Rozprawy doktorskie na temat „Silicide concentration”

L'etude realisee concerne le marche de la production d'electricite photovoltaique sur des installations d'une puissance crete superieures ou egale a 100 kw et sur des sites a fort ensoleillement direct. Les possibilites technico-economiques de la filiere haute concentration sur silicium sont evaluees a court et moyen termes par rapport aux modules plans au si multicristallin. La nature du dispositif optique de concentration et du systeme de refroidissement est definie pour des cellules au si de surface active superieure a 0,5 cm#2 et un taux de concentration superieur a 200 x. Chaque composante est optimisee a partir de mesures experimentales et de modeles analytiques propres. Les options ainsi definies ont ete adaptees a la conception et la realisation d'un banc de mesures de photopiles sous eclairement naturel concentre permanent. Visant a garantir fiabilite et polyvalence maximales, ce dispositif permet la caracterisation de cellules de nature, geometrie et taille diverses. La mise au point du banc est effectuee dans le cadre de l'experimentation de deux cellules si de geometrie carree (surface active: 0,64 cm#2) et a structure de contacts interdigites sur la face arriere (ibc). Le fonctionnement des cellules dans des conditions representatives de leur contexte d'utilisation est analyse au travers de l'obtention de ses parametres externes, et de l'etude de l'evolution de ces parametres en fonction du niveau de flux lumineux incident et de la temperature de jonction

The sulfur concentration in silicate melts at sulfide saturation (SCSS) was experimentally investigated in a temperature range from 1250ºC to 1450ºC and a pressure range from 500 MPa to 1 GPa in a piston-cylinder apparatus. The investigated melt compositions varied from rhyolitic to basaltic. All experiments were saturated with a FeS melt. Temperature was confirmed to have a positive effect on the SCSS and no measurable pressure effect was observed. Oxygen fugacity was controlled to be either near the carbon-carbon monoxide buffer or one log unit above the nickel-nickel oxide buffer, and found to positively affect the SCSS. A series of models were constructed to predict the SCSS as a function of temperature, pressure, melt composition, oxygen fugacity and sulfur fugacity of the system. The coefficients were obtained by the regression of experimental data from this study and from data in the literature. The best model found for the prediction of the SCSS is: lnSppm =-996T+9.875+0.997lnMFM+0.1901lnf O2-0.0722&parl0;PT &parr0;-0.115lnfS2 where P is in bar, T is in K, and MFM is a compositional parameter describing the melt based upon cation mole fractions: MFM=Na+K+2 Ca+Mg+Fe2+Six Al+Fe3+.
This model predicts the SCSS in anhydrous silicate melts from rhyolitic to basaltic compositions at crustal conditions from 1 bar to 1.25 GPa, temperatures from ~1200 to 1400ºC, and oxygen fugacities between approximately two log units below the fayalite-quartz-magnetite buffer and one log unit above the nickel-nickel oxide buffer. For cases where the oxygen and sulfur fugacities cannot be adequately estimated a simpler model also works acceptably: lnSppm =-5328T+8.431+1.244 lnMFM-0.01704P T+lnaFeS where aFes is the activity of FeS in the sulfide melt and is well approximated by a value of 1. Additional experiments were performed on other basalts in a temperature range from 1250ºC to 1450ºC at 1 GPa to test the models. The model predictions and the measurements of the SCSS agree within 5%. Although I cannot fix exactly the stoichiometric coefficients of the reaction controlling sulfur dissolution, my experiments and models suggest that the solution reaction for sulfur in melts saturated with sulfide is similar to: 8FeSsulfide +3FeOsilicate+4O2-silicat e+2O2gas ⇔4S2-silicate+2S 2gas+11FeOsulfide where the subscripts indicate the phase and O 2- represents "free" oxygens in the silicate melt.
