Du quartz au toit, comment naît un panneau en silicium

La fabrication d'un panneau solaire en silicium suit un processus en cinq grandes étapes : extraire le silicium du quartz, le purifier, le cristalliser en lingot, découper des plaques, en faire des cellules photovoltaïques puis assembler ces cellules en module. Le rendement des panneaux photovoltaïques se joue à chacune d'elles.

Pourquoi le silicium domine la fabrication des panneaux solaires

Le silicium est le deuxième élément le plus abondant de la croûte terrestre après l'oxygène, et c'est un semi-conducteur dont le comportement face à la lumière est connu depuis des décennies grâce à l'industrie électronique. Ces deux qualités expliquent qu'il soit utilisé dans l'immense majorité des panneaux solaires vendus dans le monde : la technologie au silicium cristallin représente l'essentiel du marché, loin devant les panneaux à couche mince.

Le principe physique est l'effet photoélectrique, ou plus précisément l'effet photovoltaïque. Quand le rayonnement solaire frappe une cellule de silicium, les photons cèdent leur énergie à des électrons du matériau. Une jonction P-N, créée pendant la fabrication par l'ajout d'atomes de bore ou de gallium d'un côté et de phosphore de l'autre, sépare ces charges et les pousse dans un sens unique : il en sort un courant continu. Un onduleur le transforme ensuite en courant alternatif pour l'installation de la maison ou le réseau.

Le silicium a cependant une exigence : il doit être extrêmement pur et, idéalement, former un cristal parfait. Chaque impureté ou défaut du réseau cristallin piège une partie des électrons libérés, qui ne produisent alors plus d'électricité. Toute la chaîne de fabrication d'un panneau photovoltaïque vise donc à obtenir un silicium pur, bien ordonné, puis à le protéger pendant plusieurs décennies.

Du sable au silicium métallurgique

La production du silicium commence dans une carrière de quartz, et non sur une plage : le sable ordinaire contient trop d'impuretés. Le quartz retenu est une silice (SiO₂) très pure, concassée en morceaux de quelques centimètres. Cette matière première est introduite avec du carbone (charbon, coke, copeaux de bois) dans un four à arc électrique où la température dépasse 1 800 °C.

À cette chaleur, le carbone arrache l'oxygène de la silice : c'est une réduction carbothermique, qui libère du monoxyde de carbone et laisse du silicium liquide au fond du four. Coulé puis refroidi, ce produit est le silicium métallurgique, d'une pureté d'environ 98 à 99 %. Il sert aussi à fabriquer des alliages d'aluminium et des silicones ; seule une petite partie de la production part vers le solaire. L'extraction et ce premier raffinage se font souvent sur un site proche de centrales hydroélectriques, car le four utilise une électricité abondante.

Pour une cellule, cette pureté reste très insuffisante : le fer, l'aluminium, le bore ou le phosphore présents en excès dégraderaient le rendement. Le silicium métallurgique n'est donc qu'un produit intermédiaire, que l'étape suivante doit purifier d'un facteur considérable.

La purification, étape clé du silicium solaire

La purification du silicium métallurgique passe le plus souvent par le procédé Siemens. Le silicium broyé réagit avec de l'acide chlorhydrique pour former du trichlorosilane, un liquide que l'on distille comme de l'alcool afin d'en séparer les impuretés. Ce gaz est ensuite décomposé dans un réacteur où des barreaux de silicium chauffés vers 1 100 °C se recouvrent, couche après couche, de silicium pur. Le résultat, appelé polysilicium, atteint au moins 99,9999 % de pureté (« six neuf »).

Cette transformation chimique est la plus gourmande en électricité de toute la chaîne : l'ordre de grandeur souvent cité est de 50 à 60 kWh par kilogramme de silicium purifié avec les réacteurs récents. D'autres procédés existent, comme le réacteur à lit fluidisé qui produit des granules de silicium, ou le silicium métallurgique amélioré, purifié par des voies physiques ; ils consomment moins mais restent minoritaires.

Le silicium pur obtenu se présente sous forme de blocs ou de granules gris métallisé. Il n'a pas encore de structure utile pour le photovoltaïque : il faut le refondre et le faire cristalliser.

Cristalliser le lingot : monocristallin ou multicristallin

La cristallisation du silicium décide du type de panneau. Le silicium purifié est fondu à 1 414 °C, sa température de fusion, avec une faible quantité de dopant (bore ou gallium pour une plaque de type P, phosphore pour le type N). Deux méthodes s'opposent ensuite.

