Chaîne de transformation du silicium métal, recyclage et montée de la Chine sur le marché du polysilicium en 2019

Les usages du silicium métal font appel à une très large palette de niveaux de pureté allant de 98 % Si à 99,999 999 999 99 % Si (13N). Nous représentons pour l'année 2019 les quantités transformées puis ventilées dans chaque filière sous forme d'un diagramme de flux. Ce diagramme dit « de Sankey » permet de mieux comprendre en quoi consiste le recyclage et quelles sont les pertes de matière associées à chaque étape. La carte des échanges commerciaux pour l'année 2019 montre de fortes exportations chinoises, en parallèle de fortes importations européennes et états-uniennes de silicium métal de pureté < 99,99 % Si. Un phénomène opposé est observé sur le marché du silicium de pureté > 99,99 % Si, ce qui montre que la Chine n'était pas encore autosuffisante sur ce segment. Ceci devrait être corrigé dans les toutes prochaines années à la faveur d'une croissance phénoménale des capacités de production chinoises, ce qui risque de priver les autres producteurs de leur plus gros client importateur.
24 février 2021

Le diagramme de Sankey1permet de représenter la répartition des flux de silicium de l'extraction à la consommation dans les filières d'utilisation. Nous traitons ici uniquement de la filière silicium métal et non des autres formes alliées telles que le ferrosilicium ou le silicomanganèse.

Flux de silicium dans les filières de transformation du silicium métal en 2019

Flux de silicium dans les filières de transformation du silicium métal en 2019, en kt

© BRGM, d'après Roskill, RoSi, Bernreuter, CRU, Fraunhofer ISE, Elémentarium

Usages du silicium dans la filière métallurgique

La production mondiale 2019 de silicium métal est estimée à près de 3,1 Mt. Sur l'ensemble du silicium extrait pour la filière métallurgique, soit environ 4,1 Mt de silicium contenu sous forme de silice (SiO2), 32 % s'est retrouvé dans les alliages d'aluminium, 27 % dans les silicones, 24 % dans la microsilice, 6 % dans le solaire, et moins de 1 % dans la microélectronique. Le restant, soit 10 %, a été utilisé pour d'autres usages ou perdu sous forme d'émissions ou de déchets. A l'issue de la décennie 2020-2030, le silicium métal pourrait être utilisé en quantités importantes dans les anodes en graphite des batteries Li-ion. En effet, le silicium permet d'augmenter drastiquement la densité de charge par rapport au graphite. En 2019, on utilise toujours des composés SiOx plutôt que du silicium pur pour des questions de dilatation thermique. Cependant, de nombreuses startups comme Enwires et Nanomakers en France—mais aussi de grands groupes comme l'allemand Wacker—proposent déjà des solutions pour utiliser le silicium métal dans les anodes sous forme de micropoudres, de nanopoudres, de nanofils ou de structures poreuses afin de résoudre les problèmes de dilatation.

Le marché du silicium métal ainsi que ses facteurs de criticité ont été abordés dans un précédent article Ecomine[1] et dans la fiche de criticité sur le silicium métal préparée par le BRGM[2].

Production et affinage du silicium métal

La première étape de transformation consiste en l'extraction de la silice en carrière sous forme de quartzite, galets, ou grès ultrapurs. Les gisements de bonne qualité sont assez rares mais présents sur tous les continents. On en retrouve en Amérique du Nord, au Brésil, en Europe, en Égypte, en Inde, en Chine, et en Australie. En Europe, les principaux pays détenteurs de réserves de quartz ultrapur pour la filière silicium métal sont l'Espagne et la France avec plusieurs millions de tonnes.

La production du silicium métal se fait par la carboréduction de la silice. Un coproduit notoire de cette étape est la microsilice, utilisée comme améliorant des propriétés mécaniques et thermiques dans les bétons, mortiers et fibrociments. On estime que 24 % du silicium extrait à destination de la filière silicium métal est transformé en microsilice. Sur les 3,1 Mt de silicium métal produites, 35 % est converti en gaz méthylchlorosilanes par le procédé Müller-Rochow pour la fabrication des silicones. Près de 21 % est converti par hydrochloration en gaz trichlorosilane (HSiCl3), qui par la suite est purifié par une série de distillations. Une majeure partie de ce gaz, environ 80 % du Si contenu, est transformée en polysilicium. Une autre partie est dédiée à la fabrication de silanes organo-fonctionnels. Le reste est utilisé dans d'autres applications mineures ou bien se retrouve dans les déchets de production.

