Pile solaire

Contexte

Les cellules solaires photovoltaïques sont de minces disques de silicium qui convertissent la lumière du soleil en électricité. Ces disques servent de sources d’énergie pour une grande variété d’utilisations, notamment : les calculatrices et autres petits appareils, les télécommunications, les panneaux sur les toits des maisons individuelles, ainsi que pour l’éclairage, le pompage et la réfrigération médicale des villages des pays en développement. Les cellules solaires sous forme de grands réseaux sont utilisées pour alimenter les satellites et, dans de rares cas, pour fournir de l’électricité aux centrales électriques.

Lorsque les recherches sur l’électricité ont débuté et que des piles simples ont été fabriquées et étudiées, les recherches sur l’électricité solaire ont suivi étonnamment vite. Dès 1839, Antoine-César Becquerel expose une pile chimique au soleil pour la voir produire une tension. Cette première conversion de la lumière du soleil en électricité avait un rendement de 1%. En d’autres termes, un pour cent de la lumière solaire entrante était convertie en électricité. En 1873, Willoughby Smith a découvert que le sélénium était sensible à la lumière ; en 1877, Adams et Day ont noté que le sélénium, exposé à la lumière, produisait un courant électrique. Charles Fritts, dans les années 1880, a également utilisé du sélénium recouvert d’or pour fabriquer la première cellule solaire, dont l’efficacité n’était encore une fois que de 1 %. Néanmoins, Fritts considérait ses cellules comme révolutionnaires. Il envisageait l’énergie solaire gratuite comme un moyen de décentralisation, prédisant que les cellules solaires remplaceraient les centrales électriques par des résidences alimentées individuellement.

Avec l’explication d’Albert Einstein en 1905 sur l’effet photoélectrique – le métal absorbe l’énergie de la lumière et conservera cette énergie jusqu’à ce qu’une trop grande quantité de lumière le frappe – l’espoir s’est à nouveau envolé que l’électricité solaire à des rendements plus élevés devienne réalisable. Peu de progrès ont cependant été réalisés jusqu’à ce que la recherche sur les diodes et les transistors apporte les connaissances nécessaires aux scientifiques de Bell, Gordon Pearson, Darryl Chapin et Cal Fuller, pour produire une cellule solaire en silicium d’une efficacité de quatre pour cent en 1954.

Des travaux supplémentaires ont permis de porter l’efficacité de la cellule à 15 %. Les cellules solaires ont été utilisées pour la première fois dans la ville rurale et isolée d’Americus, en Géorgie, comme source d’énergie pour un système de relais téléphonique, où elles ont été utilisées avec succès pendant de nombreuses années.

Un type de cellule solaire permettant de répondre entièrement aux besoins énergétiques domestiques n’a pas encore été développé, mais les cellules solaires ont connu un certain succès en fournissant de l’énergie aux satellites artificiels. Les systèmes de carburant et les batteries ordinaires étaient trop lourds dans un programme où chaque once comptait. Les cellules solaires fournissent plus d’énergie par once de poids que toutes les autres sources d’énergie conventionnelles, et elles sont rentables.

Seulement quelques systèmes d’énergie photovoltaïque à grande échelle ont été mis en place. La plupart des efforts se penchent sur la fourniture de la technologie des cellules solaires à des endroits éloignés qui n’ont pas d’autres moyens d’alimentation sophistiqués. Environ 50 mégawatts sont installés chaque année, mais les cellules solaires ne fournissent qu’environ. 1 % de toute l’électricité produite actuellement. Les partisans de l’énergie solaire affirment que la quantité de rayonnement solaire atteignant la surface de la Terre chaque année pourrait facilement fournir tous nos besoins en énergie plusieurs fois, pourtant les cellules solaires ont un long chemin à parcourir avant de réaliser le rêve de Charles Fritts d’une électricité solaire gratuite et entièrement accessible.

Matières premières

Le composant de base d’une cellule solaire est le silicium pur, qui n’est pas pur à l’état naturel.

