Une façon plus brillante de fabriquer des cellules solaires

La fabrication de cellules solaires implique de soumettre des plaquettes de silicium à des températures supérieures à 1 000 °C. Le processus implique normalement l'utilisation d'éléments chauffants et nécessite beaucoup d'énergie.

Un nouveau four optique développé par des chercheurs du National Renewable Energy Laboratory à Golden, Colorado, chauffe les plaquettes solaires en concentrant la lumière sur elles, un processus beaucoup plus efficace qui utilise environ la moitié de l'énergie d'un four conventionnel. Plus important encore, la nouvelle conception utilise également la lumière pour éliminer certaines impuretés des plaquettes de silicium, une étape qui peut améliorer la puissance de sortie des cellules finies.

Le travail n'en est qu'à ses débuts – jusqu'à présent, les chercheurs n'ont amélioré l'efficacité des cellules solaires résultantes que d'un demi-point de pourcentage. Mais sur la base de tests en laboratoire, ils pensent qu'ils peuvent augmenter l'efficacité de quatre points de pourcentage, d'environ 16% d'efficacité à 20%, ce qui serait un gros problème dans l'industrie solaire, qui célèbre même des augmentations d'un demi-pour cent.

Des températures élevées sont nécessaires à plusieurs étapes de la fabrication des cellules solaires. Les fours sont utilisés pour introduire des dopants dans le silicium afin de créer des champs électriques dans le matériau, pour créer des contacts électriques et pour oxyder les surfaces afin d'améliorer l'efficacité. Le nouveau four permet également un meilleur contrôle de certains de ces processus, ce qui peut améliorer l'efficacité d'une cellule solaire.

La conception de NREL n'est pas la seule à utiliser la lumière pour traiter le silicium. Les fours de traitement thermique rapide, utilisés dans l'industrie de la microélectronique, utilisent également la lumière pour chauffer les semi-conducteurs. Mais les nouveaux fours utilisent des céramiques hautement réfléchissantes et résistantes à la chaleur pour garantir que la lumière n'est absorbée que par une plaquette de silicium, et non par les parois à l'intérieur du four. Cela le rend beaucoup plus efficace, explique Bhushan Sopori, le chercheur en charge du projet de four au NREL.

En concevant avec précision la forme de l'intérieur du four, les chercheurs peuvent contrôler exactement où la lumière est focalisée, garantissant que les plaquettes sont chauffées uniformément. Il ne suffit pas de s'assurer que la plaquette est uniformément éclairée - les bords doivent recevoir plus de lumière car ils perdent de la chaleur plus rapidement que le reste de la plaquette.

Le processus réduit le stress thermique sur les plaquettes et permet un contrôle précis des réactions chimiques que permet le chauffage. Un contrôle précis des taux et de la synchronisation du chauffage peut également améliorer les contacts électriques sur la cellule solaire, améliorant ainsi son efficacité. Et cela rend pratique l'introduction d'une étape d'oxydation. L'oxydation n'a généralement été utilisée que par quelques fabricants pour les cellules solaires haut de gamme, mais le nouveau processus le rendrait moins cher et permettrait ainsi à plus de fabricants de l'utiliser.

Sopori dit que NREL a développé des processus qui tirent mieux parti des effets photoniques que les fours de traitement thermique rapide. Lorsque les photons interagissent avec le silicium, ils peuvent provoquer la sortie d'impuretés délétères telles que le fer, tout en conservant des impuretés avantageuses telles que le bore, nécessaire au bon fonctionnement de la cellule solaire.

Les chercheurs n'ont pas encore réalisé l'amélioration complète de quatre points de pourcentage de l'efficacité en partie parce que les nouvelles étapes de traitement ne sont pas toutes compatibles avec les autres étapes de la fabrication conventionnelle. Sopori dit qu'ils travaillent à modifier les autres étapes pour tirer pleinement parti du four optique.

NREL travaille également avec Advanced Optical Systems pour développer une machine qui peut traiter non pas une seule plaquette à la fois, comme avec la version de laboratoire, mais jusqu'à 2 000. Un tel débit élevé sera nécessaire si les fours doivent concurrencer les fours conventionnels, qui sont bon marché à exploiter.

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