Keywords. sulfur, solubility model, dissolution mechanism, silicate melts

Le silicium et l'oxyde de silicium nitrurés présentent de meilleures propriétés diélectriques que l'oxyde de silicium utilisé dans la technologie M. O. S. (métal-oxyde-silicium), d'où l'intérêt de les étudier. La nitruration a été effectuée à pression atmosphérique sous NH3 à haute température (900°C-1100°C) et pendant une durée variant de quelques secondes à 1 ou 2 heures. Pour comprendre le mécanisme de nitruration, nous avons étudié l'influence de plusieurs paramètres de nitruration sur la composition chimique des couches réalisées. La caractérisation physico-chimique a été effectuée par plusieurs technique d'analyse complémentaires telles que : l'analyse par réaction nucléaire, les spectrométries d'électrons Auger et de photoélectrons, la spectroscopie de masse d'ions secondaires et l'ellipsométrie. Nous avons montré que la nitruration du silicium conduit à des couches contenant de l'oxygène. L'épaisseur de ces dernières augmente avec le temps et la température de nitruration mais saturent après une heure (80 A à 1100°C). L'oxyde de silicium nitruré (oxynitrure) présente une surface riche en azote par rapport au volume avec l'existence d’un pic d'azote près de l'inter- face avec le silicium. Nous avons observé ce pic dès 30 secondes pour un oxyde de 450 A, ce qui signifie un coefficient de diffusion de 3. 10-13 cm2/s. Le coefficient de diffusion diminue rapidement, atteint 10-15 cm2/s dès 10 minutes de nitruration. L'incorporation de l'azote dans la couche d'oxyde s'accompagne d'une diminution de la quantité d'oxygène. Le mécanisme de transport atomique de l'oxygène pendant la nitruration a été étudié en utilisant des oxydes isotopiques. Un modèle du mécanisme de nitruration a été proposé. Les mesures capacité-tension à 1 MHZ ont permis de déterminer l'évolution de la tension de bande plate et de la quantité de charges dans la couche. Nous avons mis en évidence les propriétés de barrière à l'oxydation des oxynitrures réalisés
Thermal nitridation of silicon and oxidized silicon provides best dielectric properties than thin silicon dioxide used in M. O. S. Technology, that is the interest to study them. The nitridation was performed at atmospheric pressure in a furnace under NH3 at high temperature (900°C-1100°C) for various times between 5 secondes and 2 heures. In order to understand the mechanism of nitridation, the influence of several parameters on the chemical composition of the resulting layers has been studied. The physico-chemical characterization was carried-out throught complementary analysis technics such as: nuclear reaction analysis, Auger electron and Xray spectrometries, secondary ion mass spectrometry and ellipsometry. It has been shown that the nitridation of silicon gives layers containing oxygen. Their thickness increases with time and temperature but saturates after one hour (80 A at 1100°C). Nitrided silicon dioxide (oxinitride) is inhomogenous with a nitrogen-rich surface layer and a pile-up of nitrogen at the interface oxinitride/silicon. This pile-up was observed for a 30 secondes nitridation of a 450 A oxide/ that mean a diffusion coefficient of 3. 10-13 cm2/s. The diffusion coefficient decreases rapidly with nitridation time, reach 10-15cm2 /s for 10 minutes. The nitrogen incorporation in the oxide film is accompagned with a de- crease of the oxygen amount. The atomic transport mecanism of oxygen during the nitridation was studied by using isotopique oxides. A model for the nitridation mechanism has been proposed. High frequency (1 MHZ) capacitance-voltage measurements were used in order to determine the flatband voltage and fixed charges in the formed layers. The properties of oxidation-resistance revealed by the layer have been pointed-out

Le but de ce travail est d'aborder l'aspect semi-quantitatif de la recombinaison aux joints de grains dans le silicium, en relation avec leur microstructure. Nous avons pour cela elabore par croissance directionnelle h. E. M. (heat exchange method), en collaboration avec le c. E. C. M. De vitry, des bicristaux de silicium de purete electronique, dotes d'un gradient de concentration en aluminium. Il a ete montre que l'aluminium present en concentration importante dans le semiconducteur, diminue la longueur de diffusion des porteurs minoritaires en se placant sur des sites autres que les sites accepteurs. Precisons tout de meme que l'objectif principal de cette recherche n'est pas tant l'etude du role de l'aluminium dans le silicium, ce sujet ayant fait l'objet de nombreuses etudes, mais plutot, de tenter d'etablir une correspondance, a l'echelle la plus fine possible, entre la microstructure liee a la presence d'une impurete, et l'activite electrique des joints de grains. Nous avons dans ce but entrepris une serie d'observations en microscopie electronique en transmission des joints de grains afin de suivre l'evolution de la microstructure des defauts en relation avec le gradient de concentration en impurete. La microstructure des joints est ensuite correlee a leur comportement electrique au moyen d'une technique d'injection de porteurs sur diodes minces. Cette technique developpee au laboratoire, a permis de montrer avec une resolution spatiale de l'ordre de 100 nm que la recombinaison des porteurs au niveau des joints speciaux dans le silicium, est localisee au niveau des precipites intergranulaires. L'activite electrique des joints de grains est donc essentiellement a caractere extrinseque

