Cinétique de la purification par plasma de silicium pour cellules photovoltaïques PDF Download
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Le procédé de purification par plasma, étudié dans ce travail, peut efficacementenlever le bore du silicium. En combinaison avec d'autres procédés on peut ainsipurifier du silicium pour des cellules solaires à bas coûts. Cependant, la chimie à lasurface du silicium est encore mal comprise. Pour une meilleure compréhension duprocédé nous effectuons des mesures paramétriques de vitesse de purification, nouscalculons l'équilibre chimique et nous mesurons la température et la concentrationdes radicaux dans le plasma, utilisant la spectroscopie d'émission.La comparaison entre des vitesses de purification de la littérature et desconcentrations à l'équilibre chimique calculé montre que les réactions chimiques à lasurface du silicium sont probablement en équilibre. Cependant, le rapport entre lebore et le silicium dans les gaz en sortie du réacteur est plus élevé que prédit par lescalculs de l'équilibre chimique. Ceci est probablement dû à la formation d'un aérosolde silice dans la couche limite réactive. Les résultats des mesures paramétriques dela vitesse de purification sont en accord avec cette théorie.Plusieurs expériences de validation montrent que la spectroscopie d'émission peutêtre utilisé pour mesurer la température et les rapports de concentration O/Ar et H/Ardans le plasma. Les résultats des mesures spectroscopiques ont aidé à améliorer defaçon significative un modèle numérique. Les résultats ont montré que l'hydrogènediffuse fortement dans le plasma tandis que l'oxygène diffuse beaucoup mo.
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Le procédé de purification par plasma, étudié dans ce travail, peut efficacementenlever le bore du silicium. En combinaison avec d'autres procédés on peut ainsipurifier du silicium pour des cellules solaires à bas coûts. Cependant, la chimie à lasurface du silicium est encore mal comprise. Pour une meilleure compréhension duprocédé nous effectuons des mesures paramétriques de vitesse de purification, nouscalculons l'équilibre chimique et nous mesurons la température et la concentrationdes radicaux dans le plasma, utilisant la spectroscopie d'émission.La comparaison entre des vitesses de purification de la littérature et desconcentrations à l'équilibre chimique calculé montre que les réactions chimiques à lasurface du silicium sont probablement en équilibre. Cependant, le rapport entre lebore et le silicium dans les gaz en sortie du réacteur est plus élevé que prédit par lescalculs de l'équilibre chimique. Ceci est probablement dû à la formation d'un aérosolde silice dans la couche limite réactive. Les résultats des mesures paramétriques dela vitesse de purification sont en accord avec cette théorie.Plusieurs expériences de validation montrent que la spectroscopie d'émission peutêtre utilisé pour mesurer la température et les rapports de concentration O/Ar et H/Ardans le plasma. Les résultats des mesures spectroscopiques ont aidé à améliorer defaçon significative un modèle numérique. Les résultats ont montré que l'hydrogènediffuse fortement dans le plasma tandis que l'oxygène diffuse beaucoup mo.
