Purification et caracterisation physico-chimique et électriques de silicium d'origine métallurgique destiné à la conversion photovoltaïque

Purification and chemical and electrical characterisations of metallurgical silicon for the solar conversion

• Auteur / Autrice : Julien Dégoulange
• Direction : Christian Trassy, Isabelle Périchaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, énergétique, procédés
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Grenoble INPG

Mots clés

Mots clés contrôlés

Purification

Silicium

Thermodynamique

Mots clés libres

Plasma thermique

Résumé

L'élaboration de silicium de qualité solaire par une autre route que la voie chimique semble aujourd'hui prometteuse pour réduire les coûts et garantir l'approvisionnement en matériau de la filière photovoltaïque. Un plasma inductif (Ar+H2+O2) couplé à un brassage électromagnétique du silicium liquide permet d'extraire une impureté critique : le bore. La compréhension de la volatilisation du bore a été étudiée via des calculs thermodynamiques sous FACTSAGE ainsi que des analyses chimiques en ligne des gaz de sortie par ICP-OES. L'étude du procédé a été divisée en deux étapes. Le brassage électromagnétique a fait l'objet d'une étude numérique et expérimentale. La répartition des espèces réactives à la surface a été étudiée en remplaçant le silicium par du graphite afin d'obtenir une image spatiale de la répartition des espèces à la surface. L'optimisation du procédé a permis d'obtenir un silicium avec une teneur en bore acceptable. Les caractérisations chimiques et électriques du matériau purifié ont révélées une quantité trop élevée d'aluminium, d'oxygène et de phosphore. Toutefois le matériau produit est utilisable par l'industrie, le rendement cellule est supérieur à 14% sur la partie p du lingot.

The feedstock shortening is a major challenge for the photovoltaic industry. Among the possible routes from metallurgical grade to solar grade silicon, the plasma refining to reduce the boron content, combined with segregations to remove the metallic pollutants seems very promising. The plasma process combines electromagnetic stirring of the molten silicon with the boron volatilization by the reactive species produced by the plasma. The boron volatilization has been studied via thermodynamic calculations thanks to the FactSage code, and the chemical on line analysis of the volatilised pollutants in the flue gases of the process by ICP-OES. The electromagnetic stirring has been the subject of a numeric and experimental study. The distribution of reactive species onto the surface has been investigated replacing liquid silicon with a graphite target. The optimized process permitted the production of silicon with reduced boron content. The chemical and electrical characterisations of the refined and crystallised material have showed too high concentrations of aluminium, oxygen and phosphorus. However the life time of minority carriers was comprised between 20 and 50 µs and cells with efficiency above 14% have been produced.