La fabrication de produits solaires photovoltaïques

L’industrie de la fabrication de systèmes solaires photovoltaïques joue un rôle essentiel dans la lutte contre le changement climatique. La production de produits et de matériaux solaires est nécessaire à l’adoption généralisée des énergies renouvelables. Malgré l’existence de systèmes solaires thermiques à concentration, les systèmes photovoltaïques (PV) sont le type de production d’énergie solaire le plus courant en France. Il s’agit d’une gamme variée de matériaux, y compris les panneaux solaires, les supports et le câblage, les dispositifs de surveillance du système et l’électronique de puissance, etc. Le succès de l’industrie solaire repose sur la capacité des fabricants à produire des produits de haute qualité et efficaces qui répondent aux exigences croissantes des consommateurs et des décideurs politiques.

La fabrication de modules photovoltaïque à couche mince

Les modules photovoltaïques à couches minces sont fabriqués à partir de différents matériaux qui absorbent la lumière, parmi lesquels le tellurure de cadmium est le plus utilisé. La fabrication de ces modules est entièrement réalisée dans une seule installation, où toutes les étapes nécessaires sont effectuées de manière consécutive. La procédure commence par l’application d’une couche de matériau conducteur transparent sur le verre flotté. Ensuite, le matériau absorbant pour les cellules solaires photovoltaïques est déposé sur le verre par sublimation à faible espacement. Le processus de gravure au laser consiste à créer des motifs sur les bandes de cellules afin de les relier aux cellules adjacentes. Ensuite, des rubans de cuivre sont ajoutés et une deuxième feuille de verre ainsi qu’une feuille d’encapsulant sont appliquées pour rendre la structure étanche. La structure est ensuite laminée et une boîte de jonction est installée à l’arrière du module. Les câbles électriques du module sont connectés aux rubans de cuivre, qui traversent les trous de la vitre du fond et pénètrent dans la boîte de jonction.

La fabrication de modules photovoltaïques

Le photovoltaïque au silicium

Le silicium cristallin est le matériau absorbant le plus couramment utilisé dans les modules photovoltaïques commerciaux. Le processus de fabrication de ces modules comprend différentes étapes réalisées individuellement.

Le polysilicium

Le polysilicium est une forme de silicium pure et cristalline, avec une texture fine. Selon le procédé de fabrication, cette forme de silicium est généralement produite sous forme de billes ou de bâtonnets. Le processus de fabrication du polysilicium repose sur des gaz réactifs synthétisés à partir de silicium de qualité métallurgique, d’hydrogène et de chlore, qui sont principalement produits à partir de sable de quartz. Dans ce procédé, un mélange gazeux de silicium, d’hydrogène et de chlore est chauffé et passé au-dessus d’un filament de silicium. Ainsi, les atomes de silicium présents dans le gaz se séparent et se déposent sur le filament, formant finalement un bâton de polysilicium en forme de U.

Les gaz de chlore et d’hydrogène sont ensuite éliminés et le polysilicium se dépose sur le filament. Les gaz de chlore et d’hydrogène sont ensuite recyclés. Pour éviter la contamination du polysilicium de haute pureté, le filament est également constitué de silicium pur. Par ailleurs, de petites billes de silicium sont placées au fond d’un récipient en forme de cône renversé. Ensuite, un gaz contenant un composé d’hydrogène et de silicium est pompé dans le récipient. Lorsque le récipient est chauffé, les liaisons entre le silicium et l’hydrogène se brisent et les atomes de silicium se déposent sur les billes flottantes.

