Sommaire Introduction I) D’un atome, le silicium à la cellule photovoltaïque a) Le silicium: un élément chimique b) le processus de transformation c) Les deux cellules II) Le fonctionnement du panneau solaire a) Le dopage des cellules b) L’installation des panneaux photovoltaïque C) Le stockage de l’énergie III) L’utilisation de l’énergie photovoltaïque A) Dans les moyens de transport B) Dans les infrastructures C) Dans le futur

D’un atome, le silicium à la cellule photovoltaïque La cellule photovoltaïque à été mise au point en 1954. Elle résulte de l’assemblage de plusieurs éléments chimiques qui, avec le rayonnement du Soleil, permettent une réaction qui produit de l’énergie. La cellule photovoltaïque peut donc constituer une ressource énergétique. À partir des années 60, les panneaux photovoltaïques apparaissent. Aujourd’hui leur utilisation est en pleine essor. Dans cette partie notre étude portera dans un premier temps sur le principal élément chimique qui est l’acteur du phénomène: le silicium. Dans un second temps nous verrons le procédé de transformation de l’état du silicium à l’état d’une cellule. Notre troisième sous partie consistera à présenter deux formes de cellules possibles.

A) L’élément chimique: le silicium 1) Fiche d’identité Informations générales Nom: Silicium, Si, 14 Série chimique: métalloïde Couleur: Gris foncé Etat naturel: Solide diamagnétique Propriétés chimiques et physiques Masse molaire: 28,00g.mol-1 Masse atomique: 3,0×10-4u Structure cristalline: Diamant Point de fusion: 1 414°C Point d’ébullition: 3625°C Masse volumique: 2,329 g/cm 3 Autres caractéristiques Tableau de Mendeleïev: IV colonne Famille: Cristallogène Électrons de valence : 4 Structure cristallisée: Particularité: Semi-conducteur Autres: Le silicium est entouré de l’aluminium et du phosphore dans la classification périodique. C’est L’association de ces trois éléments chimiques qui permet l’effet photovoltaïque.

B) Le processus de transformation 1) L’extraction de silicium La silice, appelé aussi dioxyde de silicium, de formule chimique SiO2, est l’élément le plus répandu dans la croûte terrestre après l’oxygène. La silice est présente sous différentes de minéraux dur. Nous la trouvons en grande quantité dans : Les roches sédimentaires détritiques ( formé de débris; qui provient du remaniement d'une roche préexistante ) comme le sable ou le grès. Les roches métamorphiques, (schistes, gneiss, quartzites) , roches qui sont formées à partir de le recristallisation de roches sédimentaires ou de roches magmatiques sous l’action de la température et de la pression qui augmentent avec la profondeur dans la croûte terrestre ou au contact d’autres roches. Les roches magmatiques . L’extraction de la silice s’effectue dans des carrières de silice. En 2010, la production annuelle de silice en France s ’élevait à environ 8 millions de tonnes. Le silicium est extrait de la silice grâce à une réaction chimique de carboréduction La réduction de la silice par le carbone est un procédé mis en œuvre dans les fours électriques de l’industrie sidérurgique. La température requise pour la réduction de l’oxyde de silicium nécessite un apport de chaleur réalisé par un arc électrique à l’extrémité d’électrodes en graphite. Dans le four à arc, des réactions chimiques ont lieu à chaque palier franchit par la température.

