L’énergie solaire est en plein essor, et la fabrication de panneaux solaires est au cœur de cette révolution.
Alors que la demande en énergie propre explose à travers le monde, les fabricants sont soumis à une pression croissante pour produire des panneaux plus efficaces, plus durables et plus rentables. Cependant, atteindre cet équilibre est plus facile à dire qu’à faire.
Dans cet article, nous allons explorer comment les panneaux solaires sont fabriqués et les principaux défis auxquels est confrontée la chaîne d’approvisionnement en énergie solaire.
Nous aborderons également les récentes améliorations et les opportunités permettant de surmonter ces défis, notamment la technologie laser.
Dans notre précédent article au sujet de la fabrication des cellules solaires, nous avons abordé la façon dont le composant principal des panneaux solaires est fait soit à partir de silicium cristallin (monocristallin ou polysilicium), de silicium amorphe ou de tellurure de cadmium pour les panneaux solaires à couche mince.
Ici, nous considérerons le processus de fabrication des cellules solaires comme achevé et passerons directement à la production de panneaux solaires :
Des cellules aux modules photovoltaïques
Tout d’abord, les cellules solaires sont reliées entre elles dans une usine de fabrication de modules solaires. Au cours de cette étape, une machine à enfiler les fins fils métalliques assure l’alignement correct des cellules et les soude pour former des modules photovoltaïques (également appelés modules solaires).
En fonction du courant et de la tension requis, ces modules peuvent avoir différentes configurations et un nombre variable de cellules interconnectées.
La quantité de busbars (bandes métalliques transportant le courant électrique) appliquées sur les cellules peut également varier afin de répondre à différentes exigences en matière d’efficacité et de résistance à l’usure.
Ensuite, une couche de film d’éthylène-acétate de vinyle (EVA) encapsule les cellules solaires afin d’assurer leur protection contre les intempéries et leur stabilité photovoltaïque.
Après cette encapsulation, un couvercle en verre trempé et une feuille arrière sont ajoutés au module solaire afin d’enfermer les cellules et le câblage et d’empêcher l’intrusion d’eau ou de matériaux indésirables.
Des modules photovoltaïques aux panneaux solaires
Une fois les modules assemblés et testés de manière approfondie pour garantir une efficacité optimale, les fabricants de panneaux solaires les équipent d’un cadre en aluminium et d’un adhésif silicone puissant afin de sceller et de protéger les bords.
Une boîte de jonction est ensuite installée à l’arrière du module, où les rubans de circuit sont connectés à des diodes de dérivation.
Les diodes de dérivation garantissent que la production d’énergie solaire circule efficacement dans un seul sens. Les diodes agissent comme des valves électriques unidirectionnelles pour empêcher les flux inversés, qui peuvent entraîner des pertes d’énergie, des dommages matériels et des dangers pour la sécurité.
Dans les panneaux solaires, les diodes sont également utilisées pour contourner les cellules défectueuses ou ombragées (p. ex. par des nuages ou des débris) qui peuvent créer une résistance dans le circuit électrique et provoquer un « effet de point chaud ».
Ces points chauds sont causés par le courant électrique provenant des cellules fonctionnelles. Au lieu de générer un courant, les cellules ombragées dissipent l’énergie des cellules non ombragées sous forme de chaleur, ce qui provoque l’apparition de zones plus chaudes que la normale sur le panneau solaire.
Si le courant n’est pas redirigé autour des cellules ombragées, les points chauds peuvent réduire l’efficacité du panneau et même entraîner des dommages permanents. C’est pourquoi les panneaux solaires ne peuvent pas fonctionner sans diodes de dérivation.
Enfin, l’énergie solaire produite est acheminée par les câbles du boîtier de jonction vers un onduleur, où le courant continu (CC) produit est converti en courant alternatif (CA) avant d’être envoyé vers le réseau électrique extérieur.
Bien que les coûts de production des panneaux solaires photovoltaïques aient déjà baissé de 90 % au cours de la dernière décennie, l’amélioration de leur rendement reste cruciale pour garantir de nouvelles réductions de coûts et la compétitivité sur le marché des énergies propres.
La production de panneaux solaires à haut rendement est plus coûteuse. C’est pourquoi les fabricants de panneaux solaires doivent s’adapter à la nécessité de proposer une énergie solaire abordable, malgré le coût élevé des matières premières performantes telles que la pérovskite et le silicium utilisées pour fabriquer des cellules solaires à jonctions multiples.
Ces composants photovoltaïques innovants ont démontré des gains d’efficacité pouvant atteindre 25 % par mètre carré et s’intègrent relativement bien dans les chaînes de production existantes.
Des recherches supplémentaires sont en cours afin de réduire le coût de production de ces technologies solaires améliorées.
Durabilité et résistance aux intempéries
Au fil du temps, la dégradation des matériaux et composants clés a un impact sur les performances. Les panneaux solaires doivent également résister à des environnements difficiles, des déserts brûlants aux hivers glacials.
Ces raisons ont poussé les entreprises de l’industrie solaire à développer des conceptions plus durables et plus résistantes , telles que les cellules à jonctions multiples, qui combinent le silicium cristallin et la pérovskite.
Tout en restant économique, cette technologie hybride offre un rendement énergétique plus élevé, ce qui rend un panneau solaire plus efficace pendant les 10 à 15 premières années de sa durée de vie de 30 à 40 ans.