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CETTE ETUDE CONCERNE LA PURIFICATION DU SILICIUM (96 A 99% SI), PAR FUSION SOUS PLASMA REACTIF HAUTE FREQUENCE, DESTINE A LA PRODUCTION DE CELLULES SOLAIRES. LA PURIFICATION S'EFFECTUE GRACE AU TRANSFERT DE MATIERE ENTRE QUATRE PHASES: SI SOLIDE, SI LIQUIDE, LAITIER, PLASMA. LES DEUX THEMES PRINCIPAUX DEVELOPPES SONT LA RECHERCHE DU LAITIER LE PLUS EFFICACE, ET LE CONTROLE DU PROCEDE PAR UNE TECHNIQUE DE SPECTROSCOPIE ATOMIQUE MISE AU POINT AU LABORATOIRE POUR SUIVRE L'EVAPORATION DES ESPECES A L'INTERFACE LAITIER-PLASMA. LA PRESENCE D'OXYGENE DANS LE GAZ PLASMAGENE CONDUIT A LA FORMATION D'UN LAITIER DE SILICE PERMETTANT UNE ELIMINATION EFFICACE DES IMPURETES (CONCENTRATION EN IMPURETES INFERIEURE A 1 PPM). L'INTRODUCTION D'UN LAITIER FLUORE DE TYPE ALCALIN OU ALCALINO-TERREUX (1% EN POIDS DE SI TRAITE) AUGMENTE LE COEFFICIENT DE PURIFICATION QUI PEUT ALORS ATTEINDRE 100000 POUR CERTAINES IMPURETES. LE MECANISME D'ELIMINATION DU BORE A PU ETRE ANALYSE EN PARTICULIER A L'AIDE DU DISPOSITIF SPECTROSCOPIQUE. ON DEMONTRE LE ROLE IMPORTANT DE L'OXYGENE, NECESSAIRE A L'EVAPORATION DU BORE, ET DU FLUOR, LEQUEL AUGMENTE LA CINETIQUE DE TRANSFERT DE MATIERE. CES MESURES SPECTROSCOPIQUES PERMETTENT DE REMONTER A LA CINETIQUE DU BORE EN PHASE HETEROGENE ET DE DETERMINER QUE LA REACTION EST DU PREMIER ORDRE. LES CALCULS SPECTROSCOPIQUES PERMETTENT D'EVALUER LA TENEUR EN BORE, EN ACCORD AVEC LA CONCENTRATION MESUREE PAR ICP ET LES PROPRIETES PHOTOVOLTAIQUES. LE PROCEDE EST DE PLUS ADAPTE A L'AFFINAGE DE MATERIAUX DE RECYCLAGE (ELECTRONIQUE OU PHOTOVOLTAIQUE), POUR LESQUELS ON ATTEINT UN RENDEMENT DE CONVERSION DE 12%
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Ce travail de thèse porte sur un procédé plasma de purification de silicium pour usages photovoltaïque. Il est appliqué à deux types de matériaux : du silicium d'origine métallurgique et des produits de recyclage des boues de sciage des lingots et des plaquettes de la filière photovoltaïque. Les boues de sciage des plaquettes sont essentiellement constituées de liquide de coupe, de particules de SiC (abrasif), de microparticules de silicium et de microparticules de fer provenant du fil de découpe. Le silicium de ces boues est un silicium de haute pureté, qui est déjà de qualité photovoltaïque. Il peut représenter jusqu'`a 60 % du poids initial du lingot. Le procédé objet du projet comporte une phase de séparation du SiC par centrifugation, suivi d'une phase d'élimination chimique du fer, puis d'un traitement par plasma réactif pour l'élimination du SiC résiduel. Ce travail porte sur cette dernière phase. Un traitement plus complexe que celui initialement prévu a été rendu nécessaire par l'existence dans les boues de sciage de particules de SiC provenant du bris des grains de l'abrasif initial. La séparation du SiC étant incomplète, le traitement par plasma a dû éliminer des quantités beaucoup plus importantes qu'initialement prévu. Cela a nécessité une modification importante du procédé initial, et la mise au point de phase de pré-traitement destiné à rendre exploitable par le plasma le produit issu de la séparation. Ce travail combine études théoriques, modélisations numériques et expérimentation. La modélisation thermodynamique permet de déterminer les meilleures conditions d'élimination des polluants (gaz réactifs adaptés, débits, températures, pressions) tandis que la modélisation du brassage électromagnétique mesure l'efficacité du renouvellement de la surface du bain liquide au cours du traitement.
