Caractérisation et compréhension de la cristallisation du SiIicium photovoltaïque: imagerie X synchrotron – Si-X

Les cellules photovoltaiques (PV) sont amenées à devenir une des composantes majeures de l’habitat écologique de demain. Un élément de contexte important est que la démarche d’intégration du PV dans l’habitat s’inscrit dans un cadre de forte évolution du marché PV, dont la croissance est actuellement limitée par la disponibilité à coût raisonnable d’une matière première silicium source. Pour résoudre le problème de l’approvisionnement en silicium de qualité suffisante pour l’industrie photovoltaïque, de nombreuses équipes de part le monde travaillent sur des procédés permettant de purifier la matière première abondante que représente le silicium de qualité métallurgique sans passer par le procédé de distillation utilisé pour la microélectronique. Un tel matériau silicium source doit être considéré comme un nouveau matériau vis-à-vis des procédés d’élaboration de lingots et de cellules. En conséquence, un certain nombre de problèmes liés à la solidification de ces matériaux doivent être réexaminés avec attention même pour des procédés établis pour les matériaux en provenance de l’industrie microélectronique. C’est en particulier le cas de la problématique de la structure cristalline des lingots. Dans le silicium multicristallin, qui constitue actuellement la majeure partie du silicium utilisé pour la fabrication des cellules photovoltaïques, les propriétés photovoltaïques de la cellule sont complètement différentes en fonction de la structure de grains obtenue après élaboration. La question se pose tout particulièrement pour le procédé développé par la société EMIX, qui se base sur une technique originale de fabrication de lingots par tirage en continu en creuset froid. Ce procédé présente un certain nombre d’avantages, notamment en ce qui concerne la productivité, mais la présence de gradients de température perpendiculaires à la direction de croissance conduit à une structure de solidification à grains fins et à des densités de défauts étendus importante. Il est essentiel de contrôler la structure de grains obtenue pour les différentes qualités de silicium utilisées pour la fabrication des cellules photovoltaïques. Dans ce cadre, l’objectif du projet Si-X est d’approfondir de façon significative la compréhension des mécanismes dynamiques entrant en jeu pendant la formation de la structure cristalline du silicium multi-cristallin PV. Pour cela, nous proposons une validation expérimentale incluant des expériences à plusieurs échelles associés à des techniques de caractérisation innovantes et à des simulations tri-dimensionnelles des procédés et des structures associées. En particulier, nous développerons un dispositif unique de caractérisation in situ et en temps réel de la solidification du Si utilisant la radiographie X (dynamique des mécanismes, cinétique de croissance, nucléation) et la topographie X (orientation cristallographique, contraintes). Les autres expériences prévues dans le projet et allant du moulage de plaque jusqu’à la solidification de lingots industriels permettront de faire le lien entre les expériences utilisant les rayons X limitées à des échantillons de petite dimension et le procédé industriel. Le projet Si-X comprend également une étude approfondie du lien entre la structure cristallographique et les propriétés photovoltaïques. A l’issu de ce projet, des données de référence concernant la formation et l’évolution des structures de grains dans le Si multi-cristallin seront disponibles ainsi qu’un modèle de simulation 3D de ces structures. L’objectif ultime est de contrôler le procédé de solidification pour obtenir des matériaux PV plus performants et de réduire les coûts de production.