La construction des cellules solaires

Aperçu de la construction des modules et cellules solaires

La bonne nouvelle, c’est que la révolution des énergies à faible teneur en carbone commence enfin à se mettre en place. De plus en plus d’aspects de notre vie sont alimentés directement en électricité, plutôt que par la combustion de combustibles fossiles dans les voitures, les cuisinières et les systèmes de chauffage. Parallèlement, une part de plus en plus importante de cette électricité est produite de manière renouvelable – par des éoliennes et des systèmes photovoltaïques – plutôt que dans des centrales électriques fonctionnant au charbon ou au gaz naturel.

par Christina De La Rocha

Des progrès lents vers les énergies renouvelables

La mauvaise nouvelle, c’est qu’il faudra des décennies pour atteindre notre objectif de fonctionner avec une électricité presque entièrement renouvelable. Il y a d’énormes quantités d’infrastructures qui doivent être mises en place. Entre autres choses, nous devons créer davantage de parcs éoliens et installer des panneaux solaires un peu partout – sur les toits et les abris de voiture, sur les côtés des bâtiments, et comme ombrage pour les champs agricoles, afin d’augmenter le rendement des cultures et de diminuer le besoin d’irrigation dans les endroits chauds, secs et ensoleillés.

Pour prendre un moment pour souligner l’évidence, plus vite nous mettrons tout cela en place, plus vite nous gérerons la transition énergétique, et moins nous cracherons de gaz à effet de serre dans l’atmosphère.

Mais pour l’instant, malgré l’urgence qui s’impose à nous sous la forme de vagues de chaleur record (et meurtrières), d’inondations choquantes, de sécheresses étendues, de faibles rendements agricoles et d’incendies de forêts déchaînés, nous n’avançons pas aussi vite que nous le pourrions. Actuellement, notre transition vers un mode d’alimentation en énergie moins néfaste pour le climat est gravement entravée par la vitesse à laquelle nous pouvons produire des modules solaires et les dispositifs associés, tels que les onduleurs solaires (qui convertissent le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif pouvant être injecté dans le réseau électrique d’une maison), les batteries de stockage et, lorsque les systèmes photovoltaïques alimentent des systèmes de chauffage et/ou de refroidissement, les pompes à chaleur.

La transition est également entravée par la rapidité avec laquelle nous pouvons installer des systèmes photovoltaïques. Cette deuxième limitation est liée d’une part au taux de production limité des composants des systèmes photovoltaïques et d’autre part à une pénurie de travailleurs pour installer ces systèmes.

Il faut plus de travailleurs et d’usines

Les solutions à ces problèmes sont à la fois simples et compliquées, faciles à envisager mais dont la mise en œuvre nécessite des efforts considérables et un temps d’adaptation. Pour recruter davantage de travailleurs pour installer des systèmes d’énergie solaire, il faut non seulement former davantage de personnes à ce travail, mais aussi inciter davantage de personnes à entrer dans ce domaine en leur offrant de meilleures conditions de travail, un salaire plus élevé, ainsi que le respect et la reconnaissance que mérite ce métier révolutionnaire.

L’augmentation du taux de production des modules solaires, des onduleurs et des pompes à chaleur nécessite des usines plus nombreuses et plus grandes dans le monde entier (et pas seulement en Chine), non seulement pour les assembler, mais aussi pour produire les pièces nécessaires à leur fabrication. C’est de loin le plus compliqué des deux problèmes, car il faut du temps, de l’expertise, des investissements et, très probablement, une aide gouvernementale considérable pour établir (ou rétablir) une capacité de fabrication nationale pour les différents articles requis.

Pour vous donner une idée un peu plus concrète de la situation, voici un rapide aperçu de ce qu’il faut pour fabriquer un module solaire.

Que sont les modules solaires ?

Tout d’abord, il est utile de savoir ce qu’est un module solaire, d’autant plus que la terminologie peut être un peu confuse (par exemple, un panneau solaire peut désigner un seul module solaire ou une rangée de modules solaires connectés).

Donc, soyons clairs sur la façon dont nous utilisons les termes. Selon la façon dont nous utilisons le terme ici, un module solaire fait référence à un ensemble unique de cellules solaires disposées en une unité maintenue par un cadre (en d’autres termes, ce que vous pourriez appeler un panneau solaire unique). Mais nous réserverons le terme de panneau solaire pour désigner une rangée de modules solaires reliés entre eux.