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LA TRANSPOSITION A UNE ECHELLE INDUSTRIELLE DU PROCEDE DE PURIFICATION DU SILICIUM PAR FUSION SOUS PLASMA THERMIQUE INDUCTIF REACTIF IMPOSE DE CONSIDERER DES APPLICATEURS CONCUS POUR DES PUISSANCES ELEVEES. IL S'AGISSAIT ALORS DE QUALIFIER LE PILOTE DE 25 KW EQUIPE D'UN APPLICATEUR A DOIGTS DE CUIVRE REFROIDIS PAR CIRCULATION D'EAU. POUR DES PLASMAS D'ARGON PUR, LE RENDEMENT ENERGETIQUE VARIE ENTRE 22 ET 40% POUR UNE PLAGE DE DEBITS SE SITUANT ENTRE 40 ET 80 1.MIN#-#1. L'INTRODUCTION D'HYDROGENE DANS CES PLASMAS CONDUIT A UNE ALTERATION DU RENDEMENT DE COUPLAGE INDUCTEUR-PLASMA MAIS EGALEMENT A UNE AUGMENTATION DE LA CONDUCTIVITE THERMIQUE AMELIORANT LES TRANSFERTS DE CHALEUR PLASMA-SILICIUM. LE RENDEMENT DE FUSION EST ALORS FAVORABLE AU PLASMA HYDROGENE (8 KW.H.KG#-#1 POUR UNE FUSION SOUS PLASMA ARGON-HYDROGENE (2%) CONTRE 40 KW.H.KG#-#1 SOUS PLASMA D'ARGON PUR). SUR LE PLAN DE L'ELABORATION DU MATERIAU, LE DEPLACEMENT RAPIDE DU FRONT DE FUSION ET LES GRADIENTS THERMIQUES ELEVES CONDUISENT A UN MATERIAU AYANT UN NOMBRE DE DEFAUTS ELEVE (DENSITE DE DISLOCATIONS: 10#6-10#7 CM#-#2). TOUTEFOIS QUAND LA RESISTIVITE EST SUPERIEURE A 1 OHM-CENTIMETRE, LES LONGUEURS DE DIFFUSION SE SITUENT ENTRE 20 ET 120 MICROMETRES ET LES RENDEMENTS PHOTOVOLTAIQUES OBTENUS SUR DES CELLULES DE FAIBLE DIMENSION (3 CM#2) SANS COUCHE ANTI-REFLET SONT COMPRIS ENTRE 5,5 ET 8%. LA CARACTERISATION PAR SPECTROSCOPIE I.R.T.F MONTRE L'APPARITION DE LIAISONS SI-H QUI PEUVENT PRESENTER UN CARACTERE PASSIVANT SI ELLES CORRESPONDENT A LA SATURATION DE LIAISONS PENDANTES. DE PLUS, A PARTIR DE CETTE ETUDE NOUS AVONS PU METTRE EN EVIDENCE LA REDUCTION DE LA CONCENTRATION EN OXYGENE DISSOUS DANS LE MATERIAU PAR LE TRAITEMENT SOUS PLASMA D'ARGON HYDROGENE. L'ANALYSE DES TRANSFERTS DE MATIERE LORS DE L'INTERACTION PLASMA-MATERIAU A ETE MENEE EN CONSIDERANT LE SILICIUM MAIS AUSSI LE GRAPHITE QUI PRESENTE LA PARTICULARITE D'ETRE SOLIDE DANS LES CONDITIONS THERMIQUES OU LE SILICIUM EST LIQUIDE. L'INFLUENCE DE LA CHIMIE DU PLASMA SUR LES PHENOMENES DE DIFFUSION ET D'EVAPORATION A ETE ETUDIEE. LE TRANSFERT DE TECHNOLOGIE SUR LE SITE INDUSTRIEL DE PHOTOWATT S'EST TRADUIT PAR L'ADAPTATION D'UN APPLICATEUR PLASMA SUR UN FOUR DE CRISTALLISATION. LES PREMIERS ESSAIS INDIQUENT UNE REDUCTION DU TEMPS DE FUSION DE 40%. LA COMPARAISON ENTRE LES CELLULES ELABOREES ET LES CELLULES STANDARD SOULIGNE UNE AMELIORATION DE LA DISTRIBUTION EN RENDEMENT PHOTOVOLTAIQUE
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L'objectif de l'étude est de montrer l'influence de la polarisation de l'échantillon de silicium métallurgique (pureté de 99%), pendant son traitement plasma, sur les processus d'élimination de ses impuretés. L'échantillon de silicium est fondu sous plasma d'argon (P=17kW) puis, une fois liquide, un potentiel lui est imposé par l'intermédiaire de son substrat de graphite. Deux techniques d'analyse ont été développées pour le contrôle du procédé. La phase plasma est analysée à l'interface plasma-silicium liquide par OES afin de suivre la cinétique d'élimination des impuretés. La composition des échantillons avant et après traitement est, elle, caractérisée par LIBS. Ces deux méthodes de spectroscopie ont permis de démontrer l'influence du potentiel imposé sur les cinétiques d'évaporation des impuretés. Les résultats obtenus ont montré que les processus d'extraction des impuretés de type métallique étaient gouvernés par des réactions électrochimiques à l'interface plasma-silicium liquide.
