Le soleil est l’étoile la plus proche de la Terre composé d’hydrogène et d’hélium, les conditions de température et de pression qui règne à l’intérieur de cet astre sont telles que les noyaux atomiques d’hydrogène fusionnent pour former des noyaux d’hélium en dégageant une quantité d’énergie colossale (la fusion) et mis en place en espace sous forme de radiations électromagnétiques sur la Terre. Il est composé d'infrarouges (46%), de la lumière visible (48%) et des ultraviolets (6%).


Cependant, la Terre n'est pas toute ensoleillée de la même façon. Voici une carte présentant l'ensoleillement des différentes zones de la Terre :


L'ensoleillement total de la Terre est de 1,6.1018 kWh ce qui correspond à 15 000 fois la consommation mondiale d'énergie.

Les panneaux solaires convertissent l'énergie lumineuse en énergie électrique. Les panneaux solaires sont composés de cellules photovoltaïques. Ces cellules sont constituées de matériaux semi-conducteurs qui peuvent libérer leurs électrons sous l'action d'une énergie (ici l'énergie lumineuse). La libération des électrons des matériaux constituants les cellules sous l'action des photons permet ainsi la production d'un courant électrique.

Les cellules amorphes : Le silicium n'est pas cristallisé, il est déposé sur une feuille de verre. La cellule est grise très foncé. On la retrouve généralement dans les calculatrices et les montres dites « solaires ».

• Avantages :
  - Fonctionne avec un éclairement faible (même par temps couvert ou à l'intérieur d'un bâtiment).
  - Moins chères que les autres.
• Inconvénients :
  - Rendement faible en plein soleil (environ 6%).
  - Performances qui diminuent sensiblement avec le temps.

Les cellules monocristallines : Lors du refroidissement le silicium fondu se solidifie en ne formant qu'un seul cristal de grande dimension. On découpe ensuite le cristal en fines tranches qui donneront les cellules. Ces cellules sont en général d'un bleu uniforme.


• Avantages :
  - Très bon rendement (17.2%).
• Inconvénients :
  - Coût élevé.
  - Rendement faible sous un faible éclairement.

Les cellules poly-cristallines : Pendant le refroidissement du silicium, il se forme plusieurs cristaux. Ce genre de cellule est également bleu, mais pas uniforme, on distingue des motifs créés par les différents cristaux. Ce sont les cellules les plus utilisées pour la production électrique (meilleur rapport qualité/prix).


• Avantages :
  - Bon rendement (13%), mais cependant moins bon que pour le monocristallin.
  - Moins cher que le monocristallin
• Inconvénients :
  -Les mêmes que le monocristallin.

Les panneaux solaires sont constitués de cellule photovoltaïque. Les cellules photovoltaïques sont des composant électrique qui, exposé à la lumière (photon), génère une tension électrique. Cet effet est appelé l'effet photovoltaïque.
Les cellules photovoltaïques sont constituées de semi-conducteur à base de silicium (Si), de sulfure de cadmium (CdS) ou de tellure de cadmium (CdTe). Elles se présentent sous la forme de deux fines plaques en contact étroit :
- La couche supérieure de la cellule est composée de silicium dopé par un élément qui possède plus d'électrons que le silicium. Cette couche possédera donc, en moyenne, une quantité d'électrons supérieure à une couche de silicium pur. Il s'agit d'un semi-conducteur de type N.
- La couche inférieure de la cellule est composée de silicium dopé par un élément qui possède moins d'électrons que le silicium. Cette couche possédera donc en moyenne une quantité d'électrons inférieure à une couche de silicium pur. Il s'agit d'un semi-conducteur de type P. Ce semi-conducteur est pris en sandwich entre deux électrodes métalliques et le tout est protégé par une vitre.

Pour qu’il ait conduction, on crée une jonction PN qui doit permettre le passage des électrons entre les deux plaques. Cependant, il faut qu'il y ait un apport d'énergie, sous forme d'un photon de lumière, pour qu'un électron de la couche N soit arraché et vienne se placer dans la couche P, créant ainsi une modification de la répartition de la charge globale dans l'édifice. Cette jonction PN va permettre la formation d’un courant électrique.

Pour la fabrication de cellules photovoltaïques au silicium cristallin, on utilise des cristaux de silicium (cf. photo & schéma 1) sous forme monocristalline ou polycristalline. Les processus de fabrication de ces cellules PV sont quasiment similaires. Cependant, les procédés d'obtention des matériaux de base (silicium monocristallin ou polycristallin) sont différents.

1. Obtention de la matière première :


Silicium monocristallin
La technologie monocristalline, plus chère, utilise des barres pures de silicium également employées dans la fabrication des puces électroniques. Le silicium monocristallin est une matière première d'une très grande pureté.
Il est généralement obtenu par tirage, selon le procédé "Czochralski" ou par fusion par zone. Une plaquette de silicium monocristallin est composée d'un seul grain.
On obtient des lingots cylindriques monocristallins par tirage en creuset.



• Procédé "Czochralski :
Le silicium est placé dans un creuset de quartz et maintenu liquide à l'aide d'éléments chauffants. Lorsque la surface est à la température limite de solidification, on y plonge un germe monocristallin. Le silicium se solidifie sur ce germe selon la même orientation cristallographique. On tire lentement le germe vers le haut, avec un mouvement de rotation, tout ne contrôlant minutieusement la température et la vitesse. La vitesse de tirage est de l'ordre de 4 cm/heure.

