démoulage et éviter au silicium liquide de coller au creuset. Le creuset chargé en silicium est placé dans un four de fusion, puis porté à 1430°C.

Compte tenu du temps de cycle nécessaire à la cristallisation, de l’ordre de 60 heures, les fabricants de cellules PV de silicium se sont lancés dans une course à l’augmentation de la section de base du creuset pour réduire la cinétique de refroidissement. La majorité des creusets contient 300 à 450 kg de silicium.

Les cellules PV de silicium poly-cristallin issues de lingots présentent une bonne qualité cristallographique et une faible densité de dislocations. La caractérisation du silicium purifié par l’analyse chimique et électrique donne des résultats qui permettront d’évaluer la qualité photovoltaïque du matériau. Les efforts de recherche actuels portent davantage d’informations sur l’interaction impureté-impureté, impureté-défaut dans le silicium. Les impuretés peuvent s’associer entre elles pour former soit des complexes, soit des précipités si localement leur concentration est supérieure à la limite de solubilité.

Lors de l’élaboration du silicium métallurgique ou lors de la purification, différentes analyses sont nécessaires pour mettre en évidence la qualité du produit, elles s’effectuent à l’aide des techniques de haute précision tel que par microsonde électronique couplée à la microscopie électronique à balayage, et cela pour caractériser les éléments chimiques dans le silicium  tels que le bore, le phosphore, l’aluminium, le titane…, ainsi que la morphologie des grains sur le produit purifié. Les liaisons chimiques sont mises en évidence par la spectrométrie infrarouge à transformation de Fourrier «FTIR» tel que SiOx, SiC, B4C ; ainsi que les cartographies de photo-courant dans les micrographies.

Silicium mono-cristallin

Le silicium liquide est destiné à la production de silicium monocristallin par le procédé Czochralski. [P. H. Haumesser. Elaboration par croissance Czochralski, caractérisation spéctroscopique et propriétés laser de monocristaux dopés par l’Ytterbium. Thèse de doctorat. Université Pierre et Marie Curie (2000)]. Si on désire obtenir des monocristaux, on le cristallise le liquide et on le transforme en semi-conducteur de type N «phosphore».

Pour cela, on place dans un creuset en quartz une quantité de silicium correspondant sensiblement au poids du monocristal à obtenir ; on ajoute le dopeur donneur d’électrons de type N (phosphore) sans qu’aucune impureté ne puisse perturber la cristallisation. L’opération doit donc se dérouler dans une enceinte hermétiquement close, d’une propreté «chirurgicale», et dans une atmosphère sous vide.   

Autour de l’enceinte isolante en quartz est placé l’inducteur d’un générateur de haute fréquence qui permet de porter le mélange Si-dopeur à la température de fusion, soit 1500 °C environ. Lorsque la fusion est totale, l’opération de cristallisation peut commencer. A cet effet, un système mécanique de précision présente le germe monocristal au contact du bain, puis le soulève verticalement, très lentement, tout en lui imprimant une très lente rotation qui aide à l’homogénéisation. Le germe entraîne le silicium qui se trouve alors soustrait à l’action de l’induction HF. Le silicium se refroidit donc et cristallise suivant le mouvement fixé par le germe.

L’opération est très délicate ; la vitesse de levage doit être constante afin de ne pas perturber la formation du cristal. La température du bain doit être également constante, à 0,1°C près (et ceci vers 1500 °C). L’homogénéisation, aidée par les deux mouvements de levage et de rotation, est primordiale jusqu’à la température inférieure de 800°C. La durée de l’opération dépasserait une centaine d’heures. Cette complexité et cette durée de traitement se répercute sur le prix excessif. Malgré le rendement de celui-ci supérieur au silicium poly-cristallin, la préférence revient à ce dernier

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