In situ characterization by X-ray synchrotron imaging of the solidification of silicon for the photovoltaic applications : control of the grain structure and interaction with the defects and the impurities

par Thècle Riberi-Béridot

Thèse de doctorat en Physique de la matière condensée

Sous la direction de Nathalie Mangelinck-Noël et de Guillaume Reinhart.

Le président du jury était Olivier Palais.

Le jury était composé de Wolfram Miller, Étienne Pihan, José Baruchel.

Les rapporteurs étaient Marisa Di Sabatino Lundberg, Maria João Serra.

  • Titre traduit

    Caractérisation in situ par imagerie X synchrotron de la solidification du silicium pour les applications photovoltaïques : contôle de la structure de grains et interactions avec les défauts et les impuretés


  • Résumé

    Au cours de cette thèse, nous avons étudié in situ la solidification du silicium à l’aide de l'imagerie X-synchrotron. Les deux techniques utilisées lors de la solidification sont la radiographie et la diffraction de Bragg, elles permettent de caractériser: la dynamique des mécanismes de croissance, la cinétique de croissance, la nucléation et la compétition de grains, la déformation du réseau cristallin et les champs de contraintes liés aux dislocations. Ces observations sont combinées avec des caractérisations ex situ pour étudier l'orientation cristallographique, les déformations du réseau cristallin ainsi que les concentrations d'impuretés légères telles que le carbone et l'oxygène.La complémentarité de ces techniques permet d'étudier et de mieux comprendre : les phénomènes physiques liés à la formation de la structure de grain finale. Les résultats concernant la cinétique de croissance de l'interface solide-liquide et des facettes {111}, l'établissement de la structure de grain, l'importance du maclage, l'effet des impuretés légères, le champ de contrainte lié à la croissance et la compétition de grains et les dislocations sont discutés dans le manuscrit.


  • Résumé

    During this thesis, we studied in situ the solidification of silicon with X-synchrotron imaging. The two techniques used during solidification are radiography and Bragg diffraction and they allow characterizing: dynamic growth mechanisms, growth kinetics, grain nucleation and competition, lattice deformation and dislocation related strain fields. These observations are combined with ex situ characterizations to study the crystallographic orientation, the deformations of the crystal lattice as well as the concentrations of light impurities such as carbon and oxygen. The complementarity of these techniques makes it possible to study and to better understand: the physical phenomena related to the formation of the final grain structure. Results concerning the growth kinetics of the solid-liquid interface and of the {111} facets, the establishment of the grain structure, the importance of twinning, the effect of light impurities, the strain field related to growth and grain competition and dislocations are discussed in the manuscript.


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