L'objectif de ce travail est d'approfondir et de mieux comprendre les mécanismes responsables de la formation et de la croissance de la structure des grains dans le silicium multicristallin pour des applications photovoltaïques. Lors de la solidification du silicium multicristallin, la sélection des grains, le contrôle de la distribution de leur taille et leur direction de croissance sont des paramètres importants pour obtenir un matériau de bonne qualité et homogène. Ces paramètres influencent directement le rendement de conversion des cellules photovoltaïques, au travers de la capture et de la recombinaison des porteurs de charges et des interactions avec les impuretés. La structure de grains dans le silicium photovoltaïque évolue au cours de la solidification : des grains vont disparaître, d'autres vont apparaître, d'autres vont grossir pour donner au final une structure composée de gros grains, de petits grains dénommés 'grits', de joints de grains, et de macles. Il est donc important de comprendre les relations entre les différents paramètres du procédé industriel et leur influence sur les phénomènes physico-chimiques qui se produisent lors de la croissance afin de pouvoir influer sur la structure de grains dans le silicium, et de prévoir ses propriétés. Dans une première étape, nous avons établi un modèle de développement des grains basé sur le type de croissance (facettée, rugueuse ou mixte), la cinétique de ces divers types de croissances, le phénomène de maclage et la sélection des grains, dont nous montrons qu'ils sont, avec la germination initiale, à l'origine de la taille et de la structure des grains. Ensuite, nous proposons une approche de modélisation numérique de l'évolution de la structure des grains au cours de la solidification. Cette méthode se base sur l'analyse dynamique bidimensionnelle du joint de grains au niveau de la ligne triple grain-grain-liquide (rugueuse, facettée) tout en prenant en compte les phénomènes produits à l'échelle macroscopique (le champ de température local) et microscopique (la cinétique des grains). Le modèle résulte du couplage thermique et des mécanismes cinétiques de croissance. Nous avons donc développé un modèle numérique de croissance des grains en 2 dimensions et nous l'avons introduit dans le code 2D-MiMSiS qui se déroule en 2 étapes : Premièrement, le calcul en régime transitoire de la solidification macroscopique d'un lingot de silicium nous permet d'obtenir le champ thermique dans le lingot et la position précise de l'interface solide-liquide à différents instants ainsi que sa vitesse, son orientation (sa forme) et les gradients de température dans le liquide et le solide. Deuxièmement, la modélisation de la croissance est basée sur la description géométrique des joints de grains qui dépend de la cinétique des grains qui les bordent. Elle suit des critères dépendants de la morphologie (rugueuse ou facettée) de l'interface. Elle s'appuie sur le réseau d'isothermes du calcul thermique sans l'influencer dans un premier temps. Un des objectifs de ce modèle est de faire varier différents paramètres du procédé et d'en mesurer l'impact sur la structure cristalline finale. Des résultats de calculs 2D sont présentés et discutés par rapport à l'expérience.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:CCSD/oai:tel.archives-ouvertes.fr:tel-00870335 |
| Date | 21 December 2012 |
| Creators | Nadri, Amal |
| Publisher | Université de Grenoble |
| Source Sets | CCSD theses-EN-ligne, France |
| Language | fra |
| Detected Language | French |
| Type | PhD thesis |
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