La production primaire de polysilicium est estimée à près de 520 kilotonnes en 2019. Le polysilicium est obtenu principalement via le procédé Siemens [1], [3]. Il existe également une méthode de réaction en lit fluidisé ainsi qu'une voie de transformation métallurgique en quasi disparition. Ces deux dernières techniques pourraient se redéployer à l'avenir à la faveur de l'évolution des prix du polysilicium ou de contraintes économiques et environnementales.

Fabrication des lingots et recyclage

Le polysilicium est utilisé quasi exclusivement dans les plaquettes semi-conductrices pour les applications solaire photovoltaïque et microélectronique. Lors de la phase de lingotage, le polysilicium peut être fondu puis coulé afin d'obtenir un lingot de silicium multicristallin. La méthode de Czochralski (CZ) permet d'obtenir un monocristal cylindrique pouvant mesurer plusieurs mètres de hauteur et plusieurs dizaines de centimètres de diamètre. Le silicium monocristallin donne aux cellules photovoltaïques un rendement plus élevé. Pour la microélectronique, un état monocristallin de très haute pureté est requis. On utilise alors la méthode de la zone fondue (FZ) qui permet également d'obtenir des lingots de silicium monocristallin cylindriques, avec cependant une qualité et une pureté bien supérieures. Une voie intermédiaire tente de concilier le plus faible coût économique et environnemental du silicium multicristallin avec les plus hautes performances énergétiques du silicium monocristallin dans la voie solaire. Il s'agit de contrôler finement le refroidissement du lingot en moule, en ayant disposé au préalable des précurseurs de silicium monocristallin au fond du moule. Cette technique permet d'atteindre une pureté dite « mono-like » ou « quasi-mono ». Elle est proposée par l'entreprise française ECM Greentech qui vend ses fours à l'international mais aussi en France pour le fabricant intégré de modules photovoltaïques Photowatt. La part de marché pour cette qualité est estimée à environ 2 % en 2019 par ITRPV, avec l'arrivée notable du chinois GCL sur ce segment en 2018.

Au cours de la formation des lingots en pavé droit (multicristallin et mono-like) ou en cylindre (monocristallin), les impuretés contenues ont tendance à migrer à la surface et aux extrémités ce qui permet de les retirer par découpe. On débite également les côtés des lingots cylindriques pour obtenir une section rectangulaire, plus adaptée aux cellules photovoltaïques. Dans la microélectronique, on conserve la forme circulaire des plaquettes monocristallines sur lesquelles sont « imprimés » les circuits intégrés, ce qui permet de minimiser les pertes de matières. Les chutes de lingots de moindre qualité représentant environ 5 % de la masse des lingots ne sont pas réutilisées. Certaines poussières fines de Si sont recyclées en métallurgie (non représenté sur le diagramme). Une partie importante des chutes collectées (70 %-80 %) est recyclée directement à l'étape du lingotage, au sein des mêmes procédés. Ce type de recyclage en boucle courte peut éventuellement être considéré comme une production secondaire de polysilicium (estimée ici à 77 kt). Il faut alors prendre garde à ne pas associer d'office un fort taux de recyclage à une pratique vertueuse en matière environnementale. En effet, certains producteurs pourraient être tentés de bénéficier de l'affichage d'un plus fort contenu en matière recyclée de leurs lingots en augmentant artificiellement leurs chutes de production lors de la découpe. Cet exemple illustre bien qu'une valeur du taux de matière recyclée contenue donnée sans autres informations ne présume absolument pas de la vertu environnementale ni de la performance des procédés de production.

