Modélisation expérimentale du transfert de masse en croissance cristalline par des méthodes électrochimiques en présence d'ultrasons

Experimental modeling of mass transfer phenomena by electrochemical methods in the presence of acoustic streaming

• Auteur / Autrice : Nouhayla El Ghani
• Direction : Valéry Botton
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 05/06/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique des fluides et acoustique (Rhône) - Laboratoire de Mecanique des Fluides et d'Acoustique / LMFA
• Jury : Président / Présidente : Jean-Christophe Béra
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Valéry Botton, Jean-Christophe Béra, Michel Gradeck, Ahmed Mezrhab, Hélène Bailliet, Sophie Miralles, Abdelkader Mojtabi, Benoît Ter-Ovanessian
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Michel Gradeck, Ahmed Mezrhab

Mots clés

Mots clés contrôlés

Semiconducteurs -- Diffusion des impuretés

Transfert de masse

Mécanique des fluides

Mots clés libres

Mécanique des fluides appliquées

Streaming acoustique

Transfert de masse

Couche limite solutale

Parois solutales

Technique électrochimique

Solidification dirigée

Ségrégation des impuretés

Croissance cristalline

Silicium photovoltaïque

Electrochimie

Ecoulement des fluides

Système de brassage mécanique

Acoustic streaming

Mass transfert

Solute boundary layer

Solutal walls

Electrochemical process

Directional solidification

Segregation of impurities

Crystal Growth

Photovoltaic Silicon Layers

Fluid flows

Mechanical mixing system

Résumé

Le brassage acoustique présente une alternative prometteuse pour l'amélioration des procédés de purification pendant la solidification du silicium photovoltaïque. Dans cette étude, on s'intéresse à la caractérisation de l'efficacité d'un brassage par acoustic streaming pour favoriser le phénomène de ségrégation. Nous avons ainsi développé une approche expérimentale originale basée sur des démonstrateurs en eau des phénomènes présents lors de la solidification. Cette démarche s'appuie sur une analogie entre d'une part la diffusion solutale des impuretés à travers la couche limite, au niveau du front de solidification, pendant le processus de croissance cristalline dans les fours de solidification, et d'autre part la diffusion des ions à travers la couche limite à la surface de l'électrode dans une cellule électrochimique. En effet, l'application des méthodes d'électrochimie analytique (polarographie), nous a permis de caractériser le transfert de masse au voisinage d'une paroi et de suivre son amélioration sous l'effet d'un jet impactant généré par une source acoustique continue au sein du fluide. La cohérence des résultats expérimentaux avec des simulations hydrodynamiques a été également examinée. En vue d'étendre les résultats obtenus dans l'eau à d'autres fluides notamment les métaux en phase liquide, on présente, dans la dernière partie de ce manuscrit, les différents paramètres de similitude permettant une description complète de l'expérience en fonction du fluide choisi : la géométrie, l'acoustique et l'hydrodynamique. Nous présenterons ensuite, le cas particulier d'un dispositif expérimental utilisant du galinstan.

Acoustic streaming presents a promising stirring technology in order to improve photovoltaic silicon purification during the solidification process. In the present study, we focus on the characterization of the efficiency of acoustic stirring to enhance segregation phenomena. We present an original experimental approach based on water demonstrators of the phenomena occuring during solidification. This approach is based on an analogy between on the one side the solute diffusion of impurities through the boundary layer, near the solidification front during the crystal growth process in solidification furnaces, and on the other side the diffusion of ions in an electrochemical cell on the surface of the electrode. We used analytical electrochemistry methods (polarography) to accurately characterize the solute boundary layer in the vicinity of the electrodes. Furthermore, we report the evolution of mass transfer in the presence of an impacting jet generated by a continuous acoustic source within the fluid. The consistency of the experimental results with hydrodynamic simulations was also examined. In order to extend the results obtained in water to other fluids, notably metals in the liquid phase, we present, in the last part of this manuscript, the different parameters allowing a complete description of the experiment for a particular fluid : geometry, acoustics and hydrodynamics parameters. We will then present the particular case of an experimental device using galinstan.