Pour fabriquer des cellules solaires, les matières premières – le dioxyde de silicium du gravier de quartzite ou du quartz broyé – sont d’abord placées dans un four à arc électrique, où un arc de carbone est appliqué pour libérer l’oxygène. Les produits sont du dioxyde de carbone et du silicium fondu. À ce stade, le silicium n’est pas encore assez pur pour être utilisé pour les cellules de solveur et nécessite une purification supplémentaire.

Le silicium pur est dérivé de dioxydes de silicium tels que le gravier de quartzite (la silice la plus pure) ou le quartz broyé. Le silicium pur ainsi obtenu est ensuite dopé (traité avec) du phosphore et du bore pour produire respectivement un excès d’électrons et un déficit d’électrons afin de fabriquer un semi-conducteur capable de conduire l’électricité. Les disques de silicium sont brillants et nécessitent un revêtement anti-reflet, généralement du dioxyde de titane.

Le module solaire est constitué du semi-conducteur en silicium entouré d’un matériau de protection dans un cadre métallique. Le matériau de protection est constitué d’un encapsulant en caoutchouc de silicone transparent ou en plastique butyryle (couramment utilisé dans les pare-brise automobiles) collé autour des cellules, qui sont ensuite noyées dans de l’éthylène-acétate de vinyle. Un film polyester (tel que le mylar ou le tedlar) constitue le support. On trouve un couvercle en verre sur les réseaux terrestres et un couvercle en plastique léger sur les réseaux satellites. Les composants électroniques sont standard et se composent principalement de cuivre. Le cadre est soit en acier, soit en aluminium. Le silicium est utilisé comme ciment pour assembler le tout.

Le processus de fabrication

Purification du silicium

• 1 Le dioxyde de silicium de gravier de quartzite ou de quartz broyé est placé dans un four à arc électrique. Un arc de carbone est ensuite appliqué pour libérer l’oxygène. Les produits sont le dioxyde de carbone et le silicium fondu. Ce processus simple donne du silicium avec un pour cent d’impureté, utile dans de nombreuses industries mais pas dans celle des cellules solaires.
• 2 Le silicium pur à 99 pour cent est purifié encore davantage en utilisant la technique de la zone flottante. Une tige de silicium impur est passée à travers une zone chauffée plusieurs fois dans la même direction. Cette procédure « entraîne » les impuretés vers une extrémité à chaque passage. À un moment précis, le silicium est jugé pur et l’extrémité impure est retirée.

Fabrication de silicium monocristallin

• 3 Les cellules solaires sont fabriquées à partir de boules de silicium, des structures polycristallines qui ont la structure atomique d’un monocristal. Le procédé le plus couramment utilisé pour créer la boule est appelé la méthode de Czochralski. Dans ce procédé, un germe cristallin de silicium est plongé dans du silicium polycristallin fondu. Lorsque le cristal germe est retiré et mis en rotation, un lingot cylindrique ou « boule » de silicium se forme. Le lingot retiré est exceptionnellement pur, car les impuretés ont tendance à rester dans le liquide.

Fabrication de plaquettes de silicium

• 4 À partir de la boule, les plaquettes de silicium sont tranchées une par une à l’aide d’une scie circulaire dont le diamètre intérieur entame la tige, ou plusieurs à la fois avec une scie multifilaire. (Une scie diamantée produit des coupes aussi larges que la plaquette-. 5 millimètres d’épaisseur). Seule la moitié environ du silicium est perdue entre la boule et la plaquette circulaire finie – davantage si la plaquette est ensuite découpée en rectangulaire ou en hexagonal. Les galettes rectangulaires ou hexagonales sont parfois utilisées dans les cellules solaires car elles peuvent s’emboîter parfaitement, utilisant ainsi tout l’espace disponible sur la surface avant de la cellule solaire.
  

  Après la purification initiale, le silicium est encore raffiné dans un procédé à zone flottante. Dans ce procédé, une tige de silicium est passée plusieurs fois dans une zone chauffée, ce qui sert à  » entraîner  » les impuretés vers une extrémité de la tige. L’extrémité impure peut alors être retirée.
  Puis, un cristal germe de silicium est placé dans un appareil de croissance Czochralski, où il est plongé dans du silicium polycristallin fondu. Le cristal germe tourne lorsqu’il est retiré, formant un lingot cylindrique de silicium très pur. Les plaquettes sont ensuite découpées dans le lingot.

