Modélisation de la microstructure des grains dans le silicium multicristallin pour le photovoltaïque

Modeling of grains microstructure in the polycrystalline silicon for photovoltaic application

• Auteur / Autrice : Amal Nadri
• Direction : Thierry Duffar, Daniel Bellet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie civil
• Date : Soutenance le 21/12/2012
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Sciences et Ingénieurie des Matériaux et des Procédés
• Jury : Président / Présidente : Mustapha Lemiti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yves Du terrail couvat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Charles-andre Gandin, Louisette Priester

Mots clés

Mots clés libres

Modélisation

Simulation numérique

Silicium multicristallin

Structure de grain

Photovoltaique

Modeling

Numerical simulation

Multicistalin silicon

Grain structure

Photoviltaic

Résumé

L'objectif de ce travail est d'approfondir et de mieux comprendre les mécanismes responsables de la formation et de la croissance de la structure des grains dans le silicium multicristallin pour des applications photovoltaïques. Lors de la solidification du silicium multicristallin, la sélection des grains, le contrôle de la distribution de leur taille et leur direction de croissance sont des paramètres importants pour obtenir un matériau de bonne qualité et homogène. Ces paramètres influencent directement le rendement de conversion des cellules photovoltaïques, au travers de la capture et de la recombinaison des porteurs de charges et des interactions avec les impuretés. La structure de grains dans le silicium photovoltaïque évolue au cours de la solidification : des grains vont disparaître, d'autres vont apparaître, d'autres vont grossir pour donner au final une structure composée de gros grains, de petits grains dénommés ‘grits', de joints de grains, et de macles. Il est donc important de comprendre les relations entre les différents paramètres du procédé industriel et leur influence sur les phénomènes physico-chimiques qui se produisent lors de la croissance afin de pouvoir influer sur la structure de grains dans le silicium, et de prévoir ses propriétés. Dans une première étape, nous avons établi un modèle de développement des grains basé sur le type de croissance (facettée, rugueuse ou mixte), la cinétique de ces divers types de croissances, le phénomène de maclage et la sélection des grains, dont nous montrons qu'ils sont, avec la germination initiale, à l'origine de la taille et de la structure des grains. Ensuite, nous proposons une approche de modélisation numérique de l'évolution de la structure des grains au cours de la solidification. Cette méthode se base sur l'analyse dynamique bidimensionnelle du joint de grains au niveau de la ligne triple grain-grain-liquide (rugueuse, facettée) tout en prenant en compte les phénomènes produits à l'échelle macroscopique (le champ de température local) et microscopique (la cinétique des grains). Le modèle résulte du couplage thermique et des mécanismes cinétiques de croissance. Nous avons donc développé un modèle numérique de croissance des grains en 2 dimensions et nous l'avons introduit dans le code 2D-MiMSiS qui se déroule en 2 étapes : Premièrement, le calcul en régime transitoire de la solidification macroscopique d'un lingot de silicium nous permet d'obtenir le champ thermique dans le lingot et la position précise de l'interface solide-liquide à différents instants ainsi que sa vitesse, son orientation (sa forme) et les gradients de température dans le liquide et le solide. Deuxièmement, la modélisation de la croissance est basée sur la description géométrique des joints de grains qui dépend de la cinétique des grains qui les bordent. Elle suit des critères dépendants de la morphologie (rugueuse ou facettée) de l'interface. Elle s‘appuie sur le réseau d'isothermes du calcul thermique sans l'influencer dans un premier temps. Un des objectifs de ce modèle est de faire varier différents paramètres du procédé et d'en mesurer l'impact sur la structure cristalline finale. Des résultats de calculs 2D sont présentés et discutés par rapport à l'expérience.

The objective of this work is to explore and better understand the mechanisms responsible for the formation and growth of the grain structure in polycrystalline silicon for photovoltaic applications. During the solidification of polycrystalline silicon for the selection of the grain, control the distribution of their size and direction of growth are important parameters to obtain a material of good quality and homogeneous. These parameters directly influence the conversion efficiency of solar cells, through the capture and recombination of charge carriers and interactions with impurities. Grain structure in silicon photovoltaic evolves during solidification: Grain will disappear, others will appear, others will grow to give the final structure composed of large grains, small grains called 'grits' grain boundaries and twins. It is therefore important to understand the relationship between the parameters of the industrial process, the physico-chemical phenomena that occur during the growth and structure of grains in the silicon to predict its properties. In a first step, we established a model of development based on the grain growth type (faceted, rough or mixed), the kinetics of the various growths, the phenomenon of twinning and the selection of grains, we show that they are, with the initial germination, originally of the size and structure of the grains. Then, we propose an approach to numerical modeling of the evolution of lala grain structure during solidification. This method is based on the two-dimensional dynamic analysis of the grain boundary at the triple line grain-grain-liquid (rough, faceted) taking into account the phenomena produced at the macroscopic scale (the local temperature field) and microscopic (kinetic grain). The resulting model of the thermal coupling mechanisms and growth kinetics. We have developed a numerical model of grain growth in two dimensions, and we have introduced in the 2D-code MiMSiS which takes place in two steps: First, the calculation of transient macroscopic solidification of an ingot of silicon allows us to obtain the temperature field in the ingot and the precise position of the solid-liquid interface at different times as well as its speed, direction ( form) and the thermal gradients in the liquid and the solid. Second, the growth model is based on the geometrical description of grain boundary which depends on the kinetics of grain that border. It follows dependent criteria of the rough morphology or faceted interface. It relies on a network of insulated thermal calculation without influence in the first place. One objective of this model is to vary the process parameters and to measure their impact on the final crystalline structure. 2D calculation results are presented and discussed in relation to the experience.