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

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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 maintenant plus de la moitié de la nouvelle capacité de production aux États-Unis.

Dans ce contexte, il est pertinent de se familiariser avec les panneaux solaires. 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. Mais elle n’est pas infinie. 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 de 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 dans nos fenêtres et les écrans de nos smartphones et l’une des matières premières des puces de silicium dans les téléphones, les 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 haute température 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 du flux de 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 fera l’affaire. Le sable utilisé doit avoir une teneur élevée 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 comme 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 à la production de silicium polycristallin, 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, tels que le charbon ou le coke de pétrole. Après cela, le mélange est exposé à un flux 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 avec 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 en réagissant avec de l’hydrogène gazeux (H2). Le résultat de ce processus est le polysilicium.

La production de silicium polycristallin nécessite des mesures strictes d’assurance qualité 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 silicium polycristallin fondu est soigneusement maintenu à des températures élevées pour assurer l’uniformité et la cohérence.

Le silicium fondu est ensuite solidifié par un processus de croissance cristalline connu sous le nom de méthode Czochralski (CZ). Un cristal graine, généralement constitué d’un seul cristal de silicium de haute pureté, est plongé dans le polysilicium fondu et lentement retiré pendant la rotation. Lorsque le cristal de graine est soulevé, 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 grain.

(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 découpés mécaniquement en fines plaquettes circulaires à l’aide de techniques de sciage de précision. Ces plaquettes ont généralement une épaisseur d’environ 200 à 300 micromètres et un diamètre de 150 à 200 millimètres. Les plaquettes plus grandes - avec des diamètres de 300 millimètres ou plus - sont encore plus efficaces.

Les plaquettes tranchées 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 de l’abrasif d’alumine dans une machine à roder pour améliorer le parallélisme de la surface et le nettoyage pour s’assurer que la surface de la plaquette est lisse, propre et optimisée pour un traitement ultérieur.

Les plaquettes 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 le 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 le nitrure de silicium ou le dioxyde de silicium, sur la surface de la plaquette afin de minimiser la recombinaison d’électrons et de trous, améliorant ainsi les performances globales des cellules solaires.

Les plaquettes produites à partir des lingots de silicium servent de blocs de construction pour les cellules solaires individuelles. Ces plaquettes subissent une fabrication ultérieure, y compris l’application de contacts, de revêtements antireflet et d’autres couches essentielles, l’encapsulation avec des encapsulants en verre et en polymère, et le laminage pour les transformer en cellules solaires entièrement fonctionnelles.

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

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