Un champ solaire est un ensemble connecté de panneaux solaires (au sens de rangées de modules solaires). Enfin, un système photovoltaïque se compose d’un panneau solaire plus les onduleurs solaires, les batteries, etc. nécessaires pour que ce qui est essentiellement une petite centrale solaire soit pleinement opérationnel.

Donc, les modules solaires. Nous les avons tous vus sur les toits, mais qu’est-ce qu’ils sont en réalité ?

Bien qu’ils soient minces et plats, les modules solaires sont constitués d’un certain nombre de composants. Ils convertissent la lumière du soleil en électricité en déplaçant les électrons (qui sont chargés négativement) de manière à créer une différence de charge entre un endroit et un autre, ce qui entraîne la production d’électricité.

Cette couche de cellules solaires est prise en sandwich entre une couche supérieure et inférieure de film plastique transparent qui maintient toutes les cellules en place. Ce paquet est placé entre deux feuilles de verre transparent qui assurent la protection et l’étanchéité.

Sur la plupart des types de modules solaires, il y a une feuille de plastique durable sous la pièce de verre inférieure. Cette feuille peut être noire (pour des raisons esthétiques), blanche (pour augmenter l’efficacité de l’utilisation de la lumière solaire par le module solaire en réfléchissant une partie de la lumière solaire non collectée à travers les cellules solaires pour une production supplémentaire d’électricité), ou transparente (pour laisser passer la lumière, par exemple, si vous utilisez les modules solaires pour faire de l’ombre, mais que vous ne voulez pas bloquer trop de lumière).

Cet assemblage est fixé à l’intérieur d’un cadre en aluminium et une boîte de jonction avec des diodes et des connecteurs électriques est placée sur le bas du module solaire, et voilà, c’est parti pour un toit, pronto !

Les composants en verre, en plastique, en aluminium et le câblage électrique d’un module solaire n’ont rien de particulier.

Leur fabrication n’est probablement pas ce qui nous empêche d’accéder à un monde excitant, propre, nouveau et renouvelable où les voitures roulent tranquillement, sans cracher de nuages de polluants et de gaz à effet de serre, et où le logement de chacun s’alimente presque entièrement en électricité. Il en va autrement de notre capacité à fabriquer des cellules solaires et à les assembler en modules solaires.

Nous avons définitivement besoin de plus d’usines pour produire des cellules solaires et les assembler en modules, sinon il nous faudra vraiment un nombre ridicule de décennies pour devenir totalement électriquement renouvelable. Imaginez simplement tous les murs, les toits et les champs adaptés à l’énergie solaire dans le monde entier, qui attendent les systèmes photovoltaïques qui sont, pour le moment, produits dans une poignée d’usines situées pour la plupart en Chine.

Comment sont fabriquées les cellules solaires

En fin de compte, chaque cellule solaire commence sa vie sous forme de sable quartzeux. Également appelé sable siliceux, le sable quartzeux est composé d’au moins 95 % de dioxyde de silicium pur, également connu sous le nom de silice ou de SiO₂.

Mais nous n’avons pas besoin de silice pour les cellules solaires, mais de silicium, ce qui signifie que nous devons nous débarrasser de l’oxygène, pour ne laisser que du silicium pur. Le silicium contenu dans la silice n’aime pas se séparer de son oxygène, ce qui nécessite donc une grande prouesse de chimie.

Industriellement, il faut liquéfier le sable dans un four à 2000°C (3630°F) dans lequel on brûle simultanément un charbon à haute teneur en carbone comme le coke pour libérer des atomes de carbone. Ces atomes de carbone veulent l’oxygène plus que le silicium, alors ils le leur volent et se lient à eux pour produire du dioxyde de carbone (CO ).₂). Il reste alors un silicium fondu assez pur, qui est collecté et refroidi en petits morceaux de couleur bleu-gris-argent.

L’exploit suivant consiste à prendre ce désordre polycristallin de silice et à le transformer en un énorme et magnifique cristal qui peut être taillé en un lingot pouvant être découpé en tranches de la taille d’une cellule solaire. Il existe plusieurs façons de procéder si l’on veut obtenir des plaquettes suffisamment grandes pour devenir des cellules solaires. La méthode la plus pratique actuellement est le procédé Czochralski, par lequel un seul cristal de silicium en rotation est descendu dans une masse fondue de silicium tournant dans l’autre sens et retiré lentement (par millimètres par heure).

