Le silicium polycristallin est un matériau composé de plusieurs cristaux de silicium mal alignés. Il sert d'intermédiaire entre le silicium amorphe, qui manque d'ordre à longue portée, et le silicium monocristallin, qui a une structure cristalline continue.
Le silicium polycristallin présente un niveau d’impureté de 1 partie par milliard ou moins, ce qui le rend adapté aux applications de haute technologie.
Propriétés des cellules en silicium polycristallin
Les cellules en silicium polycristallin présentent des caractéristiques distinctes qui influencent leur efficacité, leur durabilité et leurs performances globales :
- Efficacité : Généralement comprise entre 12 % et 21 % , inférieure à celle des cellules monocristallines mais suffisante pour la plupart des applications.
- Procédé de fabrication : Fabriqué en faisant fondre des chutes de silicium, en les refroidissant pour former une structure cristalline et en les découpant en plaquettes.
- Aspect : Reconnaissables à leur teinte bleutée et à leur structure granuleuse et multicristalline, qui les différencie de l'aspect noir uniforme des cellules monocristallines.
- Rentabilité : Moins coûteuse à produire que les cellules en silicium monocristallin grâce à des techniques de fabrication plus simples.
- Sensibilité à la température : Légèrement plus sensible aux variations de température, ce qui peut entraîner des pertes d'efficacité mineures en cas de forte chaleur.
- Durabilité : Durée de vie comparable à celle des panneaux monocristallins, dépassant souvent 25 ans , ce qui en fait un choix fiable pour les applications d’énergie solaire.
Applications du silicium polycristallin
1. Énergie photovoltaïque
Le silicium polycristallin joue un rôle crucial dans la production d’énergie solaire, notamment dans la fabrication de cellules photovoltaïques (PV).
Il existe deux principaux types de panneaux photovoltaïques :
- Panneaux monocristallins – Fabriqués à partir de silicium monocristallin, offrant une efficacité supérieure.
- Panneaux polycristallins – Fabriqués à partir de silicium polycristallin, ce qui est plus rentable mais légèrement moins efficace.
Le choix entre les panneaux monocristallins et polycristallins dépend des exigences de performance et des considérations budgétaires.
2. Électronique
Le silicium polycristallin présente des propriétés métalliques modérées, ce qui lui permet de remplacer l'aluminium dans les composants semi-conducteurs. Il est largement utilisé dans les circuits intégrés en raison de sa résistance mécanique et de sa stabilité.
Dans les condensateurs intégrés, le silicium polycristallin forme les plaques conductrices, tandis que l'oxyde de silicium sert de diélectrique. Comparé au silicium de haute pureté utilisé dans l'électronique de pointe, le silicium polycristallin peut être produit à l'aide de techniques plus simples et plus rentables.
Panneaux photovoltaïques polycristallins
Les cellules solaires polycristallines ont une efficacité comprise entre 12 et 21 %. Elles sont souvent produites en recyclant des composants électroniques mis au rebut, appelés « déchets de silicium », qui sont ensuite refondus pour créer une structure cristalline uniforme.
Le procédé de fabrication consiste à faire fondre des résidus de silicium dans un creuset, à les refroidir pour favoriser la cristallisation verticale et à former un bloc de silicium (généralement de 150 à 200 kg). Ce bloc est ensuite découpé en lingots, puis en fines plaquettes similaires à celles utilisées dans les cellules solaires monocristallines. Les plaquettes sont nettoyées avec une solution de soude et dopées au phosphore pour former des jonctions PN, essentielles à la conversion de l'énergie solaire.
Comment le silicium polycristallin est-il produit ?
La plupart du silicium polycristallin est fabriqué sous forme de tiges cylindriques grises à surface dendritique rugueuse. Ces tiges sont brisées en fragments et emballées dans des sacs en polyéthylène pour être distribuées.
Le processus de production comprend généralement :
- Ensemencement – Une graine de silicium mono- ou polycristallin est introduite pour initier la croissance cristalline.
- Cristallisation – Des cristallites compactes, ressemblant à de courtes aiguilles, se développent à partir de la graine.
- Croissance dendritique – Sous des taux de sédimentation élevés, des structures dendritiques peuvent se former, affectant la qualité du matériau final.
La pureté de la graine a un impact significatif sur la résistivité électrique et la qualité globale de la tige de silicium polycristallin.
Silicium polycristallin et efficacité de conversion
Le silicium polycristallin présente généralement une pureté et une efficacité inférieures à celles du silicium monocristallin. Cependant, sa production dans des réacteurs à lit fluidisé présente des avantages, tels qu'un dépôt de surface plus important et une meilleure utilisation des matières premières.
Malgré ces avantages, le silicium granulaire produit de cette manière contient souvent des matériaux amorphes et des particules fines provenant du revêtement du réacteur. Par conséquent, il est principalement utilisé pour la fabrication de verre de qualité solaire et de panneaux solaires polycristallins, où une pureté ultra-élevée est moins critique.