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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
Fiche d’identité
Autres caractéristiques
Propriétés chimiques et physiques
Tableau de Mendeleïev:
IV colonne
Informations générales
Nom:
Silicium, Si, 14
Série chimique: métalloïde
Couleur:
Gris foncé
Etat naturel:
Solide diamagnétique
Masse molaire:
Famille:
28,00g.mol-1
Cristallogène
Masse atomique:
Électrons de valence :
3,0×10-4u
4
Structure cristalline:
Structure cristallisée:
Diamant
Diamant
Point de fusion:
Particularité:
1 414°C
Semi-conducteur
Point d’ébullition:
Autres:
3625°C
Le silicium est entouré de l’aluminium et du
phosphore dans la classification périodique. C’est
Masse volumique:
2,329 g/cm 3
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
T entre
300 et
1000°C
T=1800
°C
T=2000°C
•Formation de fumée de silice
:
•2SiO(g)+O22SiO2(g)
•Une décomposition du
SiO
•2SiO(g) 
Si(s)+SiO2(s)
Formation de SiC:
SiO(g)+2C(s)
SiC(s)+CO(g)
•Formation de Si et de
SiO
•1.5 SiO2(l,s)+SiC(s)
0.5Si(l)+2SiO(g)+CO(g)

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)
300°C
SiHCl3(g) + H2 & Si(s)+4HCl(g)
300°C
SiCl4(g)+2H2(g)
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
H2
Impuretés
Condensation
Réacteur
pulvérisé MGS
SiHCl3
SiCl4
HCl
H2
Réacteur
Si
Distillation
SiCL
SiHCL3
SiCl4
Impuretés
Recyclage
MGS
HCl
H2
HCl
H
2
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

4SiHCl3(g) 1100°C

À partir d’un germe, on déposer le
silicium dans de logs tubes. Les
lingots obtenus ont une structure
polycristalline.
Si(s)+3HCl
Si(s)+3SiHCl3+2H2
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.
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
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

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