Contraintes thermomécaniques et dislocations dans les lingots de silicium pour applications photovoltaïques

Thermo-mechanical stresses and dislocations in silicon ingots for photovoltaic applications

• Auteur / Autrice : Benjamin Gallien
• Direction : Thierry Duffar, Jean-Paul Garandet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 10/04/2014
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Science et ingénierie des matériaux et procédés (Grenoble) - Institut national de l'énergie solaire (Le Bourget-du-Lac, Savoie)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Mathiot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Duffar, Jean-Paul Garandet, Florine Boulle
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jacques Rabier, Mohammed M'Hamdi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes photovoltaïques

Silicium

Mots clés libres

Silicium

Photovoltaïque

Contrainte

Dislocation

Silicon

Photovoltaic

Stress

Dislocation

Résumé

Cette thèse, financée par le laboratoire SIMaP-EPM à Grenoble et l'INES à Chambéry, porte sur l'effet des contraintes thermomécaniques sur la qualité cristalline lors de l'élaboration de lingots de silicium pour applications photovoltaïques. Ainsi, ce travail commence par exposer comment l'industrie photovoltaïque construit les panneaux solaires et l'impact des dislocations, défauts issus des contraintes, sur leur rendement. Une revue bibliographique est également faite afin de présenter les modèles physiques et numériques traitant des dislocations dans le silicium, de leur mouvement et de leur multiplication. Différentes techniques de caractérisation de la densité de dislocations sont également décrites dans la première partie de ce travail.Dans le second chapitre du manuscrit, une étude comparative de différentes méthodes de caractérisation rapide est réalisée afin de montrer leurs forces et leurs faiblesses. Pour cela, un échantillon sert de référence pour la comparaison. Celui-ci a l'avantage d'être large, de ne pas être perturbé par des joints de grains et d'avoir des zones de forte et de faible densité de dislocations. La première technique de caractérisation étudiée dans ce manuscrit est la « méthode précise » consistant à dénombrer manuellement les dislocations à la surface de l'échantillon afin d'avoir une caractérisation fine de la densité de dislocations. Ensuite, la « méthode INES » utilise un traitement informatique d'images prise avec un microscope électronique à balayage afin de compter les dislocations. La « méthode Ganapati » relie les niveaux de gris d'une image de l'échantillon prise avec un scanner et la densité de dislocations. Enfin, la « méthode PVScan » utilisant l'appareil du même nom et qui se sert de la diffusion d'un faisceau laser à la surface de l'échantillon afin de réaliser la caractérisation. Cette étude comparative montre quelles sont les applications privilégiées pour chaque technique et surtout quels questions il est nécessaire de se poser avant de réaliser une caractérisation.La troisième partie de ce travail est dévolue à la mise en place de deux simulations numériques utilisant le code commercial Comsol afin de prédire la densité de dislocations dans un lingot de silicium à la fin de son élaboration. Pour cela, le modèle d'Alexander et Haasen, décrivant l'évolution de la densité de dislocations et de la relaxation plastique, est implémenté au logiciel et couplé avec le calcul des contraintes thermomécaniques. Le premier modèle, nommé « évolution continue », traite le lingot dans son ensemble, partie solide et liquide, et fait évoluer la température de façon continue durant la résolution. Dans le second modèle, nommée « pas à pas », seule la partie solide du lingot est prise en compte en modifiant la géométrie et la température à chaque pas de temps. Ces deux modèles sont comparés avec des simulations numériques réalisées par des équipes japonaise et norvégienne et le premier modèle est également comparé avec la caractérisation d'un échantillon. Ainsi, cette partie montre la pertinence de l'utilisation d'un code commercial pour l'estimation de la densité de dislocation dans un lingot à la fin de l'élaboration, de par sa simplicité d'utilisation et son adaptabilité à différentes géométries de fours.Dans un dernier chapitre, le problème de l'attachement entre le lingot et le creuset lors de la cristallisation est étudié car il est à l'origine de fortes contraintes et donc de dislocations dans le cristal. Ce problème est également traité par simulation numérique en utilisant le logiciel Comsol. Pour cela, un modèle physique est défini : l'intégrale J est utilisé pour évaluer l'énergie élastique exercée sur l'attachement et cette valeur est ensuite comparée à l'énergie d'adhésion entre le creuset et le lingot. Ce model est implémenté au logiciel et les résultats sont comparés avec une expérience réalisée au cours d'une thèse précédente (...)

SIMaP-EPM laboratory of Grenoble and INES institute of Chambery have both financed this thesis which investigates the effect of thermo-mechanical stresses on the crystal quality during production of silicon ingots for photovoltaic applications. This work begins by showing how photovoltaic industry makes solar panels and the influence of dislocations (defects induced by stresses) on the conversion efficiency. Bibliographic review is also performed in order to describe physical and numerical models of dislocation motion and their multiplication in silicon. Several characterization methods of the dislocation density at the surface of a sample are also presented in the first part of this work.In the second part of this manuscript, comparative study of different quick characterization methods is done in order to show their strength and weaknesses. Therefore, a sample, which is wide, not containing grain boundaries, and having areas of high and low dislocation density, is used as reference sample for the comparison. The first characterization technique studied in this work is the “accurate method” consisting in manually counting the dislocations at the surface of the sample in order to have a precise characterization of dislocation density. The “INES method” uses numerical treatment of SEM pictures to count dislocations. The “Ganapati method” links the grey scale of a sample picture taken with a scanner and the dislocation density. Finally, the “PVScan method”, using the eponymous device, uses diffusion of a laser beam on the surface of the sample for characterization. This comparative study underlines the best applications for each method and which questions should be thought about before performing dislocation characterization.The third part of this work is intended to build two numerical simulations using Comsol commercial software in order to predict dislocation density in silicon ingot at the end of its production. Therefore, Alexander and Haasen model, describing dislocation density and plastic relaxation rate, is implemented into the software and coupled with the thermo-mechanical stress calculation. In the first model, named “continuous evolution”, the entire ingot is taken into account (liquid and solid parts) and, during solving of this numerical simulation, temperature changes continuously. In the second model, named “step by step” only the solid part of the ingot is taken into account with new geometry and new temperature at each step. Both of these models are compared to numerical simulations performed by Japanese and Norwegian teams. Results of the first one are also compared to the experimental characterization of a sample. Thus, this part shows the pertinence of using commercial software for the prediction of dislocation density in a silicon ingot at the end of its production. Its use is simple and shows good adaptability to different furnace geometries and thermal fields.In the last part, ingot/crucible attachment is studied because it creates high stresses and then dislocations in the crystal. This problem is also solved by numerical simulation using Comsol software. Therefore, a physical model is created: the J-integral is used to estimate elastic energy at the attachment area and then this value is compared to ingot/crucible adhesion energy. This model is implemented into the software and the results are compared to an experiment realized during a previous thesis. This numerical simulation is also applied to two attachment configurations of a silicon ingot in order to study the attachment duration, the localization and the size of crystal area impacted by plasticity.