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CE TRAVAIL S'INSCRIT DANS UN EFFORT DE REDUCTION DU COUT DES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES ET D'AUGMENTATION DU RENDEMENT DE CONVERSION DU SILICIUM MULTICRISTALLIN UTILISE POUR L'ELABORATION DES PHOTOPILES. L'OUTIL UTILISE AU LABORATOIRE (8 ET 25 KW) EST UN PROCEDE DE PURIFICATION PAR PLASMA THERMIQUE INDUCTIF, DONT LES PROPRIETES PHYSICOCHIMIQUES SPECIFIQUES (HAUTE TEMPERATURE 9 000 K, VITESSE DE 25 M/S, FORTES VISCOSITES ET CONDUCTIVITE THERMIQUE, HAUTE REACTIVITE DU FLUX D'HYDROGENE RADICALAIRE 10#2#0 AT/S) PERMETTENT DES TRANSFERTS DE MATIERE ET DE CHALEUR TRES EFFICACES ENTRE LE PLASMA ET UN BARREAU DE SILICIUM. IL CONDUIT AINSI A LA FOIS A LA TRES HAUTE PURETE DU MATERIAU ET A LA PASSIVATION DES DEFAUTS CRISTALLINS, EN FAISANT INTERVENIR EN PARTICULIER L'HYDROGENE ATOMIQUE DU PLASMA. TOUTEFOIS, LES CONDITIONS THERMIQUES DE CRISTALLISATION DU PROCEDE CONDUISENT A LA FORMATION DE DEFAUTS (JOINTS DE GRAINS ET MACLES), ET EN PARTICULIER A UNE FORTE DENSITE DE DISLOCATIONS (N#D#I#S = 10#6#-#7 DIS/CM#2). L'UTILISATION DE PLUSIEURS METHODES DE CARACTERISATION (SPECTROSCOPIE D'EMISSION, SIMS, IRFT A 6K, RESISTIVITE 4 POINTES, ERDA, EXODIFFUSION, NAA, ICP, MEB, RX (LAUE), MICROSCOPIE OPTIQUE) ONT PERMIS DE DEMONTRE LA REACTIVITE DE L'HYDROGENE RADICALAIRE D'UN PLASMA AR + 1% H#2 AVEC L'OXYGENE CONTENU DANS LE SILICIUM DE QUALITE ELECTRONIQUE OU PHOTOVOLTAIQUE. LA PURIFICATION IMPORTANTE, NOTAMMENT EN 0 (97%: 3.10#1#710#1#6 AT/CM#3) ET C (70%: 7.10#1#72.10#1#7 AT/CM#3) S'ACCOMPAGNE D'UNE PASSIVATION DES DEFAUTS CRISTALLINS PAR L'HYDROGENE RADICALAIRE DU PLASMA (2.10#1#5 AT/CM#3). LA LIAISON ETABLIE RESISTE A UNE FORTE MONTEE EN TEMPERATURE (1 000 K). AINSI LES FORTES LONGUEURS DE DIFFUSION LOCALES (250 M) CONFIRMENT L'AMELIORATION DE LA PURETE DU MATERIAU EN ELEMENTS METALLIQUES ET METALLOIDIQUES (O, C) ET LA CICATRISATION DES DEFAUTS CRISTALLINS PAR L'HYDROGENE ATOMIQUE DU PLASMA. LE TRANSFERT TECHNOLOGIQUE SUR SITE INDUSTRIEL (100 KW) ET LES PREMIERS ESSAIS SUR LA PURIFICATION CONFIRMENT L'EFFICACITE DU PLASMA AR + H#2 PUISQUE LE RENDEMENT DE CONVERSION PHOTOVOLTAIQUE AUGMENTE DE 12,5% A 14%
Author: Ahmed Belasri Publisher: Springer Nature ISBN: 9811554447 Category : Technology & Engineering Languages : en Pages : 659
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This book highlights peer reviewed articles from the 1st International Conference on Renewable Energy and Energy Conversion, ICREEC 2019, held at Oran in Algeria. It presents recent advances, brings together researchers and professionals in the area and presents a platform to exchange ideas and establish opportunities for a sustainable future. Topics covered in this proceedings, but not limited to, are photovoltaic systems, bioenergy, laser and plasma technology, fluid and flow for energy, software for energy and impact of energy on the environment.
