Bases de la fabrication solaire photovoltaïque

La fabrication solaire englobe la production de produits et de matériaux tout au long de la chaîne de valeur solaire. Bien qu'il existe une certaine production de chaleur solaire à concentration, la plupart des fabrications solaires aux États-Unis sont liées aux systèmes photovoltaïques (PV). Ces systèmes comprennent des modules photovoltaïques, des racks et du câblage, de l'électronique de puissance et des dispositifs de surveillance du système, tous fabriqués.

Fabrication de modules photovoltaïques

SILICIUM PV

La plupart des modules photovoltaïques disponibles dans le commerce utilisent du silicium cristallin comme matériau absorbant. Ces modules comportent plusieurs étapes de fabrication qui se déroulent généralement séparément les unes des autres.

• Production de polysilicium – Le polysilicium est un produit de silicium cristallin à grains fins de haute pureté, généralement sous la forme de tiges ou de billes selon la méthode de production. Le polysilicium est généralement fabriqué à l'aide de méthodes reposant sur des gaz hautement réactifs, synthétisés principalement à partir de silicium de qualité métallurgique (obtenu à partir de sable de quartz), d'hydrogène et de chlore. Dans un processus, appelé processus Siemens, le gaz composé silicium-hydrogène-chlore passe sur un filament de silicium chauffé, brisant les liaisons moléculaires et déposant l'atome de silicium sur le filament, qui se transforme finalement en une grande tige de polysilicium en forme de U. Les atomes d'hydrogène et de chlore sont réutilisés en cycle fermé. Pour empêcher le filament de contaminer le poly de haute pureté, le filament lui-même est également constitué de silicium pur. Dans une autre méthode, de petites billes de silicium se trouvent au fond d'un récipient en forme de cône inversé dans lequel un gaz composé de silicium et d'hydrogène est pompé, faisant flotter les petites billes près de la surface. Le chauffage du récipient provoque la rupture des liaisons silicium-hydrogène, ce qui entraîne le dépôt des atomes de silicium sur les petites billes jusqu'à ce qu'elles soient trop lourdes pour flotter et tombent au fond du récipient où elles sont récoltées, prêtes à l'emploi.

• Production de lingots et de plaquettes – Pour transformer le polysilicium en plaquettes, le polysilicium est placé dans un récipient qui est chauffé jusqu'à ce que le polysilicium forme une masse liquide. Dans un processus, appelé processus Czochralski, un grand lingot cylindrique de silicium monocristallin est cultivé en touchant une petite graine cristalline à la surface du liquide et en la tirant lentement vers le haut. Dans un autre processus, appelé solidification directionnelle, la masse liquide est lentement refroidie jusqu'à ce qu'elle se solidifie de bas en haut, formant un lingot de silicium multicristallin à gros grains. Les lingots de silicium sont ensuite découpés en tranches très fines à l’aide de scies à fil diamanté. La sciure de silicium créée est appelée saignée. Bien que cela soit moins courant, la production de tranches sans rainure peut être réalisée en retirant des couches refroidies d'un bain de silicium fondu ou en utilisant des composés de silicium gazeux pour déposer une fine couche d'atomes de silicium sur un gabarit cristallin en forme de tranche.

• Fabrication de cellules – Des tranches de silicium sont ensuite transformées en cellules photovoltaïques. La première étape consiste à texturer chimiquement la surface de la tranche, ce qui élimine les dommages causés par la scie et augmente la quantité de lumière pénétrant dans la tranche lorsqu'elle est exposée au soleil. Les processus ultérieurs varient considérablement en fonction de l'architecture de l'appareil. La plupart des types de cellules nécessitent que la tranche soit exposée à un gaz contenant un dopant électriquement actif et que les surfaces de la tranche soient recouvertes de couches qui améliorent les performances de la cellule. La sérigraphie de métallisations argentées pour les contacts électriques est également très courante parmi les types de cellules.

• Assemblage de modules – Dans une installation d'assemblage de modules, des rubans de cuivre plaqués de soudure relient les barres omnibus en argent sur la surface avant d'une cellule à la surface arrière d'une cellule adjacente dans un processus connu sous le nom de tabulation et de cordage. L'ensemble de cellules interconnectées est disposé face vers le bas sur une feuille de verre recouverte d'une feuille d'encapsulant polymère. Une deuxième feuille d'encapsulant est placée sur les cellules face vers le bas, suivie d'une feuille de fond en polymère résistant ou d'un autre morceau de verre. L'ensemble de la pile de matériaux est laminé dans un four pour rendre le module étanche, puis équipé d'un cadre en aluminium, d'un scellant de bord et d'une boîte de jonction dans laquelle les rubans sont connectés à des diodes qui empêchent tout reflux d'électricité. Les câbles électriques provenant de la boîte de jonction acheminent le courant produit par le module vers un module adjacent ou vers l'électronique de puissance du système.

Systèmes de rayonnages

• Les structures de support construites pour supporter les modules PV sur un toit ou dans un champ sont communément appelées systèmes de rayonnages. La fabrication des systèmes de rayonnages photovoltaïques varie considérablement en fonction de l'endroit où l'installation aura lieu. Les rayonnages au sol sont fabriqués en acier, généralement revêtu ou galvanisé pour se protéger de la corrosion et nécessitent des fondations en béton. Les grands systèmes montés au sol utilisent généralement un mécanisme de suivi à un axe, qui aide les panneaux solaires à suivre le soleil lorsqu'il se déplace d'est en ouest. Le suivi nécessite des pièces mécaniques comme des moteurs et des roulements. Des rayonnages stationnaires (appelés « inclinaison fixe ») peuvent également être utilisés. Les rayonnages de toit dépendent du type de toit. Pour les toits plats, comme ceux des grands bâtiments commerciaux ou industriels, des rayonnages en acier à inclinaison fixe sont utilisés. Il est généralement fixé à des blocs lourds posés sur le toit. Pour les toits résidentiels en pente, les rayonnages sont conçus pour se fixer solidement aux chevrons et maintenir les modules à quelques centimètres au-dessus du toit. Cela permet au flux d'air de refroidir l'arrière des modules, améliorant ainsi leurs performances.

Électronique de puissance

• L'électronique de puissance pour les modules PV, y compris les optimiseurs de puissance et les onduleurs, est assemblée sur des cartes de circuits électroniques. Ce matériel convertit l'électricité en courant continu (CC), générée par un panneau solaire, en électricité en courant alternatif (AC), utilisée par le réseau électrique. Apprenez-en davantage sur le fonctionnement des onduleurs.

• L'assemblage commence par un modèle de circuit imprimé. Une pâte à souder est imprimée là où de petits composants, comme des transistors et des diodes, sont placés à l'aide de la robotique. Parfois, des composants plus gros tels que des condensateurs et des transformateurs sont placés à la main sur la carte. Une fois tous les composants en place, la carte passe dans un bain de soudure dans un four pour connecter les composants. L'ensemble de la carte est recouvert de laque et scellé dans un boîtier étanche avec des ports pour les connexions externes