polysilicium

Le polysilicium est du silicium raffiné à haute pureté, typiquement 99,9999 % (six neuf) ou mieux, puis solidifié en un lingot polycristallin. Il diffère du silicium monocristallin par le fait qu'il contient de nombreux petits grains cristallins avec des orientations aléatoires plutôt qu'un réseau continu. Ce matériau est la matière première fondamentale pour presque toutes les cellules photovoltaïques et la plupart des fabrications de semi-conducteurs, où la pureté chimique et la structure granulaire contrôlée importent plus qu'un alignement atomique parfait.

La production commence avec du silicium de qualité métallurgique, qui n'est pur qu'à 98 % et ne convient pas à l'électronique. Les producteurs utilisent soit le procédé Siemens, soit la méthode du réacteur à lit fluidisé (FBR). La voie Siemens réduit le tétrachlorure de silicium avec de l'hydrogène à haute température, déposant du silicium ultra-pur sur des filaments chauffés; le FBR suspend de fines particules de silicium dans un flux de gaz réactif, construisant la charge dans un lit fluidisé. Les deux méthodes produisent un noyau de silicium qui est ensuite fondu, coulé en lingots et refroidi. Le lingot résultant présente des joints de grains visibles sous la lumière et se brise le long de ces plans plus facilement que les tranches monocristallines.

Pour les applications solaires, le polysilicium est fondu et coulé en lingots carrés ou quasi-carrés, puis découpé en tranches. Les joints de grains diffusent la lumière et piègent les porteurs de charge, réduisant l'efficacité des cellules par rapport aux concurrents monocristallins de 2 à 4 points de pourcentage lors de tests de laboratoire standard. Cependant, le coût par watt inférieur a maintenu la dominance des cellules solaires en polysilicium dans le déploiement mondial, en particulier dans les installations à grande échelle. Pour la fabrication de dispositifs semi-conducteurs, la matière première de polysilicium est ensuite transformée en boules monocristallines via la méthode Czochralski ou de zone flottante, ce qui est une étape distincte et beaucoup plus coûteuse.

Défauts et performances

Les impuretés d'oxygène, de carbone et de fer dégradent la durée de vie des porteurs minoritaires et augmentent les pertes par recombinaison dans les cellules solaires. La concentration de dopants et la ségrégation pendant la solidification créent des variations de résistivité au sein d'un lingot; le dernier matériau à se figer piège les éléments dissous à des concentrations plus élevées. Les contraintes résiduelles de coulée et les gradients thermiques pendant le refroidissement introduisent des réseaux de dislocations qui se propagent à travers les joints de grains. Le contrôle qualité repose sur la mesure de la résistivité électrique, la cartographie de la durée de vie des porteurs minoritaires (photoluminescence ou décroissance de la photoconductivité) et l'inspection optique métallurgique.

Le nom reflète la structure cristalline: de nombreux petits cristaux (poly) de silicium plutôt qu'un seul cristal (mono). Le polysilicium est entré en production de masse dans les années 1980 à mesure que le photovoltaïque solaire se développait; la demande a explosé après 2000 avec les programmes de subventions gouvernementales et les installations connectées au réseau. La Chine fournit maintenant environ 75 % de la capacité mondiale de polysilicium, avec des producteurs majeurs exploitant des usines dans les provinces du Xinjiang et du Sichuan. Les tailles typiques de lingots varient de 480 à 530 millimètres de côté et pèsent de 150 à 200 kilogrammes; les cycles de coulée durent de 48 à 72 heures.