Cellules solaires : des premières expériences au photovoltaïque moderne – Technologie, production et perspectives

---

Historique

Les cellules solaires photovoltaïques sont de fines tranches de silicium qui convertissent directement la lumière du soleil en électricité. Elles alimentent un large spectre d'appareils, des calculatrices de poche et équipements de télécommunications aux panneaux de toiture sur les maisons et éclairages critiques, pompes à eau et réfrigérateurs médicaux dans les villages reculés. De plus, de grands réseaux de cellules solaires fournissent de l'électricité aux satellites et, occasionnellement, aux centrales électriques conventionnelles.

La quête d'électricité solaire a commencé parallèlement au développement des premières batteries. En 1839, Antoine-César Becquerel a démontré qu'une batterie chimique pouvait générer une petite tension lorsqu'exposée à la lumière du soleil – atteignant une efficacité modeste de 1 %. Les découvertes ultérieures de Willoughby Smith (1873) et de l'équipe Adams et Day (1877) ont confirmé que le sélénium était photo-réactif, produisant un courant mesurable sous la lumière. Dans les années 1880, Charles Fritts a créé la première cellule solaire commerciale utilisant du sélénium recouvert d'or, à nouveau avec une efficacité de 1 %. Fritts a fameusement envisagé un futur où l'énergie solaire décentralisée remplacerait les centrales électriques centralisées.

L'explication d'Einstein en 1905 de l'effet photoélectrique a renouvelé l'optimisme pour des cellules solaires à plus haute efficacité. Les progrès sont restés limités jusqu'au milieu du 20e siècle, quand les percées dans la technologie des diodes et transistors ont permis aux scientifiques des Bell Laboratories Gordon Pearson, Darryl Chapin et Cal Fuller de construire la première cellule solaire en silicium avec 4 % d'efficacité en 1954. Les raffinements ultérieurs ont poussé l'efficacité à 15 %, et les cellules solaires ont été déployées pour la première fois à Americus, Géorgie pour alimenter un système de relais téléphonique qui a fonctionné avec succès pendant de nombreuses années.

Bien qu'une seule technologie n'ait pas encore satisfait la demande énergétique domestique complète, les cellules solaires se sont avérées indispensables pour les applications spatiales. Les systèmes de carburant conventionnels et les batteries sont trop lourds pour les missions satellites où le poids est critique. Les cellules solaires offrent le ratio énergie-poids le plus élevé de toutes les sources d'énergie conventionnelles, en faisant la source d'alimentation de choix pour les satellites.

Seules quelques grandes centrales photovoltaïques existent aujourd'hui, et l'accent reste mis sur la fourniture de technologie solaire aux zones reculées manquant d'infrastructure de réseau fiable. Environ 50 MW de capacité solaire sont installés annuellement, pourtant les cellules solaires contribuent environ 1 % de la production mondiale totale d'électricité. Les partisans arguent que l'irradiation solaire atteignant la surface terrestre suffit à alimenter les besoins énergétiques mondiaux plusieurs fois, mais l'industrie fait encore face à des obstacles techniques et économiques avant de réaliser la vision de Charles Fritts d'une énergie solaire librement accessible.

Matériaux premiers

Le matériau fondamental pour une cellule solaire est le silicium, qui doit être purifié à un niveau adapté à l'usage semi-conducteur. Le dioxyde de silicium – dérivé de gravier de quartzite ou quartz concassé – entre d'abord dans un four à arc électrique où un arc de carbone enlève l'oxygène, produisant du dioxyde de carbone et du silicium fondu. Le silicium résultant contient environ 1 % d'impuretés et est inadapté aux cellules solaires, nécessitant une purification supplémentaire.

Le silicium purifié est ensuite dopé au phosphore ou au bore pour créer un excès ou déficit d'électrons, respectivement, formant un semi-conducteur capable de conduire l'électricité. Les tranches de silicium sont polies et revêtues d'une couche anti-réfléchissante, généralement du dioxyde de titane, pour réduire les pertes de lumière.

Un module solaire fini comprend la tranche de silicium dopé encapsulée dans un encapsulant protecteur – caoutchouc de silicone transparent ou plastique butyryl (couramment utilisé dans les pare-brise automobiles) – et lié dans de l'acétate de vinyle d'éthylène. Le module est encadré en acier ou aluminium, soutenu par un film polyester comme Mylar ou Tedlar, et recouvert de verre (réseaux terrestres) ou plastique léger (réseaux satellites). Le cuivre et autres composants électroniques standards complètent l'assemblage.

Processus de fabrication

Purification du silicium

• 1. Le dioxyde de silicium est traité dans un four à arc électrique pour enlever l'oxygène, produisant du silicium fondu avec 1 % d'impuretés.
• 2. Le silicium est davantage purifié via la technique de zone flottante, où une tige de silicium impur est passée à travers une zone chauffée répétitivement. Les impuretés migrent vers une extrémité et sont enlevées, laissant une tige de silicium presque pur.

