Comment sont fabriqués les panneaux solaires ?

Un nouveau projet solaire vient d'être installé aux États-Unis.

Réglez une minuterie sur 60 secondes et attendez. Peut-être faire un pas dehors et profiter du soleil.

Zing!—un autre projet solaire vient d'être installé.

Le soleil brille sur l'industrie solaire ; les chiffres sont impressionnants. Aujourd'hui, il y a suffisamment de capacité solaire aux États-Unis pour alimenter l'équivalent de 23 millions de foyers, selon la Solar Energy Industries Association (SEIA). Cela représente 126 gigawatts (GW), provenant de millions de systèmes solaires à travers le pays.

L'industrie solaire américaine était évaluée à 33 milliards de dollars en 2021, employait plus de 230 000 personnes et continuait de croître en capacité électrique à un taux moyen de 33 % par an.

Les panneaux solaires ont généré près de 4 % de l'électricité aux États-Unis en 2021, contre moins de 1 % en 2015. Dans certains endroits, ce nombre est beaucoup plus élevé ; par exemple, 17 % de la production d'électricité de la Californie provenait de l'énergie solaire en 2021. Près de la moitié de toute la nouvelle capacité énergétique ajoutée au réseau américain en 2021 provenait de l'énergie solaire. Encore plus encourageant, d'ici 2030, l'industrie solaire vise à produire près d'un tiers de l'électricité américaine.

Avec autant de panneaux solaires prévus pour les années à venir, vous vous demandez peut-être : que sont exactement les panneaux solaires et comment sont-ils fabriqués ?

Il existe deux types de technologie solaire pour la production d'électricité. Les plus courants sont les panneaux ou modules photovoltaïques (PV), qui utilisent la lumière du soleil pour produire de l'électricité. Une autre technologie, l'énergie solaire à concentration (CSP), utilise à la place la chaleur du soleil.

Le type de panneau PV le plus courant est fabriqué à partir de silicium cristallin (c-SI). Cette technologie représente 84% des panneaux solaires américains, selon le Département américain de l'énergie. D'autres types comprennent le tellurure de cadmium, les panneaux de (di)séléniure de cuivre, d'indium et de gallium et le silicium amorphe à couche mince. Parce que les panneaux c-SI composent la majeure partie du marché américain et mondial, je me concentre sur eux dans ce blog.

Construire un panneau solaire en silicium cristallin, c'est un peu comme construire un château de sable, car le silicium vient du sable ! Le sable de plage est du dioxyde de silicium, alias silice. (Si la patrouille de plage mettait cela sur un panneau d'avertissement, je parie que personne ne mettrait les pieds sur la plage !). Le silicium, sous forme de sable et de gravier de dioxyde de silicium, est le deuxième élément le plus abondant sur Terre, après l'oxygène.

Avant d'être utilisé dans un panneau solaire, le dioxyde de silicium doit être transformé en pur "silicium de qualité métallurgique" (MGS). Ce processus consomme beaucoup d'énergie : produire 1 kilogramme de silicium de qualité métallurgique nécessite 14 à 16 kWh d'énergie, ce qui équivaut à peu près à l'utilisation de votre four domestique pendant sept heures. Pourtant, au cours de leur durée de vie, les panneaux solaires émettent 25 fois moins d'équivalent dioxyde de carbone par kilowattheure que l'électricité alimentée au charbon.

Pause chimie ! La recette pour cuisiner du silicium de qualité métallurgique est

Ajouter 1 partie de dioxyde de silicium (gravier) et 2 parties de carbone (provenant de charbon, de charbon de bois ou de copeaux de bois) dans un four à arc électrique

Montez la chaleur à 2200 degrés Celsius (c'est un tiers de la température du soleil !!)

Ta-da ! Il vous reste 99 % de silicium pur et de monoxyde de carbone (provenant du carbone que nous avons ajouté, lié à l'oxygène que nous avons retiré du dioxyde de silicium)

Mais les panneaux solaires sont perfectionnistes ; ils exigent que le silicium soit proche de 100% de pureté. Pour y parvenir, nous devons transformer le silicium en un métal polysilicium encore plus pur en utilisant un procédé qui implique de l'acide chlorhydrique et de l'hydrogène gazeux. (Fait amusant : environ 12 % de la production mondiale de silicium est actuellement transformée en polysilicium pour panneaux solaires.)

