Fabrication de cellules photovoltaïques avec de l`air

Fabrication de cellules photovoltaïques avec de l’air comprimé très pur
Sous le soleil exactement
Créée en 1999 à Bitterfeld, un ancien bastion de l’industrie chimique est-allemande, l’entreprise
Q-Cells est aujourd’hui l’un des leaders mondiaux du photovoltaïque. L’air comprimé indispensable
pour la production est fourni par une station en contracting composée de compresseurs non lubrifiés et de sécheurs Hybritec de Kaeser.
Avec plus de 2 000 salariés dans le
monde, Q-Cells est aujourd’hui l’un des
premiers fabricants indépendants de
cellules photovoltaïques. L’entreprise a
son siège à Thalheim, à la périphérie
de Bitterfeld-Wolfen, et c’est dans cette
« Solar Valley » de Saxe-Anhalt qu’elle
a installé, en 2007, la plus grande
chaîne de fabrication de cellules photovoltaïques en Europe. « Ces dernières
années, nous avons surtout cherché à
augmenter le rendement des cellules
tout en réduisant la quantité de ma-
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tière nécessaire à leur fabrication. Aujourd’hui, nous concentrons plutôt nos
efforts sur l’optimisation des coûts de
fabrication », explique Marko Gerstner,
responsable de la gestion des installations chez Q-Cells.
Des procédés de fabrication
basés sur l’air comprimé
Le hall de fabrication fourmille d’activités tout au long des lignes de production : des bandes transporteuses
convoient les cellules carrées qui sont
séparées et empilées par des robots
avant de disparaître dans des machines
automatiques, d’entrer dans des fours
tunnels ou d’être plongées dans des
bains chimiques.
Ici aussi, le bon fonctionnement de
toute la chaîne de fabrication dépend de
la qualité constante de l’air comprimé et
de la fiabilité de son approvisionnement.
L’air comprimé intervient principalement
dans la manutention des cellules. Les
plaques de silicium multicristallin de
180 microns d’épaisseur sont extrême-
ment fragiles et doivent être manipulées
avec beaucoup de soin. Les cellules
empilées sont soulevées et séparées
en douceur par un coussin d’air.
De nombreux robots sont munis de préhenseurs à effet Bernoulli : la surface de
préhension est balayée par de l’air comprimé à une vitesse telle qu’il se crée un
léger vide permettant de manipuler les
plaques de silicium sans contact. Il va
de soi que l’air comprimé utilisé à cet
effet doit être propre, sec et déshuilé.
subit un recuit dans un four à 900 °C
pour assurer la parfaite incrustation des
contacts sérigraphiés. Après le contrôle
final, elle est prête à être intégrée dans
un module photovoltaïque.
Bien que le processus soit d’une grande
constance, les cellules ont des propriétés variables et l’étape ultime de leur
fabrication consiste donc à les trier en
48 catégories afin de réaliser des modules photovoltaïques aux propriétés
homogènes.
De la plaque de silicium à la
cellule photovoltaïque
La qualité de l’air comprimé
conditionne la qualité du produit
Lorsqu’elles arrivent à l’usine, les
plaques de silicium, ou « wafers », sont
gris terne et n’ont rien de spectaculaire. Après le contrôle à la réception,
un robot à pinces pneumatiques les
place dans des magasins résistants aux
acides. Les plaques sont ensuite décapées dans des bains chimiques qui les
préparent pour le revêtement ultérieur.
Après le rinçage et le séchage, elles
sont chauffées à 900 °C pendant environ une heure dans un four à diffusion
de phosphore. Cette opération crée
dans la cellule un champ électrique
permanent qui, en principe, permettrait déjà de convertir l’énergie solaire
en courant électrique. Sous l’impact
des photons solaires, des électrons se
détachent du noyau des atomes de la
plaque et se déplacent dans le champ
électrique du fait de leur charge : c’est
cette migration qui crée le courant électrique. Pour pouvoir utiliser ce courant,
il faut retirer la couche des bords de la
plaque par gravure plasma afin d’éviter
les courts-circuits. Après l’élimination,
dans un bain d’acide, de la couche
résiduelle de silicate de phosphore
provenant du passage dans le premier
four, les cellules sont revêtues d’une
couche antireflet dans un four où elles
séjournent une quarantaine de minutes
et prennent leur couleur bleu foncé
caractéristique. Cette couche antireflet
permet de faire pénétrer le maximum de
lumière solaire dans la cellule pour augmenter son rendement. Les contacts
sont ensuite déposés par sérigraphie
sur les faces avant et arrière de la cellule ; la face arrière est munie en plus
d’une surface réfléchissante. La cellule
La constance du processus dépend
de la qualité de l’air comprimé qui doit
elle aussi être d’une très grande régularité. L’air comprimé fourni par les deux
compresseurs non lubrifiés FSG 420
de Kaeser est déshydraté par deux sécheurs combinés Hybritec DTI 667/901
qui garantissent la stabilité du point de
rosée sous pression de -40°C sans
pointes de commutation et à des coûts
énergétiques très bas. Le séchage
s’effectue en deux étapes : le sécheur
frigorifique économe en énergie élimine
tout d’abord la plus grande partie de
l’humidité retenue dans l’air comprimé,
puis le sécheur par adsorption assure le
séchage final de l’air froid saturé.
