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 le rayonnement.
Le silicium monocristallin est constitué de silicium dans lequel le réseau cristallin de l'ensemble du solide est continu. Cette structure cristalline ne se brise pas sur ses bords et est exempte de joints de grains.
Le silicium monocristallin peut être préparé sous la forme :
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Un semi-conducteur intrinsèque composé uniquement de silicium très pur
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Il peut également être dopé par ajout d’autres éléments comme le bore ou le phosphore.
Silicium monocristallin dans les panneaux solaires
Le silicium monocristallin est utilisé pour fabriquer des panneaux photovoltaïques à hautes performances.
Les exigences de qualité des panneaux solaires monocristallins ne sont pas très exigeantes. Dans ce type de cartes, les exigences en matière d'imperfections structurelles sont moins élevées que dans les applications microélectroniques. Pour cette raison, du silicium de moindre qualité est utilisé.
Malgré cela, l’industrie photovoltaïque au silicium monocristallin s’est considérablement améliorée.
Fabrication de panneaux photovoltaïques en silicium monocristallin
Outre le faible taux de production, il existe également des inquiétudes concernant le gaspillage de matériaux lors du processus de fabrication.
La création de panneaux solaires peu encombrants nécessite de découper des tranches circulaires en cellules octogonales pouvant être emballées ensemble. Les plaquettes circulaires sont un produit de lingots cylindriques formés selon le procédé Czochralski.
Le matériau restant n’est pas utilisé pour créer des cellules photovoltaïques et est jeté ou recyclé dans la production de lingots pour fusion.
Les cellules de silicium monocristallin peuvent absorber la plupart des photons dans un rayon de 20 µm de la surface incidente. Cependant, les limitations du processus de sciage des lingots font que l'épaisseur des plaquettes commerciales est généralement d'environ 200 µm.
Efficacité des panneaux photovoltaïques
Ce type de silicium a une efficacité enregistrée en laboratoire sur cellule unique de 26,7 %. Cela signifie qu'il présente l'efficacité de conversion confirmée la plus élevée de toutes les technologies photovoltaïques commerciales.
Le rendement élevé est attribué à :
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Un manque de sites de recombinaison dans le monocristal
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Meilleure absorption des photons grâce à sa couleur noire, par rapport au ton bleu 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 panneaux est utilisé, par exemple, dans les engins spatiaux ou les satellites alimentés par l'énergie solaire. Dans ces cas-là, l’efficacité peut en outre être améliorée en combinant d’autres technologies, telles que les cellules solaires multicouches.
Manufacture et production
Le silicium monocristallin est généralement créé par l'une des nombreuses méthodes 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 est généralement réalisé dans une atmosphère inerte, telle que l'argon, et dans un creuset inerte, tel que le quartz. De cette manière, on évite les impuretés qui nuiraient à l’uniformité du verre.
Comparée au moulage de lingots polycristallins, la production de silicium monocristallin est très lente et coûteuse. Cependant, la demande de silicium monocristallin continue d’augmenter en raison de ses propriétés électroniques supérieures.
Processus Czochralski
La méthode de production la plus courante de silicium monocristallin est le procédé Czochralski. Ce processus consiste à immerger un cristal germe monté sur des tiges précisément dans du silicium fondu.
La barre est ensuite lentement remontée et tournée simultanément. Cela permet au matériau étiré de se solidifier en un lingot cylindrique monocristallin pouvant atteindre 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 ainsi l’uniformité de la cristallisation.
Autres méthodes de fabrication
D'autres méthodes sont :
La croissance de la zone flottante, qui fait passer une tige de silicium polycristallin à travers un serpentin chauffant à radiofréquence. Cette bobine crée une zone fondue localisée, à partir de laquelle se développe un lingot de cristal germe.
Les techniques Bridgman déplacent le creuset à travers un gradient de température pour le refroidir depuis l'extrémité du récipient contenant la graine. Les lingots solidifiés sont découpés en fines feuilles pour un traitement ultérieur.