Le silicium est très utilisé dans la production de cellules photovoltaïques mais très peu pour les applications sous concentration. Il possède pourtant un fort potentiel sous concentration grâce à son faible coût et la maturité de sa filière industrielle. De plus, il est possible d'avoir recours à la cogénération pour augmenter fortement les rendements énergétiques du système. La concentration et la cogénération impliquent un fonctionnement de la cellule à une température plus élevée que les conditions standards de test des cellules photovoltaïques. Cela engendre le besoin de connaître le comportement thermique et électrique de la cellule en fonction de sa température de fonctionnement. La variation de celle-ci, en conditions réelles, est pourtant souvent ignorée. Pour remédier à cette lacune, nous présentons un modèle électro-thermo-radiatif pour les cellules photovoltaïques en silicium cristallin. Il réalise le couplage de l'ensemble des phénomènes physiques prenant place dans une cellule photovoltaïque sous éclairement. Grâce à de nombreuses analyses effectuées dans le cadre des travaux de cette thèse, l'importance du comportement thermique d'une cellule photovoltaïque pour sa conception est mise en évidence. Entre autres, la variation de la température de la cellule avec sa tension que nous avons confirmé expérimentalement grâce à des mesures de température différentes de 2°C entre le Mpp et le Voc. Un des paramètres majeurs influençant le comportement électrique et thermique d’une cellule photovoltaïque en silicium est la densité de porteurs de charge intrinsèque du silicium, ni. Le développement du modèle électro-thermo-radiatif nous a amené à proposer une nouvelle expression semi-empirique de sa variation en fonction de la température. En complément de ces avancées théoriques, la réalisation de cellules photovoltaïques à contacts arrière interdigités implantées ioniquement (3IBC) a été menée. Nous avons diminué le nombre d'étapes nécessaires à sa réalisation et amélioré sa métallisation grâce à un empilement Si/Ti/Ag permettant d'espérer un gain absolu pour le Jsc de 0.72 mA.cm-2. Un rendement de 14.6% a été obtenu sous 1 soleil avec une cellule 3IBC dont la résistance série est de seulement 0.4 Ω.cm2 ce qui confirme le potentiel des cellules 3IBC pour la concentration linéaire
Silicon is largely used to produce solar cells but not for applications under concentration. Nevertheless, it has a great potential under concentration thanks to its low cost and the maturity of its industry. Moreover, it is possible to cogenerate electric and thermal power in order to increase the energy output. Cogeneration and concentration imply a higher operating temperature than under standard conditions. Thus, it is interesting to understand the thermal and électrical behavior of the cell as a functiton of its temperature. However the variation of the operating temperature is often ignored. In order to change this, we propose an electro-thermo-radiative model for crystalline silicon solar cells. It couples all phenomenon taking place in an illuminated solar cell. Thanks to this thesis, the importance of the thermal behavior is outlined. For example, the temperature variation as a function of the voltage that we confirmed experimentaly thanks to mesures of the cell temperature at Mpp and at Voc. One of the most important parameters in a silicon solar cell is the intrinsic carrier density, ni. The work on the electro-thermo-radiative model led us to propose a new semi-empirical temperature variation of ni. In addition to these theoretical analysis, we realized ionically implanted interdigitated back contacts solar cells (3IBC). Thanks to this work fewer process steps are needed and the improved metallization (Si/Ti/Ag) possibly lead an absolute Jsc gain of 0.72 mA.cm-2. The efficiency of the best 3IBC cell is 14.6% under 1 sun illumination with a particularly low series resistance (0.4 Ω.cm2) which confirm the potential of such cells for linear concentration

Les cellules LGBC (Laser Grooves Buried Contact) ont été inventées et développées par M. GRENN au sein de l'UNSW. Elles présentent des contacts métal/silicium enterrés permettant d'optimiser le contact métal/silicium sans augmenter le taux d'ombrage de la cellule. Dans ce manuscrit nous étudierons toutes les étapes clefs nécessaires à la réalisation de ce type de cellules de façon à les rendre industrialisables. Dans un premier temps nous étudierons la réalisation de tranchées dans le silicium via deux lasers (vert & IR). Les paramètres de ces tranchées seront comparées pour sélectionner les plus adaptées à notre technologie en nous assurant qu'il est possible de réaliser une diffusion thermique dans ces tranchées. Nous développerons ensuite deux techniques pour réaliser des émetteurs sélectifs, par double diffusion et par diffusion à travers une couche de nitrure de silicium. Enfin nous étudierons deux méthodes de dépôt de nickel par voie chimique une électrolytique et un electroless