Taux de kerf selon l'épaisseur des fils de coupe et des plaquettes

Taux de kerf selon l'épaisseur des fils de coupe et des plaquettes

© BRGM, d'après ITRPV

Découpe des plaquettes et efficacité matière

Après obtention des lingots vient la phase de découpe des plaquettes. Cette phase a subi de nettes améliorations en terme d'efficacité matière ces 20 dernières années, que ce soit dans le solaire ou la microélectronique. Elle consiste en 2019 en un sciage à fil diamanté qui permet d'obtenir des plaquettes plus fines et des pertes réduites par rapport à la méthode de sciage par liquide abrasif. Durant cette étape, et selon la technique, c'est près de 30 % à 40 % des lingots qui se retrouve « perdu » sous forme de boues de sciage aussi appelées « kerf ». Si ce taux de perte paraît très élevé au regard de l'optimisation extrême annoncée dont cette étape a bénéficié ces dernières décennies, il faut préciser qu'il en est bien le résultat direct, paradoxe qui mérite d'être expliciter de suite. Dans un premier temps il faut remarquer que deux paramètres principaux influent sur le taux de kerf : l'épaisseur des plaquettes et l'épaisseur des fils de coupe. Si le kerf peut être réduit en utilisant des fils de plus en plus fins, la réduction de l'épaisseur des plaquettes quant à elle augmente le taux de kerf. Ceci est illustré par la figure ci-contre.

Générant un taux de kerf plus élevé, une plus faible épaisseur de plaquettes reste avantageuse et souhaitable car elle permet d'obtenir davantage de plaquettes à partir d'un même lingot, et donc davantage de cellules photovoltaïques ou composants électroniques. Dans le solaire, la taille des plaquettes a évolué légèrement à la hausse (en moyenne 157 x 157 mm2 en 2019) alors que leur épaisseur a évolué légèrement à la baisse (environ 175 μm en 2019). Dans la microélectronique, les plaquettes sont de plus en plus grandes (300 mm de diamètre en 2019) et donc de plus en plus épaisses afin de garantir leur résistance mécanique. On cherche néanmoins à minimiser la prise d'épaisseur. Un plus grand diamètre de plaquettes permet d'imprimer davantage de puces, simplifiant ainsi les procédés et réduisant les coûts de production. Une plus grande épaisseur de plaquettes microélectronique réduit le kerf lors de la découpe (voir figure) mais augmente les déchets lors des étapes de traitements comme le polissage, nouvelles pertes matières qui doivent être prises en compte. Lu et al. [4] ont estimé une production annuelle de 140 kt de poudre sèche de Si issue de kerf par la Chine, alors qu'aucun débouché industriel à haute valeur ajoutée n'existait. Ces résidus n'en gardent pas moins une valeur certaine puisque la Chine en a interdit l'exportation et finance de nombreux travaux de recherche pour trouver les moyens de les valoriser. La Norvège, petite productrice de plaquettes, recycle déjà quelques centaines de tonnes de kerf annuellement. Ces kerf retraités pourraient notamment alimenter de nouvelles filières telles que celle des batteries Li-ion, moyennant une étape de purification simplifiée. A l’échelle de la France, certains enjeux sur les ressources et l’économie liés à la production de kerf étaient rappelés dans le rapport Phovoltaïque du Plan de programmation des ressources minérales de la transition bas carbone lancé en 2019 par le Ministère de la transition écologique avec la participation du BRGM et du CEA [5]. Il est également à noter que des procédés de fabrication alternatifs ne produisant pas de kerf existent depuis plusieurs années mais sont peu développés à ce stade.

Traitement des plaquettes

Une fois découpées, les plaquettes subissent une série de traitements : recuit, polissages, traitements chimiques, nettoyages, et autres, occasionnant de nouvelles pertes de matière. Dans le cadre de cet exercice, ces pertes sont supposées de 8 % pour les plaquettes solaires et 5 % pour les plaquettes microélectroniques, mais leur variation d'un produit à l'autre mériterait une analyse approfondie.

