Défauts et déformations dans les lingots de silicium cristallin pour les applications photovoltaïques vers les procédés industriels (DeFI)
Tâche 0 : Coordination.
Partenaire : IM2NP (Responsable : Nathalie Mangelinck-Noël)
Tâche 1 : Déformation et défauts des lingots et germes monocristallins
Partenaire : DTS – Département des Technologies Solaires (Responsable : Etienne Pihan).
Les objectifs de la tâche 1 sont d'abord de sélectionner et de caractériser les échantillons et germes de Si pertinents à étudier au cours du projet. Ensuite, des connaissances concernant les structures de dislocation et les déformations associées à l'intérieur des germes lors du chauffage, pendant les premiers stades de croissance ou après refroidissement du germe pour distinguer clairement ces défauts des défauts dus à la croissance (interface solide-liquide et épitaxie) seront générées. Le dispositif unique et original GaTSBI (Growth at high Temperature observed by Synchrotron Beam Imaging furnace) développé par l'IM2NP sera mis en œuvre pour caractériser in situ la dynamique de déformation et les défauts structuraux lors du chauffage, de la solidification et du refroidissement. La méthode de Rocking Curve Imaging (RCI), autre méthode originale, sera utilisée par le DTS et l'IM2NP pour caractériser quantitativement les régions déformées et les défauts dans les échantillons étudiés. Cette tâche a été divisée en quatre sous-tâches.
Sous-tâche 1.1 : Sélection et caractérisation d'échantillons et de germes issus de procédés pertinents et avec des teneurs en impuretés et en dopants connues.
Sous-tâche 1.2 : Formation de défauts (dislocations et sous-grains) et déformation lors du chauffage.
Sous-tâche 1.3 : Effet du refroidissement.
Sous-tâche 1.4 : Premiers stades de croissance à partir de germes monocristallins.
Tâche 2 : Formation et organisation des défauts, déformation et interaction avec les impuretés lors des procédés de solidification et de refroidissement
Partenaire : IM2NP – Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence (responsable : Nathalie Mangelinck-Noël).
Le premier objectif de la tâche 2 est de générer des connaissances sur l'initiation et la propagation des dislocations, sous-grains et déformations lors de la solidification. De plus, l'impact de ces défauts sur la germes des grains et leur interaction sera étudié. Dans le cadre de cette tâche, nous corrélerons également les défauts en général aux propriétés du matériau. Pour toutes les sous-tâches, des outils complémentaires sont sélectionnés pour obtenir une caractérisation complète des mécanismes et des défauts. Des échantillons modèles ou directement issus de lingots bruts sélectionnés lors de la tâche 1 seront étudiés, ce qui garantira que les résultats pourront être transposés à l'échelle industrielle aux problématiques des lingots. L'imagerie aux rayons X in situ et le RCI seront mis en œuvre dans la tâche 2 comme dans la tâche 1. De plus, la méthode de HR-EBSD sera utilisée par le MSMP pour quantifier la déformation/contrainte par la méthode de corrélation croisée. Deux techniques de caractérisation des impuretés seront utilisées : FTIR (Fourier Transform Infra-Red) pour l'O interstitiel incluant des investigations locales au niveau des défauts structurels (µFTIR) et la tomographie par diffusion de la lumière à l'IM2NP et au DTS. La caractérisation électrique avec des mesures locales et globales (Quasi Steady State Photo Conductance/QSSPC, micro-onde déphasage/µW-PS) sera réalisée par l'IM2NP et le DTS. La tâche 2 a été divisée en cinq sous-tâches.
Sous-tâche 2.1 : Propagation des dislocations et création des déformations lors de la solidification.
Sous-tâche 2.2 : Formation des sous-joints et propagation.
Sous-tâche 2.3 : Effet de la déformation sur la germination des grains et l'émission de dislocations.
Sous-tâche 2.4 : Interaction entre les défauts et des impuretés.
Sous-tâche 2.5 : Corrélation entre défauts identifiés et propriétés électriques.
Tâche 3 : Modélisation thermomécanique et comparaison à la caractérisation expérimentale :
Responsable : MSMP – Laboratoire Mécanique, Surface, Matériaux et Procédés (Responsable : Laurent Barrallier).
Les objectifs de la tâche 3 sont de développer des modèles thermomécaniques validés à l'échelle du lingot et du four et à l'échelle des grains et des concentrateurs de contraintes liés aux défauts. La modélisation thermomécanique à l'échelle du lingot sera réalisée par le MSMP en utilisant des éléments finis (EF) avec l'apport de la simulation thermique à l'échelle du lingot du DTS. Le modèle sera validé avec des expériences dédiées. Le MSMP développera également des simulations de déformation induite, d'anisotropie élastique au niveau des grains et de concentrateurs de contraintes (précipités, joints de grains…). Cette tâche a été divisée en trois sous-tâches.
Sous-tâche 3.1 : Modélisation thermomécanique 3D à l'échelle des fours.
Sous-tâche 3.2 : Validation du modèle en mesurant les champs de température et les champs de contraintes/déformations résiduelles.
Sous-tâche 3.3 : Modélisation thermomécanique jusqu'à l'échelle du grain incluant les concentrateurs de contraintes liés aux défauts.