Le procédé Czochralski pour le silicium monocristallin

Le procédé Czochralski plonge un petit germe cristallin dans le bain de silicium en fusion, puis le remonte très lentement en le faisant tourner. Le silicium se solidifie autour du germe en reproduisant son ordre atomique : on obtient un lingot cylindrique d'un seul cristal, long de plus de deux mètres. Le creuset en quartz cède un peu d'oxygène au bain ; associé au bore, cet oxygène provoque une perte de rendement dans les premières heures d'exposition, ce qui explique le passage de nombreux fabricants au gallium ou au silicium de type N.

La solidification dirigée pour le silicium multicristallin

Le silicium multicristallin, aussi appelé polycristallin, est obtenu en refroidissant le bain dans un grand creuset carré, de façon contrôlée du bas vers le haut. Le bloc formé contient de nombreux cristaux orientés différemment, reconnaissables à l'aspect moiré bleu des anciennes cellules. Le procédé est plus simple et moins coûteux en énergie, mais les joints entre grains limitent le rendement. Le monocristallin a pris l'essentiel du marché depuis la fin des années 2010, si bien que le multicristallin est devenu marginal dans la production mondiale.

Découper les plaques de silicium

Le lingot monocristallin est d'abord équarri : on retire les arrondis pour obtenir une brique de section presque carrée, ce qui permet de placer plus de cellules dans un module. Ces chutes ne sont pas perdues, elles repartent à la fusion.

La brique est ensuite tranchée par une scie à fil diamanté en plaques très fines, les wafers, d'environ 150 à 180 microns d'épaisseur, et moins sur les lignes récentes. Le sciage transforme une partie notable du silicium en poussière : réduire l'épaisseur du fil et celle des plaques est l'une des pistes suivies par l'industrie pour économiser la matière première. Les formats se sont agrandis ces dernières années, avec des plaques de 182 mm (M10) et de 210 mm (M12) de côté qui permettent des modules plus puissants.

Chaque plaquette est lavée, contrôlée (épaisseur, fissures, résistivité) et triée avant de partir vers la ligne cellule. Une plaquette fissurée à ce stade deviendrait un défaut visible bien plus tard, sur le toit.

Comment une plaque devient une cellule photovoltaïque

La fabrication de la cellule transforme une plaque de silicium passive en composant capable de produire de l'électricité. Les opérations s'enchaînent en quelques heures sur des lignes très automatisées.

• Texturation : un bain chimique creuse la surface en micro-pyramides qui renvoient la lumière vers le silicium au lieu de la réfléchir et favorisent son absorption.
• Diffusion : un four introduit du phosphore (ou du bore) en surface pour former la jonction P-N.
• Passivation et couche antireflet : un dépôt de nitrure de silicium donne à la cellule sa couleur bleu foncé à noire et limite les pertes d'électrons en surface.
• Métallisation : des pistes d'argent sont sérigraphiées en face avant, de l'aluminium ou de l'argent en face arrière, puis frittées vers 800 °C.
• Test : chaque cellule passe sous un simulateur de lumière et elle est classée selon sa puissance.

Les architectures de cellules ont beaucoup évolué. La technologie PERC ajoute une couche de passivation en face arrière ; la technologie TOPCon y ajoute une couche d'oxyde ultrafine qui réduit encore les pertes ; l'hétérojonction associe silicium cristallin et couches de silicium amorphe, avec un très bon comportement à la chaleur. La recherche vise désormais les cellules tandem, qui superposent le silicium et une autre couche active : les progrès de la cellule pérovskite et de son rendement en laboratoire en sont le moteur.

L'assemblage du module solaire

L'assemblage du module est l'étape où les cellules deviennent un produit installable. Les cellules sont d'abord reliées en série par des rubans de cuivre étamé pour former des chaînes, les strings. Plusieurs chaînes sont disposées côte à côte, puis empilées dans cet ordre : verre trempé en face avant (souvent 3,2 mm, moins pour les modules verre-verre), une feuille d'encapsulant (EVA ou POE), les cellules, une seconde feuille d'encapsulant et une face arrière, film polymère ou second verre.

L'ensemble passe dans un laminateur, chauffé autour de 150 °C pendant une quinzaine de minutes : l'encapsulant fond et soude les couches entre elles, sans bulle d'air. On pose ensuite le cadre en aluminium, qui rigidifie le panneau et sert à le fixer, puis la boîte de jonction collée au dos. Cette boîte contient les diodes de dérivation, qui évitent qu'une cellule ombrée ne freine toute sa chaîne, et les câbles de raccordement.

Les modules à double face reprennent ce principe avec un verre transparent à l'arrière ; la production de la face arrière d'un panneau bifacial dépend alors surtout de la réflexion du sol.

Contrôles qualité avant l'expédition

Un panneau photovoltaïque sort de l'usine après deux contrôles systématiques. Le flash test mesure sa puissance sous une lumière normalisée et inscrit la valeur sur l'étiquette. L'électroluminescence, sorte de radiographie du module, fait apparaître les micro-fissures, les soudures défaillantes ou les cellules de moindre qualité.

