proc édés plasma thermique pour l’elaboration de mat ériaux...
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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
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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
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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
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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)
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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
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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
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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
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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
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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
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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