Optimisation et modélisation du détachement de couches minces de silicium par contrainte thermique avec ou sans guidage de la fracture : application au photovoltaïque

Optimization and modeling of thin silicon layer transfer by thermal stress with or without the guiding crack location : photovoltaics application

• Auteur / Autrice : Najoua Zayyoun
• Direction : Esidor Ntsoenzok, Larbi Laanab
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique : Science des Matériaux
• Date : Soutenance le 10/10/2019
• Etablissement(s) : Orléans en cotutelle avec Université Mohammed V (Rabat). Faculté des sciences
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Conditions extrêmes et matériaux : haute température et irradiation (Orléans ; 2008-...)
• Jury : Président / Présidente : Eric Millon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Esidor Ntsoenzok, Larbi Laanab, Eric Millon, Anne Migan-Dubois, Gabrielle Regula, Nathalie Mangelinck-Noël, Frédéric Mazen, Alexander Ulyashin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Anne Migan-Dubois, Gabrielle Regula

Mots clés

Mots clés contrôlés

Silicium -- Composés

Générateurs photovoltaïques

Couches minces

Mots clés libres

Silicium

Couches minces

Contraintes thermiques

Détachement

Implantation d'hydrogène

Cellules solaires bas-Coûts

Silicon

Thin layers

Thermal stress

Detachment

Hydrogen implnatation

Low cost solar cells

Résumé

La réduction des coûts de production des cellules photovoltaïques et l'augmentation de leur rendement de conversion présentent aujourd’hui un fort intérêt technologique et écologique pour répondre aux problèmes de changement climatique engendrés par les énergies fossiles (charbon, pétrole et gaz naturel). La motivation de cette thèse est l’étude des procédés innovants de production de couches ultra-minces de silicium monocristallin de plusieurs centaines de nanomètres à plusieurs dizaines de micromètres d’épaisseur, basés sur les contraintes thermiques et l’implantation d’hydrogène à basse énergie. Le détachement des couches ultra-minces de silicium se fait sans perte de matière première, permettant ainsi de réduire la consommation du silicium afin de produire des cellules photovoltaïques à bas-coûts.Dans ce travail, nous avons tout d’abord déterminé par modélisation analytique et numérique les contraintes permettant le détachement du silicium par contraintes induites « Controlled-Spalling » et prédit l’épaisseur détachée des couches minces de silicium. Les modèles proposés dépendent des paramètres thermiques et élastiques des matériaux utilisés et de chargement thermique appliqué. Un bon accord entre les résultats théoriques et expérimentaux a été obtenu. Nous avons ensuite étudié les paramètres optimaux conduisant au détachement des films de silicium, à savoir l’épaisseur et la nature du substrat contraignant ainsi que l’épaisseur de la colle. Par la suite, des essais de détachement du silicium par contraintes induites guidé par l’implantation d’hydrogène ont été réalisés. Des caractérisations expérimentales et des simulations FEM des contraintes thermiques induites dans le silicium implanté à différents stades de recuits ont été faites permettant de comprendre les mécanismes mis en jeu lors du détachement du silicium fragilisé. Ensuite, des mesures par différentes techniques (Spectroscopie Raman, Profilomètre optique, MEB, Microscope optique numérique) des contraintes résiduelles et de la rugosité des films détachés par le procédé « Controlled-Spalling » ont été réalisées pour explorer les pistes conduisant à l’amélioration de la qualité de ces films.

The reduction of photovoltaic cells cost and the increase of their efficiency is probably one of the best solution to tacle the climate change issues. The mean of this thesis is to study the innovative processes to produce ultra-thin monocrystalline silicon layers without loss of raw material (with thicknesses ranging from several hundred nanometers to several micrometers), by using thermal stress and low energy hydrogen implantation. The use of such kerf-free processes leads to a significant reduction of the silicon consumption, in order to produce of low-cost photovoltaic solar cells.In this work, by using analytical and numerical modeling, we first determined the thermal stresses needed for the detachment of silicon by stress-induced spalling process and predicts the detached thickness of silicon foils. These models depend on thermals and elastics parameters of metal used as well as the applied thermal loading. A good agreement between the theoretical and experimental results was obtained. Furthermore, different optimal parameters leading to the detachment of silicon foils with desired thicknesses using SIS process were investigated such as the thickness of the stressor layer, the nature of stressor layer and the thickness of glue. In a second part, thin silicon layers were transferred as a function of thermal annealing using the stress-induced spalling process guided by hydrogen implantation-induced defects. Then, the use of experimental characterizations and FEM simulations of the thermal stresses induced in implanted silicon we explain the mechanisms involved when combining the two processes. Characterization of silicon foils was performed by various technique in order to validate and optimized the process.