Les modèles de série sont par ailleurs certifiés selon des normes internationales, comme l'IEC 61215 (cycles de chaleur et de gel, humidité, charge de neige et de vent) et l'IEC 61730 (sécurité électrique). Ces essais écartent les conceptions fragiles sans garantir une durée de vie précise. Certains défauts n'apparaissent qu'après des mois en service : le phénomène PID, dégradation induite par le potentiel, en est l'exemple le plus étudié, et un bon choix de verre et d'encapsulant à la fabrication le limite fortement.

Où sont fabriqués les panneaux solaires

La production mondiale de panneaux solaires est concentrée en Chine. Le rapport de l'Agence internationale de l'énergie sur les chaînes d'approvisionnement du photovoltaïque, publié en juillet 2022, estimait la part chinoise à plus de 80 % à chaque étape de fabrication, polysilicium, lingots, plaques, cellules et modules, et davantage encore pour les plaques. Le reste se partage surtout entre d'autres pays d'Asie.

L'Europe, et la France en particulier, fabrique surtout des modules à partir de cellules importées ; quelques projets d'usines de cellules et de plaques ont été annoncés sans changer, pour l'instant, l'équilibre du marché. Pour un acheteur, la mention « assemblé en France » ou « fabriqué en Europe » porte donc le plus souvent sur la dernière étape seulement. La fiche technique ou l'installateur peuvent préciser l'origine des cellules et du silicium, une information utile à qui veut savoir d'où vient réellement son système.

Énergie grise et empreinte carbone de la fabrication

L'impact environnemental d'un panneau tient surtout à sa fabrication, puisqu'il ne rejette rien en fonctionnement. La purification et la cristallisation du silicium consomment beaucoup d'électricité : l'empreinte carbone d'un module dépend donc avant tout du mix électrique du pays où ces étapes ont lieu. Un même panneau a un bilan nettement meilleur si son silicium a été produit avec une électricité peu carbonée.

Le temps de retour énergétique, c'est-à-dire la durée de production nécessaire pour rembourser l'énergie dépensée à la fabrication, est de l'ordre d'une à deux années selon l'ensoleillement, d'après les analyses de cycle de vie publiées par l'institut allemand Fraunhofer ISE. Sur une durée de vie de plusieurs décennies, le panneau produit donc bien plus d'énergie qu'il n'en a coûté.

En France, les appels d'offres de la Commission de régulation de l'énergie tiennent compte d'une évaluation carbone simplifiée des modules, ce qui pousse les fabricants à publier ces données. Un particulier peut demander ce bilan carbone à son installateur pour comparer des panneaux de même puissance avant une installation en autoconsommation ; c'est une aide au choix plus parlante que l'origine affichée, car une méthode de calcul différente de celle utilisée par la CRE rend deux chiffres difficiles à comparer.

La fin de vie, dernière étape du cycle

Le cycle de vie d'un panneau en silicium se termine par le recyclage, obligatoire en France depuis que les panneaux sont classés parmi les déchets d'équipements électriques et électroniques. Le verre forme l'essentiel de la masse d'un module ; on récupère aussi l'aluminium du cadre, le cuivre des câbles, le silicium et l'argent des cellules. Le recyclage des panneaux, de la collecte au tri des matériaux, est organisé par l'éco-organisme Soren, et le coût en est inclus dans le prix d'achat.

Récupérer le silicium avec une pureté suffisante pour refaire des cellules reste difficile ; il repart le plus souvent vers d'autres usages. Concevoir des modules plus faciles à démonter, avec moins d'argent et sans plomb dans les soudures, fait partie des chantiers actuels de l'industrie.

Le silicium dans la fabrication d'un panneau, en trois questions

Combien de temps faut-il pour fabriquer un panneau solaire ?

La fabrication d'un panneau solaire, du quartz au module, s'étale sur plusieurs semaines si l'on compte chaque usine de la chaîne, mais les dernières étapes sont rapides : une plaque devient une cellule en quelques heures et l'assemblage d'un module prend moins d'une heure sur une ligne automatisée.

Quelle est la différence entre silicium monocristallin et polycristallin ?

Le silicium monocristallin forme un seul cristal, tiré par le procédé Czochralski, tandis que le silicium polycristallin, ou multicristallin, contient de nombreux grains. Le premier offre un meilleur rendement et domine aujourd'hui le marché ; le second, moins cher à produire, est devenu rare.

Un panneau en silicium contient-il des matériaux rares ?

Un panneau en silicium cristallin est fait surtout de verre, d'aluminium, de polymères et de silicium, des matériaux abondants. Il contient aussi un peu d'argent dans les contacts des cellules et du cuivre ; l'argent est le matériau que l'industrie cherche le plus à réduire.