Etude numérique et expérimentale des effets des champs magnétiques sur la solidification du silicium métallurgique pour des applications photovoltaïques

Numerical and experimental studies of magnetic field effects on solidification of metallurgical silicon for photovoltaic applications

• Auteur / Autrice : Mircea Cablea
• Direction : Annie Gagnoud, Kader Zaïdat, Yves Delannoy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 13/03/2015
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• 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)
• Jury : Président / Présidente : Anis Jouini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Annie Gagnoud, Kader Zaïdat, Yves Delannoy, Alain Jardy, Mustapha Lemiti
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nathalie Mangelinck, Valéry Botton

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interfaces solide-liquide

Solidification

Silicium cristallisé

Mots clés libres

Silicium multi-cristalline

Solidification dirigée

Ségrégation des impuretés

Solid liquid interface

Champ magnétique glissant

Ecoulement forcé

Interface solide-liquide

Multi-crystalline silicon

Directional solidification

Impurities segregation

Travelling magnetic field

Forced fluid flow

Solid-liquid interface

Résumé

La plupart des modules photovolta¨ıques produits sont `a base de silicium.L’efficacit´e de ces modules d´epend fortement de la qualit´e cristalline du siliciumutilis´ee ainsi que de la quantit´e d’impuret´es pr´esente dans le lingotd’origine d’o`u sont issus les modules. Les lingots de silicium sont obtenus aucours d’un proc´ed´e de solidification, durant lequel les impuret´es sont extraitespar ph´enom`ene de s´egr´egation. Le processus de s´egr´egation est influenc´e parl’´ecoulement dans le liquide durant l’´etape de solidification. L’utilisation d’unchamp magn´etique externe permet le contrˆole de l’´ecoulement dans le bainliquide. Dans cette ´etude, l’effet d’un ´ecoulement forc´e sur le processus des´egr´egation est ´etudi´e. Pour cela un dispositif exp´erimental (VB2) et unmod`ele num´erique ont ´et´e d´evelopp´es dans le but de comprendre le rˆole del’´ecoulement sur la forme de l’interface et sur la s´egr´egation des impuret´es.

The photovoltaic modules are generally produced using silicon wafers. Theirelectrical efficiency is related to the crystal quality, which is influenced bythe presence of pollutants in the ingots from which the wafers are cut. Siliconingots are obtained as a result of solidification processes, which implygrowing a crystal from melt. During this solidification process, impurities areseparated from the silicon. The segregation process is greatly influenced bythe melt velocity during the solidification process. The control of the meltflow during the crystallization process can be achieved using external magneticfields. This thesis presents the results of the study on the influence ofthe forced convection induced by a travelling magnetic field (TMF) duringthe solidification process, using both an experimental set-up (VB2) and anumerical model.