Meyer Burger AG et ses solutions pour l`industrie

Rapport des clients
Meyer Burger AG et ses solutions pour l'industrie solaire
Les énergies renouvelables sont d’une grande importance dans les débats actuels sur la
production énergétique. L’énergie solaire fait l’objet de grandes attentes. Mais comment des
cellules solaires compétitives sont-elles fabriquées ? La société suisse Meyer Burger AG
propose des machines et son savoir-faire pour les étapes essentielles du procédé et MettlerToledo les méthodes analytiques correspondantes.
L. Candreia
de mesure, les systèmes de contrôle-commande, les biens de consommation, le
savoir-faire et le service après vente.
Peut-on gagner de l’argent avec le courant solaire ? La réponse à cette question
dépend essentiellement des coûts de fabrication et de la qualité des modules
solaires. Il s’y cache un procédé de fabrication complexe et passionnant.
La société Meyer Burger Technology
AG est leader dans la fourniture de systèmes et la fabrication de plaquettes, de
cellules et de modules pour l’industrie
solaire (photovoltaïque). L’achat de sociétés technologiques, des coopérations
stratégiques et la récente fusion avec 3S
Industries a permis de créer en quelques
années un groupe industriel de huit sociétés et de plus de mille collaborateurs,
qui couvre l’ensemble du processus de
création de valeur. Le portefeuille comprend notamment les machines de production, l’automatisation et les systèmes
Figure 1 :
Scie à fil pour couper les briques de
silicium en fines
plaquettes.
La société Meyer Burger AG (MBAG), fondée en 1953, était auparavant active dans
la fabrication de perceuses pour pierres
d’horlogerie. Elle s’est ensuite concentrée
sur l’industrie des semi-conducteurs avec
les machines de séparation, avant de se
tourner vers l’industrie solaire à l’aube
du nouveau millénaire. La société MBAG
réalise à présent nettement plus de 90%
de son chiffre d’affaires dans le domaine
photovoltaïque.
La MBAG développe et produit à Thoune,
en Suisse, non seulement des scies spéciales, notamment des scies à fil (« Bricking » et « Wafering »), pour la découpe
en plaquettes, prismes et autres formes
de matériaux durs et fragiles tels que le
silicium, le saphir, le verre, le quartz et
autres cristaux (fig. 1), mais elle fournit
également et conçoit des systèmes et des
installations de production clés en mains.
Les principaux processus dans le photovoltaïque
La production du courant solaire ne doit
pas être confondue avec les collecteurs
solaires qui réchauffent uniquement
l’eau. La fabrication de cellules solaires
est nettement plus complexe et nécessite,
du grain de sable au module fini, des
douzaines d’étapes (fig. 2).
Figure 2 :
De la brique au
module solaire.
1ère étape : Silicium très pur
Le silicium, matière semi-conductrice et
extrêmement fragile, est utilisé comme
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matériau de base des cellules solaires. Le
quartz siliceux est fondu dans un four
avec du coke ou du charbon et transformé en silicium brut (silicium métallurgique) d’une pureté de 99% environ.
La pureté du silicium est encore augmentée dans une étape complexe de purification utilisant un produit chimique
intermédiaire, le trichlorosilane. A partir des granulés ou des blocs de silicium
cristallin obtenu (silicium solaire, silicone solaire), des lingots (blocs) de silicium polycristallin sont coulés. Pour les
cellules solaires d’un rendement encore
plus élevé, on fait croître des monocristaux de silicium (silicone électronique,
silicium semi conducteur, impuretés
<1 ppb).
2ème étape : Plaquette
Au cours de l’étape de découpe, appelée
« Ingot / Wafer slicing », les lingots sont
quadrillés en plus petites barres puis
découpés en fines plaquettes carrées. La
coupe du lingot de silicium est une des
étapes les plus délicates de l’ensemble du
processus (fig. 3).
3ème étape : Cellule
Une cellule solaire est fabriquée à partir
de la plaquette. La fabrication de la cellule est un procédé physico-chimique nécessitant plusieurs étapes. Les principales
étapes sont : le dopage, le revêtement
antiréfléchissant et la réalisation des
contacts électriques. Après sa fabrication,
la cellule a son aspect caractéristique et
peut transformer la lumière solaire en
courant électrique.
