Le silicium monocristallin est le matériau de base des puces de silicium utilisées aujourd'hui dans pratiquement tous les équipements électroniques. Dans le domaine de l'énergie solaire, le silicium monocristallin est également utilisé pour fabriquer des cellules photovoltaïques en raison de sa capacité à absorber les radiations.
Le silicium monocristallin est constitué de silicium dans lequel le réseau cristallin du solide entier est continu. Cette structure cristalline ne se brise pas sur ses bords et est exempte de toute limite de grain.
Le silicium monocristallin peut être préparé comme:
Un semi-conducteur intrinsèque composé uniquement de silicium très pur
Il peut également être dopé en ajoutant d'autres éléments tels que le bore ou le phosphore.
Silicium monocristallin dans les panneaux solaires
Le silicium monocristallin est utilisé pour fabriquer des panneaux photovoltaïques hautes performances.
Les exigences de qualité des panneaux solaires monocristallins ne sont pas très exigeantes. Dans ce type de plaques, les exigences en matière d'imperfections structurelles sont moins élevées par rapport aux applications microélectroniques. Pour cette raison, le silicium de la plus basse qualité est utilisé.
Malgré cela, l'industrie de l'énergie solaire photovoltaïque au silicium monocristallin s'est considérablement améliorée.
Comment se déroule la fabrication des panneaux solaires en silicium monocristallin?
En plus du faible taux de production, il existe également des préoccupations concernant le gaspillage de matière dans le processus de fabrication.
La création de panneaux solaires peu encombrants nécessite de découper les plaquettes circulaires en cellules octogonales qui peuvent être emballées ensemble. Les plaquettes circulaires sont un produit de lingots cylindriques formés par le procédé Czochralski.
Le matériau en excès n'est pas utilisé pour créer des cellules photovoltaïques et est jeté ou recyclé pour la production de lingots pour la fusion.
Les cellules de silicium monocristallin peuvent absorber la plupart des photons à moins de 20 μm de la surface incidente. Cependant, les limitations du processus de sciage de lingots signifient que l'épaisseur de la plaquette commerciale est généralement d'environ 200 um.
Quelle est l'efficacité du silicium monocristallin?
Ce type de silicium a une efficacité de laboratoire à cellule unique enregistrée de 26,7%. Cela signifie qu'il a l'efficacité de conversion confirmée la plus élevée de toutes les technologies PV commerciales.
Le rendement élevé est attribué à:
Un manque de sites de recombinaison dans le monocristal
Meilleure absorption des photons grâce à sa couleur noire, par rapport à la teinte bleue caractéristique du poly-silicium.
Les cellules monocristallines sont plus chères que les cellules polycristallines. Pour cette raison, les cellules mono-Si sont utiles pour les applications où les principales considérations sont les limitations de poids ou de surface disponible.
Ce type de panneau est utilisé par exemple dans les engins spatiaux ou les satellites alimentés par l'énergie solaire. Dans ces cas, en outre, l'efficacité peut être encore améliorée en combinant d'autres technologies, telles que les cellules solaires multicouches.
Comment le silicium monocristallin est-il produit?
Le silicium monocristallin est généralement créé par l'un de plusieurs procédés qui impliquent la fusion de silicium de qualité semi-conducteur de haute pureté et l'utilisation d'un germe pour initier la formation d'un monocristal continu.
Ce processus se déroule normalement dans une atmosphère inerte, telle que l'argon, et dans un creuset inerte, tel que le quartz. De cette manière, les impuretés qui affecteraient l'uniformité du cristal sont évitées.
Par rapport à la coulée de lingots polycristallins, la production de silicium monocristallin est très lente et coûteuse. Cependant, la demande de silicium monocristallin continue d'augmenter en raison des propriétés électroniques supérieures.
Quel est le procédé Czochralski?
La méthode de production la plus courante pour le silicium monocristallin est le procédé Czochralski. Ce processus consiste à plonger un cristal germe de précision monté sur tige dans du silicium fondu.
La barre est ensuite lentement tirée vers le haut et tournée simultanément. Cela permet au matériau étiré de se solidifier en un lingot cylindrique monocristallin jusqu'à 2 mètres de long et pesant plusieurs centaines de kilogrammes.
Les champs magnétiques peuvent également être appliqués pour contrôler et supprimer l'écoulement turbulent, améliorant encore l'uniformité de la cristallisation.
Quelles sont les autres méthodes de fabrication?
D'autres méthodes sont:
La croissance de la zone flottante, qui fait passer une tige de silicium polycristallin à travers une bobine de chauffage radiofréquence. Cette bobine crée une zone fondue localisée, à partir de laquelle un lingot de cristal germe se développe.
Les techniques de Bridgman déplacent le creuset à travers un gradient de température pour le refroidir à partir de l'extrémité du récipient contenant la graine. Les lingots solidifiés sont découpés en feuilles minces pour un traitement ultérieur.
