Comment sont fabriqués les panneaux solaires ?

Alors que nous vivons des étés caniculaires en France, il est facile d’imaginer à quel point le soleil est une source d’énergie puissante.

Ces dernières années, les panneaux solaires sont devenus plus accessibles que jamais grâce au progrès technologique du produit lui-même mais également du processus de fabrication. Les panneaux solaires sont désormais visibles sur les toitures de nombreux bâtiments que ce soit des maisons individuelles, des centres commerciaux, des bâtiments industriels ou de bureaux. Selon la Solar Energy Industry Association (SEIA), l’industrie solaire a connu un taux de croissance annuel moyen de 50 % au cours de la dernière décennie. En regardant autour de nous, nous ne sommes pas surpris ! Mais de quoi sont faits les panneaux solaires et comment sont-ils fabriqués reste un mystère pour de nombreuses personnes qui envisagent d’installer des panneaux solaires sur leur maison, leur entreprise ou leurs terres agricoles.

Les matières premières

Pour fabriquer des cellules solaires, les matières premières, le dioxyde de silicium du gravier de quartzite ou du quartz broyé sont d’abord placées dans un four à arc électrique, où un arc de carbone est appliqué pour libérer l’oxygène. Les produits sont du dioxyde de carbone et du silicium fondu. À ce stade, le silicium n’est pas encore assez pur pour être utilisé dans les cellules solaires et doit être purifié davantage.

Le silicium pur est dérivé de dioxydes de silicium tels que le gravier de quartzite (la silice la plus pure) ou le quartz broyé. Le silicium pur ainsi obtenu est ensuite dopé (enrichi avec) du phosphore et du bore pour produire un excès d’électrons et un déficit d’électrons respectivement, afin de fabriquer un semi-conducteur capable de conduire l’électricité. Les plaquettes (aussi appelées wafers) de silicium sont brillantes et nécessitent un revêtement anti-reflet, généralement du dioxyde de titane.

Le module solaire se compose d’un semi-conducteur en silicium entouré d’un matériau de protection dans un cadre métallique. Le matériau de protection consiste en un encapsulage de caoutchouc de silicium transparent ou de plastique butyryle (couramment utilisé dans les pare-brise automobiles) collé autour des cellules, qui sont ensuite noyées dans de l’éthylène-acétate de vinyle (EVA). Un film polyester (tel que le mylar ou le tedlar) constitue le support. Les composants électroniques sont standard et se composent principalement de cuivre. Le cadre peut-être en acier mais il est plus généralement en aluminium. Il existe même des modules photovoltaïques sans cadre.

De quoi sont faits les panneaux solaires ?

Lorsque vous rencontrez un panneau solaire, vous avez peut-être l’impression qu’il s’agit d’un simple bloc complet, mais en réalité, les panneaux solaires sont constitués d’une multitude de composants, chacun d’entre eux étant essentiel à la conversion effective et efficace de la lumière solaire en électricité utilisable.

Pour commencer, pratiquement tous les panneaux solaires photovoltaïques utilisent des plaquettes de silicium cristallin comme principal matériau constitutif. Le silicium est utilisé pour créer des semi-conducteurs pour environ 95 % de tous les panneaux solaires sur le marché aujourd’hui, les 5 % restants utilisant des technologies expérimentales et en cours de développement comme les cellules photovoltaïques organiques.

Les semi-conducteurs créés pour les panneaux solaires sont à l’origine de l’électricité : lors de l’interaction avec la lumière du soleil, les électrons de ce matériau sont libérés, ce qui constitue la base de la production d’électricité. Ce processus s’appelle l’effet photovoltaïque et c’est ainsi que les panneaux solaires fonctionnent pour produire de l’électricité.

Bien entendu, les cellules photovoltaïques ne pourront pas alimenter votre maison sans le reste des composants, notamment le verre, le plastique, le métal et le câblage. Les panneaux solaires sont généralement recouverts d’une feuille de verre et d’un revêtement antireflet pour protéger les cellules solaires tout en laissant passer la lumière.

L’ensemble est assemblé dans un cadre aluminium pour une installation en toiture ou au sol. Comme pour toute technologie moderne et en évolution, les panneaux solaires se déclinent en de nombreuses variantes de styles, couleurs, technologies et dimensions.

Pourquoi utiliser du silicium pour les panneaux solaires ?