LGBC (Laser Grooved Buried Contact) solar cells was invented and developed by M.GREEN at UNSW. Grooved contact allow to reach a good serial resistivity without incresing the shadowing of the solar cell. In this report we will study the different step necessarry to build this kind of photovoltaic cells. Fisrt we will see the impact of laser effects on silicon and the different parameters to adapte red and green laser for grooved contct. The we will study to way to create selective emitter, on by two diffusion and the second one by diffusion throught a silicon nitride layer. Then we will develope two nickel metallisation one electrolytique and one electroless

Les phenomenes de diffusion des dopants dans le silicium ont une importance grandissante dans les technologies actuelles et futures. En effet, les budgets thermiques diminuent avec les dimensions des dispositifs, et des phenomenes de diffusion transitoire apparaissent lors de la fabrication de jonctions ultra-courtes p#+/n et n#+/p. Ce memoire traite essentiellement des mecanismes de diffusion, bases sur les reactions entre dopants et defauts ponctuels, lesquels sont les interstitiels (atomes de silicium en site interstitiel) et les lacunes (site substitutionnel vacant). La sursaturation des defauts ponctuels, generee au cours des etapes technologiques (bombardements ioniques, oxydations, nitrurations), gouverne la diffusion transitoire des dopants. Un modele general de diffusion des dopants, incluant l'ensemble des mecanismes entre dopants et defauts ponctuels en non-equilibre, constitue la base de cette etude. Ce modele est presente en detail pour l'arsenic, le phosphore et le bore. Trois applications sur la diffusion du bore et du phosphore sont presentees montrant clairement la contribution des defauts ponctuels a la diffusion transitoire de ces dopants observee experimentalement. L'originalite de ce manuscrit consiste en l'etude des phenomenes de diffusion en fortes concentrations, plus precisement appliquee au bore et dans des conditions de preamorphisation. En effet, le bore presente des phenomenes de diffusion anormaux beaucoup plus marques par rapport aux autres dopants. Trois axes d'etudes constituent le traitement presente dans ce memoire: a) modelisation des conditions initiales pour la simulation en terme de concentrations des defauts ponctuels et activation du profil de dopage implante, b) modelisation des effets des boucles de dislocations generees par les etapes d'amorphisation, ces dislocations jouent le role de puit pour les interstitiels, et c) modelisation de la precipitation du bore, par le phenomene de nucleation derive pour la premiere fois dans un modele general de diffusion.

Les performances électriques des cellules photovoltaïques à base de silicium sont fortement dégradées lorsque leur température augmente. Cette problématique, pourtant bien connue, n’est pas suffisamment prise en considération dans l’industrie du photovoltaïque. Pour parer à cette dégradation, deux voies d’améliorations peuvent être explorées : diminuer la température de fonctionnement des cellules ou réduire leurs coefficients de dégradation en température. Cette étude est d’autant plus importante pour les applications sous concentrations, un éclairement élevé favorisant l’échauffement des cellules. Pour les facteurs de concentration élevés, l’utilisation de systèmes de refroidissement actifs réduit drastiquement la température de fonctionnement. Pour les faibles éclairements, le refroidissement passif est préféré, bien moins coûteux en énergie. Ce travail de thèse est focalisé sur l’étude du comportement thermo-électrique des cellules sous faible concentration du rayonnement incident. Un banc de caractérisation innovant développé dans cette thèse a rendu possible la quantification des variations de la température de la cellule avec la tension de polarisation sous différents facteurs de concentration. Avec l’augmentation de la polarisation, une évolution du facteur d’émission thermique est observée du fait des variations de la concentration de porteurs de charge minoritaires. Le refroidissement radiatif est minimal au courant de court-circuit et est maximal à la tension de circuit ouvert : la température atteinte au point de court-circuit est supérieure à celle atteinte en circuit ouvert. Pour une cellule donnée, sous un éclairement de 3 soleils, un écart de température de 6.2 °C a pu être mesuré entre ces deux points. La fabrication de cellules avec des propriétés différentes nous a permis de confirmer l’importance du dopage de la base et de l’architecture sur l’augmentation du refroidissement radiatif avec la polarisation. De plus, la comparaison du comportement thermo-électrique des cellules de type de dopages différents a mis en avant de plus faibles coefficients de dégradation en température de la tension en circuit ouvert pour les cellules ayant un substrat de type n. Par exemple, pour une température de et sous un éclairement de 1 soleil, un coefficient de dégradation en température du Voc de −0.45% %·°C-1 a été mesuré sur une cellule de type n contre −0.49%·°C-1 pour une cellule de type p
