Détermination de la nature et de l'origine des défauts cristallins dans le silicium monolike

Determination of the nature and origin of crystalline defects in monolike silicon

• Auteur / Autrice : Arthur Lantreibecq
• Direction : Étienne Pihan, Marc Legros, Jean-Philippe Monchoux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière
• Date : Soutenance le 20/09/2018
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de l'énergie solaire (Le Bourget-du-Lac, Savoie) - Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales (Toulouse ; 1988-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Solidification

Silicium

Cristaux -- Défauts

Mots clés libres

Défauts cristallins

Germes

Solidification

Silicium

Cellule solaire

Contraintes thermomécaniques

Cristalline defects

Seeds cristals

Solidification

Silicon

Solar cells

Thermomecanical stress

Résumé

Le silicium monolike (ML), est un matériau obtenu par croissance dirigée sur des germes monocristallins et dédié aux applications photovoltaïque. Cette thèse se concentre sur la qualité structurale de ces cristaux de plusieurs centaines de kilogrammes et qui contiennent des défauts dont certains affectent particulièrement le rendement solaire. Le but est de comprendre les mécanismes d'apparition et de multiplication de ces défauts pour pouvoir à terme les inhiber. Comme le développement de sous-joints de grains (SJG), principaux responsables des pertes de rendements photovoltaïques, est potentiellement lié aux contraintes thermomécaniques qui se développent au cours du cycle de fabrication, nous avons simulé numériquement les températures d'un four contenant un lingot sur un cycle complet (fusion, croissance, refroidissement). A partir des valeurs de températures, nous avons pu établir une cartographie des contraintes thermomécaniques ainsi que leur évolution temporelle. En parallèle, nous avons utilisé plusieurs techniques de caractérisations structurales et électriques pour analyser les défauts cristallins et leur répartition dans le lingot, et ce à différentes échelles. Au cours du cycle, un premier maximum de contrainte en fin de chauffe génère des dislocations et des précurseurs de SJG dans le germe, le second en fin de solidification / début de refroidissement mène à l'organisation finale des dislocations du bruit de fond présentes dans tout le lingot. Une fois les SJG apparus, ils s'étendent latéralement au fur et à mesure de la progression de l'interface solide-liquide. Ces sous-joints ont une structure constituée de dislocations sessiles et verticales, qui suivent le front de solidification mais également de dislocations mobiles qui viennent se bloquer sur cette structure préexistante. [...]

Monolike silicon (ML Si), is a material obtained by directional solidification on monocrystalline seeds and dedicated to photovoltaic applications. This thesis focuses on the structural quality of these crystals of several hundred kilograms that contain defects that potentially affect the photoelectric yield. The goal is to understand the mechanisms by which these defects nucleate and multiply in order to inhibit them. Since the development of sub-grain boundaries (SGB), which are the main factors for the losses of photovoltaic yields, is potentially related to the thermomechanical stresses that develop during a thermal cycle, we simulated numerically the temperatures of an oven containing an ingot over a complete cycle (fusion, growth, cooling). From the temperature values, we were able to establish a map of the thermomechanical stresses as well as their temporal evolution. In parallel, we used several structural and electrical characterization techniques to analyze crystalline defects and their distribution in the ingot at different scales. During the cycle, a first maximum of stress at the end of the heating stage generates dislocations and precursors of SGB in the seed. The second stress maximum at the end of solidification / start of cooling stage leads to the final organization of background dislocations present in the whole ingot. Once the SGB appear, they extend laterally as the solid-liquid interface progresses. These SGB have a structure consisting of sessile and vertical dislocations, which follow the solidification front and also mobile dislocations that interact with this pre-existing structure. The integration of these mobile dislocations, which can occur just below the solid-liquid interface or during cooling, increases the misorientation of the SGB. [...]