Four de production de silicium métallurgique Au delà du four Formation de fumée de silice : 2SiO(g)+O22SiO2(g) T entre 300 et 1000°C Une décomposition du SiO 2SiO(g)  Si(s)+SiO2(s) T=2000°C Formation de Si et de SiO 1.5 SiO2(l,s)+SiC(s) 0.5Si(l)+2SiO(g)+CO(g) Formation de SiC: SiO(g)+2C(s) SiC(s)+CO(g) T=1800°C

La formation du silicium passe par la formation d’un composé gazeux : SiO. Il est indispensable d’avoir une charge poreuse pour que les gaz puissent circuler et réagir. Après avoir coulé le silicium dans une poche, un affinage à l’air est réalisé pour éliminer des impuretés courantes telles que l’aluminium et la calcium. Ces impuretés forment un laitier contenant de l’alumine, de la chaux et de la silice. Ce dernier surnage par conséquent il est facile à éliminer. Les impuretés proviennent des électrodes en graphite, notamment, et des matières premières. En effet, pour produire, par exemple une tonne de silicium métallurgique il faut : 2500 kg de quartz 800 kg de charbon de bois 200 kg de coke de pétrole 1200 kg de bois 90 kg d’électrodes en graphite 11 000 kWh Il faut donc diminuer les quantités de bore et de phosphore en trouvant des matières premières pauvres en bore et phosphore. Les géochimistes utilisent alors le noir de carbone en y ajoutant un saccharose. Donc après cette transformation, le silicium est sous forme liquide et sa pureté est de 98%. Il faut donc encore purifier le silicium pour avoir un matériau adéquate pour les applications photovoltaïques. Nous en déduisons qu’il faut faire une deuxième purification.

2)Purification du silicium Plusieurs techniques ont été mises en place depuis les années 70-80 pour purifier le silicium métallurgique. Procédé par voie gazeuse : Cette méthode , consiste à réaliser une purification chimique en partant de silicium métallurgique. Pour cela, il faut faire une distillation à base d’un liquide à température ambiante qui contient du silicium. Il s’agit du trichlorosilane, SiHCl3. Le silicium réagit avec du chlorure d’hydrogène, HCl et réagit de la manière suivante : Si (s) + 3HCl(g) SiHCl3(g) + H2 & Si(s)+4HCl(g) SiCl4(g)+2H2(g) 300°C 300°C

2) La distillation du silicium La réaction avec le chlore permet une première purification. En effet, les précipités chlorés de métaux ne se mélangent pas au trichlorosilane. Nous devons alors réaliser une série de distillations qui conduit à une purification extrême. Traitement des déchets SiHCl3 SiCl4 HCl H2 Réacteur Si Condensation Distillation SiHCL3 SiCl4 H2 Impuretés SiCl4 Impuretés SiCL SiHCL3 Réacteur pulvérisé MGS H2 Recyclage MGS HCl H2 HCl H2 Cycle de distillation du composé de silicium chloré

Le trichlorosilane purifié est ensuite réduit pour redonner du silicium dans un réacteur. Il vient alors la réaction chimique suivante: SiHCl3(g)+H2(g) 1100°C Si(s)+3HCl 4SiHCl3(g) 1100°C Si(s)+3SiHCl3+2H2 À partir d’un germe, on déposer le silicium dans de logs tubes. Les lingots obtenus ont une structure polycristalline.

 Traitement avec des acides Il existe d’autres méthodes de purification que nous allons vous présenter brièvement.  L’utilisation de matières premières très pures La sélection des matières premières fut la première voie pour obtenir un silicium de qualité solaire. Il faut introduire dans le four à arc du noir de carbone avec du quartz ultra pur. Cette méthode permet d’obtenir du silicium à 99.99%. Cependant, le silicium métallurgique est aussi produit par carboréduction, par conséquent sa concentration en carbone est toujours de l’ordre de quelques centaines de ρg/g. Le silicium métallurgique est ensuite purifié, le carbone est précipité en SiC et séparé au cours de solidifications successives.  Purification par produit laitier Les laitiers utilisés pour l’affinage du silicium métallurgique sont composés de silice et de l’oxyde de calcium. Il peut-être alors utiliser pour extraire le bore et le phosphore du silicium qui est sous forme liquide. Ce traitement a permis d’obtenir des cellules solaires avec un rendement de conversion de 15%.  Vapeur d’eau dans un four solaire La purification de silicium a aussi été étudiée dans un petit four solaire. Pour purifier le silicium en phosphore, il faut d’une par mettre en place un flux d’argon à faible pression. Tandis qu’un flux de vapeur d’eau réalisera l’évaporation du bore. Le four doit atteindre des températures qui sont comprises entre 1550°C et 1700°C  Traitement avec des acides Le traitement opéré est une attaque acide. L’attaque élimine l’Al, Ca, Fe, Ti. Toutefois, elle n’élimine pas efficacement le bore, le carbone et le phosphore. Il faut donc ajouter de la chaux au silicium broyé avant l’attaque puis la retiré. Puis, un broyage du silicium inférieur à 40 micromètre est nécessaire. Les acides utlisés sont H2SO4, HNO3, HF et HCl.

