DS0201 - Concepts innovants pour le captage et la transformation des energies renouvelables

Cristallisation du Silicium à partir de germes, effet des Impuretés Légères et des Défauts – CrySaLID

Défi du contrôle de la qualité cristalline du silicium (Si) photovoltaïque.

Répondre au défi du contrôle de la structure cristalline finale (croissance sur germes, sélection de l’orientation, grains parasites) des défauts et des impuretés légères : expériences et simulations multi-échelles.

Approfondir la compréhension de la cristallisation du Si et de sa corrélation avec les propriétés photovoltaïques (PV).

Le projet CrySaLID a pour objectifs : compréhension de la formation de la structure de grains et interaction avec les impuretés légères et les défauts dans le silicium cristallin pour les applications PV. L’objectif global est d’améliorer le contrôle de la fabrication des lingots de silicium cristallins grâce à une connaissance approfondie de la cristallisation du silicium et à des outils numériques prédictifs pour le contrôle des procédés. L’objectif ultime est l’optimisation du rendement des cellules solaires par l’intermédiaire du contrôle des paramètres procédé. <br />Les objectifs scientifiques du projet CrySaLID sont: <br />.Mécanismes de cristallisation du silicium quasi-monocristallin: nucléation des grains, croissance, compétition dans les procédés utilisant un germe ; mécanismes de formation des grains parasites, formation des macles, évolution pendant la croissance. <br />.Défauts et impuretés liés à la structure de grains: génération des défauts, en particulier: les dislocations ; impact de la contamination en impuretés (ségrégation, précipitation) et corrélation avec les propriétés PV. <br />L’objectif final est le contrôle de la fabrication des lingots de Si pour les applications PV. <br />Objectifs techniques du projet CrySaLID: <br />. Conditions et paramètres des procédés pour un meilleur contrôle des grains et des défauts. <br />. Contrôle des impuretés en général et en particulier : modification du dispositif industriel EMIX pour limiter l’incorporation du C et ses effets nocifs. <br />. Développement d’une nouvelle méthode de croissance quasi-monocristalline. <br />. Développement d’un modèle prédictif tridimensionnel de la croissance du Si.

La tâche 1 est dédiée à l’étude de la formation de la structure de grains et au contrôle des procédés de solidification à partir de germes: imagerie X in situ d’expériences de référence de solidification (IM2NP-MCA), croissance de bi-cristaux (NTNU), expériences dans un four SIMAP pour produire des lingots quasi-mono. Ces contributions généreront les informations nécessaires pour comprendre la formation et l’évolution de la structure de grains à partir de germes.
La tâche 2 s’intéresse à la question essentielle des impuretés légères (carbone et oxygène) et des défauts structuraux connus pour dégrader de façon isolée ou en combinaison le rendement PV : simulation de l’environnement thermique et chimique du four EMIX pour développer des solutions afin de réduire la contamination (SIMAP, EMIX), cristallisation quasi-mono avec des matériaux chargés en impuretés dans le dispositif d’imagerie X (IM2NP) et dans un dispositif d’échelle intermédiaire ( SIMAP), caractérisation des défauts structuraux et mécanismes impliqués: imagerie en diffraction X sur des échantillons quasi-mono (IM2NP-MCA), dislocations entre les germes dans des bi-cristaux (NTNU), dislocations et structure de grains (SINTEF), caractérisation des propriétés PV en relation avec les impuretés, les défauts structuraux et la structure de grains associée (IM2NP-OptoPV, KAU).
La tâche 3 est dédiée au développement et à la validation de modèles et de simulations multi-échelles de la formation et de l’évolution des grains : modèle champ de phase des sillons de joints de grains (IM2NP-TMS), simulation à l’échelle des lingots de la structure de grains en 3D (CEMEF).
La tâche 4 est dédiée à la synthèse des résultats, aux tests industriels et à l’amélioration du procédé industriel EMIX. Suite à la fermeture de la société EMIX, le projet initial a été réorganisé sans en modifier la structure et les objectifs principaux du projet.

Le projet est par essence international avec quatre partenaires français, deux partenaires norvégiens et un partenaire suédois.
Un résultat unique obtenu dans le projet par l’IM2NP est l’observation du développement de dislocations et leur interaction avec les grains et les joints de macles pendant la croissance. En effet, les dislocations sont des défauts majeurs pour le silicium PV et la connaissance de leurs mécanismes de formation est indispensable pour l’amélioration des procédés. Ces expériences in situ et leur analyse permet de suivre la propagation des dislocations à partir du germe dans le cristal le long de la direction de croissance. Ce travail a créé les conditions pour une collaboration étendue avec SINTEF et NTNU dans le cadre du projet INSIDES (In situ characterisation and simulation of defect evolution in silicon) project (national Norwegian funding) déposé en Norvège par SINTEF et accepté en 2015.
De plus, les premières simulations de croissance du silicium facetté en champ de phase ont été obtenues à l’IM2NP. À une autre échelle et en utilisant les paramètres du silicium, le CEMEF a pu modéliser la formation de grains maclés. Ces simulations à plusieurs échelles sont requises pour générer des outils de simulation prédictifs et quantitatifs destinés à être utilisés à l’échelle industrielle.
En conclusion, des résultats originaux ont été obtenus par l'équipe CrySaLID. L'un des résultats majeurs est la caractérisation par l’IM2NP de la croissance du Si par imagerie X in situ. Le CEMEF a simulé en 3D la croissance et la formation des macles avec un modèle destiné à être installé dans un logiciel commercial. La modélisation en 3D du procédé et la croissance de lingots Kyropoulous de Si a été obtenue (SIMAP). Deux projets de collaboration ont émergé au cours du projet : l’un au sein du consortium (INSIDES) et l’autre entre l’IM2NP et la NTU, Taïwan. L’originalité des résultats conduit à la poursuite de ces recherches au-delà de la fin du projet.