Figure 3 :
A partir de briques,
des plaquettes
monocristallines à
gauche et polycristallines à droite.
4ème étape : Module
La fabrication du module consiste à rassembler les cellules solaires en une unité
prête à l’emploi. Plusieurs cellules solaires sont connectées à des générateurs
solaires afin de produire la puissance
utile. Elles sont encapsulées dans des modules de verre résistants aux intempéries
et ne nécessitant pas de maintenance.
5ème étape : Installation
L’étape suivante est l’installation sur les
toits ou dans les centrales solaires. Des
onduleurs sont également nécessaires
afin de transformer le courant continu
en courant alternatif qui alimentera le
réseau public.
Nous traitons ci-dessous plus en détail
la deuxième étape : la fabrication des
plaquettes.
Procédé de coupe : du lingot
de silicium à la plaquette
Les lingots de silicium monocristallin
ont une section circulaire et doivent tout
d’abord être sciés en briques octogonales.
Le silicium polycristallin est livré sous la
forme de blocs de l’ordre du mètre carré et
scié en parallélépipèdes plus petits à base
carrée.
La barre de silicium (brique) est collée sur
un support et découpée en une étape, à
l’aide d’une scie à fil, en 3000 plaquettes
(wafers) environ. Le fil d’acier est déroulé
d’une bobine et tiré sur deux rouleaux de
guidage au minimum. Les rouleaux de
guidage possèdent des rainures disposées
à distance constante – correspondant à
l’épaisseur souhaitée de la plaquette. Le
fil traverse chacune des rainures du rouleau pour former un réseau complet de fil.
Un fil d’une longueur allant jusqu’à
800 kilomètres est de nouveau enroulé
sur une bobine. Une suspension, généralement un mélange de carbure de silicium et de polyéthylène glycol (appelé
« slurry »), est appliquée par des buses sur
le réseau de fils en déplacement et génère
une abrasion mécanique. La barre de sili-
Figure 4 :
Représentation
schématique de la
brique lentement
abaissée dans le
réseau de fils.
cium est abaissée dans le réseau de fils et
les fils recouverts de suspension coupent
le matériau en plaquettes (fig. 4 et 5).
Une autre méthode de coupe utilise un
fil diamanté auquel les diamants provoquant l’abrasion sont liés mécaniquement. Il n’y a dans ce cas aucune suspension mais uniquement un liquide de
refroidissement, en général de l’eau et un
additif (fig. 6).
Figure 5 :
Représentation
schématique du fil
d’acier pénétrant
dans la brique avec
abrasion par la
suspension.
La longueur des barres varie en général
de 200 à 1 000 mm, les dimensions des
plaquettes sont en général de 125 x 125
ou 156 x 156 mm. Le diamètre du fil utilisé avec une suspension (slurry) se situe
entre 120 et 140 µm, celui du fil diamanté est de 140 µm. Le fil se déplace à une
vitesse de 10 à 15 mètres par seconde dans
la brique qui est simultanément poussée
dans le réseau de fil à une vitesse de 0,3
à 0,5 mm/min. La coupe de la brique en
plaquettes de 160 à 200 µm d’épaisseur
dure 6 heures environ.
Figure 6 :
Une deuxième méthode est le sciage
par fil diamanté.
Figure 7 :
La brique coupée
en plaquettes est
levée du réseau de
fils et est séparée
du support dans le
bain de rinçage.
Enfin, les plaquettes sont décollées du
support, séparées et nettoyées en plusieurs
étapes qui doivent être réalisées avec
grande précaution car les plaquettes sont
extrêmement fines et fragiles (fig. 7).
Exigences et besoins du
client dans le processus de
« wafering », c.-à-d. de coupe
L’objectif de cette technologie est de
couper des plaquettes de la qualité re-
quise avec un minimum de perte, afin
d’atteindre un haut rendement sur l’ensemble du procédé. Il est également im-
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Rapport des clients
portant de détecter les défauts très tôt. A
cet effet, la qualité de la surface et la géométrie sont mesurées entre les différentes
étapes du procédé afin de mettre aussitôt
que possible le matériau défectueux au
rebut (fig. 8).
La coupe au fil avec slurry génère une
perte de matériau de 50%, c.-à-d. l’équivalent d’un peu moins de l’épaisseur de la
plaquette. La perte de matériau résulte de
l’épaisseur du fil et de la suspension lors du
sciage. Les coûts de fabrications sont d’autant plus bas que l’épaisseur des plaquettes
est fine et la perte de matériau faible.