Une fois le silicium solidifié, on réalise une cristallisation. Maintenant, le silicium purifié est donc sous forme liquide. Il faut donc le solidifier. Nous allons deux méthodes possibles de solidification du silicium métallurgique. Une solidification dite non contrôlée dans une lingotière en cuivre ce qui permet de produire une « charge ». Le silicium purifié est versé dans un creuset cristallisation anisotrope. Pour permettre l’extraction de chaleur par des radiations infrarouges, les parois latérales sont opaques tandis que le fons est transparent. Une fois le silicium solidifié, on réalise une cristallisation.

3)Cristallisation du silicium L’élaboration du silicium multi-cristallin est une deuxième méthode. Il s’effectue dans un creuset en silice graphite. Il est placé dans un four de fusion, puis il est porté à 1430°C . La solidification se réalise en enlevant progressivement le calorifuge placé sous le creuset, et dans le même temps en chauffant le silicium liquide à la surface. Il faut contrôler la température pour réussir à obtenir une structure colonnaire multi-cristalline à gros grains. Un cycle de cristallisation dure environ 60 heures. Les fabricants de plaquettes de silicium se sont lancés dans une course à l’augmentation de la section de base du creuset. À l’échelle industrielle, les creusets ont une capacité de contenance allant de 300 à 450kg de silicium. Le lingot obtenu est découpé en briques puis en plaquettes grâce à une scie à fils. Les fils découpent la plaquette de silicium d’une épaisseur inférieure à 300 microns. Les plaquettes sont maintenant prêtes à suivre les étapes de réalisations de cellules photovoltaïques.

Schéma de la cristallisation d’un silicium multicristallin Procédé de cristallisation de silicium polycristallin Lingots de silicium polycristallin Cellule de silicium polycristallin

Le procédé Czochralski Le silicium est placé dans un creuset de quartz, dadns lequel il est maintenu sous forme liquide à l’aide d’élement chauffants. Quand la surface atteint la température limite de solidification, il faut plonger un germe monocristallin. Sur ce même germe le silicium se solidifie pour prendre la même orientation cristallographique. Puis, il faut tirer lentement le germe vers le haut, tout en exécutant un mouvement de rotation et en contrôlant la température ainsi que la vitesse. Cette dernière est de l’ordre de 4cm/heure.

Procédé de Czochralski Lingot de silicium Czochralski Plaquette de silicium monocristallin

C) Le silicium monocristallin et le silicium polycristallin Nous sommes donc arrivés à l’élaboration de deux cellules possibles. Les cellules à silicium monocristallin et les cellules à silicium polycristallin. Nous allons donc voir les caractéristiques de ces deux cellules avant de continuer la réalisation de la cellule photovoltaïque finale.

1) La cellule en silicium monocristallin Les caractéristiques d’une cellule en silicium monocristallin Rendement entre 12% et 16% Coût de production élevé Couleur: bleu uniforme 150Wc/m2 Cellule composé d’un seul cristal pur

2) La cellule en silicium polycristallin La cellule polycristallin Les caractéristiques d’une cellule en silicium polycristallin Rendement entre 11% et 13% Faible coût de production Teintes bleutées mais non uniforme 100Wc/m2 Un bloc de silicium cristallisé mélangé à plusieurs cristaux