Les technologies de panneaux solaires les plus courantes sont les technologies solaires monocristallines, polycristallines et dans une moindre mesure à couche mince :

👉 Les panneaux en silicium monocristallin sont fabriqués à partir d’un seul cristal. Ce sont les panneaux solaires les plus efficaces, mais ils sont aussi les plus chers.

👉 Les cellules solaires en silicium polycristallin sont fabriquées à partir de plusieurs cristaux de silicium fusionnés. Leur rendement n’est pas aussi élevé que celui des panneaux monocristallins, mais elles constituent un choix plus économique.

👉 Les cellules solaires à couche mince sont fabriquées à partir de silicium amorphe, ce qui en fait les panneaux solaires les plus flexibles mais aussi les moins efficaces en terme de rendement.

Le silicium étant le matériau prédominant dan la composition des panneaux solaires, la question naturelle à se poser est : pourquoi ? Il faut tout d’abord savoir que le silicium a été utilisé comme matériau semi-conducteur d’un panneau solaire photovoltaïque pendant la majeure partie de l’histoire de l’industrie solaire.

Après avoir étudié tous les matériaux possibles du tableau périodique, les concepteurs des premiers panneaux solaires photovoltaïques ont tous constaté que la silicium présentait un certain nombre de propriétés idéales qui en faisaient le candidat idéal pour devenir ce matériau semi-conducteur :

✔️ La silicium est abondamment disponible et abordable en tant que matériau, ce qui le rend intéressant aussi et surtout pour les installations solaires de grande envergure.

✔️ Sur le plan chimique et électronique, le silicium est assez facile à doper pour obtenir l’effet photovoltaïque qui convertit efficacement la lumière du soleil en électricité.

✔️ En tant que matériau, le silicone est reconnu pour sa longue durée de vie, ce qui rend l’investissement dans les panneaux solaires encore plus rentable.

Le processus de fabrication d’un panneau solaire

Découvrez, étape par étape, comment est fabriqué un module photovoltaïque.

1️⃣ Extraction du silicium

Le dioxyde de silicium, constitué de gravier de quartzite ou de quartz broyé, est placé dans un four à arc électrique. Un arc de carbone est ensuite appliqué pour libérer l’oxygène. Les produits sont du dioxyde de carbone et du silicium fondu. Ce procédé simple permet d’obtenir un silicium contenant 1 % d’impuretés, utile dans de nombreuses industries, mais pas dans celle des cellules solaires.

Cependant, la fabrication de silicium à partir de sable consomme beaucoup d’énergie et est un processus coûteux. Le silicium cristallisé est fabriqué à partir de sable à très haute température dans un four. La méthode de chauffage du sable dans le four crée des roches de silicium solides, qui sont récupérées au fond du four une fois qu’il a refroidi.

2️⃣ Purification du silicium

Le silicium pur à 99 % est encore plus purifié grâce à la technique de la zone flottante. Une tige de silicium impur est passée à travers une zone chauffée plusieurs fois dans la même direction. Cette procédure « entraîne » les impuretés vers une extrémité à chaque passage. À un moment donné, le silicium est considéré comme pur et l’extrémité impure est retirée.

3️⃣ Fabrication du lingot

Les cellules solaires sont fabriquées à partir lingots de silicium. Le procédé le plus couramment utilisé pour créer le lingot est appelé la méthode de Czochralski. Dans ce procédé, un germe cristallin de silicium est plongé dans du silicium polycristallin fondu. Lorsque le silicium est fondu, l’opérateur de la machine veille à ce que les atomes s’alignent tout au long du processus de fusion du bore. La fusion du bore donne aux lingots une polarité électrique positive, ce qui est essentiel plus tard dans le processus.

Lorsque le cristal germe est retiré et mis en rotation, un lingot cylindrique de silicium se forme. Le lingot retiré est exceptionnellement pur, car les impuretés ont tendance à rester dans le liquide. Une fois que les lingots de silicium ont complètement refroidi, ils sont meulés et polis pour produire des faces lisses et planes.

