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Une petite video de synthèse :

Pour la fabrication de ce type de cellules photovoltaïques, on utilise des cristaux de silicium sous forme monocristalline ou polycristalline. Les processus de fabrication de ces cellules PV sont similaires. Cependant, les procédés d’obtention des matériaux de base (silicium monocristallin ou polycristallin) sont différents.

Cristaux de silicium

L’obtention de la matière première

Silicium monocristallin

Principe de Tirage du Silicium

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.

Pour optimiser l’intégration des cellules dans les modules PV, les bords des lingots sont coupés à la scie : on appelle cette opération l’équarrissage.

Silicium polycristallin

Le silicium polycristallin, quant à lui, est obtenu par refonte des chutes de silicium monocristallin issues des opérations d’équarissage. Son taux de rendement est légèrement inférieur mais il est beaucoup moins cher à l’achat.
Les chutes sont placées dans un creuset porté à + 1 430 °C. Après la phase de fusion, le fond du creuset est refroidi. On oriente de bas en haut la solidification, pour lui donner une structure colonnaire multicristalline à gros grains. Le lingot obtenu est ensuite découpé, en briques de 101,5 x 101,5 mm ou 120 x 120 mm actuellement.
Ces briques sont ensuite assemblées pour être transformées.

Le découpage des lingots

Lingots de Silicium

Les lingots sont découpés en « tranches » de silicium appelées « wafer » au moyen d’outils spéciaux : une scie diamentée pour le silicium monocristallin, une scie à fil pour le silicium polycristallin.

Dans la scie à fil, les fils organisés en nappes servent de véhicule à un mélange abrasif déposé en continu. Ils rôdent et découpent les lingots de silicium en « tranches » fines de 0,2 mm d’épaisseur (95).
Cette technologie est délicate car elle requiert la maîtrise de plusieurs paramètres : diamètre et tension du fil, vitesse de découpe, composition du mélange abrasif, épaisseur des « wafers ».

Pour les cellules polycristallines, un décapage à la soude permet, en modifiant la texture, d’augmenter la surface de capture de la lumière.

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. 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. La température de dopage type est comprise entre + 800 et + 900 °C. Les deux techniques utilisées pour le dopage de la face avant sont :
-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 dans un four haute température. C’est aujourd’hui la méthode la plus répandue.

Le dépôt de la couche anti-reflets

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 PV. Elle est traditionnellement réalisée en oxyde de titane et déposée sur une surface dépolie.

Un autre procédé consiste 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.

La pose des contacts métalliques

Zoom sur une cellule photovoltaïque

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. Ils sont ensuite appliqués selon une technique de lithographie, avec une pâte métallique sur les faces avant et arrière.

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

Le contrôle des cellules

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

L’enchaînement

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

L’encapsulation

Les chaînes de cellules sont encapsulées dans un plastique 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.

Enfin après plusieurs vérifications le module peut être mis sur le marché.