Contraintes thermomécaniques et dislocations dans les lingots de silicium pour applications photovoltaïques

Cette thèse, financée par le laboratoire SIMaP-EPM à Grenoble et l'INES à Chambéry, porte sur l'effet des contraintes thermomécaniques sur la qualité cristalline lors de l'élaboration de lingots de silicium pour applications photovoltaïques. Ainsi, ce travail commence par exposer comment l'industrie photovoltaïque construit les panneaux solaires et l'impact des dislocations, défauts issus des contraintes, sur leur rendement. Une revue bibliographique est également faite afin de présenter les modèles physiques et numériques traitant des dislocations dans le silicium, de leur mouvement et de leur multiplication. Différentes techniques de caractérisation de la densité de dislocations sont également décrites dans la première partie de ce travail.Dans le second chapitre du manuscrit, une étude comparative de différentes méthodes de caractérisation rapide est réalisée afin de montrer leurs forces et leurs faiblesses. Pour cela, un échantillon sert de référence pour la comparaison. Celui-ci a l'avantage d'être large, de ne pas être perturbé par des joints de grains et d'avoir des zones de forte et de faible densité de dislocations. La première technique de caractérisation étudiée dans ce manuscrit est la « méthode précise » consistant à dénombrer manuellement les dislocations à la surface de l'échantillon afin d'avoir une caractérisation fine de la densité de dislocations. Ensuite, la « méthode INES » utilise un traitement informatique d'images prise avec un microscope électronique à balayage afin de compter les dislocations. La « méthode Ganapati » relie les niveaux de gris d'une image de l'échantillon prise avec un scanner et la densité de dislocations. Enfin, la « méthode PVScan » utilisant l'appareil du même nom et qui se sert de la diffusion d'un faisceau laser à la surface de l'échantillon afin de réaliser la caractérisation. Cette étude comparative montre quelles sont les applications privilégiées pour chaque technique et surtout quels questions il est nécessaire de se poser avant de réaliser une caractérisation.La troisième partie de ce travail est dévolue à la mise en place de deux simulations numériques utilisant le code commercial Comsol afin de prédire la densité de dislocations dans un lingot de silicium à la fin de son élaboration. Pour cela, le modèle d'Alexander et Haasen, décrivant l'évolution de la densité de dislocations et de la relaxation plastique, est implémenté au logiciel et couplé avec le calcul des contraintes thermomécaniques. Le premier modèle, nommé « évolution continue », traite le lingot dans son ensemble, partie solide et liquide, et fait évoluer la température de façon continue durant la résolution. Dans le second modèle, nommée « pas à pas », seule la partie solide du lingot est prise en compte en modifiant la géométrie et la température à chaque pas de temps. Ces deux modèles sont comparés avec des simulations numériques réalisées par des équipes japonaise et norvégienne et le premier modèle est également comparé avec la caractérisation d'un échantillon. Ainsi, cette partie montre la pertinence de l'utilisation d'un code commercial pour l'estimation de la densité de dislocation dans un lingot à la fin de l'élaboration, de par sa simplicité d'utilisation et son adaptabilité à différentes géométries de fours.Dans un dernier chapitre, le problème de l'attachement entre le lingot et le creuset lors de la cristallisation est étudié car il est à l'origine de fortes contraintes et donc de dislocations dans le cristal. Ce problème est également traité par simulation numérique en utilisant le logiciel Comsol. Pour cela, un modèle physique est défini : l'intégrale J est utilisé pour évaluer l'énergie élastique exercée sur l'attachement et cette valeur est ensuite comparée à l'énergie d'adhésion entre le creuset et le lingot. Ce model est implémenté au logiciel et les résultats sont comparés avec une expérience réalisée au cours d'une thèse précédente (...)