Le silicium amorphe porte ce nom car il ne se présente pas sous forme de cristaux. C’est un élément apparu en 1976 qui permet de diversifier les techniques de production des cellules PV, voyons de quelle manière.

      Tout d’abord la production de cellules PV en couches minces nécessite moins d’énergie et moins de matière première que la production de cellules au silicium cristallin. Ses capacités d’absorption de la lumière sont plus importantes mais en revanche son rendement de conversion, proportionnel à la mobilité des charges électriques, est moins bon. Cette technologie comportait plusieurs défauts qui ont disparus pour une grande part grâce à des améliorations effectuées à partir de travaux en laboratoire. Le rendement était assez faible puisqu’il tournait autour de 5%, et la durée de vie limitée à quelques centaines d’heures. Les scientifiques ont découvert qu’en empilant les couches de silicium et en insérant entre elles une feuille de verre, le module gagnait en stabilité et en rendement, qui peut atteindre désormais jusqu’à 11%.

      Le principe consiste à fabriquer la cellule à même le support. Celui-ci doit être rigide, on emploie donc souvent du verre. Les dimensions du support déterminent ses caractéristiques électriques telles que la tension ou la puissance. Sur ce substrat est déposée une pellicule d’oxyde d’étain qui rempli une fonction d’électrode. Par-dessus est déposé un film de silicium amorphe par projection d’un gaz nommé silane sur le support. L’opération est réalisée dans un four chauffé à vide, ce qui permet de libérer le silicium qui vient se déposer sur le support. La même opération combien dépôt du silicium et adjonction des dopants (voir article sur la fabrication des cellules à base de silicium cristallin). La pellicule recouvrant le support est découpée au laser ce qui confère au module cette forme quadrillée. La phase ultime consiste à encapsuler les modules sous une couche de film plastique puis de verre et de vérifier son bon fonctionnement par des tests.

      Quels sont les avancées technologiques en cours ?

        Schématiquement, le mécanisme est le suivant : lorsque les photons ou particules de lumière entrent en contact avec les électrons du silicium, un élément semi-conducteur traité spécifiquement pour canaliser l’énergie, ils génèrent une tension électrique. Cette tension est mesurée en volts, d’où le terme « photovoltaïque ». 

      Chaque panneau solaire est composé d’un assemblage de plaques ou « capteurs », de cet élément mentionné plus haut, le silicium. Cet élément chimique existe sous forme cristalline et sous forme amorphe, ce qui détermine les deux filières de production des modules photovoltaïques. Le silicium est un composant rare et donc cher, ce qui ne manque pas de se répercuter sur le prix final de l’équipement.

Le processus de fabrication des cellules au silicium cristallin ou cellules PV :

      Tout d’abord, il faut obtenir la matière première: le silicium existe sous forme mono ou poly cristalline. On fabrique le silicium monocristallin à partir de colonnes pures de silicium, tandis que le silicium polycristallin est crée à partir de la fonte de copeaux de silicium monocristallin. Ces copeaux s’obtiennent par équarrissage ou opération de taille des lingots cylindriques monocristallins. Au final, cette matière première doit avoir la forme de briques de 101,5 x 101,5 mm ou 120 x 120 mm.

 Lingots de silicium monocristallin posés sur des lingots de silicium polycristallin

      Le rendement du silicium polycristallin est un peu inférieur car il est moins pur, mais en contrepartie il coûte moins cher.

            Ensuite, les lingots sont découpés en tranches appelées ‘wafers’. Jusqu’à présent, le silicium n’est toujours pas apte à emmagasiner et canaliser l’énergie solaire. C’est grâce à la phase du dopage que le silicium acquiert les caractéristiques d’une photopile. Un élément tel que le bore est employé pour rendre la tranche positive en volume tandis que du phosphore est utilisé pour rendre les surfaces, ou parties exposées à la lumière, négatives : la tranche fonctionne comme une diode et oriente la circulation des électrons. Afin de limiter la réflexion de la lumière, on finalise l’opération en apposant un antireflet, en oxyde de titane par exemple, sur la face avant des cellules PV. 

      L’étape suivante consiste à assembler les tranches grâce à une structure métallique pour former les cellules PV, qui elles même sont connectées les unes aux autres pour former des chaînes. Les caractéristiques du module dépendent du nombre de cellules connectées en parallèle et en série. 

      C’est presque fini ! Les chaînes sont encapsulées sous du plastique hautement résistant pour les isoler et les protéger des agressions extérieures, puis recouverte d’une couche de verre. Pour finaliser le travail, on les encadre pour leur conférer une rigidité mécanique et les modules subissent plusieurs tests avant d’être mis sur le marché.   

Modèles de modules encadrés

Crédit photos: Documents SIEMENS et PHOTOWATT

    A suivre…