Étude de la purification des poudres de silicium destinées à la fabrication de substrats frittés pour des applications photovoltaïques
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Abstract EN:
The major challenge facing the photovoltaic industry is to find ways to produce solar cells with high conversion efficiency and low production cost. The manufacture of silicon substrates for photovoltaic applications by sintering silicon powders is one of promising solutions for this challenge. These sintered substrates can be used directly after a recrystallization step as active layer of the solar cell. Prepared from silicon powder metallurgical grade (Si-MG), they can also serve as substrates for crystalline silicon thin-film (c-Si TF) solar cells. However, the metallic impurities present in the substrate can diffuse into the active layer during the different thermal steps involved in the cell production and thus degrade the performance. Furthermore, an important oxygen impurity can affect the mechanical strength of the substrates and limit its electrical conductivity. The main objective of these thesis works is the development and optimization of a purification process of the powders and sintered silicon and to understand the physical and chemical processes that control the reaction. During this work, optimal conditions for preparation and treatment minimizing silicon powders oxidation have been found. This allows obtaining a good mechanical strength of sintered and so to implement the purification reactions including oxidation is an obstacle major. The development of a technique for purifying metallurgical silicon powders in solid state in the presence of chlorine gas allows reducing by over 90% the metallic impurities initially present in the powder. Some impurities such as Ti and Mn are reduced drastically already at 900°C while the reduction iron (Fe) concentrations for example, is more effective from 1100° C. The out-diffusion model developed was used to predict the evolution of the impurities content in the powders and to understand the removal mechanisms of these impurities. The development of experimental protocols to minimize sources of contamination during the sintering process has led to a reduction in the concentration of light elements (C, O) in the sintered material of 95%. We also know that recrystallization treatment through the melting of the sintered material dramatically reduces the levels of impurities in the substrate; this heat treatment used to improve the crystalline quality allows in particular reducing the levels of oxygen and metallic impurities. Contrariwise carbon and doping impurities do not change after recrystallization. Finally realizing solar cells on sintered substrates obtained by using the protocols of powders preparation and the treatments of recrystallization, we have shown that the sintered substrates allow obtaining functional solar cells.
Abstract FR:
Le défi majeur auquel est confrontée l'industrie du photovoltaïque est de trouver des solutions pour produire des cellules solaires présentant un rendement de conversion élevé et un faible coût de production. La fabrication de substrats de silicium pour des applications photovoltaïques par frittage de poudres de silicium est une des solutions prometteuses pour relever ce challenge. Ces substrats frittés peuvent être utilisés directement après une étape de recristallisation comme couche active de la cellule solaire. Préparés à partir de poudres de silicium de qualité métallurgique (Si-MG), ils peuvent servir également de substrats pour des cellules solaires en couche mince de silicium cristallin déposé par épitaxie. Cependant les impuretés métalliques présentes dans le substrat peuvent diffuser vers la couche active lors des différentes étapes thermiques intervenant lors de la fabrication de la cellule et dégrader ainsi le rendement. De plus des quantités importantes d'oxygène peuvent fragiliser le substrat fritté et limiter sa conductivité électrique. L'objectif principal de ces travaux de thèse est la mise au point et l'optimisation d'un procédé de purification des poudres et frittés de silicium et d'en comprendre les processus physiques et chimiques qui contrôlent la réaction. Durant ces travaux, des conditions optimales d'élaboration et de traitements minimisant l'oxydation des poudres ont pu être trouvées afin d'obtenir une bonne tenue mécanique des frittés et ainsi de mettre en œuvre les réactions de purification dont l'oxydation constitue un obstacle majeur. La mise au point d'une technique de purification des poudres Si-MG à l'état solide en présence d'un gaz chloré a permis de réduire de plus de 90 % les impuretés métalliques initialement présentes dans la poudre. Certaines impuretés telles que le Ti et le Mn sont réduites drastiquement déjà à 900 °C tandis que la réduction des concentrations en Fe par exemple est plus efficace à partir de 1100°C. Le développement d'un modèle d'exo-diffusion a permis de prédire l'évolution de la teneur en impuretés dans les poudres et de bien comprendre les mécanismes d'élimination de ces impuretés. La mise au point de protocoles expérimentaux visant à minimiser les sources de contamination durant le procédé de frittage ont mené à une réduction de la concentration d'éléments légers (C, O) dans le matériau fritté de 95%. Nous savons également qu'un traitement de recristallisation passant par la fusion du matériau fritté permettait de réduire drastiquement les teneurs en impuretés présentes dans le substrat ; ce traitement thermique utilisé pour améliorer la qualité cristalline permet en particulier de réduire les teneurs en oxygène et en impuretés métalliques. Par contre le carbone et les dopants (B, P) n'évoluent pas après recristallisation. Enfin en réalisant des cellules solaires sur des substrats frittés utilisant les protocoles de préparation des poudres et les traitements de recristallisation, nous avons montré que les substrats frittés permettaient d'obtenir des cellules solaires fonctionnelles.