Stage-CEA-SMCP-2016

Proposition de stage SMCP/LMPS N°1
Domaine de recherche (cocher 4 cases maximum) :
Physique
Santé
Mécanique
Sciences de la terre
Instrumentation
Electronique
Chimie
Biologie
Robotique
Optique, Optronique
Micro-électronique
Informatique scientifique
Mathématiques
Micro-systèmes
Informatique
Simulation
Statistiques
Formation requise
Master 2 ou 3ème année ingénieur
Date de début souhaitée : février 2016
Sciences & Technologies des matériaux
Métrologie, Mesure Contrôle
Autre (préciser) :
Génie des Procédés
Durée du stage
6 mois
Possibilité thèse
Non
Intitulé : Caractérisation des contraintes résiduelles par photoélasticité IR des tranches de
silicium pour les applications photovoltaïques
Cadre du stage :
Le Laboratoire Matériau et Procédés Silicium (CEA-LITEN/LMPS) est spécialisé dans l'élaboration de substrats
innovants pour les applications solaires. Depuis plusieurs années il s'est consacré à la mise au point de procédés de
croissance et de conditionnement de silicium cristallin adaptés à la réalisation de substrats pour le solaire avec pour
objectif d'en réduire le coût de fabrication. Dans ce domaine, le laboratoire s'est en particulier engagé dans le
développement de nouveaux procédés de découpe en tranches, des briques de silicium obtenues par cristallisation. En
particulier, le LMPS a mis un effort particulier sur le développement de la découpe à fil diamanté qui apporte un gain de
productivité important par rapport aux technologies classiques de découpe avec une suspension abrasive. Néanmoins,
suivant la technologie mise en œuvre lors de la cristallisation ou lors de la découpe, des défauts tels que joints de grains,
précipités, dislocations et contraintes résiduelles, sont présents dans les tranches de silicium obtenues. Plus
spécifiquement, les contraintes résiduelles ont un fort impact sur la fragilité des tranches vis à vis de leur manutention
lors des étapes technologiques de réalisation des cellules solaires et vis à vis des variations de conditions
météorologiques lors du fonctionnement "outdoor" des modules. La caractérisation de ces contraintes résiduelles à
l'échelle de la tranche est un élément clef de la maîtrise de ces contraintes et de la mise en place de moyens pour les
réduire. En collaboration avec l'Institut PPrime de Poitiers, un banc de caractérisation par photoelasticité IR sur tranche
de dimension standard a été mis en place, testé et validé (F. Jagailloux et al., Strain, soumis10/2015).
Travail demandé :
L'objectif de ce stage est d'appliquer la méthodologie de mesure des contraintes résiduelles basée sur l'utilisation de
ce banc à l'étude du comportement mécanique de différents types de matériau silicium (multicristallin et monocristallin)
après découpe en tranches. Les différentes étapes du stage seront les suivantes : (1) Étude bibliographique et prise en
main du banc de photoélasticimétrie ; (2) Caractérisation par photoélasticimétrie des tranches de silicium de différentes
orientations cristallines pour en évaluer l'impact sur l'extraction des contraintes résiduelles des mesures réalisées; (3)
Application à l'analyse de tranches de silicium de différentes qualités cristallines, différentes contamination résiduelles
et différents états de surface de façon à constituer une cartographie des potentialités de la technique ; (4) Corréler les
résultats obtenus avec le comportement mécanique des tranches de silicium évalué par flexion 4 points.
Pour mener à bien les travaux, le stagiaire devra faire preuve de sens pratique, de rigueur et d’analyse. Le stagiaire
devra également présenter de bonnes connaissances en optique pour mener à bien ces études sur la photoélasticité.
Compétences souhaitées :
Optique, science des matériaux, métrologie.
