Compte tenu de l'utilisation envisagée du graphite comme matériau de creuset à la place de la silice frittée pour la cristallisation dirigée des lingots de silicium multcristallin de qualité photovoltaïque, un objectif majeur de la thèse était de développer un revêtement spécifique au matériau de moule sélectionné. Une première tâche de ce travail a consisté à définir très précisément les conditions de fonctionnement du couple revêtement anti-adhérent / matériau de creuset et les modifications à apporter au procédé afin d'utiliser le revêtement standard à base de poudre de Si3N4 sur graphite, La deuxième tâche de la thèse a consisté à mettre en place le procédé de moulage à partir d'une étude préliminaire basée sur une configuration simplifiée de moulage par écrasement où un morceau de silicium s'étale à l'intérieur du moule au cours de sa fusion. Le but recherché est de mettre en évidence les conséquences de la configuration « moulage » (caractérisée par un rapport élevé surface de contact / volume de Si a priori très défavorable) et des conditions thermiques (gradient et vitesse de solidification) sur l'adhérence (collage), la pollution par le revêtement et la structure cristalline du silicium. / Considering the use of graphite as a crucible material instead of sintered silica for the directional crystallisation process of multicrystalline solar grade silicon, one of the main goals of this PhD program was to develop a dedicated releasing coating to be used with the identified mould material. A first task of this work consisted in a precise definition of the operating conditions for the releasing coating / crucible material couple and consequently modifying the process in order to be able to use the standard silicon nitride powder-based releasing coating on graphite. The second task was to design the moulding process based on a preliminary study of a simplified configuration of squeezing moulding experiments where the silicon piece spreads into the inner space of the mould when melting. The aim of these experiments was to enlighten the consequences of the “moulding” configuration (characterised by a high contact surface / Si volume ratio, a priori very detrimental) and of the thermal conditions (gradient and solidification speed) on adhesion (sticking), pollution coming from the coating, and on the crystalline structure of moulded silicon.

Compte tenu de l'utilisation envisagée du graphite comme matériau de creuset à la place de la silice frittée pour la cristallisation dirigée des lingots de silicium multcristallin de qualité photovoltaïque, un objectif majeur de la thèse était de développer un revêtement spécifique au matériau de moule sélectionné. Une première tâche de ce travail a consisté à définir très précisément les conditions de fonctionnement du couple revêtement anti-adhérent / matériau de creuset et les modifications à apporter au procédé afin d'utiliser le revêtement standard à base de poudre de Si3N4 sur graphite, La deuxième tâche de la thèse a consisté à mettre en place le procédé de moulage à partir d'une étude préliminaire basée sur une configuration simplifiée de moulage par écrasement où un morceau de silicium s'étale à l'intérieur du moule au cours de sa fusion. Le but recherché est de mettre en évidence les conséquences de la configuration " moulage " (caractérisée par un rapport élevé surface de contact / volume de Si a priori très défavorable) et des conditions thermiques (gradient et vitesse de solidification) sur l'adhérence (collage), la pollution par le revêtement et la structure cristalline du silicium.

L'objectif de ce travail a été de proposer une méthode permettant d'augmenter la résistance à l'oxydation et à la corrosion par Si liquide des creusets de graphite utilisés dans la purification de Si métallurgique pour obtenir Si de qualité photovoltaïque. La Thèse est constituée de deux parties. Dans la première partie, nous étudions les interactions capillaires (mouillage, infiltration, réactivité) Si/graphite, et l'effet de ces interactions sur la pollution de Si et sur l'intégrité mécanique du graphite. Dans la deuxième partie nous mettons au point un traitement de siliciuration du graphite et nous montrons que ce traitement confère au graphite une résistance remarquable à l'oxydation à haute température

L'évolution de la production mondiale de cellule photovoltaïque a entraîné une pénurie en silicium de haute pureté. Le silicium de qualité moindre provoque, lors de la cristallisation, l'apparition de morphologies indésirables (grits) dues à la précipitation de carbure et de nitrure de silicium. Cependant les paramètres physico-chimiques liés à ces phénomènes sont encore inconnus. Dans ce but, nous avons développé une expérience de lévitation électromagn étique sous ultra vide permettant de mesurer la surfusion de germination du silicium en présence de carbone et d'azote dans des conditions contrôlées. Les résultats ont montré une diminution drastique de la surfusion en augmentant la concentration en impureté. En parall èle un modèle de transition facetté-équiaxe a été développé. En s'appuyant sur des modèles analytiques, il permet de prédire les transitions colonnaires-grits au cours de la solidication d'un lingot ainsi que la répartition en taille des grains dans les zones de grits.

