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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 ([email protected]) 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)