Un wafer est une tranche fine de matériau semi-conducteur, généralement du silicium, qui sert de base pour la fabrication des cellules solaires et donc un élément stratégique de la production de panneaux photovoltaïques. Ils ne sont pas utilisés dans la fabrication de cellules en couches minces, à hétérojonction ou à multi-jonctions, qui reposent sur d’autres types de matériaux semi-conducteurs et de procédés de fabrication.
Aspects des wafers photovoltaïques
- Matériau : Le silicium est le matériau le plus couramment utilisé pour les wafers en raison de son abondance et de ses propriétés semi-conductrices. Il existe deux principaux types de silicium : monocristallin et polycristallin. Les wafers monocristallins sont constitués d’un seul cristal de silicium, tandis que les wafers polycristallins sont composés de plusieurs cristaux de silicium.
- Fabrication : Les wafers sont fabriqués à partir de lingots de silicium. Les lingots monocristallins sont généralement produits en utilisant le procédé Czochralski, où un cristal de silicium est lentement retiré d’un bain de silicium fondu. Les lingots polycristallins sont produits par solidification dirigée, où le silicium fondu est lentement refroidi pour former plusieurs cristaux. Les lingots sont ensuite découpés en tranches fines (wafers) à l’aide d’une scie à fil.
- Taille et épaisseur : La taille des wafers a évolué au fil du temps pour améliorer l’efficacité des cellules solaires. Les wafers de 156 mm x 156 mm étaient couramment utilisés, mais des tailles plus grandes, telles que 166 mm x 166 mm et 210 mm x 210 mm, gagnent en popularité. L’épaisseur des wafers a également diminué, passant de 300 micromètres à environ 160-180 micromètres, pour réduire les coûts et améliorer l’efficacité de conversion de l’énergie solaire.
- Texturation : Avant la fabrication des cellules solaires, la surface des wafers est généralement texturée pour augmenter l’absorption de la lumière solaire. La texturation crée des structures microscopiques sur la surface du wafer, permettant une meilleure absorption de la lumière et réduisant les pertes par réflexion.
Une fois les wafers préparés, ils passent par plusieurs étapes de traitement, notamment la diffusion des dopants, la passivation et la métallisation, pour créer les cellules solaires. Les cellules solaires sont ensuite assemblées en panneaux photovoltaïques pour convertir l’énergie solaire en électricité.
Monocristallins ou polycristallins ?
L’une des principales distinctions dans les panneaux photovoltaïques est entre ceux qui sont monocristallins et les polycristallins. Cette distinction concerne surtout les wafers:
- Les wafers monocristallins sont fabriqués à partir d’un lingot de silicium monocristallin, qui est constitué d’un seul cristal de silicium. Ce type de wafer a une apparence uniforme et une couleur noire ou bleu foncé. Les cellules solaires monocristallines ont une meilleure efficacité énergétique plus importante (environ 15-22 %) en raison de la structure cristalline ordonnée et homogène du silicium monocristallin, qui permet un meilleur passage des porteurs de charge à travers le matériau.
- Les wafers polycristallins sont pour leur part fabriqués à partir d’un lingot de silicium polycristallin, qui est composé de multiples cristaux de silicium. Ce type de wafer a une apparence légèrement granuleuse et une couleur bleu clair. Les cellules solaires polycristallines ont une efficacité énergétique légèrement inférieure (environ 13-20 %) par rapport aux cellules monocristallines, en raison de la structure désordonnée du silicium polycristallin, qui peut entraîner des pertes d’énergie et les rend moins tolérants à la chaleur.
Néanmoins, les seconds sont généralement moins chers en raison de leur méthode de production. La différence dans la structure cristalline des wafers monocristallins et polycristallins est due aux procédés de fabrication distincts utilisés pour créer les lingots de silicium à partir desquels les wafers sont découpés. , tandis que les lingots polycristallins sont fabriqués en utilisant la méthode de solidification dirigée (ou Bridgman).
Les lingots monocristallins sont produits en utilisant le procédé de Czochralski ou la méthode de la zone fondue, consiste à faire fondre du silicium pur dans un creuset, puis à en extraire lentement un cristal monocristallin à l’aide d’une tige de tirage. Ce processus nécessite un contrôle précis de la température, de la vitesse de tirage et d’autres paramètres pour obtenir un lingot monocristallin de haute qualité. En outre, cette méthode génère une quantité importante de déchets de silicium, car une partie du silicium est perdue lors de la découpe des wafers et de l’ébarbage des lingots.
La méthode de solidification dirigée (ou Bridgman) utilisée pour la fabrication des lingots polycristallins est moins coûteuse, car elle nécessite moins d’énergie et est moins complexe. Cette méthode consiste à faire fondre du silicium pur dans un creuset, puis à le laisser refroidir et se solidifier lentement pour former un lingot polycristallin. Ce processus ne nécessite pas de contrôle aussi précis que le procédé de Czochralski et génère moins de déchets de silicium.
Les innovations
Au fil des années, plusieurs innovations ont été développées pour améliorer les propriétés et la fabrication des wafers solaires. Il y a bien sur la production de wafers plus minces et avec des procédés plus efficients. Voici les innovations plus spécifiques:
- Wafers à bords en diamant : Les wafers à bords en diamant sont fabriqués en utilisant une technique de découpe qui réduit les tensions internes et les microfissures dans les wafers. Cette méthode améliore la qualité des wafers et réduit le taux de casse lors du processus de fabrication des cellules solaires.
- Wafers texturés : La texturation des wafers solaires permet d’augmenter leur capacité à capter la lumière en réduisant la réflexion et en piégeant la lumière à l’intérieur des cellules solaires. Cela conduit à une amélioration de l’efficacité des cellules solaires et, par conséquent, des panneaux solaires.
- Wafers noirs : Les wafers noirs, également appelés wafers en silicium noir, sont traités avec des méthodes spéciales pour réduire davantage la réflexion de la lumière et améliorer l’absorption de la lumière. Cela conduit à une efficacité énergétique accrue des cellules solaires.
- Wafers à hétérojonction : Les wafers à hétérojonction sont une innovation qui combine des couches de silicium amorphe et cristallin pour créer une cellule solaire avec une meilleure efficacité énergétique. Cette technologie offre des avantages tels que des tensions de circuit ouvert plus élevées et une meilleure tolérance à la température.