Le silicium, l'élément primordial à la conception du panneau photovoltaïque

Vous projetez de faire installer des panneaux solaires sur le toit de votre logement. Cependant, vous ne possédez que des connaissances basiques sur ces derniers. Dans cet article, vous allez pouvoir en savoir davantage sur le fonctionnement des panneaux solaires. Notamment sur le matériau principal qu’est le silicium photovoltaïque.

Penchons-nous ensemble sur ce matériau indispensable à la fabrication des panneaux photovoltaïques.

Le silicium photovoltaïque : qu’est-ce que c’est ? 

Le silicium photovoltaïque est un matériau que l’on peut retrouver dans le sable sur les plages, dans le quartz et d’autres minéraux, à noter qu’il n’est pas présent dans la nature à l’état “pur”. C’est ce matériau qui compose les cellules photovoltaïques qui, elles, composent les panneaux solaires que vous pouvez installer sur votre toiture.

Il se trouve que c’est le deuxième élément le plus présent sur notre planète, après l’oxygène. Nous pouvons le trouver sous une forme de composé tel que la silice, le dioxyde de silicium (SiO2) ou le silicate. Avant de pouvoir l’exploiter et l’utiliser, il convient alors de passer par une étape dite de “raffinage”.

La particularité du silicium est qu’il est semi-conducteur, ce qui veut dire qu’il peut absorber facilement la lumière provenant du soleil et permettre la production d’un champ et d’une tension électriques.

Comment fabrique-t-on un panneau solaire à partir de silicium ?

Afin d’obtenir du silicium photovoltaïque, il faut suivre un processus bien précis.

Premièrement, il faut réussir à obtenir un silicium catégorisé comme “métallurgique”. Il est d’abord important, et même primordial, de faire une “réduction” (terme chimique) avec un mélange comprenant des morceaux de silice (morceaux de quartz) et du bois. Ensuite, le mélange est chauffé à très haute température (environ 3 000 °C) avant d’être purifié à 99,999 %. C’est alors que l’on obtient du silicium photovoltaïque, sous la forme de cristaux.

Ensuite, ces cristaux sont chauffés à plus de 1 400°C, dans le but d’obtenir des lingots de silicium. Les lingots sont ensuite divisés en tranches, d’une épaisseur extrêmement fine (approximativement 200 microns), soit l’épaisseur du papier.

Ces “feuilles” de silicium se voient alors appliquer un anti-reflet, ce qui donne cette couleur bleue si particulière aux panneaux solaires. Cet anti-reflet permet également d’accroître la capacité d’absorption de lumière de la cellule de silicium. Les tranches de silicium sont ensuite chargées de phosphore ou de bore, c’est l’étape du “dopage”.

On obtient donc des cellules de silicium photovoltaïque qui produiront un courant électrique, après avoir été mises en contact avec la lumière du soleil. Pour qu’elles soient pleinement utilisables et exploitables, il est alors indispensable d’imprimer un circuit électrique à la surface de ces tranches de silicium pour que le courant récupéré puisse être transmis à votre système électrique et aux onduleurs photovoltaïques de votre installation.

Enfin, les cellules photovoltaïques doivent être connectées ensemble, assemblées et placées entre une couche de verre et une couche de polymère pour être encadrées. Elles vont alors former un des nombreux panneaux solaires qui composeront votre future installation.

Dans cette vidéo, vous trouverez tout le processus expliqué au-dessus pour fabriquer des panneaux à partir du silicium photovoltaïque. 

Que veut dire “doper” une cellule de silicium photovoltaïque ?

Au sein du processus, il y a une étape appelée “dopage” qui s’avère indispensable afin d’obtenir des cellules pour votre installation photovoltaïque.

Dans le secteur du photovoltaïque, le “dopage” consiste à modifier un matériau semi-conducteur, ici le silicium, dans le but d'obtenir un meilleur rendement pour l’installation photovoltaïque. Concrètement, cela veut dire qu’il faut inclure des éléments chimiques tiers dans le silicium “pur”.

