Cinétique de la purification par plasma de silicium pour cellules photovoltaïques : étude expérimentale par spectrométrie Kinetics of the plasma refining process of silicon for solar cells

par Jochen Altenberend

Thèse de doctorat en Mécanique, génie mécanique

Sous la direction de Yves Delannoy.

Soutenue le 11-12-2012

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) et de Science et Ingenierie, MAtériaux Procédés (laboratoire) .

Le président du jury était Malek Benmansour.

Le jury était composé de Yves Delannoy, Caroline Rosset, Guy Chichignoud, Michel Vardelle.

Les rapporteurs étaient Jochen Schein, Gabriella Tranell.


  • Résumé

    Le procédé de purification par plasma, étudié dans ce travail, peut efficacementenlever le bore du silicium. En combinaison avec d’autres procédés on peut ainsipurifier du silicium pour des cellules solaires à bas coûts. Cependant, la chimie à lasurface du silicium est encore mal comprise. Pour une meilleure compréhension duprocédé nous effectuons des mesures paramétriques de vitesse de purification, nouscalculons l’équilibre chimique et nous mesurons la température et la concentrationdes radicaux dans le plasma, utilisant la spectroscopie d’émission.La comparaison entre des vitesses de purification de la littérature et desconcentrations à l’équilibre chimique calculé montre que les réactions chimiques à lasurface du silicium sont probablement en équilibre. Cependant, le rapport entre lebore et le silicium dans les gaz en sortie du réacteur est plus élevé que prédit par lescalculs de l’équilibre chimique. Ceci est probablement dû à la formation d’un aérosolde silice dans la couche limite réactive. Les résultats des mesures paramétriques dela vitesse de purification sont en accord avec cette théorie.Plusieurs expériences de validation montrent que la spectroscopie d’émission peutêtre utilisé pour mesurer la température et les rapports de concentration O/Ar et H/Ardans le plasma. Les résultats des mesures spectroscopiques ont aidé à améliorer defaçon significative un modèle numérique. Les résultats ont montré que l’hydrogènediffuse fortement dans le plasma tandis que l’oxygène diffuse beaucoup mo

  • Titre traduit

    Kinetics of the plasma gas blowing refining process of silicon for solar cells : experimental study with spectroscopy


  • Résumé

    The plasma refining process studied in this work can efficiently remove boron fromsilicon. In combination with other processes one can purify silicon for solar cells atlow costs. The hot gases from the thermal plasma torch are blown onto the surface ofa silicon melt. However the chemistry at the silicon surface is so far poorlyunderstood. For a better understanding of the process we do parametricmeasurements of the boron removal rate, we calculate the chemical equilibriumconcentrations and we measure the temperature and radical concentrations in theplasma, using emission spectroscopy.The comparison of boron removal rates from literature to calculated chemicalequilibrium concentrations shows that the chemical reactions at the silicon surfaceare probably at chemical equilibrium. However, the boron to silicon ratio in theexhaust gases is higher than predicted by the chemical equilibrium calculations. Thisis probably due to the formation of a silica aerosol in the reactive boundary layer. Theresults of the parametric measurements of the boron removal rate agree also withthis theory.Several validation experiments showed that emission spectroscopy with Abelinversion can be used to measure the temperature and the concentration ratios O/Arand H/Ar in the plasma. The spectroscopic results helped to improve significantly anumerical mode. The results also showed that hydrogen diffuses strongly in theplasma while oxygen diffuses much less.


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