Production de cellules photovoltaïques pour panneaux solaires

La base de toute installation photovoltaïque est toujours un module photovoltaïque. Un module photovoltaïque est un ensemble de cellules photovoltaïques connectées électriquement entre elles. Le terme photovoltaïque se compose de deux mots «photo» (du grec. Lumière) et «volt» (Alessandro Volta - 1745-1827, physicien italien) - une unité de mesure de la tension en génie électrique. En analysant le terme photovoltaïque, nous pouvons dire — c'est transformer la lumière en électricité.

Une cellule photovoltaïque (cellule solaire) est utilisée pour produire de l'électricité en convertissant le rayonnement solaire. Une cellule photoélectrique peut être considérée comme une diode composée de semi-conducteurs de type n et de type p avec une région appauvrie en porteur formée, de sorte qu'une cellule photoélectrique non éclairée est comme une diode et peut être décrite comme une diode.

Pour les semi-conducteurs d'une largeur comprise entre 1 et 3 eV, le rendement théorique maximal peut être atteint à 30 %. La bande interdite est l'énergie photonique minimale qui peut élever un électron de la bande de valence à la bande de conduction. Les cellules solaires commerciales les plus courantes sont éléments en silex.

Monocristaux et polycristaux de silicium. Le silicium est aujourd'hui l'un des éléments les plus courants pour la production de modules photovoltaïques. Cependant, en raison de la faible absorption du rayonnement solaire, les cellules solaires en cristal de silicium ont généralement une largeur de 300 µm. L'efficacité de la photocellule monocristalline en silicium atteint 17%.

Si nous prenons une cellule photoélectrique en silicium polycristallin, son efficacité est inférieure de 5% à celle du silicium monocristallin. Le joint de grain d'un polycristal est le centre de recombinaison des porteurs de charge. La taille des cristaux de silicium polycristallin peut varier de quelques mm à un cm.

Arséniure de gallium (GaAs). Les cellules solaires à l'arséniure de gallium ont déjà démontré une efficacité de 25 % dans des conditions de laboratoire. L'arséniure de gallium, développé pour l'optoélectronique, est difficile à produire en grande quantité et assez coûteux pour les cellules solaires. Des cellules solaires à l'arséniure de gallium sont appliquées avec des concentrateurs solaires, ainsi que pour l'astronautique.

Technologie de cellule photoélectrique à couche mince. Le principal inconvénient des cellules au silicium est leur coût élevé. Des cellules à couches minces en silicium amorphe (a-Si), en tellurure de cadmium (CdTe) ou en diselinure de cuivre-indium (CuInSe2) sont disponibles. L'avantage des cellules solaires à couches minces est l'économie de matières premières et une production moins chère par rapport aux cellules solaires au silicium. Par conséquent, nous pouvons dire que les produits à couches minces ont des perspectives d'utilisation dans les cellules photoélectriques.

L'inconvénient est que certains matériaux sont assez toxiques, de sorte que la sécurité et le recyclage des produits jouent un rôle important. De plus, le tellurure est une ressource qui s'épuise par rapport au silicium.L'efficacité des photocellules à couche mince atteint 11% (CuInSe2).

Au début des années 1960, les cellules solaires coûtaient environ 1 000 $/W en puissance de pointe et étaient principalement fabriquées dans l'espace. Dans les années 1970, la production de masse des photocellules a commencé et leur prix est tombé à 100 $/W. De nouveaux progrès et une baisse du prix des photocellules ont permis d'utiliser les photocellules pour les besoins des ménages, en particulier pour une partie de la population vivant loin des lignes électriques et alimentations standards, les modules photovoltaïques sont devenus une bonne alternative.

La photo montre la première cellule solaire à base de silicium. Il a été créé par des scientifiques et des ingénieurs de la société américaine Bell Laboratories en 1956. Une cellule solaire est une combinaison de modules photovoltaïques connectés électriquement les uns aux autres. La combinaison est choisie en fonction des paramètres électriques requis tels que le courant et la tension. Une cellule d'une telle batterie solaire, produisant moins de 1 watt d'électricité, coûte 250 $. L'électricité produite était 100 fois plus chère que celle du réseau conventionnel.

