CE46 - Modèles numériques, simulation, applications

Systèmes de diffusion croisée sur des domaines en mouvement – COMODO

Résumé de soumission

Le but de ce projet est de développer des modèles et des méthodes numériques précises et efficaces pour la simulation haute performance et l'optimisation du procédé de fabrication de cellules solaires à couches minces.

Le film mince, où les mécanismes photovoltaïques qui déterminent l'efficacité de la cellule solaire ont lieu, est produit par un procédé de dépôt physique par phase vapeur (PVD). Un substrat est introduit dans un four à haute température où les différentes espèces chimiques qui vont constituer la couche mince sont injectées sous forme gaseuse. Les molécules se déposent sur la surface du substrat de telle sorte que le film mince s'épaissit. De plus, les différents composés diffusent à l'intérieur du film, de telle sorte que les fractions volumiques de chaque espèce évoluent au cours du temps. L'efficacité de la cellule solaire dépend fortement de la composition finale du film, qui est fixée dès que le substrat est retiré du four. Un défi important consiste à optimiser les flux de chaque espèce chimique introduite dans le four durant le procédé de fabrication de sorte que les profils de fractions volumiques locales dans la couche soient aussi proches que possibles de profils désirés.

Deux phénomènes doivent être pris en compte pour modéliser l'évolution des fractions volumiques de chaque espèce chimique au cours du procédé: 1) les phénomènes de diffusion croisée entre les composants chimiques à l'intérieur de la couche mince; 2) l'évolution de la surface du film. Dans le contexte d'une collaboration avec l'IPVF (Institut Photovoltaïque de France), Virginie Ehrlacher [PI] et et un doctorant ont étudié un modèle de diffusion croisée unidimensionnel défini sur domaine mobile pour modéliser l'évolution des concentrations locales des différents composés à l'intérieur du film mince au cours du procédé PVD. Des comparaisons entre des résultats issus de simulations numériques et des mesures expérimentales ont donné des résultats très encourageants quant à la pertinence d'une telle approche.

Cependant, le modèle étudié par le PI et son étudiant souffre de plusieurs limitations. A cause de son caractère unidimensionnel, il est impossible de l'utiliser pour étudier des effets géométriques liés à la tension de surface ou aux phénomènes de diffusion croisée qui ont lieu à a surface du film. Il est cependant très important de prendre en compte ces phénomènes, tout particulièrement pour la production de cellules solaires courbes directement intégrées à des bâtiments. Il est absolument nécessaire de proposer un modèle multi-dimensionnel pour le procédé PVD, ainsi que des méthodes numériques précises et efficaces pour approcher numériquement ses solutions. Un tel modèle devra prendre en compte l'évolution de la géométrie et de la composition chimique de la surface du film, couplée aux phénomènes de diffusion croisée qui ont lieu entre les différentes espèces chimiques au sein du film et à sa surface. Ceci représente une avancée scientifique significative au niveau des modèles et des schémas numériques existants que nous souhaitons aborder dans ce projet.

Quatre tâches principales sont identifiées pour aborder ce problème:
1) identifier des modèles adaptés pour l'évolution des fractions volumiques des différentes espèces chimiques à l'intérieur et à la surface du film. Ces modèles s'écriront comme des systèmes de diffusion croisée définis sur un domaine à frontière mobile, prenant en compte les phénomènes de diffusion croisée surfaciques;
2) développer des schémas numériques pour la simulation de tels systèmes, qui devront respecter leurs propriétés mathématiques;
3) paralléliser les schémas numériques obtenus, en utilisant des méthodes de décomposition de domaines espace-temps et des algorithmes pararéels;
4) construire des modèles réduits précis et efficaces, qui seront utilisés pour la calibration des paramètres intervenant dans le modèle avec des données expérimentales et pour l'optimisation du procédé PVD.

Coordinateur du projet

Madame Virginie Ehrlacher (Centre d'Enseignement et de Recherche en Mathématiques et Calcul Scientifique)

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

CERMICS Centre d'Enseignement et de Recherche en Mathématiques et Calcul Scientifique

Aide de l'ANR 213 810 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2019 - 48 Mois

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