Soutenance de thèse de HOUAM Sirine
Titre de thèse
Étude de la solidification et des défauts cristallins dans le silicium pour les applications photovoltaïques : approches expérimentales
Investigation of solidification and crystalline defects in silicon for photovoltaic applications: experimental approaches
Résumé de la thèse
La transition énergétique repose en partie sur le développement des énergies renouvelables et donc de cellules solaires photovoltaïques plus performantes, durables et économiquement abordables. Le silicium cristallin demeure aujourd'hui le matériau dominant pour la fabrication des cellules solaires. Cependant, la présence de défauts cristallins, de contraintes thermomécaniques et d'impuretés au cours de la croissance des lingots constitue un facteur limitant des performances électriques des dispositifs.
Cette thèse vise à améliorer la compréhension des mécanismes gouvernant la formation et l'évolution des défauts structuraux dans le silicium lors des étapes à haute température de chauffe des germes et de solidification puis de refroidissement.
Une attention particulière est portée aux dislocations, aux sous-joints de grains, aux macles et aux déformations locales générées par les gradients thermiques. L'influence des impuretés sur la croissance cristalline, la stabilité de l'interface solide-liquide, la nucléation et la dynamique des défauts est également étudiée. Les interactions entre dislocations (pouvant s'organiser en sous-joints de grains ou en cellules), joints de grains, interface solide-liquide et impuretés sont analysées afin d'établir les liens entre les conditions thermiques de croissance et l'état final du matériau.
Pour atteindre ces objectifs, deux approches expérimentales in situ sont mises en œuvre. Des observations par microscopie optique permettent d'étudier les mécanismes de déstabilisation de l'interface solide-liquide. Des expériences de radiographie et de topographie X synchrotron en temps réel sont également réalisées afin de caractériser la dynamique des dislocations, l'évolution de la morphologie de l'interface solide-liquide, la formation des défauts cristallins et les déformations du cristal. Ces études sont menées à partir de germes issus des procédés de croissance Float Zone (FZ), Czochralski (Cz) et cast-mono qui pour certains d'entre eux contiennent au préalable des structures cellulaires de dislocations ou ont été intentionnellement contaminés.
Les observations in situ sont complétées par plusieurs techniques de caractérisation ex situ. Le Rocking Curve Imaging (RCI) est utilisé pour quantifier les distorsions cristallines, identifier les sous-joints de faible désorientation (inférieure à 1°) et analyser les distributions spatiales de dislocations. La diffraction des électrons rétrodiffusés (EBSD) permet de caractériser l'orientation des grains ainsi que la nature des joints de grains. Les concentrations d'oxygène en sites interstitiels et de carbone en sites substitutionnels sont mesurées par spectroscopie Infrarouge à Transformée de Fourier (FTIR). L'impact des défauts sur les propriétés électriques est évalué par cartographie µWPS (MicroWave Phase-Shift) et imagerie par photoluminescence (PL). La combinaison de ces différentes techniques permet d'établir des corrélations entre microstructure, déformations, impuretés et propriétés électriques.
La dynamique des dislocations au cours de l'étape de chauffe a pu être étudiée dans des germes exempts de dislocations au préalable ainsi que dans des germes contenant des cellules de dislocations. Cette étape est déterminante car elle a un impact sur la formation des défauts dans les premières étapes de solidification à partir des germes. Au cours de la solidification, les dislocations interagissent et peuvent former des sous-joints. De plus, des macles germent à l'interface solide-liquide et entrent en compétition pour former la structure de grains tout en interagissant avec les autres défauts structuraux. Enfin, l'effet de la contamination par des impuretés métalliques (cuivre et or) sur la déstabilisation de l'interface solide-liquide et les conséquences sur la formation de la structure de grains ont également pu être étudiés.
Thesis resume
The energy transition relies partly on the development of renewable energy sources and, consequently, on photovoltaic solar cells that are more efficient, durable, and cost-effective. Crystalline silicon remains the dominant material for solar cell manufacturing today. However, the presence of crystalline defects, thermomechanical stresses, and impurities during ingot growth limits the electrical performance of the devices.
This thesis aims at improving the understanding of the mechanisms governing the formation and evolution of structural defects in silicon during the high-temperature stages of seed heating, solidification, and subsequent cooling. Particular attention is paid to dislocations, sub-grain boundaries, twins, and local deformations generated by thermal gradients. The influence of impurities on crystal growth, solid-liquid interface stability, nucleation, and defect dynamics is also investigated. Interactions between dislocations (which can organize into sub-grain boundaries or cell structures), grain boundaries, the solid-liquid interface, and impurities are analyzed to establish the links between thermal growth conditions and the final state of the material.
To achieve these objectives, two in situ experimental approaches are employed. Optical microscopy observations allow for the study of mechanisms destabilizing the solid-liquid interface. Real-time synchrotron X-ray radiography and topography experiments are also conducted to characterize dislocation dynamics, the evolution of the solid-liquid interface morphology, crystalline defect formation, and crystal distortions. These studies utilize seeds derived from Float Zone (FZ), Czochralski (Cz), and cast-mono growth processes; some of these seeds contain pre-existing dislocation cell structures or have been intentionally contaminated.
The in situ observations are complemented by several ex situ characterization techniques. Rocking Curve Imaging (RCI) is used to quantify crystal distortions, identify low-angle sub-boundaries (misorientation<1°), and analyze dislocation spatial distributions. Electron Backscatter Diffraction (EBSD) allows for the characterization of grain orientation and grain boundary type. Interstitial oxygen and substitutional carbon concentrations are measured via Fourier Transform Infrared (FTIR) spectroscopy. The impact of defects on electrical properties is assessed using µWPS (MicroWave Phase-Shift) mapping and photoluminescence (PL) imaging. Combining these techniques enables the establishment of correlations between microstructure, strain, impurities, and electrical properties.
Dislocation dynamics during the heating stage were investigated in both initially dislocation-free seeds and seeds containing dislocation cells. This stage is critical, as it influences defect formation during the initial stages of solidification from the seeds. During solidification, dislocations interact and can form sub-grain boundaries. Furthermore, twins nucleate at the solid-liquid interface and compete to shape the grain structure while interacting with other structural defects. Finally, the study also examined the effect of metallic impurity contamination (copper and gold) on solid-liquid interface destabilization and the resulting consequences for grain structure formation.