Les étapes du projet :

Objectif et voies de recherche

Conclusions et Perspectives

Travaux réalisés ­ Résultats

Colloque Nouvelles technologies de l’énergie 19 et 20 novembre 2009, Paris

TWIN ­ Thin Wafer Industrial NetworkFilière électromagnétique de réduction des coûts des cellules photovoltaïques à base 

de silicium multicristallin

                         Ce projet de recherche est financé par l'Agence Nationale de la Recherche sous le numéro ANR­05­PV­002 dans le cadre du programme Solaire Photovoltaïque.

TWIN réunit deux industriels (PHOTOWATT et EMIX) et deux laboratoires publics (l'ENSCP et le CEA) pour créer une filière industrielle visant à réduire le coût final des modules photovoltaïques. Trois voies de recherche sont suivies :­ Utilisation de silicium de qualité métallurgique comme matière première :Ce  silicium  sera  simultanément  mis  en  forme,  par  coulée  continue  électromagnétique  en  creuset  froid,  et  purifié  par  une  torche  à  plasma  pour  obtenir  des  blocs  de  silicium multicristallin de qualité solaire photovoltaïque. La recherche des paramètres plasma est effectuée à  l'ENSCP et  ils seront validés à EMIX, dans un pilote industriel capable de traiter 100 kg de silicium.­ Découpe en plaquettes minces :PHOTOWATT travaille sur la découpe des blocs avec l'objectif d'atteindre une épaisseur de plaquette de 180 µm.­ Adaptation du procédé de fabrication des cellules photovoltaïques :Des études sont réalisées au CEA pour optimiser le procédé de fabrication des cellules photovoltaïques afin d'obtenir un rendement maximum avant d'être testées sur les chaînes de production de PHOTOWATT.

Purification  :  Mise  en  évidence  de  l’effet  du plasma sur l’élimination du bore.

Procédé cellule :Un  nouveau  "standard"  a  été  développé  sur  la plateforme RESTAURE du CEA :­  émetteur 60 / □

­  sérigraphie avec une pâte spéciale et un écran dédié au silicium métallurgique­  cuisson optimiséeÉtude sur 3 lots de cellules obtenues à partir de silicium métallurgique purifié par ségrégation : Lot 1 : moy=13,3%; Lot 2 : moy=13,3%; 

Lot 3 : moy=14,3% DDV mesurée par µW­PCD sur une plaquette à base de silicium UMG.

Pilote de purification et de tirage :Matière  première  :  Sélection  de  différentes  sources  de silicium.  Essais  de  cristallisation  dans  un  four  à solidification dirigée (échelle laboratoire) et dans un four 4C  (EMIX),  sans  plasma,  pour  caractérisation  de  la ségrégation.

Spectre d'émission des raies du Bore par la technique LIBS

Silicium métallurgique - pureté - granulométrie variables - coût

Creuset froid

Torche à plasma

Enceinte

Tirage

Impuretés

Silicium

Pilote industriel

Bloc SoG-Si, type p

SÉLECTION DES MATIÈRES PREMIÈRES

PURIFICATION ET MISE EN FORME

DÉCOUPE EN PLAQUETTES MINCES

ADAPTATION DU PROCÉDÉ CELLULE

OPTIMISATION DE L'ENCAPSULATION

Plaquettes minces150 mm x 150 mm épaisseur : 180 µm

Cellules photovoltaïques

Modules photovoltaïques(Traqueur installé sur le site d'EMIX)

ETUDE ADAPTATION INDUSTRIELLE

MODÉLISATION PHASE 1 Chauffage par induction,

hydrodynamique et thermique

PHASE 2 Solidification et cristallogénèse

PHASE 3 Interactions

plasma-silicium

DECOUPE EN BLOCS

Générateur RF

Pilote de purification et de tirage ­ EMIX.

Brassage  :  Mise  en évidence de  l'effet  du brassage pour le renouvellement des espèces chimiques à l'interface plasma­silicium. 

EMIX (coordinateur) : C. Dréau (cdreau@emix.fr)    PHOTOWATT : N. Le Quang CEA : D. Camel ENSCP : D. Morvan

SiliciumB : 8 ppmw

P : 22 ppmw

Essai de cristallisation 4C

Essai de solidification dirigée

Modélisation numérique.Chauffage par induction, 

brassage électromagnétique, apport thermique du plasma

Torche plasma

Ségrégation  du  phosphore  sur  l'axe  et  la périphérie du lingot ; modélisation analytique du transitoire  initial et de la couche limite en fond de puits liquide.

Résistivité en fonction de la hauteur

Le projet TWIN a permis de faire travailler ensemble quatre acteurs français du photovoltaïque sur le thème de la réduction des coûts des modules à base de silicium multicristallin.  Il  a  permis  d'acquérir  une  expérience  forte  dans  l'utilisation  du  silicium  métallurgique,  depuis  sa  cristallisation  jusqu'à  l'optimisation  du  procédé  de fabrication des cellules. Compte tenu des résultats obtenus, une poursuite des travaux est envisagée par les membres du consortium dans un cadre qui reste à définir.

Grandeur représentative de la concentration en Bore (LIBS)

Tmax

 = 10 324 K 

Modélisation  :  Modélisation  numérique  des  interactions chimiques  et  thermiques  entre  le  plasma  et  le  silicium. Modélisation  numérique  du  chauffage  par  induction,  de l'hydrodynamique et de la thermique dans le silicium lors de son traitement dans le pilote industriel.

Cellules de références : Réalisation et caractérisation de cellules sur  la plate­forme RESTAURE du CEA à  partir  de  lots EMIX et POLIX. Optimisation du procédé cellule.

Découpe : Caractérisation des propriétés mécaniques des plaques d'épaisseur standard 220µm et des plaquettes fines 180µm

Propriétés mécaniques des plaquettes

Durée du projet : 44 mois de décembre 2005 à juillet 2009

Générateur MF

Avant

trai

temen

t

Après

trai

temen

t

Sans

polar

isatio

n

Après

trai

temen

t

Avec

polar

isatio

n

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6SurfaceCoeur

Sig

nal d

u B

ore

/ Sig

nal d

u si

liciu

m (

u.a.

)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Découpe 220µm Découpe 180µm

Force de rupturemoyenne (N)

Courbure moyenne lorsde rupture (mm)