Traitement éco-efficace du silicium pour une économie circulaire
L’électricité renouvelable est appelée à devenir la pierre angulaire du futur système énergétique durable et neutre sur le plan climatique de l’Europe. Dans le même temps, les progrès technologiques ont accru la demande en microélectronique. En conséquence, le marché de l’énergie photovoltaïque et des tranches de semi-conducteurs a connu une croissance exponentielle. Ces produits de grande valeur reposent sur la transformation du silicium métal – une matière première critique – en cellules solaires ou en puces que nous utilisons dans des objets quotidiens tels que les smartphones.
Des défis en matière de production
«Pour fabriquer du silicium de haute pureté, il faut commencer par le quartz», explique Martin Bellmann, coordinateur du projet ICARUS(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), chez SINTEF(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) en Norvège. «Il est extrait, mais doit ensuite être traité, ce qui consomme beaucoup d’énergie et génère du CO2.» On obtient ainsi des cristaux ou des lingots de silicium, qui sont ensuite découpés en fines tranches pour fabriquer des cellules solaires ou des micropuces. «Ce processus est un peu comme le sciage du bois et génère beaucoup de déchets», explique Martin Bellmann. «Environ 35 % du silicium est perdu.» En outre, la croissance des cristaux nécessite des températures extrêmement élevées, ainsi que des récipients de fusion en quartz de haute pureté. Ils sont ensuite éliminés après usage. Une autre source de déchets est le graphite utilisé dans les fours. Le silicium est également importé principalement d’Asie, ce qui pose des problèmes de coût et de sécurité de la chaîne d’approvisionnement.
Raffiner et transformer le silicium industriel
Le projet ICARUS, financé par l’UE, a reconnu qu’il existait une opportunité majeure de s’attaquer à ce problème des importations, ainsi qu’aux défis liés aux déchets et aux émissions. Pour ce faire, les chercheurs ont entrepris de concevoir des procédés capables de raffiner et de transformer les flux de déchets industriels de silicium, de graphite et de silice en produits finis de grande valeur. «Notre objectif était de trouver des solutions permettant de récupérer 95 % des matières premières de grande valeur issues de la fabrication des lingots et des plaquettes de silicium», explique Martin Bellmann. «Cela pourrait débloquer des volumes substantiels de matières premières pour d’autres applications industrielles haut de gamme.» Le projet a permis de faire la démonstration de trois projets pilotes industriels innovants qui ont permis de récupérer du silicium, de la silice et du graphite. «Nous avons commencé par collecter les déchets à la source», ajoute Martin Bellmann. «La poudre de silicium est généralement humide et doit donc être séchée et prétraitée. Les impuretés doivent également être éliminées afin d’atteindre la qualité nécessaire à la réutilisation.» Un autre projet pilote visait à transformer ces matières premières en produits industriels de grande valeur, destinés à différentes applications haut de gamme. Ceux-ci vont des cellules photovoltaïques aux cellules de batteries lithium-ion. Les déchets de silicium ont également été transformés en hydrogène et en verre soluble (également connu sous le nom de silicate de sodium), un composé utilisé comme agent cimentaire et liant dans l’industrie du bâtiment.
Garantir un approvisionnement fiable en silicium
L’équipe du projet présente actuellement ces résultats à l’industrie, non seulement en Europe mais dans le monde entier. L’une des pistes envisagées est la vente de licences afin de poursuivre le développement et la construction de la technologie par le biais de partenariats. «Nos résultats pourraient contribuer à stimuler l’industrie photovoltaïque européenne en fournissant une source nationale de matières premières», déclare Martin Bellmann. «La technologie que nous avons mise au point pourrait contribuer à ce renouveau.» De même, l’industrie des semi-conducteurs a besoin d’un approvisionnement fiable en silicium, à des niveaux de pureté encore plus élevés que pour les cellules photovoltaïques. Là encore, les concepts et la technologie mis au point par ICARUS pourraient contribuer à renforcer la compétitivité européenne dans ce domaine.
