Journées plasma / photovoltaïqueJournées plasma / photovoltaïque

M.BenmansourM.Benmansour, D.Morvan, D.Morvan

Laboratoire de Génie des Procédés Plasmas et Traitement de Surface

ENSCP / UPMC, 11 Rue Pierre et Marie Curie, 75005 Paris

PProcrocééddéés s PPlasma lasma TThermique pour hermique pour

ll’’EElaboration de laboration de MMatatéériaux pour la riaux pour la

CConversion onversion PPhotovoltahotovoltaïïqueque

RemerciementsCes travaux ont été financièrement soutenus par l’AD EME et l’ANR

Thématiques de recherche plasma / PVThématiques de recherche plasma / PV

Plasma Thermique

Projection et purification de poudre de silicium

Purification du silicium MGmassif sous polarisation

Analyse multi-élémentaireDes matériaux : LIBS

Réalisation de couches d’oxydes

Projection de poudres de silicium MGProjection de poudres de silicium MG

Fusion dans le plasma Purification en vol

60 µm

Q1QQ11

Q2QQ22Q2QQ22Q3QQ33 Q3QQ33

waterwaterwaterwaterwaterwater

waterwaterwaterwaterwaterwater

100 mm100 mm

Scale 1:2

→ Alimentation d’un bain en fusion,

→ Réalisation de dépôts par projection thermique

Injection de silicium en poudres

Applications

Résultats notablesRésultats notables

Joint de grainsJoint de grains

250 250 µµµµµµµµmm

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0 10 20 30 40 50

tens ion d'accéleration (eV)

Effi

caci

té d

e co

llect

e

Ln = 2 µm

Ln = 1 µm

Ln = 0,5µm

60 µµµµm

Longueurs de diffusion LLongueurs de diffusion Lnn=1=1--5 5 µµµµµµµµmmÀÀ partir de poudres MGpartir de poudres MG

DDéépôts pôts àà gros grains 250gros grains 250µµmmDDéépôts densespôts denses

Fusion Fusion –– éévaporation en vol : purification dans lvaporation en vol : purification dans l’é’écoulement plasmacoulement plasma

0,0100,0110,0920,12347,5Après traitement

0,0120,0220,2480,1561821Poudre de départ

Ti %Ca %Al %Fe %P (ppm)B (ppm)

Purification du silicium métallurgique avec polarisationPurification du silicium métallurgique avec polarisation

Transfert de masse dans le silicium fondu

Convection / Diffusion des impuretés vers la couche limite

Evaporation à l’interface Plasma / silicium

Volatilité , Réaction chimique, Pulvérisation

Composition du plasma : Réactivité chimique

Ar + gaz réactifs : O2, H2 …Réaction chimique

Polarisation : Effet du champ électrique

Polarisation anodique / cathodique

Résultats notablesRésultats notables

2000

6000

10000

14000

18000

22000

249.5 249.55 249.6 249.65 249.7 249.75 249.8

Wavelengths (nm)

Inte

nsi

ty (

a.u

)

[O2] = 0,1%

[O2] =0,096%

[O2] = 0,087%

[O2] = 0,079%

[O2] = 0%

B I = 249,7 nm

B I = 249,67 nm

Ca II ( l=393.3nm)

0,E+00

1,E+05

2,E+05

3,E+05

4,E+05

5,E+05

393,4 393,44 393,48 393,52

Wavelength (nm)

Inte

nsity

(a

.u)

100 Volts

95 Volts

90 Volts

85 Volts

80 Volts

ppm weight Al Ca Cu Fe Ti

Raw Silicon 4944 2772 156 4300 1027

U = 85 Volts 2025 1157 60 1868 442

U = 105 Volts 760 510 24 700 154

Effet de la composition du plasma Effet de la polarisation imposée

Facteur de purification = 6 Réduction des temps de traitement

Purification par réactivité chimique. Le potentiel imposée n’a pas d’effet sur la cinétique

d’évaporation

ImpurityImpurity Raw material Raw material ((ppmwppmw))

After After ArAr + 0.1% O+ 0.1% O22 thermal plasma treatmentthermal plasma treatment

U U SiSi= = --20V 20V ((ppmwppmw))

U U SiSi= 100 V= 100 V((ppmwppmw))

U U SiSi= 120 V = 120 V ((ppmwppmw))

BB 1010 <2<2 <5<5 <4<4

PP 1515 <3<3 <4<4 <6<6

ImpurityImpurity Raw material Raw material ((ppmwppmw))

After After ArAr + 0.1% O+ 0.1% O22 thermal plasma treatmentthermal plasma treatment

U U SiSi= = --20V 20V ((ppmwppmw))

U U SiSi= 100 V= 100 V((ppmwppmw))

U U SiSi= 120 V = 120 V ((ppmwppmw))

BB 1010 <2<2 <5<5 <4<4

PP 1515 <3<3 <4<4 <6<6

Analyse multi-élémentaire du silicium PV par LIBSAnalyse multi-élémentaire du silicium PV par LIBS

Steps 2-3MG Silicon

Step 4

1

6

5

4

3

2

Step 6

Résultats notablesRésultats notables

Droite de calibration Bore dans le silicium

Unknown

sample

GDMS LIBS

ppmw ppmw

1 5 ± 1 4 ± 0.3

2 9 ± 2 5 ± 0.4

3 10 ± 2 9 ± 0.4

4 49 ± 10 51 ± 5

Unknown

sample

GDMS LIBS

ppmw ppmw

1 5 ± 1 4 ± 0.3

2 9 ± 2 5 ± 0.4

3 10 ± 2 9 ± 0.4

4 49 ± 10 51 ± 5

Comparaison LIBS / GDMS

Analyses semi quantitatives

Al dans SiB dans Si

MoreLess

S= 1 cm² , 100 tirs, 100 mesures

Réalisation de couches d’oxydes Réalisation de couches d’oxydes

Evaporation of waterElimination of NO3-

Injection

system

Nitrates

solution

Deposition of oxide coating

onto the substrate Ar / O2 plasma discharge Spray

Ar : 50 ml/mn (STP conditions)

O2 : 50 ml/mn (STP conditions)

Ar carrier gas for the injection system: 450 ml/mn (STP conditions)

Ar : 100 ml/mn (STP conditions)

O2 : 100 ml/mn (STP conditions)

Nitrates solution : 0.13 ml/mn (STP conditions)

Nitrates solution : 1 ml/mn (STP conditions)

- Réalisation de barrières thermiques à base d’oxydes ZrO 2-Y2O3, Ta2O5, Ba3MgTa2O9

-Réalisation de couches de passivation SiOx et SiOxNy

SiOx→→→→ x/2 SiO2 + (1-x/2) Si

S.RousseauS.Rousseau, D.Morvan, D.Morvan

Projets en cours et futursProjets en cours et futurs

Analyse LIBS du silicium en phase liquide

Acronyme : Solar Nano crystal - programme OSEO (2009-20 11)

Organisme de recherche : Contrat de sous traitance av ec la société EMIX

Titre : Mise en place d’un dispositif LIBS pour l’an alyse en ligne des bains de silicium liquide

en cours de cristallisation dans des creusets froid s

Partenaire : EMIX

Elimination du phosphore dans le silicium métallurgique par plasma thermique

- Etude de l’effet combiné de la polarisation et d’une extraction par laitiers

- Développement d’un protocole de caractérisation du phosphore dans le silicium par LIBS