Les lingots et les plaquettes

Le polysilicium est transformé en plaquettes en le chauffant dans un récipient pour obtenir un liquide. Ensuite, un lingot de silicium monocristallin est créé par le procédé Czochralski, qui consiste à placer une petite graine cristalline à la surface du liquide et à la tirer progressivement vers le haut. La solidification directionnelle est une autre méthode : le liquide est refroidi lentement de bas en haut, ce qui crée un lingot de silicium multicristallin à gros grains. Pour fabriquer des plaquettes de silicium, les lingots de silicium sont découpés en minces morceaux à l’aide de scies à fil recouvertes de diamant. Les plaquettes sans kerf (la poussière de silicium restante) peuvent également être fabriquées en retirant des couches refroidies d’un bain de silicium en fusion ou en déposant des atomes de silicium sur un modèle cristallin ayant la forme d’une plaquette à l’aide de composés de silicium gazeux.

Les cellules

Après la fabrication des plaquettes de silicium, ces plaquettes sont transformées en cellules photovoltaïques. En outre, la surface de la plaquette est tout d’abord texturée chimiquement pour éliminer les dommages causés par la scie et améliorer l’absorption de la lumière au contact de la lumière du soleil. Les processus suivants diffèrent toutefois sensiblement en fonction de la conception du dispositif. Pour améliorer les performances des cellules, les gaz de la plaquette doivent être exposés à un dopant électriquement actif et les surfaces recouvertes d’un additif.

L’assemblage des modules

Dans une installation qui assemble des modules, des rubans de cuivre avec de la soudure sont utilisés pour connecter les barres omnibus en argent de la surface avant d’une cellule sur la surface en arrière d’une cellule adjacente. Les cellules sont ensuite retournées et placées sur une feuille de verre, puis recouvertes d’un encapsulant polymère. Les cellules sont recouvertes d’une couche supplémentaire d’encapsulant, puis d’une feuille arrière en polymère solide ou d’une autre feuille de verre. Les matériaux sont assemblés et chauffés dans un four pour créer un module étanche. Le module est livré avec un joint d’étanchéité, un cadre en aluminium ainsi qu’une boîte de jonction. À l’intérieur de la boîte de jonction, les rubans sont en fait connectés à des diodes qui empêchent tout flux électrique inverse. L’électricité générée par le module est transportée par des câbles électriques attachés à la boîte de jonction et transmise aux modules voisins ou au système d’électronique de puissance.

L’électronique de puissance

L’électronique de puissance, telle que les onduleurs et les optimiseurs de modules photovoltaïques, est assemblée à l’aide de cartes électroniques. L’objectif de ces composants électroniques est de convertir le courant continu généré par les panneaux solaires en courant alternatif pouvant être utilisé sur le réseau électrique. Pour assembler un circuit imprimé, un gabarit est utilisé comme point de départ. La pâte à braser est appliquée sur le gabarit et les petits composants tels que les diodes et les transistors sont placés par des robots. Le processus consiste à placer manuellement des composants plus importants sur la carte, qui passe ensuite dans le bain de soudure d’un four pour les connecter. La carte est ensuite recouverte d’un joint et d’une laque pour l’imperméabiliser et placée dans un boîtier avec des ports de connexion externes.

Les systèmes de rayonnage

Dans le domaine d’énergie solaire, les systèmes de rayonnage PV sont les structures de support des modules PV sur un toit ou dans un champ. La fabrication des systèmes de rayonnage diffère sensiblement en fonction de la localisation de l’installation. L’acier est utilisé pour fabriquer les rayonnages au sol, qui sont souvent galvanisés ou revêtus pour éviter la corrosion tout en nécessitant des fondations en béton. Les panneaux solaires des grands systèmes au sol utilisent souvent un mécanisme de suivi qui suit le mouvement du soleil d’est en ouest. Ce mécanisme nécessite des pièces mécaniques telles que des roulements et des moteurs. Toutefois, il est également possible d’utiliser des rayonnages fixes. Le type de toit détermine le type de rayonnage à utiliser. Les toits plats utilisés dans les grands bâtiments industriels ou commerciaux utilisent des rayonnages en acier à inclinaison fixe, fixés sur de lourds blocs sur le toit.

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