Les lingots de Si-PV élaborés par solidification dirigée en creuset présentent des propriétés électriques dégradées dans les zones en contact avec le creuset (red zones). Dans ce contexte, le travail répond à une double problématique. Tout d’abord nous étudions l’influence de la pureté du creuset sur la qualité du silicium et l’étendue de la red zone, et apportons des éléments de compréhension sur les phénomènes physiques à l’origine de cette dernière. Pour cela, des lingots de taille laboratoire cristallisés dans des creusets de différentes puretés sont analysés électriquement et chimiquement. A partir de la compréhension des mécanismes mis en jeu, la deuxième problématique est de développer un creuset innovant permettant de réduire la pollution du lingot de silicium par le creuset et le revêtement, tout d’abord à l’échelle du laboratoire puis sur des lingots de taille semi-industrielle de 60 kg en vue d’un transfert de technologie à l’échelle industrielle. Des cellules photovoltaïques sont fabriquées à partir de lingots cristallisés dans des creusets en silice frittée utilisés dans l’industrie et des creusets innovants, afin de comparer leurs rendements de conversion et valider les effets bénéfiques du creuset innovant. / The majority of silicon used for PV applications is crystallized via directional solidification in silica crucibles with suitable coatings. The obtained ingots exhibit, however, poor electrical properties near the crucible walls (red zones). Until present, the physical mechanisms leading to this degradation are both unclear and unresolved. This thesis addresses exactly these two points. It analyses the root causes leading to the electrical degradation and it proposes an innovative crucible to limit it. An electrical and chemical quantitative study is performed to determine the influence of the purity of the crucible on the quality of the obtained silicon. Specifically, the extent of the red zone is analyzed in great detail in laboratory-scale ingots crystallized in crucibles of different purity. Once the role of impurities present in the crucible is determined, an innovative crucible is proposed and tested. Its scope is to minimize impurity diffusion from the crucible and its coating to the silicon. As proof of concept, laboratory scale (3 kg) and semi-industrial scale (60 kg) ingots are crystallized in this novel crucible and in a standard, reference crucible. The semi-industrial ingots are further used to fabricate solar cells. Characterization of the solar cells validates the beneficial effects of the innovative crucible with respect to the standard one.

This project is a discussion of the continuing need to address gender issues while teaching core curriculum in English classes at the secondary level.

Prezentovaná práce se zabývá vakuovým indukčním tavením intermetalické slitiny Ti-46Al-7Nb (at. %) v žáruvzdorných kelímcích na bázi Y2O3. Byla provedena série taveb pro teploty přehřátí taveniny 1630, 1680 and 1730 C a při různých dobách výdrže na této teplotě v rozmezí 5 až 30 minut. Ze slitin ztuhlých v tavících kelímcích byly připraveny metalografické výbrusy, které sloužily k hodnocení mikrostruktury a vyhodnocení složení fází. Pro získání těchto dat byly použity metosy elektronové mirkoskopie SEM a EDS. Kvantitativní hodnocení mikrostruktury, zejména obsahu oxidické faze ve slitině, bylo provedeno pomocí software Adaptive Contrast Control (ACC). Analýza obsahu kyslíku ve ztuhlé slitině byla provedena metodou IGF (fúze v inertním plynu). V této práci jsou pochody na rozhraní slitina/oxidický kelímek posuzovány také z termodynamického hlediska a to s použitím aktivit jednotlivých složek v systému. Data prezentovaná v této práci mohou být použita pro nastavení a optimalizaci procesů tavení intermetalik TiAlNb.