Fabrication de silicium monocristallin

• 3. Les cellules solaires sont fabriquées à partir de lingots de silicium – cylindres monocristallins cultivés par la méthode de Czochralski. Un cristal germe est trempé dans du silicium fondu, retiré et roté, produisant un lingot monocristallin de haute pureté. Les impuretés restent dans la fonte, assurant la pureté du lingot.

Fabrication de tranches de silicium

• 4. Le lingot est tranché en wafers à l'aide d'une scie circulaire à lame diamant ou scie multi-fils. Une wafer de 5 mm d'épaisseur est typique, et seulement environ la moitié du silicium dans le lingot est convertie en wafers utilisables, avec perte additionnelle lors du façonnage en géométries rectangulaires ou hexagonales.
• 5. Les wafers sont polis pour enlever les marques de scie. Certains fabricants omettent maintenant le polissage car une surface légèrement rugueuse peut améliorer l'absorption de lumière.

Dopage

• 6. Le dopage traditionnel introduit du bore pendant le processus de Czochralski, suivi de recuit dans un four sous gaz phosphoreux. Les atomes de phosphore infiltrent le réseau de silicium, créant une région n-type. Les techniques récentes d'implantation ionique permettent un contrôle précis sur la profondeur du dopant, mais l'adoption commerciale reste limitée.

Placement des contacts électriques

• 7. Les contacts électriques sont déposés sur la surface avant du wafer en utilisant des techniques d'évaporation sous vide, photorésist ou sérigraphie. Des métaux comme palladium/argent, nickel ou cuivre forment de fins « doigts » transparents qui conduisent le courant tout en minimisant l'ombrage.
• 8. De fines bandes d'interconnexion – communément cuivre étamé – sont placées entre les cellules pour acheminer le courant généré vers les bornes de sortie du module.

Revêtement anti-réfléchissant

• 9. La haute réflectivité du silicium peut atteindre 35 %. Un revêtement anti-réfléchissant, généralement nitrure de silicium ou dioxyde de titane, est appliqué par pulvérisation cathodique ou dépôt chimique en phase vapeur pour réduire la réflexion et maximiser l'absorption des photons.

Encapsulation de la cellule

• 10. Les cellules finies sont encapsulées dans du caoutchouc de silicone ou de l'acétate de vinyle d'éthylène, puis montées dans un cadre en aluminium ou acier avec un backsheet Mylar/Tedlar et couverture verre ou plastique, formant un module durable et résistant aux intempéries.

Contrôle qualité

Le contrôle qualité est critique car des variations à n'importe quelle étape de fabrication peuvent réduire l'efficacité de la cellule. Le projet Low-Cost Solar Array du Département de l'Énergie américain, lancé à la fin des années 1970, a financé la recherche privée pour réduire les coûts. Les inspections clés incluent :

• Pureté, orientation cristalline et résistivité du wafer de silicium.
• Teneur en oxygène et carbone, qui affectent la résistance mécanique et les taux de défauts.
• Inspection visuelle des wafers pour dommages, écaillage ou courbure causés par sciage, polissage ou gravure.
• Surveillance continue de température, pression, concentration de dopant et propreté ambiante pendant la fabrication.
• Tests électriques pour vérifier que courant, tension et résistance respectent les standards ; diodes de dérivation utilisées pour atténuer les effets d'ombrage partiel.
• Tests de stress environnementaux – cyclage thermique, vibration, torsion et grêle – pour assurer la fiabilité long terme.
• Tests sur site aux lieux d'installation réels pour capturer la performance réelle et valider les durées de vie projetées.

L'avenir

Malgré les défis actuels de coût et d'efficacité, l'industrie solaire est prête pour la croissance. Les analystes prédisaient un secteur d'un milliard de dollars d'ici 2000, une prévision soutenue par les déploiements photovoltaïques de toiture en expansion au Japon, Allemagne et Italie. De nouvelles installations de fabrication sont en cours au Mexique, Chine, Égypte, Botswana et Philippines, beaucoup soutenues par des entreprises américaines.

La recherche en cours se concentre sur la réduction des coûts et les gains d'efficacité. Les innovations incluent des alternatives moins chères au silicium cristallin, comme le silicium amorphe, le silicium polycristallin, et même des fenêtres solaires à base de silicium qui imitent la photosynthèse. Les techniques avancées de piégeage de lumière – lentilles prismatiques, cellules multi-jonctions utilisant arseniure de gallium et silicium – promettent aussi une capture d'énergie plus élevée.

D'autres visions impliquent des maisons hybrides intégrant chauffe-eau solaires, design solaire passif et panneaux photovoltaïques pour réduire la consommation d'énergie, ainsi que des satellites solaires spatiaux qui transmettent l'énergie vers des fermes terrestres. La perspective de fabrication de réseaux solaires en orbite pour futures colonies spatiales illustre davantage la frontière en expansion de la technologie photovoltaïque.