Dynamique des défauts cristallins au cours de la solidification du silicium : problématiques associées à son utilisation pour les cellules solaires photovoltaïques

French version (English version below)

Sujet de thèse

Laboratoire :  IM2NP (Institut Matériaux Microélectronique Nanosciences de Provence), UMR CNRS 7334, Marseille.

Directrice de thèse :  Nathalie Mangelinck-Noël 

Co-encadrant :

Sujet : Dynamique des défauts cristallins au cours de la solidification du silicium : problématiques associées à son utilisation pour les cellules solaires photovoltaïques.

Description du sujet :

Parmi les énergies décarbonées, l’électricité d’origine photovoltaïque (PV) est d’ores et déjà compétitive [1]. Le silicium cristallin (Si) est le matériau de conversion le plus utilisé pour la fabrication des cellules solaires avec une part de plus de 95 % en 2024 [2]. Le Si est également à la base du développement de technologies plus complexes, comme les cellules solaires pérovskites sur Si ou à hétérojonction. Du point de vue des matériaux, des défis restent pourtant à relever tant pour la recherche que pour le développement industriel. Certains demeurent inchangés mais toujours d'actualité, comme l'objectif d'améliorer le rendement photovoltaïque (qualité électrique du matériau), son homogénéité et sa reproductibilité, tout en réduisant ou en maîtrisant les coûts. D'autres découlent de l'évolution des procédés, avec la tendance à utiliser des plaquettes de plus grande taille (problématiques de tenue mécanique), de nouveaux dopants (éléments ajoutés intentionnellement pour créer les cellules solaires). Le secteur doit également répondre à des enjeux environnementaux (réduction de l'empreinte carbone, diminution de la consommation d'énergie, recyclage, etc.) [3]. Enfin, il existe un enjeu pour l'industrie photovoltaïque française et européenne de retrouver sa compétitivité et pour les pays européens de gagner en indépendance.

Quel que soit le procédé de solidification du silicium utilisé dans la chaine de fabrication des cellules solaires PV, la compréhension des mécanismes de formation des défauts cristallins et des contraintes résiduelles pendant l'étape de solidification reste un défi majeur pour améliorer les propriétés électriques du matériau Si. Ce sont des questions fondamentales à l’échelle de défauts de petites dimensions comme les dislocations qui ont pourtant un effet déterminant et délétère sur les propriétés du matériau à l’échelle du lingot [4]. La dynamique des dislocations [5,6] au cours de la solidification et l'interaction des dislocations avec l'interface solide-liquide mais aussi avec les autres défauts cristallins sont donc des questions majeures que le ou la doctorant·e étudiera au cours de sa thèse. D’autres questions clefs émergent avec les évolutions des étapes de fabrication. Par exemple, la demande récente pour des dimensions de plaquettes plus grandes dans les procédés de fabrication du Si monocristallin [7], alors que des champs de contraintes sont induits pendant la solidification, accentue les problématiques de formation de dislocations après la solidification [8] et les problématiques mécaniques notamment pour la manipulation des plaquettes de Si [9].

L'objectif du travail de recherche pendant la thèse sera de contribuer à la compréhension i) des mécanismes de formation des défauts structuraux dans le silicium (dislocations, sous-joints) au cours de la solidification, ii) de la genèse des déformations locales du cristal, iii) des interactions entre défauts, iv) de l’impact des défauts de différents catégories sur les propriétés (électriques, mécaniques…) du matériau.

Pour atteindre ces objectifs, des expériences originales in situ et en temps réel durant la solidification seront menées dans un dispositif unique appelé GaTSBI (Growth at high Temperature observed by X-ray Synchrotron Beam Imaging) développé par l'équipe MCA (Microstructures de Croissance Auto-organisées) de l’IM2NP et mis en œuvre à l'ESRF (European Synchrotron Radiation Facility), un grand équipement européen. L’imagerie X utilisée alors que les échantillons sont solidifiés dans le four de solidification GaTSBI permet d'étudier la forme et la dynamique de l'interface solide-liquide, la formation et le développement des défauts et la déformation du cristal [5, 6, 10] in situ pendant le chauffage des germes, la solidification et le refroidissement. Au cours de la thèse, des expériences complémentaires ex situ à l’échelle microscopique sont prévues par DFXM (Dark Field X-ray Microscopy) également à l’ESRF [11] notamment, pour caractériser les interactions fines entre dislocations et sous-joints et joints de macles. Des techniques complémentaires aux méthodes d’imagerie X seront mises en œuvre dont la caractérisation ex situ de la structure de grains (EBSD - Electron BackScatter Diffraction) au laboratoire MSMP (Laboratoire Mécanique, Surface, Matériaux et Procédés, Aix-en-Provence) et des techniques pour mesurer l’impact de ces défauts sur les propriétés électriques du Si autant que possible.