• 5 Les plaquettes sont ensuite polies pour éliminer les marques de scie. (On a récemment découvert que les cellules plus rugueuses absorbent plus efficacement la lumière, c’est pourquoi certains fabricants ont choisi de ne pas polir la plaquette).

Dopage

• 6 La façon traditionnelle de doper (ajouter des impuretés à) les plaquettes de silicium avec du bore et du phosphore consiste à introduire une petite quantité de bore pendant le processus de Czochralski à l’étape #3 ci-dessus. Les plaquettes sont ensuite scellées dos à dos et placées dans un four pour être chauffées à une température légèrement inférieure au point de fusion du silicium (2 570 degrés Fahrenheit ou 1 410 degrés Celsius) en présence de gaz phosphoreux. Les atomes de phosphore « s’enfouissent » dans le silicium, qui est plus poreux parce qu’il est sur le point de devenir liquide. La température et le temps accordés au processus sont soigneusement contrôlés pour garantir une jonction uniforme et de profondeur appropriée.

  Une façon plus récente de doper le silicium avec du phosphore consiste à utiliser un petit accélérateur de particules pour envoyer des ions phosphoreux dans le lingot. En contrôlant la vitesse des ions, il est possible de contrôler leur profondeur de pénétration. Cependant, ce nouveau procédé n’a généralement pas été accepté par les fabricants commerciaux.

Placer les contacts électriques

• 7 Les contacts électriques relient chaque cellule solaire à une autre et au récepteur du courant produit. Les contacts doivent être très fins (au moins à l’avant) pour ne pas bloquer la lumière du soleil vers la cellule. Des métaux comme le palladium/argent, le nickel ou le cuivre sont évaporés sous vide
  

  Cette illustration montre la constitution d’une cellule solaire typique. Les cellules sont encapsulées dans de l’éthylène-acétate de vinyle et placées dans un cadre métallique qui comporte une feuille de fond en mylar et un couvercle en verre.

  à travers une résine photosensible, sérigraphiée, ou simplement déposée sur la partie exposée des cellules qui ont été partiellement recouvertes de cire. Ces trois méthodes impliquent un système dans lequel la partie de la cellule sur laquelle un contact n’est pas souhaité est protégée, tandis que le reste de la cellule est exposé au métal.

• 8 Une fois les contacts en place, de fines bandes (« doigts ») sont placées entre les cellules. Les bandes les plus couramment utilisées sont en cuivre étamé.

Le revêtement antireflet

• 9 Comme le silicium pur est brillant, il peut réfléchir jusqu’à 35 % de la lumière du soleil. Pour réduire la quantité de lumière solaire perdue, un revêtement anti-reflet est mis sur la tranche de silicium. Les revêtements les plus couramment utilisés sont le dioxyde de titane et l’oxyde de silicium, mais d’autres sont utilisés. Le matériau utilisé pour le revêtement est soit chauffé jusqu’à ce que ses molécules bouillent et se déplacent vers le silicium et se condensent, soit le matériau est soumis à une pulvérisation. Dans ce cas, une haute tension fait tomber les molécules du matériau et les dépose sur le silicium à l’électrode opposée. Une autre méthode encore consiste à laisser le silicium lui-même réagir avec des gaz contenant de l’oxygène ou de l’azote pour former du dioxyde ou du nitrure de silicium. Les fabricants de cellules solaires commerciales utilisent le nitrure de silicium.

Encapsulation de la cellule

• 10 Les cellules solaires finies sont ensuite encapsulées, c’est-à-dire scellées dans du caoutchouc de silicone ou de l’éthylène-acétate de vinyle. Les cellules solaires encapsulées sont ensuite placées dans un cadre en aluminium qui comporte une feuille de fond en mylar ou en tedlar et un couvercle en verre ou en plastique.

