Soutenance de thèse : Louise CARTON

Comportement mécanique des tranches fines de silicium pour applications photovoltaïques : influence de la qualité du matériau et de sa découpe en tranches / Mechanical properties of thin silicon wafers for photovoltaic applications: influence of material quality and sawing process

Doctorante : Louise CARTON

Laboratoire INSA : LaMCoS

Ecole doctorale :  ED162 : Mécanique, Énergétique, Génie Civil, Acoustique (MEGA)

Le wafer de silicium cristallin est le composant clé de la cellule solaire et représente une part significative du prix du module photovoltaïque. La réduction de l’épaisseur des wafers offre donc une voie privilégiée pour diminuer les coûts de production de l’énergie solaire. Le maintien de faibles taux de casse lors de la manipulation de ces fines plaquettes reste cependant un obstacle majeur. Dans ce contexte, il est primordial d’améliorer notre compréhension des mécanismes de fragilisation et de rupture des wafers.
Ce travail étudie les propriétés mécaniques des wafers de silicium obtenus par découpe au fil diamanté. Nous avons développé une méthodologie de caractérisation mécanique adaptée à l’extrême fragilité de ces échantillons, en combinant des essais de rupture en flexion 4-lignes, biaxiale ainsi que des sollicitations dynamiques par chocs. En parallèle, des simulations par la méthode des éléments finis ont été implémentées afin de mieux comprendre les phénomènes en jeu.
Des essais réalisés sur des échantillons bruts de découpe, attaqués chimiquement et recuits thermiquement ont révélé que l’endommagement le plus critique pour la défaillance mécanique se situe dans une couche de faible épaisseur (< 3 µm) sous la surface, dont les propriétés sont contrôlées par l’étape de découpe. Au travers d’une vaste campagne de caractérisation sur des wafers de différentes épaisseurs (de 180 à 100 µm), nous avons montré que l’amincissement des plaquettes permet un gain de flexibilité sans diminution de la résistance mécanique intrinsèque, mais qui s’accompagne d’un risque plus élevé de rupture suite à un impact sur la tranche. Enfin, nous avons mis en évidence que les défauts structurels dans le silicium multicristallin et mono-like sont indirectement responsables de la diminution de la résistance à rupture des wafers : la difficulté accrue du fil à traverser ces défauts se traduit par des microfissures plus profondes.