4️⃣ Fabrication des plaquettes

À partir du lingot, les plaquettes de silicium sont découpées une par une à l’aide d’une scie circulaire dont le diamètre intérieur entame la tige, ou plusieurs à la fois avec une scie multifilaire. (Une scie diamantée produit des coupes aussi larges que la plaquette, d’environ 5 millimètres d’épaisseur). Seule la moitié environ du silicium est perdue entre le lingot et la plaquette circulaire mais davantage si la plaquette découpée avec une géométrie rectangulaire ou hexagonale. Les plaquettes rectangulaires ou hexagonales sont le plus souvent utilisées pour la création de cellules solaires car elles permettent d’optimiser l’agencement en utilisant toute la surface disponible du panneau solaire.

5️⃣ Polissage de la plaquette

Les plaquettes sont ensuite polies pour éliminer les marques de scie. (On a récemment découvert que les cellules plus rugueuses absorbent plus efficacement la lumière, c’est pourquoi certains fabricants ont choisi de ne pas polir la plaquette).

6️⃣ De plaquettes à cellules photovoltaïques

La méthode traditionnelle de dopage des plaquettes de silicium avec du bore et du phosphore consiste à introduire une petite quantité de bore au cours du processus de Czochralski, à l’étape 3 ci-dessus. Les plaquettes sont ensuite scellées dos à dos et placées dans un four pour être chauffées à une température légèrement inférieure au point de fusion du silicium (1 410 degrés Celsius) en présence de gaz phosphoreux. Les atomes de phosphore « s’enfouissent » dans le silicium, qui est plus poreux parce qu’il est sur le point de devenir liquide. La température et la durée du processus sont soigneusement contrôlées pour garantir une jonction uniforme et de profondeur appropriée.

Une méthode plus récente de dopage du silicium au phosphore consiste à utiliser un petit accélérateur de particules pour injecter des ions phosphoreux dans le lingot. En contrôlant la vitesse des ions, il est possible de contrôler leur profondeur de pénétration.

7️⃣ Mise en place des contacts électriques

Les contacts électriques relient chaque cellule solaire entre elles. Les contacts doivent être très fins (au moins sur la face avant) afin de ne pas réduire la surface d’absorption de la lumière du soleil par la cellule. Les métaux tels que le palladium/argent, le nickel ou le cuivre sont évaporés sous vide.

Une fois les contacts en place, de fines bandes sont placées entre les cellules. Les bandes les plus couramment utilisées sont en cuivre étamé.

8️⃣ La couche anti-reflet

Le silicium pur étant brillant, il peut réfléchir jusqu’à 35 % de la lumière du soleil. Pour réduire la quantité de lumière solaire perdue, une couche anti-reflet est appliquée sur la tranche de silicium. Les revêtements les plus couramment utilisés sont le dioxyde de titane et l’oxyde de silicium, mais d’autres sont utilisés. Le matériau utilisé pour le revêtement est soit chauffé jusqu’à ce que ses molécules bouillent et se déplacent vers le silicium par condensation, soit le matériau est soumis à une pulvérisation. Dans ce cas, une haute tension fait tomber les molécules du matériau et les dépose sur le silicium à l’électrode opposée. Une autre méthode consiste à laisser le silicium lui-même réagir avec des gaz contenant de l’oxygène ou de l’azote pour former du dioxyde ou du nitrure de silicium.

9️⃣ Encapsulation de la cellule

Les cellules solaires sont ensuite encapsulées, c’est-à-dire prises dans un mille feuille de plusieurs matériaux. Les cellules sont encapsulées dans de l’éthylène acétate de vinyle (EVA) et placées dans un cadre aluminium doté d’une feuille de fond (backsheet) et d’une feuille de verre trempé.

La feuille de fond est installée sur la face inférieure des cellules solaires pour les protéger. Elle est généralement fabriquée dans un matériau plastique ultra-durable. Ensuite, une fine feuille de verre est installée sur le dessus des cellules solaires pour filtrer les rayons du soleil. Ces éléments sont maintenus ensemble par une colle appelée éthylène-acétate de vinyle (EVA). Tous ces composants sont confinés par un cadre métallique qui s’accroche à des brides ou étriers de fixation sur votre toit.

1️⃣0️⃣ Installation de la boîte de jonction

La boîte de jonction protège les composants électriques et le câblage du panneau solaire contre les dommages afin de maintenir le courant d’électrique entre le panneau et l’onduleur. Cette fonctionnalité est importante lorsque le panneau solaire ne produit pas d’électricité, car il essaie alors de consommer de l’énergie. La boîte de jonction ne permet aucune inversion du courant électrique, ainsi vos panneaux solaires fonctionneront correctement.

