Etude d’un four de cristallisation de silicium à destination du procédé Kyropoulos pour des applications photovoltaïques

Study of a silicon crystallization furnace to the Kyropoulos process for photovoltaic applications

• Auteur / Autrice : Leslie Lhomond
• Direction : Kader Zaïdat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie
• Date : Soutenance le 29/06/2016
• 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 : Valéry Botton
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guy Chichignoud
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Kheirreddine Lebbou, João Manuel De Almeida Serra

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicium cristallisé

Effet photovoltaïque

Mots clés libres

Cristallisation

Silicium

Procédé Kyropoulos

Photovoltaïque

Crystalization

Silicon

Kyropoulos process

Photovoltaic

Résumé

La croissance de la production d’énergie solaire a conduit au développement de l’industrie des cellules photovoltaïques à base de silicium. Pour obtenir un rendement photovoltaïque élevé, tout en limitant les pertes de matière première, la recherche s’oriente sur des procédés de croissance cristalline permettant d’obtenir des lingots monocristallins de section carrée. Le développement du procédé Kyropoulos au silicium permettrait de faire croître des lingots dans un environnement ayant de faibles gradients de température. Ces conditions limiteraient la formation de défauts cristallins et favoriserait le contrôle de la croissance de quatre facettes du silicium formant une section carrée. La combinaison de ce procédé à la solidification dirigée, permettrait de faire croître un lingot cubique. Cette thèse porte sur l’adaptation d’un four de solidification dirigée pour y permettre la croissance Kyropoulos de silicium. Pour cela, une installation expérimentale est développée et les phénomènes physiques liés au procédé de solidification sont étudiés. Ils concernent les échanges de chaleur et de matière ainsi qu’un bilan de forces en jeu entre les différentes phases (solide/liquide/gazeuse). Les lingots de silicium obtenus sont caractérisés.

The increase of solar energy production leads to the development of silicon photovoltaic cells industry. To combine a high photovoltaic efficiency and low material losses, research evolves crystalline processes to obtain a single crystal cubic ingot. The Kyropoulos process adapted to silicon could grow ingots in a low temperature region to limited crystalline defects and could allow the growth of silicon facets to get a square section ingot. The association of the Kyropoulos and the directional solidification processes could grow a cubic ingot. This PhD thesis reaches on the development of a directional solidification furnace to succeed the adaptation of the Kyropoulos process. An experimental setup is developed and physical phenomenon taking place during the process are studied. It is about heat and mass flow. Moreover, forces established between different phases (solid/liquid/gas) are also studied. Finally, silicon ingots crystallized are characterized.