Contrôle de la qualité

Le contrôle de la qualité est important dans la fabrication des cellules solaires car une divergence dans les nombreux processus et facteurs peut nuire à l’efficacité globale des cellules. L’objectif principal de la recherche est de trouver des moyens d’améliorer l’efficacité de chaque cellule solaire sur une durée de vie plus longue. Le projet Low Cost Solar Array (lancé par le ministère américain de l’énergie à la fin des années 1970) a parrainé des recherches privées visant à réduire le coût des cellules solaires. Le silicium lui-même est testé pour vérifier sa pureté, l’orientation de ses cristaux et sa résistivité. Les fabricants vérifient également la présence d’oxygène (qui affecte sa solidité et sa résistance à la déformation) et de carbone (qui provoque des défauts). Les disques de silicium finis sont inspectés pour détecter tout dommage, écaillage ou pliage qui aurait pu se produire pendant le sciage, le polissage et la gravure.

Pendant tout le processus de fabrication des disques de silicium, la température, la pression, la vitesse et les quantités de dopants sont contrôlées en permanence. Des mesures sont également prises pour que les impuretés présentes dans l’air et sur les surfaces de travail soient réduites au minimum.

Les semi-conducteurs achevés doivent ensuite subir des tests électriques pour vérifier que le courant, la tension et la résistance de chacun d’entre eux répondent aux normes appropriées. Un problème antérieur des cellules solaires était une tendance à cesser de fonctionner lorsqu’elles étaient partiellement ombragées. Ce problème a été atténué grâce à des diodes de dérivation qui réduisent les tensions dangereusement élevées vers la cellule. La résistance du shunt doit alors être testée en utilisant des jonctions partiellement ombragées.

Un test important des modules solaires consiste à fournir aux cellules de test les conditions et l’intensité de la lumière qu’elles rencontreront dans des conditions normales, puis à vérifier qu’elles fonctionnent bien. Les cellules sont également exposées à la chaleur et au froid et testées contre les vibrations, les torsions et la grêle.

Le test final pour les modules solaires est le test sur site, au cours duquel les modules finis sont placés là où ils seront réellement utilisés. Cela fournit au chercheur les meilleures données pour déterminer l’efficacité d’une cellule solaire dans les conditions ambiantes et la durée de vie effective de la cellule solaire, les facteurs les plus importants de tous.

L’avenir

En considérant l’état actuel des cellules solaires relativement coûteuses et inefficaces, l’avenir ne peut que s’améliorer. Certains experts prédisent qu’il s’agira d’une industrie d’un milliard de dollars d’ici l’an 2000. Cette prédiction est étayée par le fait que de plus en plus de systèmes photovoltaïques sur les toits sont développés dans des pays comme le Japon, l’Allemagne et l’Italie. Des plans pour commencer la fabrication de cellules solaires ont été établis au Mexique et en Chine. De même, l’Égypte, le Botswana et les Philippines (tous trois aidés par des entreprises américaines) construisent des usines qui fabriqueront des cellules solaires.

La plupart des recherches actuelles visent à réduire le coût des cellules solaires ou à augmenter leur efficacité. Les innovations dans la technologie des cellules solaires incluent le développement et la fabrication d’alternatives moins chères aux coûteuses cellules en silicium cristallin. Ces alternatives comprennent des fenêtres solaires qui imitent la photosynthèse, et des cellules plus petites faites de minuscules billes de silicium amorphe. Déjà, le silicium amorphe et le silicium polycristallin gagnent en popularité au détriment du silicium monocristallin. Parmi les autres innovations, citons la réduction de l’ombre et la focalisation de la lumière du soleil grâce à des lentilles prismatiques. Cela implique des couches de différents matériaux (notamment, l’arséniure de gallium et le silicium) qui absorbent la lumière à différentes fréquences, augmentant ainsi la quantité de lumière solaire effectivement utilisée pour la production d’électricité.

Quelques experts prévoient l’adaptation de maisons hybrides, c’est-à-dire des maisons qui utilisent des chauffe-eau solaires, un chauffage solaire passif et des cellules solaires pour réduire les besoins en énergie. Un autre point de vue concerne la navette spatiale plaçant de plus en plus de panneaux solaires en orbite, un satellite d’énergie solaire qui envoie de l’énergie aux fermes de panneaux solaires terrestres, et même une colonie spatiale qui fabriquera des panneaux solaires à utiliser sur Terre.