Du sable aux panneaux solaires : dévoiler le parcours de la fabrication de panneaux solaires

Jun 09, 2023

iStock/Alexsl

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2023. Le monde s'efforce de passer à des sources d'énergie plus durables et de réduire sa dépendance aux combustibles fossiles. En conséquence, les énergies renouvelables deviennent de plus en plus populaires. En fait, le cabinet comptable international BDO Global prévoit que, d'ici 2024, près de 33 % de l'électricité mondiale sera produite à partir de sources renouvelables.

L'énergie solaire, en particulier, est l'une des options d'énergie propre les plus prometteuses, et son utilisation se développe rapidement dans le monde entier. Certaines sources rapportent que l'énergie solaire représente désormais plus de la moitié de la nouvelle capacité de production aux États-Unis.

Dans ce contexte, se familiariser avec les panneaux solaires est pertinent. L'un des faits les plus surprenants à leur sujet est qu'ils sont en fait faits de sable. Mais comment le sable se transforme-t-il en panneaux solaires ?

Voici tout ce que vous devez savoir sur l'ingénierie derrière la technologie photovoltaïque au silicium.

Le sable est l'une des principales matières premières dans la production de panneaux solaires.

Contrairement à d'autres matières premières, le sable est assez ordinaire et largement disponible dans la plupart des régions du monde. Ce n'est pas infini, cependant. Selon CNBC, le sable est la ressource naturelle la plus consommée après l'eau, et il pourrait y avoir une pénurie de sable de sitôt.

Cela n'est pas dû à la fabrication de panneaux solaires mais au fait que le secteur de la construction a une forte demande en sable. Après tout, le sable est utilisé comme agrégat fin dans la production de béton.

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Le sable est également l'une des principales matières premières du verre de nos fenêtres et des écrans de nos smartphones et l'une des matières premières des puces de silicium des téléphones, ordinateurs et autres appareils électroniques.

Le sable possède plusieurs propriétés qui le rendent adapté à toutes ces applications :

Le sable est constitué de grains, et ces grains peuvent combler les lacunes dans les particules de ciment, c'est pourquoi il est mélangé avec du gravier pour produire du béton. Le sable fournit une résistance structurelle au béton.

La teneur élevée en silice du sable lui permet de fondre à des températures élevées et de former un matériau de verre fondu. Une fois refroidi, le verre conserve sa transparence, permettant la transmission de la lumière, la protection et l'isolation.

La structure cristalline du silicium, dérivée du sable, possède des propriétés semi-conductrices uniques qui permettent un contrôle élevé de la circulation des courants électriques - c'est pourquoi le silicium est présent dans les appareils électroniques. C'est un composant clé des diodes, des transistors et des circuits.

Cependant, dans la fabrication de panneaux solaires en particulier, pas n'importe quel sable ne fera l'affaire. Le sable utilisé doit avoir une forte teneur en dioxyde de silicium. Ceci est important car le dioxyde de silicium est la principale source de silicium et est essentiel dans la production de plaquettes, comme nous l'expliquerons ci-dessous.

Pour construire des panneaux solaires, du sable riche en silice doit être extrait de gisements naturels, tels que des mines de sable ou des carrières, où le sable est souvent composé de quartz, une forme de silice cristalline.

Le sable est lavé pour éliminer les impuretés telles que l'argile, la matière organique et d'autres minéraux. Il est ensuite raffiné avec des méthodes de traitement chimique. Une méthode courante est la lixiviation acide, où le sable est mélangé avec une solution acide - telle que l'acide sulfurique - pour dissoudre les impuretés et séparer la silice.

Après cela, la silice est chauffée à haute température, généralement dans un four, pour éliminer toute matière organique résiduelle et la transformer en silice de haute pureté.

La silice de haute pureté est essentielle pour produire du polysilicium, également connu sous le nom de silicium polycristallin. Cette forme de silicium de haute pureté est utilisée comme matière première pour les cellules solaires.

