Étude expérimentale et numérique de la précipitation d'impuretés et de la formation des grains dans le silicium photovoltaïque

Experimental and numerical study of impurities precipitation and grain formation in photovoltaic silicon

• Auteur / Autrice : Mickaël Beaudhuin
• Direction : Mustapha Lemiti, Kader Zaïdat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, énergétique, procédés
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Grenoble INPG

Mots clés

Mots clés libres

Levitation electromagnétique

Surfusion de germination

Silicium photovoltaïque

Résumé

L'évolution de la production mondiale de cellule photovoltaïque a entraîné une pénurie en silicium de haute pureté. Le silicium de qualité moindre provoque, lors de la cristallisation, l'apparition de morphologies indésirables (grits) dues à la précipitation de carbure et de nitrure de silicium. Cependant les paramètres physico-chimiques liés à ces phénomènes sont encore inconnus. Dans ce but, nous avons développé une expérience de lévitation électromagn étique 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. En parall èle un modèle de transition facetté-équiaxe a été développé. En s'appuyant sur des modèles analytiques, il permet de prédire les transitions colonnaires-grits au cours de la solidication d'un lingot ainsi que la répartition en taille des grains dans les zones de grits.

The rapid evolution of photovoltaic silicon cells production induced to use a silicon with a lower purity. This silicon involves silicon carbide and silicon nitride precipitation which lead to new undesirable morphological structure called grits. However physico-chemical parameters which control these phenomenons are still unknown. Thereby, we developed an experimental levitation set-up under ultra high vacuum which allows measuring nucleation undercooling of silicon containing known concentration of carbon and nitrogen. The results showed a rapid decrease of the undercooling with increasing impurities concentration. In parallel a facetted to equiaxed facetted transition model has been developed. Using analytical theoretical models, it allows predicting the columnar facetted to equiaxed facetted transition all along the ingot solidication and the grain size distribution.