Dans le cas d’une coupe au fil diamanté,
la perte de matériau est légèrement supérieure à celle correspondant à l’épaisseur du fil. Les plaquettes peuvent présenter après la coupe des microfissures
ou autres défauts réduisant la qualité. La
séparation et le transport des plaquettes
découpées à la prochaine étape du processus sont également extrêmement délicats (fig. 9). Le pourcentage de rupture
sur l’ensemble de la chaîne de création
de valeur est de 15% environ. L’optimisation du système permettant aux fabricants de plaquettes d’atteindre des coûts
Figure 8 :
Contrôle optique
automatique de la
surface.
de fabrication aussi bas que possible est
un objectif essentiel. Les principales spécifications sur le procédé de coupe sont :
• haute qualité de coupe
• rendement élevé
• courte durée de procédé afin
d’obtenir une cadence maximale par unité de temps
• sécurité maximale du procédé,
notamment par l’automatisation et l’inspection/le contrôle
• faibles pertes dues à la coupe (perte
de matériau) et plaquettes aussi
fines que possible (avec un fil fin)
• faible consommation de
slurry ou de fil diamanté
vés de rebuts : par exemple, une colle
trop dure génère des contraintes entre le
substrat en verre et les fines plaquettes,
provoquant ainsi des fissures, voire des
ruptures. La colle employée a donc une
influence importante sur le processus de
sciage ainsi que sur les autres étapes de
fabrication des plaquettes. L’analyse calorimétrique différentielle (DSC) permet
d’évaluer les différentes colles et d’étudier
leurs comportements au durcissement.
La colle peut alors être adaptée de manière optimale aux spécifications. De
plus, le déroulement du collage en tant
que tel peut être étudié et le procédé
optimisé.
La satisfaction de ces exigences repose
aussi sur de bonnes analyses. La qualité des différentes étapes de procédé
dépend essentiellement des liquides
et des solides en présence, ainsi que de
leurs compositions et de leurs qualités.
Martin Lanz travaille au laboratoire du
groupe « Meyer Burger Technology Process and Innovation ». Il détermine les
influences des différents paramètres sur
le procédé de coupe et élabore les méthodes d’analyse adaptées. Il se fie pour
cela aux instruments analytiques de
METTLER TOLEDO.
Influence de la teneur en eau
sur la structure superficielle
Etude du processus de collage des briques
Afin que la brique puisse être découpée en plaquettes, il faut tout d’abord
la coller sur un substrat de verre. Une
colle inadaptée entraîne des taux éle-
Figure 9 :
Machine automatique de triage des
plaquettes.
La suspension utilisée dans le sciage au
fil d’acier est constituée de polyéthylène
glycol (PEG) et de carbure de silicium
(SiC). Ces deux substances peuvent contenir de l’eau, qui peut s’accumuler avec le
temps. Si la suspension a une teneur en
eau supérieure à 2%, il se produit des irrégularités à la surface des plaquettes. La
détermination de la teneur en eau est en
conséquence très importante pour l’assurance de la qualité de la plaquette. Elle
est réalisée par titrage Karl Fischer dans
le laboratoire de contrôle de la qualité. Le
PEG neuf ainsi que les suspensions finies
et usées sont directement introduits dans
la cellule de titrage du titreur Karl Fischer.
La teneur en eau, déterminée en quelques
minutes, doit être inférieure à 2%.
Etant donné que le SiC ne se dissout pas
dans l’alcool, la teneur en eau du SiC pur
est déterminée par extraction gazeuse
(« méthode du four »), elle ne doit pas
être supérieure à 300 ppm. Le titreur Excellence T90 et le four-passeur d’échantillons Stromboli exécutent ces analyses
avec une grande rapidité, une grande fiabilité et une excellente précision.
