Etude numérique et expérimentale de la cristallisation du silicium par le procédé Kyropoulos pour des applications photovoltaïques

Numerical and experimental study of silicon crystallisation by Kyropoulos process for photovoltaic applications

• Auteur / Autrice : Ahmed Nouri
• Direction : Kader Zaïdat, Yves Delannoy, Guy Chichignoud, Ibn Khaldoun Lefkaier, Bachir Helifa
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux, mécanique, génie civil, électrochimie
• Date : Soutenance le 07/03/2017
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE) en cotutelle avec Université de Laghouat (Algérie)
• 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) - Université de Laghouat (Algérie)
• Jury : Président / Présidente : Kheirreddine Lebbou
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bachir Bentria
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Matias Velázquez, Aïssa Belgacem Bouzida

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Croissance cristalline

Applications industrielles

Silicium cristallisé

Mots clés libres

Silicium

Kyropoulos

Cristallisation

Photovoltaique

Silicon

Kyropoulos

Cristalisation

Photovoltaic

Résumé

Le procédé Kyropoulos est un procédé de croissance cristalline par trempe de germe permettant potentiellement de produire des lingots de silicium de haute qualité pour des applications photovoltaïques. Un modèle numérique 3D du processus, avec modélisation de la thermique, de la mécanique des fluides et de la solidification, a été créé pour développer un prototype expérimental de croissance Kyropoulos pour le silicium. Le dispositif a un creuset de forme carrée chauffé par trois sources thermiques (haut, bas, coté). La simulation numérique a permis de comprendre l’effet couplé, entre rayonnement et mécanique des fluides dans le bain, sur la solidification. L’étude Numérique a montré que la forme du cristal est dépendante de l’écoulement dans le bain et le rayonnement. Le procédé est sensible à la croissance asymétrique sous l’effet conjugué entre la mécanique des fluides et le changement d’émissivité du silicium durant la solidification. L’application des bons paramètres de chauffage et l’homogénéisation du bain ont permis de contrôler la croissance latérale du cristal. Par conséquence, des cristaux symétriques ont été obtenus numériquement et expérimentalement. L’étude numérique a montré la possibilité de contrôler la forme de la section horizontale du cristal, par diffusion thermique et par convection, pour obtention d’un lingot à section horizontale carrée sans contact avec le creuset.Le prototype expérimental développé a permis de faire croitre des cristaux de silicium monocristallin. Le procédé a stabilisé la croissance facettée donants des cristaux avec une section horizontale carrée grâce à la cinétique de croissance des facettes <111> dans le silicium donnants des mono cristaux de section horizontale de forme carré.

Kyropoulos technique is a top seeding process with the potential to produce high quality silicon ingots for photovoltaic applications. The crystal grows inside the melt in an unconfined low stress growth environment. A 3D numerical model of the full process, including heat transfer fluid dynamics and solidification, was created to develop a working experimental prototype of the process for silicon. The process had a square crucible heated by three heaters (top, bottom, side).Numerical simulation explained the complex coupled effect of radiation and melt flow on the solidification process. The study showed that the shape of the crystal is dependent on the melt flow. The growth was found to be sensitive to symmetry loss due to a strong coupled effect between melt flow and emissivity change of silicon during solidification. Control of heating parameters and homogenization of the melt flow allowed a consistent symmetric crystal growth. As a consequence, symmetric silicon crystals were obtained experimentally and numerically. Numerical investigation showed the possibility to control thermally, by heat diffusion and convection, the shape of the horizontal cross section to obtain a square ingot.The developed experimental prototype succeeded to grow monocrystalline silicon crystals. The process stabilized faceted growth in the <111> direction. The faceted monocrystalline crystals had a square horizontal cross section.