L'évolution de la production mondiale de cellule photovoltaïque a entraîné une pénurie en silicium de haute pureté. Le silicium de qualité moindre provoque, lors de la cristallisation, l'apparition de morphologies indésirables (grits) dues à la précipitation de carbure et de nitrure de silicium. Cependant les paramètres physico-chimiques liés à ces phénomènes sont encore inconnus. Dans ce but, nous avons développé une expérience de lévitation électromagnétique sous ultra vide permettant de mesurer la surfusion de germination du silicium en présence de carbone et d'azote dans des conditions contrôlées. Les résultats ont montré une diminution drastique de la surfusion en augmentant la concentration en impureté. En parallèle un modèle de transition facetté-équiaxe a été développé. En s'appuyant sur des modèles analytiques, il permet de prédire les transitions colonnaires-grits au cours de la solidification d'un lingot ainsi que la répartition en taille des grains dans les zones de grits.

Les panneaux photovoltaïques ont pris ces dernières années une place importante dans le secteur de l’énergie. Les performances de ces panneaux dépendent notamment de la qualité et de l’homogénéité du silicium utilisé et des impuretés qu’il contient. Pour obtenir du silicium photovoltaïque, on peut utiliser un procédé de solidification dirigée afin d’obtenir un lingot de silicium de grade photovoltaïque à partir de silicium de grade métallurgique. Cette approche reste aujourd’hui difficile à simuler efficacement en raison de l’aspect multi-échelle du procédé et du suivi de l’interface mobile avec des transferts de masse et de chaleur à l’interface solide/liquide. Cette thèse présente la mise en œuvre d’une méthode originale de maillage glissant proposée pour réaliser un suivi adaptatif de l’interface mobile, afin d’améliorer l’efficacité des simulations. Dans un premier temps, la modélisation de la solidification dirigée d’un corps pur avec un tel maillage glissant est validée à l’aide d’une solution analytique dans une configuration diffusive de référence. L’impact de la méthode proposée est ensuite étudié dans une configuration de type Bridgman vertical en présence de convection naturelle dans la phase liquide. Dans un second temps, on s’intéresse à la ségrégation des impuretés dans cette même configuration. Pour cela, on propose une modélisation spécifique du rejet d’impuretés à l’interface, et on étudie l’impact sur les simulations de la méthode de maillage glissant proposée. Les résultats et les gains de performance pour les simulations sont discutés en faisant varier des paramètres de calcul et par comparaison avec des données de la littérature. / In recent years, photovoltaic panels took a key role in the energy sector. The efficiency of these panels depends notably on the quality of the processed silicon ingots and on their homogeneity regarding the impurities they include. In order to process photovoltaic silicon, one can use a directional solidification process to obtain a solar grade silicon ingot from a metallurgical grade silicon feedstock. This approach is still nowadays hard to simulate with efficiency because of the multi-scales aspects of the process and because of the front tracking of the interface, where some heat and mass transfer occurs. This thesis presents the implementation of an original moving mesh method, proposed in order to perform an adaptive front tracking of the moving interface. The aim is to improve the efficiency of the numerical simulations. In a first time, the directional solidification model of a pure substance with such a moving mesh is validated against an analytical solution based on a purely diffusive reference configuration. The influence of the proposed method is then studied on a vertical Bridgman configuration with natural convection in the liquid phase. In a second time, the segregation of impurities is considered in the same configuration. For this study, a specific model for the rejection of impurities is proposed at the solid/liquid interface, and the influence of the proposed moving mesh method on the results is as well explored. Finally, the results and the performance improvements for the numerical simulations are discussed through variations of the calculation parameters and through comparisons against data from the literature.

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.