Cellule solaire

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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; télécommunications; panneaux de toit sur maisons individuelles; et pour l'éclairage, le pompage et la réfrigération médicale des villages des pays en développement. Les cellules solaires sous forme de grands panneaux 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 commencé et que de simples batteries ont été fabriquées et étudiées, les recherches sur l'électricité solaire ont suivi étonnamment rapidement. Dès 1839, Antoine-Cesar Becquerel expose une batterie chimique au soleil pour le voir produire une tension. Cette première conversion de la lumière du soleil en électricité était efficace à un pour cent. C'est-à-dire qu'un pour cent de la lumière solaire entrante a été convertie en électricité. Willoughby Smith découvrit en 1873 que le sélénium était sensible à la lumière; en 1877, Adams et Day notèrent que le sélénium, lorsqu'il était 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, encore une fois à seulement 1% d'efficacité. Néanmoins, Fritts considérait ses cellules comme révolutionnaires. Il a envisagé 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 que trop de lumière l'atteigne -, l'espoir s'est à nouveau envolé que l'électricité solaire à des rendements plus élevés deviendrait possible. Peu de progrès ont été réalisés, cependant, jusqu'à ce que la recherche sur les diodes et les transistors fournisse les connaissances nécessaires aux scientifiques de Bell Gordon Pearson, Darryl Chapin et Cal Fuller pour produire une cellule solaire au silicium d'une efficacité de quatre pour cent en 1954.

D'autres travaux ont porté 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'alimentation pour un système de relais téléphonique, où elles ont été utilisées avec succès pendant de nombreuses années.

Un type de cellule solaire pour répondre pleinement aux besoins énergétiques domestiques n'a pas encore été développé, mais les cellules solaires ont réussi à fournir de l'énergie pour les 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.

Seuls quelques systèmes photovoltaïques à grande échelle ont été mis en place. La plupart des efforts tendent à fournir 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, pourtant les cellules solaires n'en fournissent qu'environ. 1 pour cent 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 répondre à tous nos besoins énergétiques plusieurs fois, mais les cellules solaires ont encore 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 du silicium pur, qui n'est pas pur à l'état naturel. Pour fabriquer des cellules solaires, les matières premières (dioxyde de silicium de gravier de quartzite ou de quartz broyé) sont d'abord placées dans un four à arc électrique, où un arc au 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 toujours pas assez pur pour être utilisé pour les cellules solaires 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 concassé. Le silicium pur résultant 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 antireflet, généralement du dioxyde de titane.

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

Le processus de fabrication

Purification du silicium

• 1 Le dioxyde de silicium du gravier de quartzite ou du quartz concassé est placé dans un four à arc électrique. Un arc de carbone est ensuite appliqué pour libérer l'oxygène. Les produits sont du dioxyde de carbone et du silicium fondu. Ce processus simple produit du silicium avec un pour cent d'impureté, utile dans de nombreuses industries mais pas dans l'industrie des cellules solaires.
• 2 Le silicium pur à 99 pour cent est encore purifié à l'aide de la technique de la zone flottante. Un barreau de silicium impur est passé plusieurs fois dans une zone chauffée dans le même sens. Cette procédure "fait glisser" les impuretés vers une extrémité à chaque passage. À un moment donné, le silicium est réputé pur et l'extrémité impure est éliminée.

Fabrication de silicium monocristallin

• 3 Les cellules solaires sont constituées 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 Czochralski. Dans ce processus, un germe de cristal de silicium est plongé dans du silicium polycristallin fondu. Au fur et à mesure que le cristal germe est retiré et tourné, un lingot cylindrique ou "boule" de silicium est formé. Le lingot retiré est exceptionnellement pur, car les impuretés ont tendance à rester dans le liquide.

Fabrication de plaquettes de silicium

• 4 A partir de la boule, les plaquettes de silicium sont tranchées une à une à l'aide d'une scie circulaire dont le diamètre intérieur coupe la tige, ou plusieurs à la fois avec une scie multifils. (Une scie à diamant produit des coupes aussi larges que la plaquette - 5 millimètres d'épaisseur.) Seulement environ la moitié du silicium est perdu de la boule à la plaquette circulaire finie - plus si la plaquette est ensuite coupée pour être rectangulaire ou hexagonal. Des plaquettes rectangulaires ou hexagonales sont parfois utilisées dans les cellules solaires car elles peuvent être parfaitement emboîtées, 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 processus en zone flottante. Dans ce processus, une tige de silicium est passée plusieurs fois dans une zone chauffée, ce qui sert à « faire glisser » les impuretés vers une extrémité de la tige. L'extrémité impure peut ensuite être retirée.
  Ensuite, un cristal germe de silicium est mis 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. Des plaquettes sont ensuite découpées dans le lingot.
• 5 Les plaquettes sont ensuite polies pour éliminer les marques de scie. (Il a été récemment découvert que les cellules plus rugueuses absorbent la lumière plus efficacement, c'est pourquoi certains fabricants ont choisi de ne pas polir la plaquette.)