Après avoir ajouté l'acide et le gaz, il nous reste des morceaux de polysilicium métallique, qui sont généralement refondus dans un moule cylindrique d'environ 5 mètres de long. Le bore est ajouté pour donner au métal une charge électrique positive d'un côté. Le silicium chaud et fondu se refroidit et forme une structure monocristalline ("monocristalline") sous la forme d'un lingot cylindrique. Les lingots sont tout matériau coulé dans une forme rectangulaire, comme des lingots d'or.

(Un autre procédé est utilisé pour fabriquer des tranches de silicium "polycristallin", dans lesquelles plusieurs cristaux se forment. Ce procédé a tendance à conduire à des panneaux moins efficaces mais peut réduire le coût des tranches.)

Ensuite, une scie à fil coupe les blocs de métal pur de polysilicium en fines tranches plates, généralement de 7 pouces sur 7 pouces, appelées wafers.

Les plaquettes sont chauffées dans un four et une fine couche de phosphore est ajoutée, donnant à une face (l'opposée de la face positive du bore) une charge négative. Ensuite, un revêtement antireflet est ajouté aux tranches car sans lui, ces disques brillants reflètent la lumière du soleil et nous voulons qu'ils l'absorbent à la place. A ce stade, les wafers sont désormais capables d'absorber l'énergie solaire et de la convertir en électrons. Nous devons maintenant ajouter des conducteurs en métal argenté pour que ces électrons puissent être transformés en un courant électrique que les appareils peuvent utiliser !

L'argent, l'élément le plus conducteur au monde, intercepte les électrons dans les tranches de silicium et les transforme en courant. Les tranches de silicium forment maintenant une cellule solaire conductrice. Chaque panneau solaire, contenant généralement 60 ou 72 cellules, utilise environ 20 grammes d'argent, une fraction du poids du panneau mais environ 10 % de son coût total.

Les conducteurs et le câblage en cuivre métallique relient les cellules solaires en un seul grand panneau solaire, lui donnant l'apparence classique de la matrice. Le cuivre est un bon conducteur électrique et très malléable, ce qui en fait un excellent matériau pour former le câblage qui fait passer le courant à travers le panneau.

Zap ! Un panneau solaire a été fabriqué.

Maintenant, multipliez-le par environ 60 millions pour les seuls États-Unis, chaque année.

Et puis accélérer, car nous avons besoin que l'énergie solaire joue un rôle de plus en plus important dans la réalisation de nos objectifs en matière d'énergie propre et de climat.

Il y a beaucoup de choses qui entrent dans la réalisation de l'énergie solaire au-delà de la construction de panneaux, mais l'accélération responsable de la fabrication et de l'installation de panneaux solaires est une étape critique dans le cheminement vers un avenir d'énergie renouvelable juste et durable.

Vous voulez en savoir plus sur la chaîne d'approvisionnement des panneaux solaires ? Quels pays sont à l'origine de l'extraction de matériaux PV et de la fabrication PV ? À quoi ressemble l'industrie de la réparation et de la réutilisation des panneaux solaires aujourd'hui ? Comment pouvons-nous recycler les matériaux des panneaux solaires et créer une chaîne d'approvisionnement circulaire avec moins de déchets ? Cliquez sur les liens pour obtenir des réponses !

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Les panneaux solaires doivent être réutilisés et recyclés. Voici comment

Publié dans:Énergie

Mots clés:Fabrication, Énergie renouvelable, cycle de vie de l'énergie renouvelable, solaire, PV solaire

A propos de l'auteur

Charlie Hoffs a été boursier d'été Schneider UCS 2022 à Cambridge, Massachusetts. Elle a obtenu son baccalauréat en génie chimique de l'Université de Stanford en 2022 et poursuit actuellement une maîtrise en recherche sur la santé communautaire et la prévention à Stanford. En avril 2020, elle a cofondé et continue de co-diriger unBox, une organisation dirigée par des jeunes qui travaille à unir et à donner aux jeunes les moyens de lutter contre l'insécurité alimentaire aux États-Unis.

Rachel Cleetus Directrice des politiques

John Rogers Responsable analytique de la campagne énergétique

Maria Chavez Analyste énergétique