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Science et ingénierie des matériaux et des procédés
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Soutenance de Mickaël Beaudhuin

Mis à jour le 27 novembre 2009
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Étude expérimentale et numérique de la précipitation d’impuretés et de la formation des grains dans le silicium photovoltaïque

Le lundi 7 Décembre 2009 préparée aux laboratoires : CNRS/SIMaP/EPM (Grenoble-INP), et CNRS/INL (INSA-Lyon) sous la co-direction de Kader Zaidat et Mustapha Lemiti dans le cadre de l'Ecole Doctorale I-MEP2.
Résumé : L'évolution de la production mondiale de cellule photovoltaïque a entraîné une pénurie en silicium de haute pureté. L'utilisation d'un silicium de qualité moindre provoque, lors de la cristalisation, l'apparition de morphologies indésirables avec des zones où la structure de grain est beaucoup plus fine. Ils apparaissent suite à la précipitation de carbure et de nitrure de silicium. Ces grains entraînent une forte diminution du rendement photovoltaïque mais aussi une augmentation des coûts de production. Seule la connaissance des paramètres physico-chimiques régissant ces phénomènes nous permettrons de comprendre les mécanismes d'apparition de ces grits . Dans ce but nous avons développé une expérience de lévitation électromagnétique sous ultra vide permettant de mesurer la surfusion de germination du silicium en présence de carbone et d'azote dans des conditions contrôlées. Les résultats ont montré une diminution drastique de la surfusion en augmentant la concentration en impureté. Ces données pourront alors être exploitées dans des modèles numériques afin de prédire l'apparition de ces grits et par conséquent prédire la structure de grain finale du lingot. En parallèle un modèle de transition colonnaire équiaxe a été développé. Il prend en compte le rejet de soluté au cours de la solidification, la précipitation du carbure de silicium, sa croissance, la nucléation hétérogène du silicium sur ces premiers précipités ainsi que la croissance du silicium. Il permet de prédire l'apparition de zone équiaxe et colonnaire tout au long de la solidification mais aussi la répartition en taille de grains. Abstract : The rapid evolution of photovoltaic silicon cells production induced a shortage of high purity silicon raw material. During silicon crystallization, it appears areas where the grain structure is much finer than the other grains of the ingot. Silicon carbide and silicon nitride are the precipitates which lead to this new structure. These new grains have important consequences on the efficiency of the cells and increase the cost of the process. Nevertheless only the knowledge of the physico-chemical parameters which control these phenomenon will permit to understand the mecanisms which lead to equiaxed grains, also known as grits . We developped an experimental levitation set-up under ultra high vacuum which permit to measure nucleation undecooling of silicon with known concentration of carbon and nitrogen. The results showed a rapid decrease of the undercooling while increasing impurities concentration. These data would be used in numerical model in order to predict grits apparition and consequently the final grain structure. In parallel a columnar facetted to equiaxed facetted transition has been developped. It takes in consideration solute reject during solidification, precipitation and growth of silicon carbide, heterogeneous nucleation of silicon on these first precipitates and subsequent growth of silicon. It permits to predict the columnar facetted to equiaxed facetted transition all along the ingot solidification and the grain size distribution.
Jury : M. Denis CAMEL, Président (CEA INES) M. Bernard BILLIA, Rapporteur (CNRS IM2NP) M. Ivan EGRY, Rapporteur (Institut fuer Materialphysik im Weltraum DLR) M. Mustapha LEMITI, Directeur de thèse (INL) M. Kader ZAIDAT, Directeur de thèse (SIMaP-EPM) M. Thierry DUFFAR, co-Encadrant (SIMaP-EPM)
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mise à jour le 27 novembre 2009

Univ. Grenoble Alpes