Le photovoltaïque

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Le silicium

Un module photovoltaïque est composé de plusieurs cellules assemblées en série. La majorité des panneaux sont fabriqués à partir de cellules au silicium cristallin (monocristallin ou polycristallin).

Le silicium est le deuxième élément de la croûte terrestre où il existe souvent sous la forme oxydée (sable, silice, quartz). Avant de le transformer en cellule photovoltaïque, il faut l'isoler et le purifier. La première étape constitue un procédé métallurgique classique: silice et carbone sont cuits à très haute température dans des fours à arcs. Ainsi on arrive à un silicium pur à 99 % (désigné par 2N) dit de qualité "métallurgique" (Si-MG Metallurgic grade silicon). La production mondiale s'élève à environ un million et demi de tonnes par an, surtout pour l'industrie automobile.

Ensuite, on ajoute une étape de purification supplémentaire, qui pendant longtemps a été réalisé surtout pour la filière électronique et l'industrie photovoltaïque s'est contentée de recupérer les rébuts de l'électronique.
Des blocs et granulats de silicium sont placés dans un creuset. Sous atmosphère d’argon, un four porte le silicium à plus de 1500 °C. Le creuset est alors lentement refroidi du bas vers le haut, pour concentrer les impuretés en haut et donner au silicium une structure multicristalline à gros grains. L’opération dure plusieurs heures. Le lingot de 230 kg à 240 kg est écrêté de sa partie supérieure, puis découpé en briques de 100x100 mm ou 125x125 mm de section sur environ 25 cm de long.

Pour les applications électroniques on utilise du silicium pur à 99,9999 % (6N). En revanche, pour des applications solaires, un silicium 4N devrait suffir. Pour pouvoir produire 1 tonne de silicium 6N, il faut environ 1,5 tonne de silicium 2N.

Il y a un grand nombre de fabricants de silicium de qualité "solaire": 6N Silicon (Canada), 21 Century Silicon (USA), Activ Solar (Autriche), AE Polysilicon (USA), AMG (USA), Buckeye Silicon (USA), Chisso (Japon), DC Chemical (Corée du Sud), Elkem (Norvège), Estelux (Italie), Hankook (Corée du Sud), Hemlock (USA), Hoku Scientific (Hawai), Innovation Silicon (Japon), JFE Steel (Japon), Joint Solar Silicon (JSSI) (Allemagne), KCC (Corée du Sud), Maharishi (Inde), MEMC (USA), M.Setek (Japon), Mitsubishi Polycrystalline Silicon (Japon), Nippon Steel Solar Material (Japon), Nitol (Russie), NorSun (Norvège), Norwegian Silicon Refinery (Norvège), OCI (Corée du Sud), Osaka Titanium Technologies (Japon), PCMP (Russie), Peak Sun Silicon (USA), Prime Solar (Allemagne), PV Crystalox Solar (Angleterre), REC Silicon (Norwège), RSI Silicon (USA), Setek (Japon), Schmid Silicon (Allemagne), Silfab (Italie), Silicio Solar (Espagne), Silicon Mine (Pays-Bas), Siliken (Espagne), Sumitomo (Japon), Sino-American Silicon (Chine-USA), Sumitomo, Sunlight Group (USA), Taiwan Polysilicon (Taïwan), Timminco (Canada), Tokuyama (Japon), Topsil (Danemark), Wacker (Allemagne), Woongjin (Corée du Sud)...
Fabricants chinois: Asia Silicon, Changzhou Eging, Chinaland Solar Energy, China Silicon Cooperation, CSG, Dalu Polysilicon, Daqo New Energy, Emei, GCL Poly, Green Silicon, Honbridge, Jaco, Jiangxi Silicon, Jiaozuo Coal Group Hejing, Jinglong Group, Jinhua Smelting, LDK Solar, Longi Silicon Materials, Luoyang Zhonggui, Nanyang Universal Solar Technology, Niking Technology, Ningxia Yinxing, Orisi, Sanjing, Shaanxi Tianhong Silicon, Shunda, Sichuan Yongxiang, Silicon High Tech, Solargiga Energy, Solsitek, Sunshine Silicon, Tehua, Tianwei, Yingli, Zhaoge Riguang New Energy, ...

Prix du silicium depuis 5 ans

Fabricants de fours de silicium

CS: Czochralski (monocristallin), SD: Solidification directionnelle (polycristallin), FZ: float zone

Etapes du procédé Czochralski
PVA TePla

Fabricants de fours pour silicium polycristallin (processus Siemens)

Fabricants de scies à rubans pour ingots

Fabricants de scies à fil pour ingots

Abwood
Lingots de silicium

Wafers

Chaque brique de silicium est découpée en plaques par une scie à fil. Des spires juxtaposées de fil d’acier entrainent un abrasif, du carbure de silicium, et tranchent régulièrement la brique en plaques de 0,2 à 0,3 mm d’épaisseur. L’épaisseur de la coupe, environ 0,2 mm, fait perdre quasiment la moitié du silicium. Des procédés sont à l’étude pour séparer des déchets de coupe (carbure, huile) et le recycler. Nettoyées de l’huile de coupe, les plaques obtenues sont appelées des wafers.