Pour obtenir ce rendement, il faut injecter deux types de semi-conducteurs au sein de la cellule de silicium photovoltaïque : un premier semi-conducteur de type “N” (type négatif) et un second semi-conducteur de type “P” (type positif).

Une fois injectée, cette solution de dopage est chauffée entre 800 et 900 °C. Sous l’effet de la chaleur, la solution dopante accumule assez d’énergie pour pénétrer le matériau et se mélanger aux atomes de silicium.

Quels sont les types de cellules de silicium photovoltaïques présentes sur le marché ? 

Une fois que le silicium photovoltaïque est passé par l’étape de raffinage, il peut être utilisé afin de produire différents types de cellules qui équiperont les panneaux solaires. En effet, il peut être de nature amorphe, monocristallin ou encore polycristallin.

Les cellules de silicium amorphes

Les cellules de silicium dites “amorphes” sont celles qui composent les écrans de nos calculatrices. Elles fonctionnent avec un éclairement faible et ont le rendement photovoltaïque le plus faible de toutes les catégories de cellules de silicium, puisque celui-ci est inférieur à 10 %. 

Les cellules de silicium monocristallines

De leur côté, les cellules de silicium monocristallines sont les plus utilisées de nos jours pour les panneaux solaires composant les toitures ou les centrales solaires situées au sol. Ces cellules contiennent une couche de dioxyde de silicium situé au-dessus d’un monocristal de silicium.

C’est cette couche qui permet à cette cellule de silicium photovoltaïque de transformer les rayons du soleil en courant électrique. Le silicium monocristallin s’avère plus coûteux, mais le rendement photovoltaïque est plus élevé que l’amorphe ou le polycristallin (environ 15 %). 

Les cellules de silicium polycristallines

Enfin, les cellules de silicium polycristallines contiennent une multitude de couches de silicium, chacune d’entre elles possédant une couleur différente. Ces couches sont placées les unes sur les autres de façon à créer une grande quantité de points à la surface de la cellule photovoltaïque.

Par la suite, l’espacement et la taille de ces points déterminent la capacité de lumière que la cellule peut absorber et rediriger vers le système électrique de vos panneaux solaires. Les cellules de silicium polycristallines sont notamment plus abordables en termes de prix pour les fabricants. Il faut noter que leur rendement photovoltaïque est intermédiaire, car il se situe aux alentours des 10 %.

En définitive, il existe une multitude d’autres cellules de silicium photovoltaïque, mais celles-ci sont les trois principaux types que les fabricants peuvent trouver sur le marché et qui équipent la grande majorité des installations photovoltaïques aujourd’hui.

Mais, il existe aussi des matériaux présentent même un rendement quasi-équivalent, voire légèrement supérieur à celui du silicium photovoltaïque.

Quel avenir pour le silicium photovoltaïque ?

Depuis quelques années, de nombreux scientifiques issus de différentes universités font des recherches sur d’autres matériaux semi-conducteurs pouvant être utilisés sur des panneaux solaires, autre que le silicium photovoltaïque.

En effet, la grande majorité des recherches menées parlent de cellules photovoltaïques conçues à base de pérovskite, un matériau semi-conducteur qui s’avère plus durable que le silicium. D’après les chercheurs de l’université américaine de Princeton, les cellules de pérovskite auraient une durée d’utilisation de 30 ans, soit 10 ans de plus que le silicium, et nécessiteraient moins d’énergie pour être fabriquées.

Pour l’instant, l’objectif n’est pas de remplacer le silicium photovoltaïque, mais de le compléter avec un autre matériau, comme la pérovskite. Le but est de donner la possibilité à d’autres domaines d’utiliser et d’exploiter le potentiel de l’énergie solaire.

Le développement de nouvelles technologies combinées à l’utilisation du silicium pourrait ouvrir la porte à de nouveaux produits. Par exemple, il sera possible de rendre les panneaux solaires transparents afin de remplacer les vitres de nos fenêtres actuelles.

Voilà, vous en avez appris un peu plus sur ce matériau incontournable à la fabrication des panneaux qu’est le silicium photovoltaïque. N’hésitez pas à consulter nos autres guides dédiés à la fabrication et à l’utilisation des panneaux solaires.