Ce procédé provoque la croissance d’un cristal de silicium cylindrique, pesant plusieurs centaines de kilos, pouvant atteindre 450 millimètres de diamètre et deux mètres de longueur. Si vous vous demandez à quel point ce procédé est brûlant, sachez que le point de fusion du silicium pur est d’environ 1400°C (2550°F).

En tant que matériau, le silicium pur est remarquablement dur. Cela signifie que vous devez sortir votre scie à fil diamanté (très propre) pour découper le cristal cylindrique de silicium en un lingot ayant l’empreinte d’une cellule solaire. Ensuite, comme ce cristal de silicium est aussi remarquablement fragile, il faut sortir un fil de fer diamanté incroyablement long, également très propre, et l’enfiler de manière à pouvoir découper simultanément toutes les tranches de silicium (généralement) de 160 millimètres d’épaisseur possibles à partir de ce lingot de silicium monocristallin pouvant atteindre 2 mètres de long.

Ensuite, les plaquettes de silicium monocristallin sont nettoyées dans une série de bains d’acide et de rinçages à l’eau, puis polies et séchées. Ensuite, les tranches sont recouvertes sur chaque face d’une fine pellicule de silicium non cristallin dopé avec des traces d’éléments, tels que le phosphore, l’arsenic, le bore ou l’aluminium, qui peuvent agir comme donneurs ou accepteurs d’électrons pour permettre aux cellules solaires de produire de l’électricité à partir de la lumière du soleil.

Ensuite, de fines lignes d’argent, appelées barres omnibus, et des lignes métalliques encore plus fines, appelées doigts, sont appliquées à la surface des plaquettes pour servir de contacts électriques. À ce stade, du moins de nos jours, les cellules sont coupées en deux car cela les rend plus efficaces.

Comment sont fabriqués les modules solaires

L’étape suivante de la production d’un module solaire consiste à connecter les demi-cellules en bandes qui seront utilisées, en rangées, pour construire le module.

La quasi-totalité du travail de transformation des wafers en bandes de demi-cellules solaires est effectuée sur des chaînes de montage automatisées d’une complexité époustouflante dont la longueur totale, du début à la fin, atteint très facilement près d’un kilomètre.

Des personnes sont encore nécessaires pour effectuer le contrôle de la qualité des cellules à différents stades de leur création et pour surveiller les machines, qui sont intelligentes parce qu’elles ont des tonnes et des tonnes de capteurs qui les guident, mais qui sont stupides parce que cela ne signifie pas qu’elles peuvent réfléchir ou résoudre les problèmes lorsque les choses tournent mal (ce qu’elles font souvent, comme toute personne qui a déjà eu affaire à un système avec beaucoup de capteurs sophistiqués mais pointilleux vous le dira avec plaisir).

Vous pourriez probablement faire fonctionner une usine produisant suffisamment de cellules solaires pour produire suffisamment de modules solaires chaque année pour produire 1 gigawatt d’énergie avec environ 140 personnes, travaillant en équipes (parce que ces chaînes de montage fonctionnent 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7 pendant des années sans interruption, car il faudrait au moins une semaine pour les remettre en marche si vous les arrêtiez même brièvement).

À partir de ce point, tout ce que vous avez à faire est de prendre tous les composants – les bandes de demi-cellules, les feuilles de plastique, les vitres, la feuille arrière de film plastique épais et durable, le cadre en aluminium, la boîte de jonction et le câblage – et de les assembler pour former un module solaire fonctionnel.

Cela peut prendre tout un étage d’une grande usine, avec son propre ensemble de chaînes de montage de près d’un kilomètre de long et de travailleurs surveillant le contrôle de la qualité, ainsi que des bras robotisés, des fours, des torches à plasma, des courroies transporteuses et des pistolets qui tirent les bandes plates de plastique qui enveloppent ensemble un paquet de modules solaires afin qu’ils puissent ensuite être solidement enveloppés dans un film plastique, emballés et expédiés vers les sites où ils seront installés.

Les espoirs du solaire pour l’avenir

Les détails de la production des cellules solaires, de l’assemblage des modules solaires et des chaînes de montage incroyablement futuristes (et coûteuses !) sont tous top secrets et l’espionnage industriel abonde (d’où l’absence de photos de l’assemblage des modules solaires).

Mais si vous avez l’occasion de visiter une usine de modules solaires, je vous le recommande vivement. C’est passionnant de voir ces usines en action et il est intéressant de savoir comment sont fabriqués ces produits qui alimentent de plus en plus nos vies et ce que vivent les ouvriers qui travaillent dans ces usines.