Des nanorevêtements autonettoyants sont également en cours de développement afin de maintenir une efficacité optimale même dans les zones les plus exposées à la poussière, comme le montre cette vidéo :
Goulots d’étranglement dans la fabrication
La chaîne d’approvisionnement du photovoltaïque solaire est complexe. De multiples facteurs, notamment les restrictions commerciales internationales et les droits de douane, les défis techniques et les pénuries de matériaux clés (p. ex. le polysilicium et l’argent), entraînent souvent des retards chez les entreprises de l’industrie solaire.
Étant donné que les composants clés de la chaîne d’approvisionnement du photovoltaïque solaire sont produits dans des régions concentrées du monde (p. ex. la Chine), le commerce international a joué un rôle essentiel dans la fabrication à grande échelle de panneaux solaires.
Cependant, l’Agence internationale de l’énergie a signalé que le nombre de droits et taxes à l’importation a été multiplié par dix au cours de la dernière décennie. Une telle expansion des restrictions commerciales risque de ralentir la mise en œuvre mondiale de la technologie solaire et d’autres énergies renouvelables.
Sur le plan technique, les étapes précédant l’assemblage des cellules en modules solaires (découpe des lingots de silicium, texturation des plaquettes, dopage et revêtement) exigent une précision et une exactitude extrêmes pour une efficacité et une durabilité optimales.
Le maintien de ces normes tout en augmentant la capacité de production nécessite des approches innovantes, telles que l’IA et l’automatisation.
Le contrôle qualité basé sur l’IA peut améliorer la production en détectant les défauts des panneaux solaires dès le début du processus de fabrication, comme l’a démontré l’usine Vikram Solar du Tamil Nadu.
L’automatisation industrielle peut également augmenter la productivité et la répétabilité dans diverses applications, notamment le soudage, le nettoyage, la texturation et le marquage.
Nettoyage au laser de panneaux à couche mince pour la récupération et le recyclage des matériaux
Enfin, la production hautement concentrée de minéraux essentiels utilisés dans la fabrication de panneaux solaires photovoltaïques est confrontée à une demande mondiale en forte augmentation. Un déséquilibre entre l’offre et la demande peut à terme entraîner des pénuries et des hausses de coûts considérables.
Les panneaux solaires produisent une énergie propre, mais leur processus de fabrication peut être très gourmand en ressources. Par exemple, l’importation de matières premières a une empreinte carbone inhérente, et la fabrication de semi-conducteurs en silicium nécessite d’énormes quantités d’eau.
La réduction des déchets, de la consommation d’énergie et de l’utilisation d’eau est essentielle pour une production durable.
Des rapports ont montré que le recyclage des panneaux solaires photovoltaïques pourrait répondre à une part importante de la demande de matériaux de l’industrie (p. ex. le silicium, l’argent, le cuivre, l’aluminium et le verre).
La récupération des matériaux semi-conducteurs à partir de panneaux usagés, par exemple, peut améliorer la durabilité et réduire l’empreinte carbone des installations de fabrication.
Les préoccupations croissantes du public concernant la présence potentielle de PFAS dans les modules solaires, entre autres considérations, poussent également l’industrie solaire à adopter des pratiques plus durables.
Par exemple, l’utilisation de solvants verts ou de procédés de traitement des matériaux sans solvants (p. ex. le nettoyage et la texturation par laser) est de plus en plus populaire.
Les avantages de la technologie laser pour l’industrie solaire
Les avantages de la technologie laser automatisée sont nombreux, depuis la réduction des déchets et de la consommation de matériaux jusqu’à l’amélioration des temps de cycle et de la répétabilité.
La fabrication de panneaux solaires à l’aide d’un ou plusieurs procédés laser permet :
de garantir une précision élevée et constante
d’améliorer l’efficacité et les temps de cycle
d’améliorer les capacités de recyclage
de réduire l’empreinte carbone
de réduire au minimum les rebuts et les retouches
Laserax soutient actuellement l’industrie solaire à travers deux applications principales :
Suppression des bords au laser : une solution sans contact très précise qui permet d’éliminer efficacement les revêtements des bords des panneaux solaires à couche mince.
Nettoyage des couches minces pour le recyclage : un processus de nettoyage avancé et écologique qui facilite considérablement la récupération des matériaux photovoltaïques solaires de valeur.
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La Dre. Annick Anctil est professeure agrégée à l’École d’ingénierie de l’Université du Michigan, où elle dirige des recherches sur l’évaluation anticipée de la durabilité. Elle utilise l’évaluation proactive de la durabilité pour réduire l’impact environnemental et financier des nouvelles technologies. Ses recherches portent principalement sur l’évaluation de l’impact environnemental des technologies photovoltaïques et des batteries, en particulier l’effet de l’extraction et du recyclage des matériaux destinés à des applications énergétiques.
Laserax fabrique des systèmes laser pour les équipementiers et des machines laser clés en main permettant d’intégrer facilement le marquage laser, le nettoyage laser, la texturation par laser et le durcissement laser dans les lignes de production. Grâce à son expertise en matière de laser, ses solutions sont sûres et efficaces.
La fabrication des cellules solaires a considérablement évolué ces dernières années. L’énergie solaire devant connaître une croissance extraordinaire, l’avenir proche sera probablement marqué par encore plus d’innovations technologiques. Dans cet article, nous aborderons les étapes du processus de fabrication des cellules solaires. Nous mettrons également en évidence les défis et les progrès réalisés pour rendre les cellules solaires photovoltaïques plus efficaces et plus durables.
