Nous informons nos lecteurs que le contenu relatif à "Réflexion scientifique et stratégique sur l'énergie solaire" a été divisé en trois parties. La première étant publiée le jeudi 15 décembre 2014, a traité de l'énergie photovoltaïque qui explicite le fonctionnement et la fabrication des panneaux PV. Cette opération est liée évidemment à la production du silicium en passant par la carbo-réduction et la purification du silicium poly-crisallin. Dans la deuxième partie, nous continuons à traiter le poly-cristallin, et nous décrivons en bref le silicium mono-cristallin et le silicium amorphe en présentant les avantages et les inconvénients de cette technologie et les différents axes de recherche en cours. Lors de l'élaboration du silicium métallurgique ou lors de la purification, différentes analyses sont nécessaires pour mettre en évidence la qualité du produit, elles s'effectuent à l'aide des techniques de haute précision tel que la microsonde électronique couplée à la microscopie électronique à balayage, et cela pour caractériser les éléments chimiques dans le silicium tel que le bore, le phosphore, l'aluminium, le titane..., ainsi que la morphologie des grains sur le produit purifié. Les liaisons chimiques sont mises en évidence par la spectrométrie Infrarouge à transformation de Fourrier FTIR comme SiOx, SiC, B4C et ... ; ainsi que les cartographies de photo-courant dans les micrographies. Silicium mono-cristallin Le silicium liquide est destiné à la production de silicium monocristallin par le procédé Czochralski. [P.H. Haumesser. Elaboration par croissance Czochralski, caractérisation spéctroscopique et propriétés laser de monocristaux dopés par l'Ytterbium. Thèse de doctorat. Université Pierre et Marie Curie (2000) ]. Si on désire obtenir des monocristaux, on cristallise le liquide et on le transforme en semi-conducteur de type N phosphore. Pour cela, on place dans un creuset en quartz une quantité de silicium correspondant sensiblement au poids du monocristal à obtenir; on ajoute le dopeur donneur d'électrons de type N (phosphore) sans qu'aucune impureté ne puisse perturber la cristallisation. L'opération doit donc se dérouler dans une enceinte hermétiquement close, d'une propreté "chirurgicale", et dans une atmosphère sous vide. Autour de l'enceinte isolante en quartz est placé l'inducteur d'un générateur de haute fréquence qui permet de porter le mélange si-dopeur à la température de fusion, soit 1 500 °C environ. Lorsque la fusion est totale, l'opération de cristallisation peut commencer. A cet effet, un système mécanique de précision présente le germe monocristal au contact du bain, puis le soulève verticalement, très lentement, tout en lui imprimant une très lente rotation qui aide à l'homogénéisation. Le germe entraîne le silicium qui se trouve alors soustrait à l'action de l'induction HF. Le silicium se refroidit donc et cristallise suivant le mouvement fixé par le germe. L'opération est très délicate; la vitesse de levage doit être constante afin de ne pas perturber la formation du cristal. La température du bain doit être également constante, à 0,1°C près (et ceci vers 1 500 °C). L'homogénéisation, aidée par les deux mouvements de levage et de rotation, est primordiale jusqu'à la température inférieure de 800°C. La durée de l'opération dépasserait une centaine d'heures. Cette complexité et cette durée de traitement se répercutent sur le prix excessif. Malgré le rendement de celui-ci supérieur à au silicium poly-cristallin, la préférence revient à ce dernier? Silicium amorphe hydrogéné Comme son nom l'indique, le silicium amorphe hydrogéné (a-Si :H) est composé d'atomes de silicium qui sont en configuration désordonnée loin de tous les réseaux de Bravais. Le silicium amorphe hydrogéné a été fabriqué en 1969 où il a connu un regain d'intérêt par rapport au silicium amorphe non hydrogéné [ R. C. Chittick, J. H. Alexander et H. F. Sterling Journal of Electrochemical Society, vol. 116, p. 77, 1969]. De plus, il a été démontré qu'introduire de l'hydrogène dans le matériau permet d'y intégrer efficacement des atomes dopants, indispensables pour les applications photovoltaïques [W. Spear et P. Lecomber Solid State Communications, vol. 17, p. 1193, 1975]. Le procédé de fabrication consiste en l'introduction des gaz d'hydrogène dans la chambre pour la synthèse. L'hydrogène est lié pour donner le silane (SiH4). Le dopage au bore peut être effectué avec du tri-méthylbore (TMB, B(CH3) 3) ou du diborane (B2H6). Le dopage au phosphore avec de la phosphine (PH3). On peut aussi utiliser le procédé Hot Wire Chemical Vapour Deposition (HWCVD) pour déposer des films minces de silicium amorphe hydrogéné. Avantages du photovoltaïque -L'énergie émanant du soleil est gratuite - Les systèmes d'énergie renouvelables peuvent être autonomes - Le soleil fournit une alimentation quasi-illimitée en énergie solaire. -Leurs coûts de fonctionnement sont très faibles vu que les entretiens ne nécessitent ni combustible, ni transport, ni personnel hautement spécialisé. Inconvénients du photovoltaïque -Déphasage : on a besoin de plus de chauffage la nuit et en hiver, mais ce sont les périodes les moins ensoleillées - Le temps est imprévisible -La cellule PV fragile en cas de grêle - Nettoyage en cas de poussière ou ensablement "A prévoir l'accessibilité" - Batterie longévité limitée - La fabrication du module photovoltaïque relève de la haute technologique et requiert des investissements d'un coût élevé. - Le rendement réel de conversion d'un module est faible - Stockage de l'énergie électrique en batterie parfois insuffisant en hiver lors des nuits très longues et peu de soleil le jour - Occupation d'une superficie importante pour les installations. A titre d'exemple, l'implantation en France d'une centrale solaire de 40 MW nécessite une superficie de 75 ha. La productivité d'un seul panneau solaire dans le Sud algérien est environ deux fois supérieure à celui implanté en Europe. D'où la superficie pour une centrale de même capacité serait de 37,5 ha. On peut mentionner la complémentarité entre le solaire et l'éolien par le couplage de ces deux énergies intermittentes. Le solaire produit l'électricité le jour, pas la nuit ; et l'éolien produit l'électricité un peu plus la nuit que le jour. Le solaire produit surtout en été et très peu en hiver : l'éolien produit nettement plus en hiver qu'en été. Le solaire peut contribuer à atténuer le problème de l'absence quasi-totale du vent lors des épisodes anticycloniques particulièrement en été. 1-3-Perspective de la recherche dans le solaire : Les résultats de recherche doivent aboutir aux critères de pureté du silicium indiqués au tableau ci-dessous : B P A C o Fe Cu Ti 1,5 4 1 10 10 10 2 2 Tableau : Objectif des impuretés acceptables dans le silicium purifié en μg/g. -Les techniques industrielles n'ont pas atteint leur maturité scientifique et de nombreuses pistes de recherches sont encore à développer ; il s'agit tout d'abord de faire baisser le prix de revient de l'électricité produite, et surtout obtenir des progrès technico-économiques dans la cellule PV. A l'état actuel, les recherches sont en cours pour définir le meilleur matériau sur l'aspect rentabilité. Les quelques axes de recherche en cours à retenir sont : -La valorisation de toutes les longueurs d'onde du spectre solaire (dont l'infrarouge, ce qui ouvrirait des perspectives très intéressantes dont la transformation directe de la lumière d'une flamme en électricité). Des panneaux solaires transformant les infrarouges en électricité ont été mis au point par le Boston College de Chestnut Hill (Massachusetts). Une production électrique devient théoriquement possible à partir de toute source de chaleur, même de nuit. -Des concentrateurs (déjà utilisés sur les satellites) sont testés sur terre. Via des miroirs et des lentilles incorporées dans le panneau ; ils focalisent le rayonnement sur l'élément essentiel et coûteux qu'est la cellule photovoltaïque. A la fin 2008, Sunrgi a annoncé disposer à l'échelle du laboratoire d'un système de concentration pouvant atteindre 1600 fois. Ces résultats permettent de diminuer le nombre de panneaux consacrés à la production de l'électricité, ainsi que le coût. De plus, ces nouveaux matériaux dopants (les III-V notamment) supportent très bien l'échauffement important dû à la concentration du flux solaire. -Des recherches sont en cours sur la purification du silicium à l'échelle semi-industrielle à moindre coût. L'optimisation serait sur les proportions des gaz plasmagènes (Ar + H2 + O2) et différents paramètres de brassage et de pression afin de réduire la durée du traitement de purification et augmenter la volatilisation des différents éléments. -Les résultats des études de vieillissement des cellules varient en fonction de la zone d'exposition solaire qui se traduit par la durée de vie des cellules photovoltaïques.. -L'application de semi-conducteur sous forme de "spray" sur un support. Cela évitera les pertes de semi-conducteur lors de la découpe dans la masse du lingot. Cette technologie permettra dans l'avenir de réduire significativement les coûts de production des cellules PV. -Des recherches sur la réduction de la ségrégation chimique sur toute la hauteur du lingot malgré le brassage électromagnétique. -L'optimisation sur l'état cristallographique tel que les défauts de maclage et les dislocations ont fait l'objet de plusieurs publications. -Les joints de grains peuvent être considérés comme des interfaces séparant deux cristaux de même nature dont l'orientation est différente. Ces joints contiennent beaucoup de liaisons pendantes et facilitent la ségrégation des impuretés, ils ont généralement une activité électrique recombinante. -Les défauts structuraux sont les macles et les dislocations qui entrent en interaction avec les impuretés. Les joints de grains peuvent être considérés comme des interfaces séparant deux cristaux de même nature dont l'orientation est différente facilitent la ségrégation des impuretés, ils ont généralement une activité électrique recombinante. Ces défauts ont fait l'objet de nombreuses études. La feuille de route du photovoltaïque de l'industrie japonaise : Thèmes 2020 2030 Coût de production 0,56 euro/Watt 0,37 Euro/Watt Durée de vie Plus de 30 ans ---- Consommation de matière première ---- 1gr/Watt Coût du convertisseur ---- 112 euros/KW Coût de la batterie 0,07 euro/Wh ---- Efficacité de la cellule cristalline 25% 25% Efficacité cellule couche mince 18% 20% E. S.