1️⃣1️⃣ Contrôle de la qualité

Le contrôle de la qualité est important dans la fabrication des cellules solaires, car les écarts de qualités au cours des nombreux processus peuvent nuire au rendement global du panneau. Le principal objectif de la recherche est de trouver des moyens d’améliorer l’efficacité de chaque cellule solaire sur une durée de vie plus longue. Par exemple, le silicium lui-même est testé pour vérifier sa pureté, l’orientation de ses cristaux et sa résistivité. Les fabricants vérifient également la présence d’oxygène (qui affecte sa solidité et sa résistance à la déformation) et de carbone (qui provoque des défauts). Les plaquettes de silicium finis sont inspectés pour détecter tout dommage, écaillage ou pliage qui aurait pu se produire pendant le sciage, le polissage et la gravure.

Tout au long du processus de fabrication des plaquettes de silicium, la température, la pression, la vitesse et les quantités de dopants sont contrôlées en permanence. Des mesures sont également prises pour s’assurer que les impuretés présentes dans l’air et sur les surfaces de travail sont réduites au minimum.

Les modules PV doivent ensuite subir des tests électriques pour vérifier que le courant, la tension et la résistance de chacun d’entre eux répondent aux normes appropriées. Auparavant, les cellules solaires avaient tendance à cesser de fonctionner lorsqu’elles étaient partiellement ombragées. Ce problème a été atténué grâce à des diodes de dérivation (ou diode by-pass) qui réduisent les tensions dangereusement élevées vers la cellule. La résistance de shunt doit alors être testée en utilisant des jonctions partiellement ombragées.

Un test important pour les modules solaires consiste à valider leurs caractéristiques techniques dans les conditions et l’intensité lumineuse (irradiance) qu’ils rencontreront dans des conditions normales et à vérifier qu’ils fonctionnent bien. Une fois le module prêt, des tests sont effectués pour s’assurer que les cellules fonctionnent comme prévu. Les STC (Standard Test Conditions) sont utilisées comme point de référence. Le panneau est placé dans un testeur flash dans l’usine de fabrication. Le testeur fournit l’équivalent d’un rayonnement de 1000W/m2, une température de cellule de 25°C et une masse d’air de 1,5g. Les paramètres électriques sont notés et vous pouvez trouver ces résultats sur la fiche technique de chaque panneau. Les valeurs nominales révèlent la puissance de sortie, le rendement, la tension, le courant, l’impact et la tolérance à la température.

Outre la STC, chaque fabricant utilise la NOCT (nominal operating cell temperature). Les paramètres utilisés sont plus proches de la réalité : température de fonctionnement du module en circuit ouvert pour un rayonnement de 800W/m2, une température ambiante de 20°C et une vitesse de vent de 1m/s. Là encore, les valeurs nominales du NOCT sont indiquées sur la fiche technique.

De plus, en phase de validation pré-commercialisation, les panneaux sont également exposées à la chaleur et au froid et testées contre les vibrations, les torsions et la grêle. Ils subissent un tas d’essais sur la base de normes françaises, européennes et internationales.

Le test ultime pour les modules solaires est le test sur site, au cours duquel les modules sont implantés là où ils seront réellement utilisés. Les chercheurs disposent ainsi des meilleures données pour déterminer le rendement d’un panneau solaire dans des conditions réelles et la durée de vie effective du panneau qui reste le facteur le plus important de tous.

En quelques mots…

La recherche et développement dans l’industrie de l’énergie solaire visent à réduire le coût des panneaux solaires et à augmenter leur rendement. L’industrie des panneaux solaires devient plus compétitive et devrait devenir plus populaire que les sources d’énergie conventionnelles telles que les combustibles fossiles.

La fabrication des panneaux solaires est-elle respectueuse de l’environnement ?

Si l’énergie solaire est souvent présentée comme une source d’énergie propre dans un monde qui subit rapidement les effets du changement climatique, ses détracteurs soulèvent le fait que la fabrication des panneaux solaires a ses propres problématiques environnementales.

Au fur et à mesure que la technologie des panneaux solaires s’est améliorée au cours des dernières décennies, le processus de fabrication est devenu de moins en moins polluant, comme le montre une étude universitaire qui a mis en évidence de « fortes tendances à la baisse de l’impact environnemental » de la production de panneaux solaires entre 1975 et 2015. Ce rythme d’amélioration ne s’est pas ralenti ces dernières années, et l’identification des matériaux et des processus de production les plus respectueux de l’environnement reste une priorité absolue pour tous les grands producteurs de panneaux solaires.