Dopage

• 6 La méthode traditionnelle de dopage (ajout d'impuretés aux) plaquettes de silicium avec du bore et du phosphore consiste à introduire une petite quantité de bore au cours du processus Czochralski à l'étape 3 ci-dessus. Les plaquettes sont ensuite scellées dos à dos et placées dans un four pour être chauffées légèrement en dessous du 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 car il est proche de devenir liquide. La température et le temps impartis au processus sont soigneusement contrôlés pour assurer une jonction uniforme d'une profondeur appropriée.

  Une manière plus récente de doper le silicium avec du phosphore consiste à utiliser un petit accélérateur de particules pour projeter des ions phosphore 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.

Pose des contacts électriques

• 7 Des contacts électriques relient chaque cellule solaire à une autre et au récepteur de courant produit. Les contacts doivent être très fins (au moins à l'avant) afin de ne pas bloquer la lumière du soleil vers la cellule. Les métaux tels que le palladium/l'argent, le nickel ou le cuivre sont évaporés sous vide Cette illustration montre la composition d'une cellule solaire typique. Les cellules sont encapsulées dans de l'éthylène-acétate de vinyle et placées dans un cadre métallique doté d'une feuille de fond en mylar et d'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. Les 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 Parce que le silicium pur est brillant, il peut refléter jusqu'à 35 % de la lumière du soleil. Pour réduire la quantité de lumière solaire perdue, un revêtement antireflet est appliqué sur la plaquette de silicium. Les revêtements les plus couramment utilisés sont le dioxyde de titane et l'oxyde de silicium, bien que d'autres soient utilisés. Le matériau utilisé pour le revêtement est soit chauffé jusqu'à ce que ses molécules s'évaporent et se déplacent vers le silicium et se condensent, soit le matériau subit une pulvérisation cathodique. Dans ce processus, une haute tension fait tomber les molécules du matériau et les dépose sur le silicium à l'électrode opposée. Encore une autre méthode consiste à laisser le silicium lui-même réagir avec des gaz contenant de l'oxygène ou de l'azote pour former du dioxyde de silicium ou du nitrure de silicium. Les fabricants commerciaux de cellules solaires utilisent du nitrure de silicium.

Encapsulation de la cellule

• 10 Les cellules solaires finies sont ensuite encapsulées ; c'est-à-dire scellé dans du caoutchouc de silicone ou de l'acétate de vinyle éthylène. Les cellules solaires encapsulées sont ensuite placées dans un cadre en aluminium doté d'une feuille de fond en mylar ou en tedlar et d'un couvercle en verre ou en plastique.

Contrôle qualité

Le contrôle de la qualité est important dans la fabrication des cellules solaires, car les écarts dans les nombreux processus et facteurs peuvent 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 (initié par le Département de l'énergie des États-Unis 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 la pureté, l'orientation des cristaux et la résistivité. Les fabricants testent également la présence d'oxygène (qui affecte sa résistance et sa résistance à la déformation) et de carbone (qui provoque des défauts). Les disques de silicium finis sont inspectés pour tout dommage, écaillage ou flexion qui aurait pu se produire pendant le sciage, le polissage et la gravure.

Pendant tout le processus de fabrication du disque de silicium, la température, la pression, la vitesse et les quantités de dopants sont surveillées en permanence. Des mesures sont également prises pour s'assurer que les impuretés dans l'air et sur les surfaces de travail sont réduites au minimum.

Les semi-conducteurs terminés doivent ensuite subir des tests électriques pour vérifier que le courant, la tension et la résistance de chacun répondent aux normes appropriées. Un problème antérieur avec les cellules solaires était la tendance à cesser de fonctionner lorsqu'elles étaient partiellement ombragées. Ce problème a été atténué en fournissant des diodes shunt qui réduisent les tensions dangereusement élevées vers la cellule. La résistance shunt doit ensuite être testée à l'aide de jonctions partiellement ombrées.

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, la torsion et la grêle.

Le test final pour les modules solaires est le test sur site, dans lequel 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 des conditions ambiantes et la durée de vie effective de la cellule solaire, les facteurs les plus importants de tous.

Le futur

Compte tenu de l'état actuel des cellules solaires relativement coûteuses et inefficaces, l'avenir ne peut que s'améliorer. Certains experts prédisent que ce sera une industrie d'un milliard de dollars d'ici l'an 2000. Cette prédiction est étayée par des preuves que davantage 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 sociétés 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 comprennent le développement et la fabrication d'alternatives moins chères aux coûteuses cellules en silicium cristallin. Ces alternatives incluent des fenêtres solaires qui imitent la photosynthèse et des cellules plus petites fabriquées à partir de minuscules boules de silicium amorphe. Déjà, le silicium amorphe et le silicium polycristallin gagnent en popularité au détriment du silicium monocristallin. Des innovations supplémentaires, notamment la réduction de l'ombre et la focalisation de la lumière du soleil à travers 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 des besoins énergétiques réduits. 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 transmet de l'énergie aux fermes de panneaux solaires terrestres, et même une colonie spatiale qui fabriquera des panneaux solaires à utiliser sur Terre.