Énergie solaire photovoltaïque
Semaine 13 : Fabrication des cellules et modules photovoltaïques
Guidance

Les blocs de silicium mono ou poly-cristallin doivent être découpés en tranches de 200 à 500 microns d'épaisseur.
Si le bloc a été réalisé par la méthode de Czochralski, on obtient ainsi des disques. Ceux qui sont destinés à la fabrication de cellules solaires (pas les meilleurs !) sont souvent découp´s pour obtenir une forme plus carrée (mais avec des angles arrondis, résultat d'un compromis entre le désir de ne pas avoir trop de chutes et celui de pouvoir disposer les cellules côte à côte sans perdre de place). On peut aussi fabriquer des cellules rondes, quitte à les découper après fabrication !
Au contraire, les lingots polycristallins sont d'abord découpés en blocs parallélipipédiques, puis en substrats parfaitement rectangulaires.

On peut diminuer le coût des cellules en utilisant des substrats plus minces, mais ils sont dans ce cas plus fragiles. De plus, le nombre de cellules produites n'est pas inversement proportionnel à l'épaisseur des tranches parce qu'il faut tenir compte de l'épaisseur du trait de scie.

La technique de découpe traditionnelle utilisait une scie annulaire diamantée (voir figure ci-dessous).

Actuellement, on utilise une "scie à fils". Le fil est un fil d'acier d'environ 180 microns de diamètre et 150 km de longueur. Il progresse à une vitesse de 10 cm/s et est enroulé de façon à pouvoir découper jusqu'à 400 substrats en même temps.

La découpe se fait grâce à la pulvérisation d'un lubrifiant chargé de grains durs de SiC de 10 à 20 microns. La perte de matière est importante, car le "trait de scie" a une largeur d'environ 200 microns. Le gain obtenu en réduisant l'épaisseur des substrats est donc limité.

Il existe aussi plusieurs solutions alternatives qui évitent le sciage de blocs.

Solution alternative par tirage de rubans

On peut aussi tirer des rubans de silicium de la dimension voulue directement au départ de la phase liquide. On économise ainsi de la matière et l'opération de découpe. Par contre, la purification est moins poussée et la cristallisation moins bonne, ainsi que l'uniformité et l'état de surface. Ce procédé est donc peu utilis´. Il existe plusieurs méthodes. La figure ci-dessous illustre l'une d'elles.

Solutions alternatives par dépôt de couche mince

On peut encore réduire le nombre d'étapes de la fabrication en cristallisant directement une mince couche de silicium sur un support. Pour obtenir du silicium cristallin, il faut que ce support soit porté à température élevée ( > 800°C ), ce qui conduit à utiliser comme support des céramiques, des substrats de silicium bon marché, des alliages de silicium... Ce support peut être couvert d'une couche destinée à réduire la diffusion des impuretés du support et à réfléchir la partie de la lumière qui traversera la cellule sans être absorbée, ce qui lui donnera une seconde chance.
On doit obtenir une couche de silicium polycristallin d'au moins 20 microns d'épaisseur parce que le silicium cristallin est relativement transparent et que des cellules plus minces n'absorberaient pas suffisamment la lumière malgré la couche réfléchissante citée ci-dessus.

Le dépôt de silicium peut s'effectuer soit à partir d'un gaz, soit à partir d'un liquide.

Dépôt en phase gazeuse

Le dépôt s'effectue à partir de mono ou de dichlorosilane, ou même de silane, pour pouvoir déposer le silicium à température moins élevée. Le dopage s'effectue directement au niveau du gaz, en y ajoutant de la phosphine ( PH₃ ) pour un dopage de type n ou du diborane ( B₂H₆ ) pour un dopage de type p.

Dépôt en phase liquide

Le dépôt peut aussi s'effectuer à partir d'une solution sursaturée de silicium dans un métal (Cu) ou un alliage (Cu/Al) fondu. Une modification de température provoque le dépôt du silicium.

Dernière mise à jour le 11-05-2005