Unité d’accueil
Direction/Département/Service/Laboratoire
Adresse postale
DRT/DTS/LMPS
INES – CEA, 50 avenue du lac Léman
Savoie Technolac, 73370 Le Bourget-du-Lac
Responsables techniques
Amal CHABLI
Roland RIVA
[email protected]
[email protected]
04 79 79 23 58
04 79 79 20 83
Proposition de stage SMCP/LMPS N°2
Domaine de recherche (cocher 4 cases maximum) :
Physique
Santé
Mécanique
Sciences de la terre
Instrumentation
Electronique
Chimie
Biologie
Robotique
Optique, Optronique
Micro-électronique
Informatique scientifique
Mathématiques
Micro-systèmes
Informatique
Simulation
Statistiques
Formation requise
Master 2 ou 3ème année ingénieur
Date de début souhaitée : février 2016
Sciences & Technologies des matériaux
Métrologie, Mesure Contrôle
Autre (préciser) :
Thermique
Mécanique des Fluides
Durée du stage
6 mois
Possibilité thèse
Non
Intitulé : Modélisation 3D et caractérisation d’un extracteur de chaleur pour four de
solidification de silicium
Cadre du stage :
Dans le cadre de ses activités le SMCP (Service des Matériaux et Cellules Photovoltaïques) travaille, entre autre, sur
la purification et la cristallisation du silicium pour applications photovoltaïques. Ces étapes, essentielles dans le procédé
de fabrication de lingots de silicium se font à l’aide de fours spécifiques où la thermique joue un rôle majeur. La
modélisation numérique apporte un soutien notable dans le développement de nouveaux composants et l’amélioration
du fonctionnement de ces fours. Aujourd’hui les modèles numériques développés au SMCP apportent des réponses au
niveau de la thermique globale des fours et des écoulements engendrés dans le bain de silicium en phase de fusion et de
cristallisation.
Travail demandé :
L’objectif du stage consiste à modéliser numériquement en 3D le fonctionnement d’un extracteur de chaleur mobile
présent dans les fours de cristallisation pour en extraire une loi comportementale. Ce composant a un rôle clé dans
l’étape de cristallisation, il permet notamment de contrôler le gradient thermique imposé au silicium et a un impact
direct sur la qualité cristalline des lingots de silicium produits.
Un travail préliminaire a déjà été réalisé en 2D afin de valider la faisabilité et la méthodologie proposée. Il s’agit
donc maintenant d’appliquer cette méthodologie au cas 3D et d’exploiter la loi comportementale extraite dans une
simulation complète d’un four.
Les différentes étapes du stage s’organiseront de la façon suivante :
1. Appréhender les travaux précédents et notamment la méthodologie mise en place.
2. A partir de la géométrie réelle, développer un modèle thermique 3D de l’extracteur de chaleur sous ANSYS
Fluent et en extraire une loi comportementale.
3. Implémenter et utiliser cette loi comportementale dans un modèle 3D complet du four (modèle existant à
mettre à jour en fonction des besoins de cette étude).
4. Confronter les résultats numériques aux données thermiques expérimentales du four dans l’optique de valider
la méthodologie globale utilisée.
Pour mener à bien les travaux, le stagiaire devra faire preuve de motivation, d’autonomie et de capacités d’analyse.
Le stagiaire devra également présenter de bonnes connaissances pluridisciplinaires en mécanique des fluides, en
modélisation et en expérimentation.
Compétences souhaitées :
Thermique, mécaniques des fluides, informatique scientifique et simulation.