Schéma montrant la technique de Czochralski pour la fabrication de Si monocristallin

Silicium polycristalin :
Si on se contente de silicium poly-cristallin, une méthode possible consiste à utiliser un four semblable à celui ci-dessus, mais avec un creuset de forme parallélépipédique (souvent à base carrée). On refroidit le creuset par le bas, par exemple en le faisant descendre progressivement hors de l'élément chauffant, comme indiqué à la figure ci-dessous

Fabrication de lingots de Si polycristallin.


2. Le découpage des lingots :


Les lingots sont ensuite découpées en "tranches" de silicium appelées "wafer" au moyen d'outils spéciaux : une scie diamantée pour le silicium monocristallin, une scie à fil pour le silicium poly-cristallin.

Principe d’une scie à fils pour le découpage des substrats de silicium


3. Le dopage des tranches :


L'étape la plus importante de la fabrication, celle qui va transformer la "tranche" de silicium en photopile, est la réalisation de la jonction P-N (cf. Principe de fonctionnement d’un panneau solaire). On réalise une structure de diode en dopant le matériau en volume avec un élément tel que le bore qui le rend positif (zone "P") et en le contre dopant dans une zone superficielle avec du phosphore qui le rend négatif (zone "N").
La face qui sera exposée à la lumière est polie et dopée avec du phosphore (zone "N"). Dans la plupart des cas, le dopage est effectué à partir de phosphore par diffusion thermique avec une température aux alentours des 900°C. Pour cela, on utilise deux techniques pour le dopage de la face avant :
-le dépôt par centrifugation d'un film de silice polymérique contenant du phosphore et la diffusion par traitement thermique. Le film devra être ensuite enlevé.
-le dopage par voie chimique par barbotage d'un gaz neutre dans du chlorure de phosphoryle PhOCl3 dans un four haute température. C'est aujourd'hui la méthode la plus répandue.


Photo & Schéma – Dopage au phosphore


4. Le dépôt de la couche anti-reflet :


Afin de faciliter au maximum la pénétration des photons à travers la surface, ou plutôt de minimiser la réflexion des photons on dépose une couche anti-reflet sur la face avant des cellules photovoltaïques. Elle est traditionnellement réalisée en oxyde de titane et déposée sur une surface dépolie. Cependant, elle peut-être remplacé par un autre procédé consistant à remplacer l'oxyde de titane par du nitrure de silicium, produit à partir d'un mélange silane/ammoniac et déposé dans un réacteur plasma.


5. La pose des contacts métalliques :


Les contacts métalliques sont déposés de façon optimale pour ne pas trop réduire la surface de la cellule occultée, tout en permettant le transfert d'un maximum d'électrons.
Les contacts métalliques sont appliqués selon une technique de lithographie, avec une pâte métallique sur les faces avant et arrière.



Lithographie



6. L’optimisation des contacts :


Les plaquettes sont recuites pour renforcer les contacts et obtenir une résistance optimale.


7. Le contrôle des cellules PV :


Enfin, les cellules photovoltaïques sont contrôlées et triées suivant leurs caractéristiques.


8. L’enchaînement


Les cellules photovoltaïques sont ensuite connectées les unes aux autres pour former des chaînes, le nombre de cellules connectées en parallèle et en série définissant les caractéristiques du module photovoltaïque.



Enchaînement




9. L’encapsulation :


Les chaînes de cellules sont encapsulées dans un plastique E.V.A. (éthylène vinyle acétate) pour les protéger des agressions extérieures (rayons U.V., humidité) et les isoler électriquement.
L'ensemble est protégé sur la surface avant par un verre trempé à haute transmission et ayant une bonne résistance mécanique, et sur la face arrière par une feuille de Tedlar ou de polyéthylène. Les différents composants sont soudés à haute température en un laminé protégé de la majorité des agressions extérieures.



L’encapsulation des cellules en module




10. L’encadrement :


Le module est placé dans un cadre métallique rigide qui va lui donner une grande rigidité mécanique



Encadrement du module




11. Conclusion :

On peut résumer toutes les étapes précédentes dans le schéma suivant :


Schéma récapitulatif de la fabrication d’un panneau solaire.





Le Soleil, une immense centrale électromagnétique :


La production de cellules photovoltaïques demande beaucoup d'énergie et n'est donc pas totalement propre. Il faut environ cinq ans pour qu'une cellule photovoltaïque produise l'énergie qui a été nécessaire à sa fabrication.






La consommation d'énergie nécessaire pour la fabrication de systèmes photovoltaïques est comparable avec l'énergie consommée dans l'extraction, le transport et le raffinage des énergies fossiles, mais celles-ci vont ensuite produire des déchets et contribuer à la pollution.


Le Soleil, une immense centrale électromagnétique :


Avec plus de 50% de la production mondiale, le Japon est le plus gros producteur de cellules photovoltaïques. Nous pouvons remarquer que les trois plus gros pays producteurs de cellules photovoltaïques appartiennent au groupe de la Triade. De plus, nous pouvons constater une très forte croissance (+65%) de la production de cellules photovoltaïques dans le reste du monde.



Réf. Renewable Energy World - July 2005




Réf. Renewable Energy World - July 2005



Ces entreprises sont pour la majorité Allemande ou Japonaise car se sont dans ces pays que l'énergie photovoltaïque est la plus développée.