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Panneaux photovoltaïques énergie solaire

Silicium

Silicium

Qu'est-ce que le silicium?

Le silicium est un élément chimique du numéro atomique 14 et du symbole Si. Cet élément chimique appartient au groupe IV A du tableau périodique. JJ Berzelius 1824 l'a isolée par réduction au potassium de tétrafluorure de silicium (SiF4).

Le silicium élémentaire cristallin est de couleur grisâtre avec un éclat métallique, très dur, avec des points de fusion et d'ébullition très élevés, et constitue un semi-conducteur intrinsèque. La forme amorphe de l'élément se présente sous forme de poudres brunes, conductrices de l'électricité, qui peuvent être facilement fondues et vaporisées.

Le silicium est un composant largement utilisé dans les panneaux photovoltaïques en raison de ses propriétés semi-conductrices. Cela signifie que ses propriétés physiques et chimiques sont très favorables pour promouvoir l'effet photovoltaïque. L'effet photovoltaïque est l'effet qui permet de transformer l'énergie des photons présents dans la lumière solaire en mouvement d'électrons, et donc l'énergie électrique.

Silicium monocristallin

Le silicium monocristallin est le matériau de base de l'industrie électronique. Il est constitué d'un monocristal de silicium, qui possède un réseau cristallin continu, sans interruption tout au long du solide.

Le silicium monocristallin est peut-être le matériau technologique le plus important des cinquante dernières années, car sa disponibilité à des coûts acceptables sur le plan industriel a été et reste essentielle pour le développement de microcircuits électroniques basés sur la révolution électronique et informatique actuelle.

Le silicium monocristallin est également utilisé dans la production de cellules photovoltaïques à haute performance. Les cellules solaires, contrairement aux microcircuits, peuvent toutefois tolérer, dans certaines limites, de petites imperfections structurelles.

Silicium polycristallin

Le silicium polycristallin ou polysilicium est un matériau en verre de silicium mal aligné (polycristallin). Il occupe une position intermédiaire entre le silicium amorphe et le silicium monocristallin.

Le silicium polycristallin remplace souvent l'aluminium pour la production de pièces métalliques dans des dispositifs électroniques à semi-conducteurs en raison de l'amélioration de la résistance mécanique du processus de production de circuits intégrés. Il est également utilisé pour la réalisation de condensateurs dans un environnement intégré. Cependant, les capacités de ces condensateurs sont très faibles.

Pour les applications électroniques, le silicium polycristallin peut être obtenu avec des techniques moins sophistiquées et moins coûteuses que celles requises pour le dépôt de silicium. Du silicium polycristallin peut également être obtenu lors des processus de fabrication du silicium. Le silicium polycristallin a un niveau d'impureté inférieur ou égal à 1 partie par milliard.

Origine du silicium

Le silicium est, après l'oxygène, l'élément le plus abondant de la croûte terrestre, dont il représente 26% en poids. Il est constitué d'un mélange de trois isotopes naturels stables de masses 28 (92,21%), 29 (4,70%) et 30 (3,09%), ce qui donne un poids atomique de 28 086. Cinq radio-isotopes artificiels de l'élément sont également connus, avec des masses comprises entre 25 et 32.

Le silicium est largement répandu dans la nature et sa présence dans le soleil, les étoiles et les météorites a été détectée.

Obtention de silicium

L'obtention de silicium se fait par plusieurs méthodes en fonction de la fonction de l'élément. La méthode commerciale la plus importante est la réduction de la silice avec du carbone dans un four électrique. La préparation de silicium de haute pureté (99,7%) est obtenue par transformation de silicium impur en tétrachlorure (SiCl4), volatil, purification par distillation et réduction ultérieure par du zinc.

Le silicium utilisé en électronique est obtenu par purification zonale, pour éliminer le bore, l'aluminium, le phosphore, le gallium, l'arsenic, l'indium et l'antimoine. Ensuite, un monocristal est obtenu par la méthode de Czochralski. Ce procédé consiste à plonger un petit cristal dans un bain de silicium liquide chauffé à la température de fusion et à l'éliminer lentement pour provoquer la croissance du monocristal. Normalement, le dopage du monocristal est effectué simultanément.

Propriétés chimiques du silicium

Le silicium est un élément semi-conducteurEn ce qui concerne les propriétés chimiques, le silicium présente des différences très notables avec le carbone, premier élément du groupe IV A. Contrairement au carbone, le silicium a une électronégativité beaucoup plus petite, ce qui entraîne des variations notables de la polarité de certaines liaisons, tendance à l'enchaînement très atténué (pas de chaînes de plus de six atomes de silicium), une coordination maximale de six, grâce à l'existence d'orbitales d vides avec l'énergie appropriée. De plus, le silicium manque de formation de liens multiples avec lui-même ou avec tout autre élément.

La caractéristique chimique la plus importante du silicium est sa tendance à se combiner à l'oxygène pour former des structures polymères ou discrètes dans lesquelles chaque atome de silicium est entouré de quatre atomes d'oxygène. Compte tenu de la forte énergie de la liaison Si-O (89,3 kcal / mol), ces structures bénéficient d'une grande stabilité.

Le silicium est essentiellement non métallique et sa réactivité dépend avant tout du degré de division. Sous forme compacte, il est recouvert dans l'air d'une couche superficielle d'oxyde, tandis que finement divisé, il s'enflamme facilement dans l'air. Le silicium peut être attaqué par le chlorure d'hydrogène chaud, avec formation de tétrachlorure et de dégagement d'hydrogène, et par le fluorure d'hydrogène froid, par formation d'acide hexafluorosilicique. Par contre, ce matériau ne peut pas être attaqué par les autres acides. Il se dissout dans des bases fortes, avec formation de silicates et libération d'hydrogène (Si + 2KOH + H2O → K2SiO3 + 2H2), et se combine directement avec les halogènes et, à chaud, avec d'autres non-métaux (silur).

Compte tenu de la structure électronique du silicium, il agit, de manière analogue au carbone, pratiquement exclusivement avec la valence 4. Ses composés sont essentiellement covalents et beaucoup ont une importance économique remarquable.

Le silicium peut être introduit dans la structure de toute une gamme de composés organiques, auxquels il confère des propriétés très intéressantes. Du point de vue biologique, le silicium joue parfois un rôle important et constitue le matériau de base pour la construction de la paroi cellulaire de diverses algues.

En 1990, des macromolécules de silicium similaires aux fullerènes de carbone ont été découvertes. C'était une découverte inattendue car on pensait que les fullerènes de silicium stables ne pourraient pas être fabriqués. Le problème de l'instabilité des réseaux de silicium fermés a été résolu en plaçant un atome de métal central, à savoir le tungstène.

L'une des formes les plus stables obtenues comprend un ensemble de douze atomes de silicium qui forment une cage autour d'un atome de tungstène. Cette configuration a l'avantage d'isoler les effets chimiques de l'atome central et peut donc être très utile pour la capture d'atomes ou pour la catalyse.

La respiration continue de poussière de nature siliceuse provoque chez l'homme une maladie pulmonaire grave, la silicose.

Applications du silicium

Le silicium peut être utilisé en électronique pour la fabrication de dispositifs à semi-conducteurs et de cellules photoélectriques. En métallurgie, il est utilisé pour la préparation d'aciers spéciaux (ferrosilicium) et d'autres alliages, ainsi que pour la préparation de divers composés.

Sous forme composée (silicates, silice, silicones), le silicium est utilisé de manière très générale.

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Dernier examen: 10 juin 2019