The electrical performances of silicon based solar cells strongly degrade when increasing their temperature. However, such a well-known issue is too scarcely considered in the phovoltaic industry. To prevent the degradation of silicon based solar cells, two ways of improvement can be explored : one can either decrease the cells’ functionning temperature or either reduce the temperature degradation coefficient. As light intensity tends to favor cell heating, the study is even more important under concentrated sunlight. Regarding high light intensities, active cooling systems can be used to drastically reduce the cell temperature. For low light intensities, passive cooling systems, such as radiative cooling, are more energetically savy. The thesis aims at studying the electro-thermal behavior of cells under low light intensities. An innovative experimental set-up has been developped during this thesis to quantify the variation of the cell temperature with the applied bias voltage. When increasing the bias, an evolution of the cell emissivity is observed because of a variation of the minorities carrier concentration. The radiative cooling is at its lowest at the short circuit current and peaks its highest value at the open circuit voltage : as a result, the reached temperature is higher at the short circuit current than at the open circuit voltage. For a given solar cell, under 3 suns, a temperature shift of 6.2 °C was measured between these two points. The control of the fabrication process gives the opportunity to analyse the influence of the base doping and cell architecture on the evolution of the radiative cooling with the applied bias. Furthermore, the comparison between the electro-thermal behaviors of solar cells, which are related to their type of doping, has shown a lower thermal degradation coefficient of the open circuit voltage for n-type based dope solar cells. For example, at 60°C and under 1 sun, we measured a thermal degradation coefficient BVoc = −0.45% %·°C-1 for a n type solar cell whereas the p type solar cell recorded BVoc = −0.49% %·°C-1

La faible exploitation de l'irradiation inter-rangée limite la production des modules photovoltaïques (PV). Le projet "Aleph" explore l'intérêt d'ajouter des réflecteurs plans entre les rangées pour augmenter la production, et dégage des règles claires permettant l'optimisation géométrique de l'ensemble. Ce travail présente une modélisation multiphysique du système, des simulations numériques de son comportement, et la comparaison avec des données expérimentales. Deux technologies de module PV sont considérées : silicium amorphe (a-Si) et silicium polycristallin (p-Si). Les mesures montrent des gains énergétiques importants grâce aux réflecteurs. Les gains sont plus importants pour les modules a-Si que p-Si. La modélisation associe un modèle optique de lancers de rayons par méthode Monté-Carlo sous EDStaR, un modèle photoélectrique sous SPICE, et un modèle thermique empirique. Le modèle complet est calibré avec des données expérimentales en utilisant un algorithme évolutif. Une fois calibré, le modèle démontre une bonne performance en simulant la puissance générée par les modules en fonction des données atmosphériques et radiatives
The poor utilisation of the inter-row irradiation limits the production of photovoltaic (PV) modules. The "Aleph" project explores the potential of adding inter-row planar reflectors to increase the system yield, and defines clear rules for optimal settings of such systems in a given location and under a given climate. This work presents a multiphysics model of the system, numerical simulations of its behaviour, and the comparison with experimental data. Two PV module technologies are tested: amorphous silicon (a-Si) and polycrystalline silicon (p-Si). The experimental data show significant gains in produced energy brought by the reflectors. The gains are higher for a-Si modules compared to p-Si. The modelling work combines a Monte-Carlo ray-tracing optical model (EDStaR), a photo-electric model (SPICE), and an empirical thermal model. The complete model is calibrated with measurements using an evolutionary algorithm. Once calibrated, the model demonstrates good performance in predicting the module power output as a function of atmospheric and irradiance data

