Projet ANR-14-CE05-0046 – CrySaLID : Cristallisation du Silicium à partir de germes, effet des Impuretés Légères et des Défauts
Programme : Concepts innovants pour le captage et la transformation des energies renouvelables (DS0201) 2014
Année de financement : 2014
Coordinateur du projet : Madame Nathalie Mangelinck-Noël (Institut Matériaux Micorélectronique et Nanosciences de Provence)
Partenaires : Divers privé; EMIX; Laboratoire public; Karlstads universitet; Laboratoire public; NTNU Norwegian University of Science and Technology; Stiftelsen for Industriell og Teknisk Forskning
Montant : 739406.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 54 mois
Résumé : Le développement du secteur photovoltaïque (PV) nécessite des progrès significatifs en efficacité et coût. Dans les cellules solaires à base de Si cristallin en particulier, la structure de grains, les ségrégations et les défauts issus de l’étape de solidification jouent un rôle majeur sur les propriétés finales. Cependant, les mécanismes fondamentaux impliqués ne sont pas parfaitement compris à ce jour ce qui empêche un contrôle reproductible et efficace des procédés de cristallisation. Au cours des dernières années, des efforts de recherche ont été réorientés vers la croissance de silicium quasi-monocristallin qui constitue un bon compromis entre le silicium monocristallin et le silicium multi-cristallin tous les deux utilisés pour les applications PV. En effet, les monocristaux permettent d’obtenir un rendement PV élevé mais leur fabrication demande des procédés de croissance cristalline coûteux. A l’inverse, le silicium multi-cristallin résulte en une efficacité PV moindre mais peut-être fabriqué en utilisant des procédés de solidification moins coûteux proches de ceux de procédés de fonderie métallurgique. Partant de ce constat, l’objectif est de produire du silicium quasi-monocristallin c’est-à-dire avec le moins de grains possible en utilisant des méthodes de fonderie ou de solidification dirigée  en commençant la solidification à partir de germes ou en sélectionnant une orientation cristalline par croissance de dendrite. Pour une croissance quasi-mono cristalline réussie, la germination de grains parasites et de macles pendant la cristallisation doit être minimisée et la croissance qui suit doit être contrôlée afin de favoriser l’orientation cristalline désirée. De plus, les impuretés et les défauts ont des effets nuisibles majeurs et sont étroitement liés à la croissance des grains à partir des germes. 
Les objectifs scientifiques du projet CrySaLID sont d’approfondir la compréhension des mécanismes de cristallisation du silicium qui croît à partir d’un germe tels que la germination des grains parasites, la compétition de grains, les macles avec du silicium pur ou contenant des impuretés légères. De plus la caractérisation des défauts et des impuretés légères en lien avec la cristallisation et la structure de grains sera menée à bien pour comprendre la génération des défauts structuraux et l’effet des impuretés. La corrélation avec les mesures des propriétés PV sera également réalisée. 
Le premier objectif technologique est de définir les conditions expérimentales à mettre en œuvre pour obtenir une structure de grains améliorée et un contrôle des impuretés et des défauts avec un procédé de croissance exploitant une orientation cristalline sélectionnée. Le second a pour but de développer un outil de simulation 3D et prédictif de la croissance du silicium  à l’échelle industrielle. En ce qui concerne la société EMIX qui fait partie du consortium, un objectif majeur dans le projet est de fabriquer du silicium contenant une moindre proportion de C pour la croissance quasi-mono cristalline. Les objectifs du projet seront atteints par : i) des recherches complémentaires sur les mécanismes de cristallisation du silicium (croissance de grain et compétition) par imagerie X in situ de sa croissance, de croissance de type Kyropoulos ou quasi-mono, de la croissance de bi-cristaux, ii) la caractérisation des défauts structuraux, des impuretés et des propriétés PV, iii) des modèles multi-échelles (environnement thermodynamique, ségrégation des impuretés, modèle de champ de phase des sillons de joints de grains et modèle 3D de la structure de grains à l’échelle industrielle), iv) information en retour pour le procédé industriel.