Accumulation du silicium dans la suspension
La suspension circule en circuit fermé
lors du sciage, c.-à-d. qu’elle est re-
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Figure 10 :
Au laboratoire du
Meyer Burger Technology Process and
Innovation Group.
cueillie sous le réseau de fil et de nouveau projetée sur les fils par des buses
placées au-dessus. Le silicium s’accumule dans la suspension en raison de
l’abrasion pendant le sciage. Une addition de slurry neuf est nécessaire lorsque
la teneur en silicium est supérieure à
6% afin d’obtenir un sciage propre et efficace. Etant donné que la densité de la
suspension augmente avec la teneur en
silicium, elle est contrôlée périodiquement à l’aide d’un densimètre portatif,
Densito. Ainsi, la qualité obtenue est
optimale et la quantité consommée de
slurry minimale.
Agents tensioactifs dans le
liquide de refroidissement et de nettoyage
Dans le cas du sciage au fil diamanté, un
agent tensioactif est mélangé au liquide
de refroidissement, aqueux afin de réduire la tension superficielle du liquide
et d’empêcher le rapprochement des fils
unitaires par le liquide. A l’utilisation, le
tensioactif se sépare lentement de la solution. La concentration doit se situer entre
3 et 5% pour un fonctionnement idéal,
Elle est mesurée et contrôlée par titrage
puis le cas échéant corrigée.
Des agents tensioactifs sont également
utilisés pour le nettoyage des plaquettes.
Le titreur Excellence et le capteur de titrage de tensioactifs DS500 constituent
des outils robustes pour le développement
des méthodes par Martin Lanz.
Quelles sont les compositions
des bains de nettoyage ?
Les plaquettes sciées et séparées sont
nettoyées dans différents bains acides,
basiques mais aussi d’eau pure. Outre la
valeur du pH, la concentration en acide
acétique est contrôlée dans le bain acide,
elle doit rester dans un domaine défini. La
concentration en hydroxyde de sodium/
carbonate de sodium du bain basique doit
également rester constante. Les compositions exactes des bains et leurs pH sont des
paramètres essentiels pour la structure
superficielle des plaquettes.
Les concentrations en base et en acide sont
déterminées en laboratoire ou directement dans l’installation de nettoyage par
titrage, à l’aide d’un titreur Excellence. La
densité est de plus contrôlée en laboratoire
avec l’appareil Excellence LiquiPhysics™.
Les plaquettes passent dans des bains
d’eau pure entre les différentes étapes
de nettoyage et à la fin. La mesure de la
conductivité permet de contrôler la pureté
et de garantir que la surface sera exempte
de dépôt après séchage. La conductivité est
également déterminée à l’aide du titreur
Excellence T90.
Martin Lanz est enchanté que les deux
appareils de laboratoire Excellence –
Titration et LiquiPhysics™ – aient une
seule et même interface utilisateur One
Click®. Il ne doit ainsi pas changer à
chaque fois d’habitudes. Il a défini des
touches de raccourcis pour ses collaborateurs qui n’ont donc pas besoin d’apprendre le mode d’utilisation mais simplement de presser le raccourci pour lancer
directement les analyses de routine.
Les nombreuses données d’analyse du
laboratoire sont enregistrées automatiquement dans le logiciel pour PC LabX®
titration et sont toujours disponibles pour
d’autres études. Le logiciel fonctionne en
mode «double », c.-à-d. que les laborantins n’ont pas besoin du PC mais peuvent
démarrer leurs analyses sur l’écran tactile. Pour des comparaisons détaillées ou
une étude précise de la courbe de titrage,
Monsieur Lanz préfère toutefois le grand
écran du PC.
Les méthodes sont directement développées sur l’écran tactile. Grâce aux méthodes prédéfinies, à leur structure simple
et aux paramètres intuitifs avec des valeurs prédéfinies, l’optimisation des méthodes est simple et efficace.
Et la suite ?
L’industrie solaire est toujours un domaine jeune. Au niveau mondial, nettement moins d’un pourcent de la
consommation électrique est couvert actuellement par l’énergie solaire. Le soleil
pourrait couvrir une plus grande partie
des besoins. En effet, quelques m 2 de
modules solaires par personne permettraient de répondre au besoin mondial
en électricité.
Une augmentation du rendement des modules solaires ou une augmentation de la
productivité dans le procédé de fabrication constitueraient un progrès technologique. Des améliorations du procédé et
la diminution des coûts qui en résulterait
permettraient d’augmenter considérablement la production d’électricité photovoltaïque dans les prochaines années. Meyer
Burger AG a pour objectif de mener cette
technologie à un succès commercial
– aussi grâce à l’utilisation des instruments d’analyse de METTLER TOLEDO.
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