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L'extraction du bore du silicium liquide est une étape d'une chaîne de procédés de purification de silicium de qualité suffisante pour les applications photovoltaïques. Cette thèse étudie en priorité le procédé dit "gaz froid" qui consiste en l'injection d'un mélange de gaz Ar-H2-H2O sur du silicium liquide chauffé électromagnétiquement. Une deuxième méthode similaire ("procédé plasma") où on injecte un plasma thermique issu d'un mélange Ar-H2-O2 a également été étudiée. Un modèle est nécessaire afin d'optimiser le procédé pour économiser de l'énergie.Les trois objectifs du modèle sont la prédiction du flux de silicium issu de la surface (vitesse d'oxydation), du flux de bore issu de la surface (pour avoir la vitesse de purification), et du seuil de passivation. Le seuil de passivation est la limite de concentration d'oxydant au-delà de laquelleil apparait une couche de silice passivante qui empêche la purification. Afin de minimiser la consommation d'énergie en accélérant le procédé, on cherche à injecter une concentration d'oxydant juste en dessous du seuil de passivation.De précédentes études ont montré que le facteur limitant pour les flux de bore et de silicium est le transport d'oxydant dans la phase gaz. Ainsi, nous avons fait un modèle monodimensionnel réactif-diffusif à l'équilibre thermodynamique de la couche limite gazeuse. Selon ce modèle, l'effet de la formation d'aérosols de silice est de diviser par deux le flux d'oxydant vers la surface, ce qui sert aux simulations CFD. Cet effet des aérosols de silice sur les flux d'oxydant peut aussi se retrouver si on enlève l'hypothèse d'équilibre thermodynamique des aérosols de silice avec la phase gaz, ce qui est confirmé par des simulations CFD et des expériences.Pour ce qui concerne l'estimation de la vitesse de purification, les données les plus réalistes concernant l'enthalpie de formation de HBO(g) et le coefficient d'activité du bore dans le silicium liquide ont été sélectionnées. Nous obtenons une bonne prédiction de la vitesse de purification à différentes températures et concentrations d'oxydant, y compris pour le cas plasma que nous avons étudié, en utilisant ces données thermodynamiques et en supposant que les produits de réaction de surface SiO(g) et HBO(g) diffusent de manière similaire. Ces coefficients de transfert identiques pour HBO(g) et SiO(g) peuvent s'expliquer par une précipitation simultanée et commune de HBO(g) et SiO(g), selon des mécanismes de germination et croissance restant à déterminer.Un dispositif expérimental de lévitation électromagnétique de silicium sous un jet oxydant a été monté. La mesure et le contrôle de température d'une bille de silicium ont été mis en oeuvre ce qui permettra la mesure sans contaminations de données thermodynamiques concernant les impuretés .Le seuil de passivation mesuré sur quelques expériences disponibles peut être prédit par notre modèle d'oxydation (associé au facteur deux représentant les aérosols de silice), si on l'associe à un critère proposé dans la littérature, qui couple la fraction du flux d'oxydant arrivant à la surface à une loi d'équilibre entre SiO(g), Si(l) et SiO2(s/l). Nous montrons dans cette thèse que la couche passivante n'est compatible avec des aérosols de silice que si ces aérosols ne sont pas en équilibre avec la phase gaz. La cinétique de formation des aérosols de silice doit donc être étudiée plus en détails.
Author: Paolo Mele Publisher: ISBN: 9781536160864 Category : Zinc oxide thin films Languages : en Pages : 0
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Zinc oxide (ZnO) is an n-type semiconductor with versatile applications such as optical devices in ultraviolet region, piezoelectric transducers, transparent electrode for solar cells and gas sensors. This book "ZnO Thin Films: Properties, Performance and Applications" gives a deep insight in the intriguing science of zinc oxide thin films. It is devoted to cover the most recent advances and reviews the state of the art of ZnO thin films applications involving energy harvesting, microelectronics, magnetic devices, photocatalysis, photovoltaics, optics, thermoelectricity, piezoelectricity, electrochemistry, temperature sensing. It serves as a fundamental information source on the techniques and methodologies involved in zinc oxide thin films growth, characterization, post-deposition plasma treatments and device processing. This book will be invaluable to the experts to consolidate their knowledge and provide insight and inspiration to beginners wishing to learn about zinc oxide thin films.
Author: Jochen Altenberend
Author: Jochen Altenberend
Author: NICOLE.. MADIGOU
Author: Cyrille Ndzogha
Author: JOCELYN.. ERIN
Author: Audrey Soric
Author: ISABELLE.. CAZARD-JUVERNAT
Author: Ahmed Belasri
Author: Mathieu Vadon![Contribution à l'étude de la purification du silicium par voie plasma pour obtention de silicium haute pureté [microforme] PDF](https://books.google.com/books/content/images/frontcover/P2HengEACAAJ?fife=w80-h100)
Author: Robert, William
Author: Paolo Mele