En outre, les considérations relatives à la fin de vie des panneaux solaires sont désormais intégrées dans le cycle de vie des panneaux solaires, les fabricants développant des moyens de recycler les panneaux et leurs composants afin de minimiser davantage leur impact. Cela dit, il n’y a rien de neutre pour l’environnement.

La fabrication de tout produit nécessite de l’énergie et des ressources, ce qui signifie que le processus ajoute intrinsèquement du dioxyde de carbone à l’atmosphère, exactement ce que l’énergie renouvelable cherche à minimiser. S’il est vrai que les panneaux solaires ont un coût environnemental lié à leur production, il en va de même pour la construction de centrales électriques et d’éoliennes, l’extraction et la combustion de combustibles fossiles et toute autre méthode de création d’énergie utile.

Mais comme les panneaux solaires ont une durée de vie de 30 ans ou plus, cet impact environnemental est réparti sur une longue période, tandis que la production effective d’électricité ne nécessite aucun combustible. Sur la base d’un calcul par kilowattheure au cours de la durée de vie d’un panneau solaire, l’impact net est bien inférieur à celui de presque toutes les autres sources d’énergie, et cet impact se réduit encore grâce à l’amélioration continue des technologies, des chaînes d’approvisionnement et des programmes de recyclage.

Aujourd’hui, les recherches estiment qu’il faut 18 mois de production à un panneau solaire pour « rembourser » l’énergie qui fut nécessaire à sa fabrication. C’est ce qu’on appelle le temps de retour énergétique.

Les panneaux solaires sont-ils faits pour vous ?

Maintenant que nous savons de quoi sont faits les panneaux solaires, comment ils sont fabriqués et la technologie qui se cache derrière les panneaux solaires, il est essentiel de se demander si l’installation de panneaux solaires vous convient.

Nous savons ce qui est utilisé pour fabriquer les panneaux solaires et que la production d’énergie repose sur la lumière du soleil. Par conséquent, la première et principale condition pour installer des panneaux solaires est de disposer d’un toit ou d’un espace au sol suffisamment grand pour y installer votre centrale et recevoir la lumière directe du soleil pendant plusieurs heures de la journée. Il ne sert à rien d’installer un panneau solaire dans une cour remplie de grands arbres et de feuillages qui feront de l’ombre au panneau. Essayez de trouver un emplacement où les panneaux solaires peuvent absorber autant de lumière solaire que possible tout au long de la journée.

La deuxième considération est la consommation d’énergie de votre foyer car aujourd’hui, l’autoconsommation est le mode principal de valorisation de l’énergie solaire. Plusieurs facteurs influencent votre consommation globale d’énergie, notamment le nombre de personnes dans le foyer, les appareils que vous utilisez et leur fréquence d’utilisation. Par exemple, une famille de cinq personnes équipée d’un climatiseur est susceptible de consommer beaucoup plus d’énergie qu’une famille de trois personnes sans climatisation.

Le climat de votre région aura également une incidence sur la probabilité que vous maximisiez la production électrique de vos panneaux solaires. Si vous vivez dans un endroit où les journées sont souvent nuageuses, vos panneaux solaires ne produiront pas autant d’énergie que ceux situés dans un environnement ensoleillé. En fonction de l’espace dont vous disposez pour les panneaux, l’investissement peut néanmoins s’avérer rentable à long terme.

Parlez aux experts en panneaux solaires

La France jouit d’une situation intéressante, avec une forte exposition à un soleil intense et beaucoup d’espace pour les panneaux solaires dans certaines régions de la moitié sud. Si vous souhaitez installer des panneaux solaires chez vous ou sur votre local professionnel, contactez les experts de Solaire France pour en savoir plus sur les panneaux solaires et commencez votre aventure solaire dès aujourd’hui !

Sébastien

Évoluant dans le secteur de l’énergie solaire depuis une vingtaine d’année, je suis le fondateur de Solaire-France.com. En tant qu’experts des installations photovoltaïques, nous vous aidons à acquérir les connaissances nécessaires pour déjouer les pièges des éco-délinquants. De plus, nous vous fournissons gratuitement et rapidement des devis des meilleurs installateurs photovoltaïques près de chez vous. Profitez-en !