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Thèse Année : 2020

Purification of solar grade silicon in wide surface reactors

Purification de silicium solaire dans des réacteurs à grande surface

Résumé

Solar grade silicon, needed to supply the ever-growing photovoltaic market, has to be purified from metallurgical silicon. The classical chemical route for purification has a high energy cost and environmental drawbacks. The alternative metallurgical route has to decrease its production cost to meet with the low market price. In this work, we study a technology breakthrough compared to existing processes to remove boron, such as the plasma process previously studied in the SIMaP laboratory.The first chapter of this thesis presents the context of silicon production for solar cells, with focus on the chemical route and the metallurgical route for silicon purification, and explains the goal of this work. The second chapter discuss a state of the art of the processes to remove boron by gas blowing. Different setups of different teams are presented, and the literature survey is specially focused on the role of each gas species, the kinetics of the boron removal and the purification limit due to the formation of a silica layer.Chapter three presents a theoretical model developed during this PhD to describe the boron removal by gas blowing, in continuous reactors with counter-current gas and liquid flows. The model takes into account a chemical equilibrium at the interface, mass transfer to the bulk fluids and the limit on the oxidant fraction due to the formation of a silica layer. It was run at laboratory scale and then used to extrapolate at industrial scale.The experimental part of the thesis is presented in chapters four and five, where the design, realisation and tests of a laboratory scale experiment are detailed. Thermal tuning was performed and new phenomena were reported, involving capillarity and condensation of gaseous species. Boron removal results are shown for situations where the continuous flow of silicon was suppressed. As shown in our last chapter, further experimental developments would be fruitful at laboratory scale, together with studies at industrial scale using our theoretical model.
Le silicium de qualité solaire, nécessaire pour approvisionner le marché photovoltaïque en croissance constante, est produit par purification à partir du silicium métallurgique. La voie chimique de purification, la plus classique, a un coût énergétique élevé et pénalités environnementales. La voie métallurgique est une alternative qui doit réduire son coût de production pour répondre au faible prix du marché. Dans ce travail, nous étudions une percée technologique par rapport aux procédés existants pour éliminer le bore, tels que le procédé plasma précédemment étudié dans le laboratoire SIMaP.Le premier chapitre de cette thèse présente le contexte de la production de silicium pour les cellules solaires, en mettant l'accent sur la voie chimique et la voie métallurgique pour la purification du silicium, et explique l’objectif de ce travail. Le deuxième chapitre analyse l'état de l'art des procédés d'élimination du bore par soufflage de gaz. Les configurations utilisées par différentes équipes sont présentées. L’analyse bibliographique est spécialement axée sur le rôle des différentes espèces gazeuses, la cinétique de l'élimination du bore et la limitation de la purification par formation d'une couche de silice.Le troisième chapitre présente un modèle théorique développé au cours de cette thèse pour décrire l'élimination du bore par soufflage de gaz, dans des réacteurs en continu avec des flux de gaz et de liquide à contre-courant. Le modèle prend en compte un équilibre chimique à l'interface, le transfert de masse vers le cœur des fluides et la limitation du titre d’oxydant due à la formation d'une couche de silice. Il a été exploité à l'échelle du laboratoire, puis utilisé pour extrapoler à l'échelle industrielle.La partie expérimentale de la thèse est présentée dans les chapitres quatre et cinq, où la conception, la réalisation et les tests d'une expérience à l'échelle du laboratoire sont détaillés. La mise au point thermique a été effectuée et de nouveaux phénomènes ont été rapportés, impliquant la capillarité et la condensation des espèces gazeuses. Les résultats de l'élimination du bore sont présentés pour les situations où le flux continu de silicium a été supprimé. Comme nous l'avons montré dans notre dernier chapitre, de nouveaux développements expérimentaux seraient fructueux à l'échelle du laboratoire, en parallèle avec des études à l'échelle industrielle utilisant notre modèle théorique.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-02982220 , version 1 (28-10-2020)

Identifiants

  • HAL Id : tel-02982220 , version 1

Citer

Hamza Abouchi. Purification of solar grade silicon in wide surface reactors. Materials. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2020. English. ⟨NNT : 2020GRALI035⟩. ⟨tel-02982220⟩
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