Depuis près de 20 ans, les panneaux solaires n'ont été utilisés que pour l'espace. En 1977, le coût de l'électricité a été réduit à 76 $ par cellule de watt. L'efficacité a progressivement augmenté : 15 % au milieu des années 1990 et 20 % en 2000. Les données actuelles les plus pertinentes sur ce sujet —Efficacité des cellules et modules solaires

La production de cellules solaires au silicium peut être grossièrement divisée en trois étapes principales :

• production de silicium de haute pureté ;

• fabrication de fines rondelles en silicone;

• installation de la photocellule.

La principale matière première pour la production de silicium de haute pureté est le sable de quartz (SiO2)2). La fonte est obtenue par électrolyse silicium métallurgiquequi a une pureté allant jusqu'à 98%. Le processus de récupération du silicium a lieu lorsque le sable interagit avec le carbone à une température élevée de 1 800 °C :

Ce degré de pureté n'est pas suffisant pour la production d'une cellule photoélectrique, il doit donc être traité ultérieurement. La purification supplémentaire du silicium pour l'industrie des semi-conducteurs est réalisée pratiquement partout dans le monde à l'aide de la technologie développée par Siemens.

«Processus Siemens» est la purification du silicium par la réaction du silicium métallurgique avec l'acide chlorhydrique, aboutissant au trichlorosilane (SiHCl3) :

Le trichlorosilane (SiHCl3) est en phase liquide, il est donc facilement séparé de l'hydrogène. De plus, la distillation répétée du trichlorosilane augmente sa pureté à 10-10 %.

Le processus ultérieur - la pyrolyse du trichlorosilane purifié - est utilisé pour produire du silicium polycristallin de haute pureté. Le silicium polycristallin ainsi obtenu ne remplit pas totalement les conditions d'utilisation dans l'industrie des semi-conducteurs, mais pour l'industrie solaire photovoltaïque, la qualité du matériau est suffisante.

Le silicium polycristallin est une matière première pour la production de silicium monocristallin. Deux méthodes sont utilisées pour la production de silicium monocristallin - la méthode Czochralski et la méthode de fusion de zone.

La méthode de Czochralski est à la fois gourmand en énergie et en matériaux. Une quantité relativement faible de silicium polycristallin est chargée dans le creuset et fondue sous vide.Une petite graine de monosilicium tombe à la surface de la masse fondue puis, en se tordant, monte, entraînant le lingot cylindrique derrière elle, en raison de la force de tension superficielle.

Actuellement, les diamètres des lingots étirés vont jusqu'à 300 mm. La longueur des lingots d'un diamètre de 100 à 150 mm atteint 75 à 100 cm La structure cristalline du lingot allongé répète la structure monocristalline de la graine. L'augmentation du diamètre et de la longueur d'un lingot, ainsi que l'amélioration de la technologie de sa coupe, réduiront la quantité de déchets, réduisant ainsi le coût des photocellules résultantes.

Technologie de ceinture. Le processus technologique développé par Mobil Solar Energy Corporation est basé sur l'extraction de bandes de silicium de la masse fondue et la formation de cellules solaires sur celles-ci. La matrice est partiellement immergée dans le bain de silicium et, par effet capillaire, le silicium polycristallin monte, formant un ruban.Le bain cristallise et est retiré de la matrice. Afin d'augmenter la productivité, l'équipement est conçu sur lequel il est possible de recevoir jusqu'à neuf courroies en même temps. Le résultat est un prisme à neuf côtés.

L'avantage des courroies est qu'elles sont peu coûteuses car le processus de découpe du lingot est exclu. De plus, des cellules photovoltaïques rectangulaires peuvent être facilement obtenues, alors que la forme ronde des plaques monocristallines ne contribue pas au bon placement de la cellule photovoltaïque dans le module photovoltaïque.

Les barreaux de silicium polycristallin ou monocristallin obtenus doivent ensuite être découpés en fines tranches de 0,2-0,4 mm d'épaisseur. Lors de la découpe d'un barreau de silicium monocristallin, environ 50% du matériau est perdu par pertes.De plus, les rondelles rondes ne sont pas toujours, mais souvent, coupées pour donner une forme carrée.