Pour l'obtenir, du sable de quartz purifié est mélangé à des matériaux riches en carbone, comme le charbon ou le coke de pétrole. Après cela, le mélange est exposé à un courant de chlore gazeux à haute température, formant du trichlorosilane (SiHCl3). Ce processus est appelé chloration.

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Le trichlorosilane, résultat de la chloration, est ensuite traité par des techniques de distillation et de purification. Dans le processus de distillation, le trichlorosilane est chauffé pour se séparer en ses composants. Le trichlorosilane purifié est reconverti en silicium de très haute pureté par réaction avec de l'hydrogène gazeux (H2). Le résultat de ce processus est le polysilicium.

La production de polysilicium nécessite des mesures d'assurance qualité strictes pour garantir les niveaux de pureté élevés nécessaires pour obtenir des performances optimales des cellules solaires.

Le polysilicium est fondu dans un creuset ou un four dans des conditions contrôlées. Le polysilicium fondu est soigneusement maintenu à des températures élevées pour assurer l'uniformité et la cohérence.

Le polysilicium fondu est ensuite solidifié par un processus de croissance cristalline connu sous le nom de méthode Czochralski (CZ). Un germe cristallin, généralement constitué d'un monocristal de silicium de haute pureté, est plongé dans le polysilicium fondu et extrait lentement tout en tournant. Au fur et à mesure que le cristal germe est élevé, il forme une forme cylindrique et attire le polysilicium fondu. Cette masse liquide est refroidie dans le processus de solidification directionnelle jusqu'à ce qu'elle forme un lingot de silicium multicristallin à gros grains.

(Un processus moins courant est parfois utilisé, impliquant l'utilisation de composés de silicium gazeux pour déposer une fine couche d'atomes de silicium sur un modèle cristallin en forme de plaquette.)

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Les lingots de silicium sont ensuite tranchés mécaniquement en tranches fines et circulaires à l'aide de techniques de sciage de précision. Ces tranches ont généralement une épaisseur d'environ 200 à 300 micromètres et un diamètre de 150 à 200 millimètres. Les tranches plus grandes - avec des diamètres de 300 millimètres ou plus - sont encore plus efficaces.

Les tranches de tranches doivent subir plusieurs processus de traitement de surface pour éliminer les impuretés, la rugosité ou les défauts. Cela comprend la gravure chimique pour éliminer les dommages mécaniques à la surface de la plaquette, le polissage avec un abrasif à l'alumine dans une machine à roder pour améliorer le parallélisme de la surface et le nettoyage pour garantir que la surface de la plaquette est lisse, propre et optimisée pour un traitement ultérieur.

Les tranches nettoyées et inspectées sont ensuite dopées avec des matériaux spécifiques, tels que le phosphore ou le bore, pour créer différentes régions avec des propriétés électriques différentes.

Après dopage, les plaquettes passent par un processus de passivation pour améliorer leur efficacité et réduire la recombinaison de surface. La passivation consiste à déposer une fine couche de matériau isolant, tel que du nitrure de silicium ou du dioxyde de silicium, sur la surface de la tranche pour minimiser la recombinaison des électrons et des trous, améliorant ainsi les performances globales des cellules solaires.

Les tranches produites à partir des lingots de silicium servent de blocs de construction pour les cellules solaires individuelles. Ces tranches subissent une fabrication supplémentaire, y compris l'application de contacts, de revêtements antireflets et d'autres couches essentielles, l'encapsulation avec des encapsulants de verre et de polymère, et la stratification pour les transformer en cellules solaires entièrement fonctionnelles.

Le panneau fini a un cadre, un mastic de bord et une boîte de jonction. Des câbles électriques, qui transportent le courant d'un panneau à l'autre, sont également acheminés.

Ces cellules solaires interconnectées, encapsulées et assemblées forment des modules ou panneaux solaires complets, qui sont ensuite installés dans les maisons et autres bâtiments.