Unité d’accueil :
Direction/Département/Service/Laboratoire
Adresse postale
DRT/DTS/SMCP/LMPS
INES – CEA, 50 avenue du lac Léman
Savoie Technolac, 73370 Le Bourget-du-Lac
Responsables techniques :
David PELLETIER
Marc CHATELAIN
[email protected]
[email protected]
04 79 79 20 61
04 79 79 23 43
Proposition de stage SMCP/LCIPV N°1
Domaine de recherche (cocher 4 cases maximum) :
Physique
Santé
Mécanique
Sciences de la terre
Instrumentation
Electronique
Chimie
Biologie
Robotique
Optique, Optronique
Micro-électronique
Informatique scientifique
Mathématiques
Micro-systèmes
Informatique
Simulation
Statistiques
Formation requise
Master 2 ou 3ème année ingénieur
Date de début souhaitée : février 2016
Sciences & Technologies des matériaux
Métrologie, Mesure Contrôle
Autre (préciser) :
Thermique
Mécanique des Fluides
Durée du stage
6 mois
Possibilité thèse
Oui
Intitulé : Développement de revêtements anti-adhérents innovants pour la cristallisation de
lingots de silicium photovoltaïque
Cadre du stage :
Les cellules solaires photovoltaïques sont en grande majorité constituées de plaquettes de silicium découpées dans
des lingots multi-cristallins élaborés par solidification dirigée dans un creuset en silice frittée. Le creuset est
préalablement revêtu d’un dépôt anti-adhérent, par pulvérisation d’une barbotine constituée d’une poudre de nitrure de
silicium (Si3N4), d’eau et d’un liant organique (alcool polyvinylique). Le creuset revêtu est ensuite recuit sous air à
haute température pour éliminer le liant et oxyder le Si3N4. Les fonctions du revêtement poreux ainsi obtenu sont
doubles : (i) grâce à sa faible cohésion, assurer la rupture à l’interface creuset/lingot lors du refroidissement, et (ii)
constituer une barrière à l’infiltration du silicium liquide. Cette dernière propriété est assurée par la présence d’une
couche de SiO2 autour des grains de Si3N4, la silice étant mal mouillée par Si liquide.
L’objectif du travail proposé est de s’affranchir du traitement thermique appliqué au creuset après dépôt du
revêtement, afin de limiter le nombre d’étapes dans la fabrication du silicium, et également d’éliminer la pollution en
éléments métalliques engendrée par les fours de recuit. Pour ce faire, on visera à supprimer la présence du liant
organique et à optimiser la composition initiale du revêtement en remplaçant Si 3N4 par un oxynitrure SiNxOy.
Travail demandé :
Le travail portera sur le développement et la caractérisation chimique et structurale de nouvelles compositions de
revêtement, ainsi que sur l’optimisation des méthodes de dépôt par pulvérisation. Les propriétés anti-mouillantes et antiadhérentes seront étudiées en fonction de la teneur en oxygène dans le revêtement à l’aide d’expériences de goutte
posée permettant de caractériser le mouillage et l’infiltration du silicium dans le revêtement. Le résultat de ces études
sera appliqué à la cristallisation de lingots de taille semi-industrielle (15 et 60 kg). La distribution en oxygène dans les
lingots, paramètre important pour les propriétés électriques du Si PV, sera caractérisée par Spectroscopie Infra-Rouge à
Transformée de Fourier (FTIR, et micro-FTIR) et corrélée à la teneur en O du revêtement.
Le/La candidat(e) aura le goût des sciences expérimentales et fera preuve de créativité. Enfin, il/elle devra montrer des
aptitudes au travail en équipe, à la communication avec les différents acteurs impliqués dans ce sujet.
Compétences souhaitées :
Chimie des matériaux, Chimie des émulsions, métallurgie
Unité d’accueil :
Direction/Département/Service/Laboratoire
Adresse postale
DRT/DTS/SMCP/LCIPV
INES – CEA, 50 avenue du lac Léman
Savoie Technolac, 73370 Le Bourget-du-Lac
Responsables techniques :
Béatrice DREVET [email protected] 04 79 79 20 28
Virginie BRIZÉ
[email protected]
04 79 79 20 51
Proposition de stage SMCP/LCIPV N°2
Domaine de recherche (cocher 4 cases maximum) :
Physique
Santé
Mécanique
Sciences de la terre
Instrumentation
Electronique
Chimie
Biologie
Robotique
Optique, Optronique
Micro-électronique
Informatique scientifique
Mathématiques
Micro-systèmes
Informatique
Simulation
Statistiques
Formation requise
Master 2 ou 3ème année ingénieur
Date de début souhaitée : février 2016
Sciences & Technologies des matériaux
Métrologie, Mesure Contrôle
Autre (préciser) :
Thermique
Mécanique des Fluides
Durée du stage
6 mois
Possibilité thèse
Oui
Intitulé : Développement de la technique de spectroscopie d’effet Hall pour le diagnostic de
défauts dans le silicium photovoltaïque monocristallin
Cadre du stage :
L’énergie photovoltaïque (PV) représente une alternative pérenne aux techniques de production d’électricité basées sur
des ressources non renouvelables et associées à des émissions majeures de gaz à effet de serre. Aujourd’hui, la grande
majorité des cellules PV est obtenue à partir de substrats de silicium cristallin.