Le sujet d’étude de cette thèse porte sur la recherche et le développement d’une couche antireflet (ARC) qu’il serait possible de déposer sur des surfaces à structure particulière (non plane). Plus spécifiquement, il s’agit de surfaces d’éléments optiques utilisés dans des systèmes de concentrateurs photovoltaïques (CPV). Ce projet de recherche a été initié par la compagnie Opsun Technologies Inc. suite à un constat de phénomène de réflexion introduite à l’ajout d’éléments optiques hautement focalisant dans leur système de CPV (que l’on va appeler HCPV par la suite). En effet, pour concentrer le rayonnement solaire sur une cellule photovoltaïque (PV), il est nécessaire d’ajouter une lentille focalisant le rayonnement (lentille de Fresnel). De plus, afin de se garantir une réception de tout le rayonnement nécessaire à la cellule PV, une composante de type guide d’onde est ajoutée. A la fois pour l’homogénéisation du rayonnement incident sur la cellule, mais surtout (dans le cas d’Opsun) pour avoir un angle d’acceptance (du rayonnement focalisé) plus large (±3.2° au lieu des ±0,5° à ±1° usuels). Ainsi, le phénomène de réflexion qui se produit à la surface de cet élément optique, lui enlève toute propriété pour laquelle il a été prévu. Le but du projet consiste alors en l’élimination de ces réflexions en utilisant une méthode de production et de déposition d’ARC, qui soit industrialisable. Dans un premier temps, différents moyens de production et de déposition d’ARC déjà existant ont été investigués. Toujours gardant en tête qu’ils doivent pouvoir être appliqués sur des surfaces particulières tout en restant industrialisables par la suite. Nos études nous ont montrées que ces méthodes classiques ne remplissent pas la condition exigée. Il a alors été décidé de rechercher des moyens de production d’ARC basées sur l’utilisation de nanostructures (NS) ou encore des couches à base de nanoparticules (NP). Dans un deuxième temps, une ARC composée de NS (fournit par l’institut Fraunhofer) a été étudiée en condition de laboratoire afin de connaître ses propriétés optiques (transmission, réflexion, diffusion). Ceci fait, la NS a été introduite dans le système HCPV et des mesures de rendement électrique ont alors été réalisées en temps réel. La NS a bien démontré une diminution de la réflexion sur l’ensemble de la longueur d’onde que nous visions (380-1500nm) qui a augmenté de 91,6% (sans AR) à 98,7% , ce qui s’est également traduit en une augmentation du rendement du système HCPV qui étaient de 5%. La NS reste néanmoins encore une méthode de laboratoire et demande beaucoup de conditions particulières afin d’être produite sur les surfaces que nous avons, augmentant considérablement son coût de production (voir en Annexe 8.1). Il a alors été décidé d’investiguer des ARC à base de NP, qui démontrent une meilleure satisfaction des exigences mentionnées précédemment. Ainsi, une troisième étape a consisté en la production et l’utilisation de NP de silice afin de produire des couches AR. En effet, une méthode bien connue de production de particules de silice a été utilisée pour l’obtention des NP, qu’est la méthode sol-gel. Par la suite, la suspension de NP produite a été déposée sur des surfaces de verre et de PMMA en utilisant une méthode de revêtement par immersion (angl. : dip coating (DC)) et leurs propriétés optiques ont été étudiées. Dans le cas présent, nous avons constaté que selon l’épaisseur d’ARC, nous avons une réflexion qui a été diminuée sur l’ensemble de la bande de longueur d’onde observé (380-1500nm). Il est à noter que, bien que l’on ait une certaine diminution sur la bande mentionnée, l’on observe une diminution maximale de la réflexion plus remarquable sur une bande de longueur d’onde spécifique. De plus, si l’on augmente l’épaisseur de l’ARC, il y a un décalage de cette diminution maximale vers les grandes longueurs d’onde. Si nous comparons les bandes de longueurs d’onde où la diminution est maximale (principalement dans le visible, entre 400nm et 800nm), nous pouvons constater que celle-ci augmente de 92,1% (sans AR) jusqu’à 99,2% suivant les épaisseurs d’ARC. Ces couches AR ont ensuite été ajoutés dans le système HCPV. Il a été observé que le rendement des HCPV ne suit pas une augmentation graduelle suivant l’augmentation de l’épaisseur de l’ARC, contrairement à ce qui été attendu. En effet, il atteint un maximum pour une épaisseur particulière (dans ce cas-ci environ 130nm (ARC4 dans Chapitre 3)) avant de diminuer à nouveau. La valeur du rendement maximal mesuré est comparable à ce qui était obtenu précédemment en utilisant les ARC à base de NS (5%). La variation des valeurs de rendement en fonction de l’épaisseur est due aux propriétés des cellules PV (multijonctions (MJ)) qui sont utilisées dans les HCPV (voir Chapitre 3 pour l’explication). Ainsi, dépendamment de l’ARC que nous pouvons produire et de la cellule MJ choisie, il sera possible d’optimiser le rendement des systèmes HCPV, selon leurs conditions d’utilisations. Pour finaliser ce projet, des tests environnementaux (accélérés) ont également été réalisés sur les ARC dans le but de connaître leur résistance mécanique, environnementale (température) ainsi qu’aux rayonnements UV, pour la même période de garantie du HCPV. Les résultats obtenus démontraient une diminution de l’efficacité de l’ARC de l’ordre de 3% en fin de test environnemental et une diminution de 1,5% pour les tests UV sur les petites longueurs d’onde (< 500nm). Ce qui reste bien inférieur aux pertes de rendement de systèmes CPV prévus par les tests standards, qui est de 20% en 25ans.
