Etude d'un four de cristallisation de silicium à destination du procédé Kyropoulos pour des applications photovoltaïques

par Leslie Lhomond

Projet de thèse en 2MGE : Matériaux, Mécanique, Génie civil, Electrochimie

Sous la direction de Kader Zaidat.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble) , en partenariat avec SIMAP - Science et Ingénierie des Matériaux et Procédés (laboratoire) depuis le 01-10-2012 .


  • Résumé

    Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet PICKS (Procédé Innovant de Croissance Kyropoulos pour le Silicium photovoltaïque) financé par l'ANR PROGELEC et dont le laboratoire SIMaP est coordinateur. Ce projet se place dans la perspective de créer une rupture dans l'industrie de la cristallisation du silicium pour les applications photovoltaïques. Le projet PICKS vise à développer une nouvelle technique de cristallisation du silicium connue pour l'élaboration d'autres matériaux comme le saphir. La technique de Kyropoulos est assez proche de celle de Czochralski mais présente un certain nombre d'avantages qui n'ont jusqu'à présent pas été appliqués à l'élaboration de lingots de silicium pour le photovoltaïque : capacité d'élaborer des lingots de grandes dimensions, possibilité de reproduire la forme du creuset, limitation des défauts cristallins grâce à un faible gradient thermique au niveau du front de solidification… A l'heure actuelle la valorisation des avantages intrinsèques à cette technique de cristallisation, dans un processus de recherche industrielle, est particulièrement pertinente dans le contexte de développement de l'industrie photovoltaïque. Ce développement impose en particulier de maîtriser les coûts de production. Etant donnée la part du matériau dans le coût final d'une cellule, cela passe par l'optimisation de la filière de production. La mise au point d'un procédé innovant permettant de cristalliser des lingots de silicium de bonne qualité et sur de grandes dimensions s'inscrit de fait dans cette voie. Ce travail de recherche comporte à la fois des verrous scientifiques et des verrous technologiques. Du point de vue scientifique, il est indispensable de maitriser la structure de grains lors de la cristallisation du silicium, de stabiliser le front de solidification au cours de la croissance, de maîtriser l'homogénéité du dopage et de contrôler la qualité cristalline. Dans le cadre du projet PICKS, une chaîne modélisation/élaboration/ caractérisations permettra de mettre en place les outils de compréhension et de dimensionnement du procédé, indispensables dans la phase initiale, puis de valoriser les retours d'expériences pour la mise au point du procédé de cristallisation par Kyropoulos. L'objectif de la thèse proposée porte sur l'étude expérimentale de l'élaboration de lingots par la techniquer Kyropoulos. Le doctorant utilisera le pilote expérimental du laboratoire SIMaP (machine Rocky) pour travailler, tout d'abord à l'échelle G1 (15,2x15,2cm) avec une évolution en fin de projet à la taille G2, à l'élaboration des lingots et à leur caractérisation. Cette thèse est menée en parralèle avec une étude numérique portant sur une modélisation en 2D (puis en 3D) du four de cristallisation, couplant les phénomènes physiques (transferts thermiques et mécanique des fluides). La complémentarité de ces deux thèses est une opportunité très favorable et doit permettre l'élaboration de lingots ayant la forme et les propriétés cristallines requises. Les principaux points du travail du doctorant portent sur les verrous scientifiques identifiés, à savoir le démarrage et la mise au point du procédé Kyropoulos sur la machine Rocky, l'étude de l'effet des germes et de la robustesse du procédé vis-à-vise de la nature de la charge de silicium. Le travail de caractérisations microstructurales et physiques devra permettre une compréhension du procédé en adéquation avec les résultats numériques. Des expériences « modèles » ainsi que des caractérisations particulières pourront être envisagées avec les autres partenaires, en particulier avec les équipes du CEA-Ines impliquées dans le projet PICKS.

  • Titre traduit

    Study of a silicon crystallization furnace to the Kyropoulos process for photovoltaic applications


  • Résumé

    The increase of solar energy production leads to the development of silicon photovoltaic cells industry. To combine a high photovoltaic efficiency and low material losses, research evolves crystalline processes to obtain a single crystal cubic ingot. The Kyropoulos process adapted to silicon could grow ingots in a low temperature region to limited crystalline defects and could allow the growth of silicon facets to get a square section ingot. The association of the Kyropoulos and the directional solidification processes could grow a cubic ingot. This PhD thesis reaches on the development of a directional solidification furnace to succeed the adaptation of the Kyropoulos process. An experimental setup is developed and physical phenomenon taking place during the process are studied. It is about heat and mass flow. Moreover, forces established between different phases (solid/liquid/gas) are also studied. Finally, silicon ingots crystallized are characterized.