Le substrat constitue une zone clé de la cellule PV. En effet, c’est dans cette région que les porteurs de charge
minoritaires sont photo-générés et se déplacent pour atteindre les zones de contacts. Les propriétés électriques du
silicium (Si) sont directement reliées à la qualité de ce substrat. Pour atteindre des hauts rendements de conversion on
privilégie du silicium monocristallin, qui présente moins de défauts structuraux. Néanmoins même dans ce matériau de
bonne qualité structurale, des impuretés limitent encore les propriétés électriques (dopants, impuretés métalliques
résiduelles, éléments légers,…). Il est donc crucial d’identifier et quantifier les défauts présents dans ce matériau pour
améliorer les performances des cellules PV.
Le Laboratoire des Concepts Innovants pour le Photovoltaïque (LCIPV) propose de développer une méthode originale
et innovante de diagnostic des défauts dans le Si PV basée sur la technique de spectroscopie d’effet Hall. Cette
technique consiste à faire varier la position du niveau de Fermi au sein au sein de la bande interdite du Si en imposant
une variation de température. Les concentrations en porteur de charge sont extraites à chaque température grâce à un
banc d’effet Hall. La spectroscopie d’effet Hall pourrait ainsi permettre d’identifier et quantifier différents défauts
incorporés au matériau à la fois lors de l’étape de cristallisation du silicium et lors de certaines étapes du procédé de
fabrication des cellules. Le développement de cet outil permettra en outre d’apporter des éléments solides pour mieux
comprendre le lien entre les teneurs en contaminants et le comportement électrique du Si PV.
Travail demandé :
Dans un premier temps, le candidat effectuera une étude bibliographique afin de déterminer les impuretés pouvant être
mises en évidence par cette technique ainsi que les limites physiques ou techniques de la méthode. Le candidat prendra
ensuite en charge la préparation d’échantillons (contamination par différents types d’impuretés et préparation de la
mesure) ainsi que de leur caractérisation à la fois par spectroscopie d’effet Hall et à l’aide d’autres techniques
complémentaires. Enfin, il/elle élaborera un programme automatisant l’extraction et le traitement des informations
acquises (détection de niveaux d’énergies introduits par les défauts, mise en place d’une bibliothèque de défauts,…).
Compétences souhaitées :
Bac + 5, Physique des Matériaux : Semi-conducteur, mesure physique, caractérisation, bases de programmation. Ce
stage requiert un(e) candidat(e) motivé(e), rigoureux(se) et consciencieux(se), qui apprécie le travail expérimental ainsi
que le travail en équipe. Ce travail demandera au/à la candidat(e) de faire appel à son esprit de synthèse et d’analyse.
Egalement, des compétences en programmation seront utiles pour la dernière partie de ce stage.
Unité d’accueil :
Direction/Département/Service/Laboratoire
Adresse postale
DRT/DTS/SMCP/LCIPV
INES – CEA, 50 avenue du lac Léman
Savoie Technolac, 73370 Le Bourget-du-Lac
Responsables techniques :
Aurélie FAUVEAU [email protected]
Elénore LETTY
[email protected]
04 79 79 22 70
04 79 79 20 56