Le projet contribuera à l’augmentation des connaissances concernant les mécanismes principaux de la croissance cristalline du silicium: défauts, compétition de grains, macles. La maîtrise de cette connaissance intéresse la recherche fondamentale mais est également essentielle pour le développement de codes de simulation prédictifs requis par la recherche et l’industrie ; et pour améliorer les procédés industriels qui rencontrent tous sans exception des limitations dues au contrôle des défauts structuraux tels que les dislocations et les macles.

Le projet a été à l'origine de 12 publications dans des revues internationales à comité de lecture et à 28 présentations dans des conférences nationales et internationales depuis son démarrage en janvier 2015. Des publications supplémentaires sont en préparation entre l'M2NP et le CEMEF et entre l'IM2NP, SINTEF et NTNU. De plus, Nathalie Mangelinck-Noël de l'IM2NP a participé à une action nationale de formation organisée par le réseau en tant que formatrice avec un cours concernant : “Méthodes et techniques in situ pendant la cristallisation” en Octobre 2017.
De plus, des efforts ont été faits pour présenter ces travaux de recherche au grand public, aux enfants des écoles et aux étudiants pendant tout le projet avec un retour gratifiant et intéressant pour les chercheurs comme pour le public non-spécialiste. Un article a récemment été publié dans le magazine français «La Recherche«: N. Mangelinck-Noël, Etienne Pihan, « Le renouveau du silicium dope les panneaux solaires », Article La Recherche N° 539, Septembre 2018.

Le développement du secteur photovoltaïque (PV) nécessite des progrès significatifs en efficacité et coût. Dans les cellules solaires à base de Si cristallin en particulier, la structure de grains, les ségrégations et les défauts issus de l’étape de solidification jouent un rôle majeur sur les propriétés finales. Cependant, les mécanismes fondamentaux impliqués ne sont pas parfaitement compris à ce jour ce qui empêche un contrôle reproductible et efficace des procédés de cristallisation. Au cours des dernières années, des efforts de recherche ont été réorientés vers la croissance de silicium quasi-monocristallin qui constitue un bon compromis entre le silicium monocristallin et le silicium multi-cristallin tous les deux utilisés pour les applications PV. En effet, les monocristaux permettent d’obtenir un rendement PV élevé mais leur fabrication demande des procédés de croissance cristalline coûteux. A l’inverse, le silicium multi-cristallin résulte en une efficacité PV moindre mais peut-être fabriqué en utilisant des procédés de solidification moins coûteux proches de ceux de procédés de fonderie métallurgique. Partant de ce constat, l’objectif est de produire du silicium quasi-monocristallin c’est-à-dire avec le moins de grains possible en utilisant des méthodes de fonderie ou de solidification dirigée en commençant la solidification à partir de germes ou en sélectionnant une orientation cristalline par croissance de dendrite. Pour une croissance quasi-mono cristalline réussie, la germination de grains parasites et de macles pendant la cristallisation doit être minimisée et la croissance qui suit doit être contrôlée afin de favoriser l’orientation cristalline désirée. De plus, les impuretés et les défauts ont des effets nuisibles majeurs et sont étroitement liés à la croissance des grains à partir des germes.
Les objectifs scientifiques du projet CrySaLID sont d’approfondir la compréhension des mécanismes de cristallisation du silicium qui croît à partir d’un germe tels que la germination des grains parasites, la compétition de grains, les macles avec du silicium pur ou contenant des impuretés légères. De plus la caractérisation des défauts et des impuretés légères en lien avec la cristallisation et la structure de grains sera menée à bien pour comprendre la génération des défauts structuraux et l’effet des impuretés. La corrélation avec les mesures des propriétés PV sera également réalisée.
Le premier objectif technologique est de définir les conditions expérimentales à mettre en œuvre pour obtenir une structure de grains améliorée et un contrôle des impuretés et des défauts avec un procédé de croissance exploitant une orientation cristalline sélectionnée. Le second a pour but de développer un outil de simulation 3D et prédictif de la croissance du silicium à l’échelle industrielle. En ce qui concerne la société EMIX qui fait partie du consortium, un objectif majeur dans le projet est de fabriquer du silicium contenant une moindre proportion de C pour la croissance quasi-mono cristalline. Les objectifs du projet seront atteints par : i) des recherches complémentaires sur les mécanismes de cristallisation du silicium (croissance de grain et compétition) par imagerie X in situ de sa croissance, de croissance de type Kyropoulos ou quasi-mono, de la croissance de bi-cristaux, ii) la caractérisation des défauts structuraux, des impuretés et des propriétés PV, iii) des modèles multi-échelles (environnement thermodynamique, ségrégation des impuretés, modèle de champ de phase des sillons de joints de grains et modèle 3D de la structure de grains à l’échelle industrielle), iv) information en retour pour le procédé industriel.

Coordinateur du projet

Madame Nathalie Mangelinck-Noël (Institut Matériaux Micorélectronique et Nanosciences de Provence)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

SIMAP Laboratoire Siences et Ingénierie des Matériaux et Procédés
ARMINES CEMEF ARMINES Centre de Mise en Forme des Matériaux de Mines Paris Tech
NTNU Norwegian University of Science and Technology
KAU Karlstad University
SINTEF Stilftelsen SINTEF
EMIX SAS EMIX SAS
IM2NP Institut Matériaux Micorélectronique et Nanosciences de Provence

Aide de l'ANR 739 406 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2014 - 42 Mois

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