The effect of solidification conditions on microstructural and mechanical properties of eutectic TiFe alloy cast under different conditions was examined. Samples exhibit different ultrafine eutectic structures (β-Ti(Fe) solid solution + TiFe). Different cooling conditions lead to the evolution of ultrafine eutectic oval-shaped colonies or elongated lamellar colonies with preferred orientation. Isotropic as well as anisotropic mechanical properties were obtained. Alloys exhibit compressive strengths between 2200 and 2700 MPa and plastic strains between 7 and 19 pct. in compression.:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Grundlagen 9 2.1 Titan und Titan-Legierungen. . . . . . . . . . . . . . 9 2.2 Das binäre System Ti-Fe. . . . . . . . . . . . . .11 2.3 Phasendiagramm, Gleichgewichts-/ Nichtgleichgewichtsprozesse. . . . . . . . . . . . . .11 2.3.1 Kristallstrukturen der eutektischen Phasen . . . . . . . . . . . . . . 14 2.3.2 Klassifizierung von Phasengrenzflächen. . . . . . . . . . . . . .15 2.3.3 Eigenschaften intermetallischer Phasen mit B2- Struktur. . . . . . . . . . . . . . 17 2.4 Erstarrung von Schmelzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.5 Das eutektische System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.5.1 Metastabile Legierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.5.2 Keimbildung von eutektischen Systemen . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.5.3 Klassifizierung eutektischer Gefüge. . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.5.4 eutektische Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.5.5 Bestimmung der Erstarrungsgeschwindigkeit nach Jackson und Hunt. . . . . . . . . . . . . . 31 2.6 Einfluss des Gefüges auf die Verformungsmechanismen . . . . . . 32 2.7 Prozessrouten zur Herstellung nanostrukturierter/ultrafeinkörniger (ns/ufk) Materialien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.8 Duktilität und Festigkeit ns/ufk Materialien (Stand der Forschung) . . . . 39 3 Werkstoffauswahl und Probenherstellung. . . . . . . . . . . . . . 46 3.1 Werkstoffauswahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.2 Probenherstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.2.1 Herstellung der Vorlegierung im Lichtbogenofen . . . . . . . . 48 3.2.2 Herstellung der Legierungen nach der Bridgeman-Technik . . 49 3.2.3 Herstellung der Ti-Fe- bzw. Ti-Fe-Sn-Legierungen in verschiedenen Rascherstarrungsanlagen . . . . . . . . . . . . . 50 3.2.3.1 Stabherstellung Kalttiegelanlage . . . . . . . . . . . . . . 52 3.2.3.2 Stabherstellung Kipptiegelanlage . . . . . . . . . . . . . . 52 3.2.3.3 Stabherstellung Differenzdruckgussanlage . . . . . . . 53 4 Charakterisierungsmethoden. . . . . . . . . . . . . . 55 4.1 Chemische Analytik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.1.1 Nasschemische Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.1.2 Nichtmetallanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4.2 Röntgendiffraktometrie (XRD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 4.3 Mikroskopische Untersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.3.1 Lichtmikroskopie (LM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.3.2 Rasterelektronenmikroskopie (REM) . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.3.3 Transmissionenelektronenmikroskopie (TEM) . . . .. . . . . . 61 4.4 Mechanische Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.4.1 Härte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.4.2 Druckversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.4.3 Zugversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 4.4.4 In situ Druck- und in situ Zugversuch . . . . . . . . . . . . . 64 4.5 Ultraschallmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.6 Dilatometermessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5 Einphasige betafi-Ti(Fe)- und TiFe IP-Legierungen. . . . . . . . . . . . . 68 5.1 Die fibeta-Ti(Fe)-Legierung . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 5.2 Die intermetallische Phase TiFe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 6 Gerichtet erstarrte Ti70,5Fe29,5-Legierung . . . . . . . . . . . . . .92 7 Rasch erstarrte Ti70,5Fe29,5-Legierung . . . . . . . . . . . . . . 99 7.1 Gefüge der rasch erstarrten Ti70,5Fe29,5-Legierung . . . . . . . . 99 7.2 Mechanische Charakterisierung der rasch erstarrten Ti70,5Fe29,5- Legierung . ..120 7.2.1 Druckversuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 7.2.2 Bestimmung der elastischen Konstanten . . . . . . . . . . . . 128 7.2.3 Zugversuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 7.2.4 In situ Druck- und in situ Zugversuche . . . . . . . . . . . . . 134 8 Rasch erstarrte Ti-Fe-Sn-Legierung . . . . . . . . . . . . . .138 8.1 Gefüge der Ti-Fe-Sn-Legierung . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 8.2 Mechanische Eigenschaften der Ti-Fe-Sn-Legierung . . . . . . . . . 143 9 Zusammenfassung und Ausblick . . . . . . . . . . . . . . 146 Abbildungsverzeichnis I Tabellenverzeichnis VIII Literaturverzeichnis X Anhänge XXII A Das Ti-Fe-Phasendiagramm nach [1] XXII B Dilatometermessung XXIII C Die elastischen Konstanten der Ti-Fe- und Ti-Fe-Sn-Legierung XXIV D XRD-Messungen (Transmission) XXV E Bestimmung des Fe-Gehaltes in Abhängigkeit von der Gitterkonstanten a0 XXVIII Eidesstattliche Erklärung XXIX Danksagung

Es werden metallische Kurzfasern, die durch ein Schnellerstarrungsverfahren direkt aus der Schmelze hergestellt werden, bezüglich ihrer Verwendung als hochporöser Absorber und als elektrisch leitfähige Strukturen in Verbundwerkstoffen vorgestellt. Auf der Basis einer schalldämpfenden hochporösen gesinterten Metallfaserstruktur und einer schalldämmenden Elastomerplatte wird ein neuartiges Schallschutzmaterial beschrieben. Die Theorie des homogenen Mediums ist für Absorber mit schichtartigen Aufbau erweitert und mit den gemessenen Absorberkennwerten verglichen worden. Weiterhin wird gezeigt, dass schmelzextrahierte metallische Kurzfasern in Polymerwerkstoffe eingelagert werden können, um einen elektrisch leitfähigen Faserverbundwerkstoff zu erhalten, der eine höhere Leitfähigkeit als rußgefüllte Polymere aufweist und eine preiswerte Alternative zu intrinsich leitenden Polymeren darstellt. Es werden die Herstellung und mechanische Eigenschaften des Metallfaserverbundwerkstoffes beschrieben. Das elektrische Verhalten des Faserverbundwerkstoffes wird anhand der Perkolationstheorie erläutert. Ausgehend von einem umfangreichen Überblick zu Möglichkeiten der Modellierung mechanischer und elektrischer Eigenschaften wird anhand geeigneter Modelle das reale Werkstoffverhalten beschrieben.