The subject of this thesis is to focus on the research and development of an antireflective coating (ARC) to coat surfaces with specific structuration (not plane). The surfaces in question are those of optical components used in high concentrating photovoltaic (HCPV) systems. This project has been initiated by Opsun Technologies Inc. after they were experiencing reflection phenomena when the concentrating optical components were added in the system. Indeed, to concentrate light on a photovoltaic (PV) cell, it is essential to use a lens (Fresnel lens). Furthermore, to ensure reception of all the incident wavelengths, a second optical component is added in the HCPV system. It can be assimilated to a waveguide, which is aimed to homogenize the rays. More importantly, it has the property to increase the angular aperture of the received light (±3.2° instead of the usual ±0,5° à ±1°). Thus, adding this second optical component, added a reflection phenomenon due to the extra interface, preventing the component to be used for its initial property. The aim of this project is thus to produce an ARC and coat these surfaces with a specific method, the whole processes must be industrializable at the same time. Hence, a first step was aimed to investigate different existing ARC production and coating methods that can correspond to our required properties. Classical ARC production methods have quickly been considered as non-eligible, therefore new methods have been explored such as nanostructured (NS) ARC or coatings based on nanoparticles (NP). In a second part of the work, a NS (kindly provided by the Fraunhofer institute), was studied in laboratory conditions, to know its optical properties (transmission, reflection, scattering). Afterwards, it was introduced in the HCPV system to get real-time studies of the electrical performance. The NS did show an increase in the optical transmission, on the whole wavelength ranges we are interested in (350-1500nm), which increased from 91,6% (without AR) up to 98,7% , which resulted in a direct increase of the electrical performance of the HCPV that was about 5%. Anyways, the NS is still a method developed and used on a laboratory level and requires a lot of specific production conditions, increasing its final coast (see Appendix 8.1). Thus, it was decided that coatings based on NP needed also to be investigated. A third step of this work was then to produce ARC based on silica NP using a well-known production method, which is the sol-gel process. The obtained NP were then deposed by a homemade dip coating (DC) method on glass and PMMA slides and their optical properties were studied (on a wavelength band varying from 380 to 1500nm). In this case, we also noticed an increase in the transmission, which was totally dependent on the ARC thicknesses. Indeed, a shift of the maximum transmission towards higher wavelengths was observed when the ARC thickness increased. It is important to mention that, even though a certain transmission increase on the considered wavelengths was obtained, a maximum increase on a specific wavelength (in the visible wavelengths, from 400nm to 800nm) band was observed for each ARC (or thickness). Those maximum transmissions of the different ARC, when compared, showed an increase from 92,1% (without AR) up to 99,2% depending on the ARC thickness. When the ARC were added in the HCPV system, the response of the electrical performance did not increase gradually, depending of the increase of the coating thickness, which was our expectation. Instead, it reached a maximum for a specific thickness (around 130nm (ARC4 in Chapitre 3)), before it decreased when higher thicknesses were used. The maximum electrical output value obtained has been found to be comparable to the results obtained using the NS (5%). This phenomenon can be explained by the specific properties of the PV cells (multijunction (MJ), see Chapitre 3 for the explanation). Thus, for a specific PV cell a specific ARC can be produced to optimize the electrical yield of the HCPV system, depending on the conditions they are used in. An ultimate step consisted in the environmental testing (accelerated tests) of our obtained ARC, to have information about their resistance in terms of mechanical deterioration, temperature and UV variation, for the same lifetime warranty of CPV systems. The results obtained showed a decrease of the ARC efficiency that was about 3% at the end of the temperature tests and a 1,5% variation of the transmission was observed after the UV tests for small wavelengths (< 500nm). This is relatively low compared to the warranty of CPV system efficiencies that are expected to decrease about 20% in 25 year lifetime.

