Etude des mécanismes d'oxydation et de frittage de poudres de silicium en vue d'applications photovoltaïques

par Jean-Marie Lebrun

Thèse de doctorat en Génie civil

Sous la direction de Jean-Michel Missiaen.

Soutenue le 24-10-2012

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble) , en partenariat avec Sciences et Ingénieurie des Matériaux et des Procédés (équipe de recherche) .

Le président du jury était Alexis Deschamps.

Le jury était composé de Jean-Michel Missiaen, Celine Pascal, Alain Straboni, Gilbert Fantozzi, Jean-paul Garandet.

Les rapporteurs étaient Raj Bordia, Michele Pijolat.


  • Résumé

    La conversion photovoltaïque présente de nombreux avantages. Actuellement, les technologiesbasées sur l’élaboration de wafers de silicium cristallins dominent le marché, mais sont responsablesde pertes de matières importantes, très néfastes au coût de production des cellules. Le défi à releverest donc la réalisation de matériaux bas coûts en silicium par un procédé de métallurgie des poudres.Cependant, le frittage du silicium est dominé par des mécanismes de grossissement de grains quirendent la densification difficile par frittage naturel. Dans la littérature, l’identification de cesmécanismes est sujette à controverse. En particulier, le rôle de la couche d’oxyde natif (SiO2) à lasurface des particules de silicium reste inexploré. Dans ce manuscrit, l’influence de l’atmosphère surla réduction de cette couche de silice au cours du frittage est étudiée par analysethermogravimétrique. Les cinétiques de réduction sont en accord avec un modèle thermochimiqueprenant en compte, les quantités d’oxygène initialement présentes dans poudre, la pression partielleen espèces oxydantes autour de l’échantillon et l’évolution de la porosité du fritté. Pour la premièrefois, des données expérimentales permettent de montrer que la couche de silice inhibe legrossissement de grain. Des nouveaux procédés, basés sur un contrôle de l’atmosphère enmonoxyde de silicium (SiO(g)) autour de l’échantillon, sont alors proposés afin de maitriser la stabilitéde cette couche. Bien que la couche d’oxyde retarde les cinétiques de diffusion en volume, sonmaintien à des températures de 1300 – 1400 °C permet d’améliorer significativement la densification.Dans ces conditions, le comportement au frittage du silicium peut être séparé en deux étapes,clairement mises en évidences par la présence de deux pics de retrait sur les courbes de dilatométrie.Ce résultat est inhabituel compte tenu de l’aspect monophasé du matériau étudié. Cependant, il peutêtre expliqué à l’aide d’un modèle cinétique de frittage, basé sur des simplifications géométriques enaccord avec l’évolution microstructurale du matériau.

  • Titre traduit

    Sintering mechanisms and optimisation of Silicon densification for photovoltaic applications


  • Résumé

    Photovoltaic conversion is a promising energy resource. Bulk crystalline silicon technologies currentlydominate the market but suffer from high material losses that are highly detrimental to solar cellproduction costs. The challenge is then the elaboration of low cost silicon materials through a powdermetallurgy route. However, silicon sintering is dominated by grain coarsening mechanisms thatpreclude densification. Identification of these mechanisms is controversial in the literature. Especially,the role of the native oxide layer (SiO2) at the powder particle surfaces has remained unexplored yet.In this manuscript, the influence of the atmosphere on the reduction of this silica layer is studied usingthermogravimetric analysis. Reduction kinetics is consistent with a thermochemical model taking intoaccount the powder oxygen content, the partial pressure of oxidizing species and the pore morphologyof the sintered material. For the first time, experimental evidences support the idea that the silica layerinhibits grain coarsening. New sintering processes, involving a control of the silicon monoxideatmosphere (SiO(g)) surrounding the sample are then proposed and investigated in order to monitorthe stability of this layer. Stabilization of the silica layer at temperatures as high as 1300 – 1400 °C isshown to enhance densification although it retards lattice diffusion kinetics. In these conditions, thesintering behavior can be divided into two sequential stages marked by two shrinkage peaks on thedilatometric curves. This result is unusual for the sintering of single-phase materials. However, it canbe explained with help of a kinetic model using appropriate geometrical simplifications andobservations of the sample microstructures.


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