Commerce international de silicium et polysilicium

Les échanges internationaux de silicium métal de pureté < 99,99 % Si et ≥ 99,99 % Si sont enregistrés par les douanes dans la nomenclature SH (système harmonisé) sous les codes respectifs suivants :

  • 280469 : Silicium, contenant en poids < 99,99% de silicium
  • 280461 : Silicium, contenant en poids ≥ 99,99% de silicium

Pour la représentation cartographique2, on fait l'hypothèse simplificatrice que le code 280461 contient majoritairement des produits en polysilicium (bien qu'il puisse également inclure certains produits en silicium multi- ou monocristallin tels que des lingots). Les plaquettes de silicium sont enregistrées dans un code séparé (381800).

Les grands exportateurs de silicium de qualité métallurgique en 2019 ont été la Chine, la Norvège, et le Brésil. Le Brésil et la Norvège ont exporté majoritairement en Europe, aux États-Unis et au Japon. La Chine a exporté principalement au Japon, en Corée du Sud, au Moyen-Orient et en Europe. Première productrice mondiale et possédant d'imposantes capacités de production [1], la Chine est largement excédentaire sur ce marché. Le Japon a une production négligeable de silicium métal et a donc dû en importer de grandes quantités afin de satisfaire sa production de silicones, silanes, et d'alliages d'aluminium. Grand acteur de la production de polysilicium dans les années 2000, le Japon ne possède plus qu'une faible capacité de production de polysilicium, dédiée à la microélectronique.

En ce qui concerne le silicium de pureté ≥ 99,99% Si, la Chine était également le premier producteur mondial avec près de 345 kt en 2019. Mais, contrairement au silicium métal, elle ne satisfaisait pas encore ses besoins propres et devait importer massivement de ses voisins coréen et malaisien, ainsi que des États-Unis et d'Allemagne. Ces « besoins » sont néanmoins à relativiser car les produits finaux comme les cellules photovoltaïques ne sont pas uniquement consommés en Chine mais sont exportés partout dans le monde.

Production et échanges commerciaux de silicium métal dans le monde en 2019

Production et échanges commerciaux de silicium métal dans le monde en 2019

© BRGM, d'après UN Comtrade, USGS, Roskill, Argus Media, Bernreuter, RoSi

La Chine en pleine frénésie

Le silicium de qualité métallurgique n'est pas le seul segment de la chaîne à subir les velléités hégémoniques de la Chine. Le marché du polysilicium est pris d'assaut à la faveur du très fort développement du solaire photovoltaïque, source d'électricité devenue « la moins chère de l'Histoire » en 2020 selon l'Agence internationale de l'énergie. Alors que les taxes chinoises sur les importations états-uniennes de polysilicium avaient eu raison du fabricant américain Hemlock, l'obligeant à se recentrer sur la qualité électroniques après 2013, une véritable course à la croissance a eu lieu en Chine et continue en 2021 comme l'explique Bernreuter Research[6]. Plusieurs entreprises comme Xinte Energy, Daqo, Tongwei et East Hope ont construit de très grosses usines de production forçant le prix du polysilicium à la baisse, et faisant chuter au passage une douzaine d'acteurs chinois de second rang sur le polysilicium. En 2019, la coréenne OCI a dû abandonner une partie de ses activités sur son sol en faisant migrer sa production de polysilicium de qualité solaire en Malaisie afin de réduire les coûts. L'allemande Wacker a tenté de résister en maintenant sa production coûte que coûte. Elle a ainsi conservé sa première place dans le classement des producteurs mondiaux de polysilicium en 2019. Mais elle peinait à cacher les dommages causés par la forte chute des prix et le fait qu'elle était la seule productrice européenne, alors que 7 des 10 plus grosses productrices mondiales étaient chinoises en 2019, et que celles-ci n'avaient pas encore déployé la totalité de leurs capacités. L'horizon semble donc s'assombrir sur le marché du polysilicium européen qui devra trouver de nouveaux débouchés acceptant un prix certainement plus élevé qu'en Chine. La crise du COVID-19 a été un accélérateur supplémentaire pour les géants chinois qui peuvent maintenant écouler leurs stocks à un prix plus élevé en ce début 2021.

Taxe carbone aux frontières ou bannissement du travail forcé ?

