Investigation of Oxidation and Sintering mechanisms of Silicon powders for photovoltaïc applications
Etude des mécanismes d'oxydation et de frittage de poudres de silicium en vue d'applications photovoltaïques
Résumé
Photovoltaic conversion is a promising energy resource. Bulk crystalline silicon technologies currently dominate the market but suffer from high material losses that are highly detrimental to solar cell production costs. The challenge is then the elaboration of low cost silicon materials through a powder metallurgy route. However, silicon sintering is dominated by grain coarsening mechanisms that preclude densification. Identification of these mechanisms is controversial in the literature. Especially, the role of the native oxide layer (SiO2) at the powder particle surfaces has remained unexplored yet. In this manuscript, the influence of the atmosphere on the reduction of this silica layer is studied using thermogravimetric analysis. Reduction kinetics is consistent with a thermochemical model taking into account the powder oxygen content, the partial pressure of oxidizing species and the pore morphology of the sintered material. For the first time, experimental evidences support the idea that the silica layer inhibits grain coarsening. New sintering processes, involving a control of the silicon monoxide atmosphere (SiO(g)) surrounding the sample are then proposed and investigated in order to monitor the stability of this layer. Stabilization of the silica layer at temperatures as high as 1300 - 1400 °C is shown to enhance densification although it retards lattice diffusion kinetics. In these conditions, the sintering behavior can be divided into two sequential stages marked by two shrinkage peaks on the dilatometric curves. This result is unusual for the sintering of single-phase materials. However, it can be explained with help of a kinetic model using appropriate geometrical simplifications and observations of the sample microstructures.
La conversion photovoltaïque présente de nombreux avantages. Actuellement, les technologies basées sur l'élaboration de wafers de silicium cristallins dominent le marché, mais sont responsables de pertes de matières importantes, très néfastes au coût de production des cellules. Le défi à relever est donc la réalisation de matériaux bas coûts en silicium par un procédé de métallurgie des poudres. Cependant, le frittage du silicium est dominé par des mécanismes de grossissement de grains qui rendent la densification difficile par frittage naturel. Dans la littérature, l'identification de ces mécanismes est sujette à controverse. En particulier, le rôle de la couche d'oxyde natif (SiO2) à la surface des particules de silicium reste inexploré. Dans ce manuscrit, l'influence de l'atmosphère sur la réduction de cette couche de silice au cours du frittage est étudiée par analyse thermogravimétrique. Les cinétiques de réduction sont en accord avec un modèle thermochimique prenant en compte, les quantités d'oxygène initialement présentes dans poudre, la pression partielle en espèces oxydantes autour de l'échantillon et l'évolution de la porosité du fritté. Pour la première fois, des données expérimentales permettent de montrer que la couche de silice inhibe le grossissement de grain. Des nouveaux procédés, basés sur un contrôle de l'atmosphère en monoxyde de silicium (SiO(g)) autour de l'échantillon, sont alors proposés afin de maitriser la stabilité de cette couche. Bien que la couche d'oxyde retarde les cinétiques de diffusion en volume, son maintien à des températures de 1300 - 1400 °C permet d'améliorer significativement la densification. Dans ces conditions, le comportement au frittage du silicium peut être séparé en deux étapes, clairement mises en évidences par la présence de deux pics de retrait sur les courbes de dilatométrie. Ce résultat est inhabituel compte tenu de l'aspect monophasé du matériau étudié. Cependant, il peut être expliqué à l'aide d'un modèle cinétique de frittage, basé sur des simplifications géométriques en accord avec l'évolution microstructurale du matériau.
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