Le procédé de purification par plasma, étudié dans ce travail, peut efficacementenlever le bore du silicium. En combinaison avec d’autres procédés on peut ainsipurifier du silicium pour des cellules solaires à bas coûts. Cependant, la chimie à lasurface du silicium est encore mal comprise. Pour une meilleure compréhension duprocédé nous effectuons des mesures paramétriques de vitesse de purification, nouscalculons l’équilibre chimique et nous mesurons la température et la concentrationdes radicaux dans le plasma, utilisant la spectroscopie d’émission.La comparaison entre des vitesses de purification de la littérature et desconcentrations à l’équilibre chimique calculé montre que les réactions chimiques à lasurface du silicium sont probablement en équilibre. Cependant, le rapport entre lebore et le silicium dans les gaz en sortie du réacteur est plus élevé que prédit par lescalculs de l’équilibre chimique. Ceci est probablement dû à la formation d’un aérosolde silice dans la couche limite réactive. Les résultats des mesures paramétriques dela vitesse de purification sont en accord avec cette théorie.Plusieurs expériences de validation montrent que la spectroscopie d’émission peutêtre utilisé pour mesurer la température et les rapports de concentration O/Ar et H/Ardans le plasma. Les résultats des mesures spectroscopiques ont aidé à améliorer defaçon significative un modèle numérique. Les résultats ont montré que l’hydrogènediffuse fortement dans le plasma tandis que l’oxygène diffuse beaucoup mo
The plasma refining process studied in this work can efficiently remove boron fromsilicon. In combination with other processes one can purify silicon for solar cells atlow costs. The hot gases from the thermal plasma torch are blown onto the surface ofa silicon melt. However the chemistry at the silicon surface is so far poorlyunderstood. For a better understanding of the process we do parametricmeasurements of the boron removal rate, we calculate the chemical equilibriumconcentrations and we measure the temperature and radical concentrations in theplasma, using emission spectroscopy.The comparison of boron removal rates from literature to calculated chemicalequilibrium concentrations shows that the chemical reactions at the silicon surfaceare probably at chemical equilibrium. However, the boron to silicon ratio in theexhaust gases is higher than predicted by the chemical equilibrium calculations. Thisis probably due to the formation of a silica aerosol in the reactive boundary layer. Theresults of the parametric measurements of the boron removal rate agree also withthis theory.Several validation experiments showed that emission spectroscopy with Abelinversion can be used to measure the temperature and the concentration ratios O/Arand H/Ar in the plasma. The spectroscopic results helped to improve significantly anumerical mode. The results also showed that hydrogen diffuses strongly in theplasma while oxygen diffuses much less

Ce travail porte sur les proprietes physiques des melanges silice/polydimethylsiloxane (pdms). L'originalite de ces systemes est l'adsorption des chaines polymeres a la surface de la silice par la formation de liaison hydrogene entre le groupement hydroxyl de la silice et l'atome d'oxygene de la chaine pdms. Apres le malaxage, un long processus d'adsorption commence jusqu'a ce que tout les sites hydroxyl soient occupes par les chaines polymeres. Une approche par la percolation ou les agregats de silice sont connectes entre eux par les chaines polymeres, est proposee pour decrire les lois d'adsorption. Par cette approche, nous avons obtenu des courbes maitresses qui permettent de prevoir la quantite de polymere adsorbe a l'etat initial (apres le malaxage) et a l'etat d'equilibre (saturation des sites silanol). Cette quantite depend des parametres initiaux du melange (masse moleculaire, concentration et surface specifique de la silice). Cette approche a ete egalement utilisee pour decrire les proprietes de gonflement pendant la cinetique de saturation, les resultats experimentaux sont en bon accord avec le modele. De plus, le reseau de percolation a montre l'existence d'une concentration de silice specifique. Cette concentration delimite deux domaines ou la structure du melange est differente (sol ou gel) et par consequent, les comportements viscoelastiques sont differents. Les mesures dynamiques ont determine cette concentration specifique. Les courbes maitresses de viscoelasticite que nous avons obtenues pour plusieurs concentrations de silice, ont mis en evidence le role de la couche de polymere adsorbe et aussi le role des agregats de silice sur les proprietes viscoelastiques (comme sur les proprietes de gonflement). A partir de ces courbes, nous avons identifie les comportements sol des comportements gel de ces melanges

Un dispositif expérimental a été élaboré pour maintenir constante, tout au long de l'hydratation du silicate tricalcique (C3s) en suspension diluée, la concentration en hydroxyde de calcium de la solution. Dans le domaine de concentration en hydroxyde de calcium de la solution étudiée, entre 6 et 36 mmol/l, les courbes d'avancement traduisent toutes une période de nucléation de l'hydrosilicate de calcium (c-s-h), une période de croissance individuelle des germes de c-s-h à la surface du c#3s (période accélérée) et une période d'épaississement de la couche de c-s-h recouvrant le c#3s (période décélérée). La cinétique de l'hydratation dépend essentiellement du nombre de germes initiaux de c-s-h précipites à partir des ions accumules en solution pendant la période de dissolution pure du c#3s et du mode de croissance des c-s-h. Il a été mis en évidence la formation, a partir du c#3s, de deux c-s-h de stœchiométrie et de structure différentes. L’un précipite pour 0