La saturation de l’air froid à l’entrée
dans le deuxième sécheur permet une
utilisation maximale du dessicant. Un
faible volume de dessicant est donc suffisant, ce qui permet de réduire la taille
des colonnes qui le contiennent. De ce
fait, la consommation d’énergie pour la
régénération du dessicant est divisée
par deux par rapport aux sécheurs par
adsorption conventionnels. La régulation progressive prévue de série et
la bonne isolation thermique des machines contribuent également à abaisser la consommation énergétique. Le
procédé est plus respectueux des composants du système, d’où une grande
Manipulation des plaques de silicium par air comprimé (ci-dessus et à gauche) ;
contrôle du module par flash test (à droite)
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Le conseil économie d’énergie
Hybritec – pour un séchage toujours
plus économe en énergie
Les petits débits profitent désormais de la rentabilité exceptionnelle des sécheurs Hybritec.
L’efficience de la production et de l’utilisation de l’air comprimé est l’une des
priorités de Kaeser Compresseurs. Très
tôt, le fournisseur de systèmes d’air
comprimé de Cobourg s’est attaché à
proposer des systèmes de traitement
d’air comprimé efficients en énergie.
C’est ainsi qu’il a développé des
sécheurs frigorifiques à économie
d’énergie pour des points de rosée
sous pression jusqu’à +3°C, et qu’il a
lancé, dans les années 1980, les premiers sécheurs combinant le séchage
sécurité de fonctionnement et des frais
d’entretien limités.
Tous ces avantages ont su convaincre
le client : après avoir équipé son usine
de Malaisie d’une station d’air comprimé
Kaeser en 2009, la direction de Q-Cells
décida de faire bénéficier sa chaîne de
fabrication allemande de l’efficience
des systèmes Kaeser. L’installation de
la station s’est faite sans interruption
de la production. « Un vrai défi pour
tout le monde », se souvient Ralf Gronau, responsable commercial projets
chez Kaeser. « Tout s’est parfaitement
déroulé et nous sommes également
très satisfaits du fonctionnement de la
station au quotidien », confirme Marko
Gerstner. À ce jour, six gros sécheurs
Hybritec sont en service dans les usines
de Q-Cells et leurs faibles coûts d’exploitation contribuent à rendre l’utilisation de l’énergie solaire plus rentable.
Q-Cells est assuré de disposer d’un approvisionnement fiable en air comprimé
de la qualité requise et à un prix fixe,
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et n’a pas à se préoccuper de l’exploitation de la station qui est assurée par
Kaeser dans le cadre du contracting.
Grâce à cette formule, l’utilisateur n’a
pas besoin d’investir dans une station
d’air comprimé. Il lui suffit de fournir le
local compresseurs. Le fonctionnement
et l’entretien étant externalisés, Q-Cells
peut se concentrer sur son cœur de
métier sans devoir mobiliser du personnel de maintenance pour ce système
essentiel à la bonne marche de l’usine.
Le photovoltaïque est une technique
passionnante car en pleine évolution.
Dans le centre de R&D de Q-Cells, le
plus grand du monde, 200 salariés travaillent sur les cellules photovoltaïques
de demain. Celles-ci seront plus puissantes, plus souples d’utilisation et
donc plus rentables. Kaeser aussi perfectionne ses produits en permanence.
Il a présenté récemment la série DTE,
une nouvelle génération de sécheurs
combinés pour 12 et 16 m³/min, puissants, compacts et extrêmement économiques.
frigorifique et le séchage par adsorption, dont la consommation énergétique
est fortement réduite par rapport aux
sécheurs à adsorption très énergivores
du fait même de leur système.
Les premiers sécheurs hybrides étaient
dimensionnés pour les gros débits
(à partir de 40 m³/min) et avec ses
sécheurs Hybritec, Kaeser a entrepris
de rendre cette technique rentable
pour les petits débits. Aujourd’hui, les
sécheurs Hybritec assurent des points
de rosée sous pression de -40°C de
manière fiable et économique, à des débits de 12 à 16 m³/min, et ouvrent donc
des perspectives inédites pour de nombreux utilisateurs. Pour la série Hybritec, le slogan de Kaeser s’enrichit d’une
petite nuance : plus d’air comprimé sec
et encore moins d’énergie.
Auteur : Klaus Dieter Bätz
Contact : [email protected]
Nouveaux sécheurs combinés Hybritec
pour 12 et 16 m³/min :
DTE 120/192 et DTE 160/240
Jusqu’à 67 % de réduction des coûts énergétiques
Régulation progressive pour le sécheur frigorifique et le sécheur
par adsorption
Grande sécurité de fonctionnement
Point de rosée sous pression stable, pas de pics de commutation
Très faible encombrement, raccordement centralisé par le haut
Équipés en standard d’un préfiltre, d’un filtre dépoussiéreur et
d’un purgeur de condensats Eco-Drain
Accessibilité par l’avant de toutes les pièces nécessitant
un entretien
Intervalles d’entretien longs du fait
des faibles contraintes mécaniques
et thermiques
Auteur : Klaus Dieter Bätz
Contact : [email protected]
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