Le principal atout industriel de la Chine sur les matières premières est aussi son talon d'Achille : la région autonome ouïghoure du Xinjiang. Cette région très riche en ressources minérales et en énergies fossiles attire de nombreuses industries qui y trouvent une électricité très peu chère, et une main d’œuvre bon marché. Le prix de l'électricité étant le déterminant majeur des coûts de production du silicium, un faible coût de l'électricité entraîne nécessairement un avantage compétitif. Mais au Xinjiang, l'électricité est produite principalement à partir de charbon ce qui entraîne indirectement un coût environnemental plus important. La région autonome produisait environ 45 % du polysilicium solaire mondial en 2020 selon Bernreuter. Se pose alors la question des taxes aux frontières européennes pour prendre en compte le contenu carbone du polysilicium et favoriser un approvisionnement local ou, à défaut, des importations de produits à base de silicium bas-carbone. Cependant, hormis la source d'électricité, les nouvelles usines chinoises apparaissent avec des normes environnementales très élevées et une consommation d'électricité bien plus faible qu'il y a 15 ans. Il faut également remarquer que les usines de production ne sont qu'un maillon de la chaîne d'approvisionnement et que l'ensemble de la chaîne a subi en Chine une optimisation effrénée. Par conséquent, si la Chine venait à faire évoluer ses moyens de production d'électricité vers des techniques bas-carbone, ce qu'elle fait déjà, l'option de la taxe carbone aux frontières pourrait alors très bien se retourner contre l'Europe et favoriser les produits d'importation chinois. D'autant que Xi Jinping a annoncé fin 2020 son ambition de conduire la Chine vers la neutralité carbone à l'horizon 2060. La question des chaînes d'approvisionnement européennes ne peut donc être traitée uniquement d'un point de vue environnemental ou économique mais doit tenir compte du maintien d'une certaine indépendance vis à vis des autres états.

L'indépendance en ressources stratégiques est largement défendue aux États-Unis dans leur bataille commerciale face à la Chine. La filière solaire ainsi que celle des semiconducteurs se retrouvent ainsi au cœur des attaques. En 2020, un nouvel argument brandi par les États-Unis pour augmenter les taxes voire bannir certaines importations était celui du travail forcé auquel certains industriels chinois du Xinjiang sont accusés de recourir [7]. Cet argument en sus de celui de la taxe carbone aux frontières illustrent bien que les aspects environnementaux et sociaux prennent une place grandissante et peuvent tout à fait affecter l'évaluation de la criticité d'une matière ou d'un produit. Il convient alors d'adapter les méthodes existantes de détermination de la criticité d'une matière première pour prendre en compte ces aspects devenus prépondérants.

Antoine Boubault, BRGM

 

Sources

[1]     A. Boubault, « Le silicium : un élément chimique très abondant, un affinage stratégique »Ecomine, juin 2020, [En ligne].

[2]      BRGM, « Fiche de criticité - Silicium métal », août 2019. (consulté le sept. 03, 2019).

[3]      « Fiche sur le silicium », L’Élémentariumhttps://www.lelementarium.fr/element-fiche/silicium/ (consulté le oct. 03, 2019).

[4]      T. Lu, Y. Tan, J. Li, et S. Shi, « Remanufacturing of silicon powder waste cut by a diamond-wire saw through high temperature non-transfer arc assisted vacuum smelting », J. Hazard. Mater., vol. 379, p. 120796, nov. 2019, doi: 10.1016/j.jhazmat.2019.120796.

[5]      Ministère de la transition écologique, « Plan de programmation des ressources minérales de la transition bas-carbone », déc. 2020. (consulté le févr. 03, 2021).

[6]      « Polysilicon Manufacturers: Global Top 10 | Bernreuter Research ». https://www.bernreuter.com/polysilicon/manufacturers/ (consulté le févr. 16, 2021).

[7]      D. Murtaugh, « Why it’s so hard for the solar industry to quit Xinjiang », The Japan Times, févr. 11, 2021. https://www.japantimes.co.jp/news/2021/02/11/asia-pacific/solar-industry... (consulté le févr. 17, 2021).

 

Notes

1 Réalisation à l'aide de l'outil libre floWeaver en Python, https://github.com/ricklupton/floweaver

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2 Réalisation technique de la carte par I. Bernachot, BRGM, avec le logiciel QGIS

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