Développement de substrats céramiques pour cellules photovoltaïques

= Development of Ceramic Substrates for Photovoltaic Cells

• Auteur / Autrice : Frédéric Mazel
• Direction : Gilbert Fantozzi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2000
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LPM - Laboratoire de Physique de la Matière (1961-2007) - Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble, Isère, France ; 1967-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gilbert Fantozzi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photopiles

Andalousite

Mullite

Alumine

Céramique

Résumé

Les cellules photovoltaïques industrielles en silicium polycristallin ont une épaisseur nécessaire pour assurer solidité et stabilité (> 100 micromètres) bien supérieure à l'épaisseur strictement utile à la conversion efficace de la lumière en énergie électrique (< 30 micromètres). Le développement de la filière silicium en couche mince a pour but de réaliser une réduction significative des coûts en diminuant la quantité de silicium utilisée. Il s'agit de déposer du silicium cristallin sur un substrat adapté bon marché. Les techniques de dépôts de films minces à haute température nécessitent l'utilisation de substrat céramique. Le but de cette étude est d'élaborer par coulage en bande un matériau céramique économique adéquat. Les résultats acquis lors de la réalisation de substrats en alumine ont contribué à une maîtrise du procédé de mise en forme. Différentes mullites ont alors été obtenues à partir de matières premières différentes : soit une poudre de mullite cristalline très pure, soit un mélange d'andalousite et d'alumine. La poudre cristalline pure a permis de vérifier l'intérêt technologique du choix d'un substrat en mullite permettant un excellent accord dilatométrique substrat / silicium. L'utilisation d'un silicate d'alumine naturel, l'andalousite et d'alumine. La poudre cristalline pure a permis de vérifier l'intérêt technologique du choix d'un substrat en mullite permettant un excellent accord dilatométrique substrat / silicium. L'utilisation d'un silicate d'alumine naturel, l'andalousite, pour synthétiser par frittage réactif une mullite répond aux objectifs économiques. Ses propriétés thermiques, mécaniques, et optiques font de la mullite un substrat prometteur pour le dépôt de silicium à hautes températures. Les propriétés optiques des substrats ont révélé une réflexivité très élevée suggérant la possibilité d'un confinement optique. Les résistances mécaniques de ces céramiques semblent largement suffisantes par rapport aux faibles sollicitations mécaniques que devraient subir le substrat et son dépôt de silicium. Le coefficient de dilatation thermique de ces matériaux est très proche de celui du silicium sur une large gamme de températures, minimisant ainsi les contraintes thermiques résiduelles.

The industrial photovoltaic polycrystalline silicon cells have a thickness necessary to ensure solidity and stability (> 100 μm) quite higher than the thickness strictly useful for the effective conversion of the light into electric power ( < 30 μm). The purpose of the development of the silicon thin film channel is to carry out a significant reduction of the costs by lowering the amount of silicon. It is a question of depositing crystal silicon on a cheap adapted substrate. The deposition techniques of thin film at high temperature require the use of ceramic substrate. The goal of this study is to work out by tape casting an adequate economic ceramic material. The results achieved at the time of the manufacture of substrates out of alumina contributed to a control of the process of working. Various mullites then were obtained starting from different raw materials: either a very pure crystalline mullite powder, or a mixture of andalusite and alumina. The pure crystalline powder made it possible to check the technological interest of the choice of a mullite substrate allowing an excellent thermal dilatometric agreement substrate / silicon. The use of a natural aluminosilicate, andalusite, to synthesize by reactive sintering a mullite answers the economic objectives. The thermal, mechanical and optical properties make mullite a promising substrate for the polycrystalline silicon depositing at high temperatures. The optical properties of the substrates revealed a very high reflexivity suggesting the possibility of an optical containment. The mechanical strengths of this ceramics seem largely sufficient compared to the weak mechanical requests which should undergo the silicon substrate and its deposit. The thermal dilation coefficient of these materials is very close to that of silicon on a broad range of temperatures, thus minimising the residual thermal stresses.