Cristallisation du silicium photovoltaïque sous induction électromagnétique : étude d'une vanne de rétention et de la ségrégation sous brassage - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2010

Crystallization of photovoltaic silicon under electromagnetic fields

Cristallisation du silicium photovoltaïque sous induction électromagnétique : étude d'une vanne de rétention et de la ségrégation sous brassage

Résumé

The growth of solar photovoltaic market requires development of elaboration processes of silicon of higher quality and purity at a lower cost. This thesis is related on first hand to the technical study of a laboratory experimental set up, precursor of an innovative industrial ribbon growth process for photovoltaics, and on second hand to the scientific study of the segregation of impurities during the solidification of silicon under a strong electromagnetic stirring. Numerical and experimental studies, led in parallel, enabled to realize an experimental set up in our laboratory, without ribbon pulling. We tested the key points of the process by managing the thermal control of the crystallization and developping the system of electromagnetic retention. Those points were validated using molten tin then liquid silicon. Various geometries of crucible were tested, with slits of different dimension. We also validated experimentally the technical solutions related to the segregation of the impurities from a silicon feedstock of known composition in Phosphorus, Iron, Aluminum and Copper. Ingots (5cm height) and layers (~2mm thickness) of silicon were crystallized (directional solidification) with high growth rates around 15 to 20cm/h, well above the usual crystal growth rates. The results of chemical analyses of samples showed that the turbulent flow resulting from the strong electromagnetic stirring enable a coefficient of effective segregation keff=0,54 for the phosphorus, one of the impurities which hardly segregates in silicon (k0=0,3) for a crystallization rate estimated to 15cm/h. Numerical modeling gives a stirring velocity above 1m/s for the same operating conditions as experiments, that is strong enough to avoid the accumulation of impurities at the liquid/solid interface during crystallization by homogenizing them in liquid silicon. We developed three numerical models to calculate the effective coefficient of segregation keff in turbulent regime, in axially symmetric and in three-dimensional configurations (electromagnetic and magneto-hydrodynamic calculations). The values of effective coefficient of segregation keff given by the models are locally close to our experimental results obtained from the chemical analysis of the crystallized samples.
Dans le contexte du développement actuel du marché du silicium photovoltaïque, le besoin en silicium de qualité solaire s'accompagne du développement de procédés visant à en améliorer la qualité et la pureté à moindre coût. Les travaux réalisés au cours de cette thèse portent sur l'étude technique d'un prototype de laboratoire, précurseur d'un procédé pilote industriel innovant d'élaboration de silicium sous forme de ruban pour le photovoltaïque, et sur l'étude scientifique de la ségrégation des impuretés lors de la solidification du silicium sous un fort brassage électromagnétique. Des études numériques et expérimentales menées en parallèle ont permis la réalisation du prototype de laboratoire sans tirage de ruban. Nous avons testé les points durs du procédé en mettant au point le contrôle thermique de la cristallisation et le contrôle de la vanne électromagnétique de rétention, validés sur de l'étain puis du silicium liquide. Nous avons testé différentes géométries de creusets munis de fentes de différentes dimensions. Nous avons également validé expérimentalement les solutions techniques relatives à la ségrégation des impuretés à partir d'une charge de composition connue en Phosphore, Fer, Aluminium et Cuivre. Des lingots (5cm de haut) et de plaques (~2mm d'épaisseur) de silicium ont été cristallisés (solidification directionnelle) à des vitesses de l'ordre de 15 à 20cm/h, bien au-delà des vitesses habituellement utilisées en croissance cristalline. Les résultats d'analyses chimiques d'échantillons ont montré que l'écoulement turbulent, résultant du fort brassage électromagnétique, permet d'obtenir un coefficient de partage effectif keff=0,54 pour le phosphore, une des impuretés qui ségrégent mal dans le silicium en général (k0=0,3), pour une vitesse de cristallisation estimée à 15cm/h. La vitesse de brassage calculée par modélisation numérique dans les mêmes conditions que l'expérience peut dépasser 1m/s, ce qui est suffisamment intense pour empêcher l'accumulation des impuretés à l'interface liquide/solide pendant la cristallisation, en les homogénéisant dans le fluide. Trois modèles de calcul du coefficient de partage effectif keff en régime turbulent on été développés, en axisymétrique et en tridimensionnel (calculs électromagnétiques et magnéto-hydrodynamiques). Les valeurs de coefficient effectif de partage keff données par les modèles sont localement voisins de nos résultats obtenus à partir de l'analyse chimique des échantillons cristallisés.
Fichier principal
Vignette du fichier
MemoirFS.pdf (16.62 Mo) Télécharger le fichier
Loading...

Dates et versions

tel-00526496 , version 1 (15-10-2010)
tel-00526496 , version 2 (28-01-2011)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00526496 , version 2

Citer

Fatoumata Bintou Santara. Cristallisation du silicium photovoltaïque sous induction électromagnétique : étude d'une vanne de rétention et de la ségrégation sous brassage. Génie des procédés. Institut National Polytechnique de Grenoble - INPG, 2010. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00526496v2⟩
778 Consultations
2508 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More