Fabricant de wafers: Al-Afandi Solar (Arabie Saoudite), Amex (Russie), Bosch (Allemagne), CaliSolar (USA), Cemat Silicon (Pologne), DC Wafers (Espagne), Deutsche Solar (Allemagne), Eversol (Taïwan), First Philec Solar (Philippines), Green Energy (Taiwan), Helios Ressource, JSC Kvazar (Ukraine), Kyocera (Japon), MEMC (USA), M.Setek (Japon), Motech (Taïwan), Nexolon (Corée du Sud), Norsun (Norvège), Photowatt (France), Prime Solar (Allemagne), Prolog Semicor (Ukraine), Purewafer (Pays de Galles), PV Crystalox (Japon), REC (Norwège), Sanyo (Japon), Silcio (Grèce), Silicio Solar (Espagne), Solar Cells Helas (Grèce), Solarworld (Allemagne), Sovello (Allemagne), Space Energy (Japon), Sumco (Japon), Swiss Wafers (Suisse), Telecom STV (Russie), Uab Saulės Energija (Lituanie), Wacker Schott (Allemagne), Wafer World (USA),...

Fabricants de wafer chinois: Advansil, ADV Solar Power, Ainuoji Solar Science, Anhui Silicon, BLD, Blue Sky Open Paradise, Canadian Solar, CEEG PV, Comtec, ET Solar, Glory Silicon Energy, Grand Solar, GSM, Jiawei Solar, Jiangsu Shunda, Jiaxing Winsaint PV, Jinggong Shaoxing, JinkoSolar, Jintech Solar, Jinxiyuan, Kinve, Konca, LDK Solar, Long Energy, Longi Silicon Materials,, Mingtong Photovoltaic, ReneSola, Semi Materials, Sino-Italian Photovoltaic, Smic, Solargiga, Soudai PV-Tech, Stream Solar Shuqimeng, Sunology, Tianwei, Trina, Ussony Shuangli Electronic, Wafer Works/Jinzhou Youhua, Winsun New Energy, ZNShine

Rena	Nettoyage des wafers
ABM	Wafer Works

Fabricants de scies à fil pour plaques de silicium (wafer)

Fabricants d'équipement de dépôt de SiNx

Fabricants d'équipement de gravure humide (wet etching)

Le cristal de silicium

Un atome isolé de silicium possède 14 protons et 14 électrons. La première orbite contient 2 électrons, la deuxième 8. Les 4 électrons restants occupent l’orbite de valence. La charge du cœur est +4, car il contient 14 protons et seulement 10 électrons sur les 2 premières orbites.

Quand les atomes de silicium s’assemblent pour faire un solide, ils s’ordonnent selon un motif régulier, appelé cristal. Chaque atome partage ses électrons périphériques avec quatre voisins pour obtenir huit électrons sur son orbite de valence.

Quand la température ambiante se situe au-dessus du zéro absolu (-273 ° C), l’énergie thermique force les atomes de cristal de silicium de vibrer. Plus la température est haute, plus le mécanisme de vibration est important. Lorsqu’on touche un objet chaud, la chaleur ressentie est l’effet de la vibration des atomes.
Dans un cristal de silicium, les vibrations des atomes peuvent occasionnellement enlever un électron de son orbite de valence. Quand cela se produit, l’électron libéré possède assez d’énergie pour occuper une orbite plus grande.
Le départ de l’électron crée un vide dans l’orbite de valeur appelé « trou ». Ce dernier se comporte comme une charge positive car la perte d’un électron entraîne l’apparition d’un ion positif. Le trou attire et capture tout électron dans son voisinage immédiat. L’existence de ces trous est une différence fondamentale entre les conducteurs et les semi-conducteurs.

A la température ambiante, l’énergie thermique produit peu de trou et d’électrons libres. Pour augmenter leur nombre, il est nécessaire de « doper » le cristal.

Dans un cristal pur de silicium, l’énergie thermique engendre un nombre égal d’électron et de trous. L’électron libre se déplace de façon aléatoire dans le cristal. Parfois, il approche d’un trou, ressent son attraction et tombe dedans. Cette fusion d’un électron et d’un trou est appelé « recombinaison ».
La durée entre la création et la disparition d’un électron libre est appelée « durée de vie ». Elle varie de quelques nanosecondes à plusiuers microsecondes selon la pureté du cristal et d’autres facteurs.