Le photovoltaïque est une technologie en pleine expansion, et le silicium joue un rôle central dans cette révolution énergétique. En effet, en 2011, près de 87 % des installations photovoltaïques dans le monde utilisaient du silicium, qu’il soit mono ou multicristallin. Bien qu’étant l’élément chimique le plus abondant sur Terre après l’oxygène, le silicium ne se trouve pas à l’état pur et nécessite un processus complexe pour être exploité. Dans cet article, nous allons explorer les secrets de fabrication du silicium et son utilisation dans les cellules photovoltaïques.
Le Silicium, un Élément Abondant
La croûte terrestre contient environ 25,7 % de silicium, ce qui en fait un des éléments les plus présents après l’oxygène. Cependant, le silicium n’existe pas à l’état pur et doit être extrait de minéraux tels que la silice (SiO2). Pour ce faire, les blocs ou grains de silice sont chauffés à des températures supérieures à 3000°C dans de puissants fours à arcs. Cette chauffe permet la fusion de la silice et la recombinaison de ses atomes d’oxygène avec le carbone présent dans le matériau réducteur utilisé. Ainsi, le silicium est extrait du four sous forme de métal impur.
Pour être utilisé dans l’industrie photovoltaïque, le silicium doit subir une série de traitements physiques et chimiques afin d’éliminer toutes les impuretés. Une fois purifié, le silicium peut être utilisé pour fabriquer des cellules photovoltaïques.
La Fabrication des Cellules Photovoltaïques
La fabrication des cellules photovoltaïques à base de silicium dépend du type de silicium utilisé. Le silicium multicristallin est plus couramment utilisé et est plus facile à obtenir. La matière première est fondue dans un creuset en graphite puis refroidie lentement. Cette méthode de refroidissement permet la formation de plusieurs cristaux à gros grains dans le lingot obtenu. Ce lingot peut ensuite être découpé en plaques de silicium de dimensions définies appelées “wafers”.
Le silicium monocristallin nécessite un processus plus complexe appelé le procédé de Czochralski. La matière première est coulée dans un creuset en quartz et maintenue à l’état liquide tout en étant progressivement tirée vers le haut. Le silicium liquide refroidit rapidement et adopte l’orientation cristallographique du germe monocristallin. Ainsi, un seul cristal de forme cylindrique est formé. Ce cristal est ensuite équeuté et équarri, donnant une forme carrée avec des coins arrondis.
Du Lingot au Wafer
Les lingots et plaques de silicium obtenus sont ensuite découpés en plusieurs centaines de wafers grâce à des scies à fils. Cependant, cette étape entraîne une perte de matière d’environ 30 à 40 %, car les scies à fils ont un diamètre d’au moins 150 μm. Les wafers obtenus ont une épaisseur de 200 à 350 μm. Une partie de la matière perdue peut être recyclée sous certaines conditions.
La Clé de la Jonction P-N: Le Dopage
Après la découpe en wafers, ces derniers sont uniformément dopés avec des impuretés p ou n, selon leur position initiale dans le lingot. Cette opération est essentielle pour obtenir une jonction p-n nécessaire au bon fonctionnement des cellules photovoltaïques. Les wafers sont chauffés à des températures élevées, entre 800 et 900 °C, et un gaz contenant la solution dopante est injecté dans le milieu. Grâce à la chaleur, les impuretés acquièrent suffisamment d’énergie pour pénétrer la matière et se mêler aux atomes de silicium. Ainsi, la jonction p-n est créée, permettant à la cellule photovoltaïque de générer de l’électricité à partir de la lumière.
Conclusion
Le silicium est le matériau de choix dans la fabrication des cellules photovoltaïques. Son abondance sur Terre, associée à sa capacité à convertir la lumière en électricité, en fait une solution efficace pour la production d’énergie renouvelable. En comprenant les étapes de fabrication du silicium et l’importance du dopage, nous sommes en mesure d’apprécier pleinement le rôle crucial que joue le silicium dans notre transition vers une économie verte.