Le travail de doctorat sera mené à l'IM2NP dans l'équipe MCA du département MATER (Structure et chimie des matériaux).

Mots clés : silicium, photovoltaïque, imagerie X, solidification, dislocations, déformations du cristal.

Références bibliographiques :

[1] Guide « Le solaire photovoltaïque en France », version du 22/10/2025 sur https://solairepv.fr/.

[2] ©Fraunhofer ISE: Photovoltaics Report, updated: 29 May 2025.

[3] Ballif et al., Nature Reviews Materials 7 (2022) 597.

[4] Zhang et al., Solar Energy Materials Solar Cells 193 (2019) 214.

[5] Neves Dias et al., physica status solidi (b) 2100594 (2022) 1-8.

[6] Tsoutsouva et al., Acta Materialia 210 (2021) 116819.

[7] Drikis et al., Journal of Crystal Growth 474 (2017) 8-15.

[8] Jiptner et al., Journal of Crystal Growth 408 (2014) 19-24.

[9] Brun et al., Sol. Materials & Solar cells 93 (2009) 1238.

[10] M. Becker et al., Journal of Applied Crystallography 52(6) (2019) 1312-1320.

[11] Borgi et al., Journal of Applied Crystallography 58 (2025) 813.

English version:

Thesis subject

Laboratory:   IM2NP (Institute Materials Microelectronics Nanosciences of Provence), UMR CNRS 7334, Marseille.

Thesis supervisor:   Nathalie Mangelinck-Noël 

Co-supervisor:

Title of the thesis subject: Dynamics of crystalline defects during silicon solidification: issues associated with its use for photovoltaic solar cells.

Description of the thesis subject:   

Among decarbonized energy sources, photovoltaic (PV) electricity is already competitive [1]. Crystalline silicon (Si) is the most widely used conversion material for manufacturing solar cells, with a share of over 95% projected for 2024 [2]. Si is also the basis for the development of more complex technologies, such as perovskite or heterojunction solar cells. From a materials perspective, however, challenges remain for both research and industrial development. Some remain unchanged but are still relevant, such as the objective of improving photovoltaic efficiency (materials electrical quality), its homogeneity, and its reproducibility, while reducing or controlling costs. Others originate from process evolution, with the trend toward the use of larger wafers (which raises mechanical strength issues) and new dopants (elements intentionally added to create solar cells). The sector must also address environmental challenges (reducing carbon footprint, decreasing energy consumption, recycling, etc.) [3]. Finally, there is a challenge for the French and European photovoltaic industry to regain its competitiveness and for European countries to gain greater independence.

Regardless of the silicon solidification process used in the PV solar cell manufacturing chain, understanding the mechanisms of crystal defect formation and residual stresses during the solidification stage remains a major challenge for improving the electrical properties of the Si material. These are fundamental questions at the scale of small defects such as dislocations, which nevertheless have a decisive and detrimental effect on the materials properties at the ingot scale [4]. The dynamics of dislocations [5,6] during solidification and the interaction of dislocations with the solid-liquid interface, as well as with other crystal defects, are therefore major questions that the PhD student will study during his/her doctorate. Other key questions arise with the evolution of manufacturing steps. For example, the recent demand for larger wafer dimensions in single-crystal Si fabrication processes [7], while stress fields are induced during solidification, exacerbates the problems of dislocation formation after solidification [8] and mechanical issues, particularly for handling Si wafers [9].

The objective of the research work during this thesis will be to contribute to the understanding of i) the mechanisms of structural defect formation in silicon (dislocations, sub-grain boundaries) during solidification, ii) the genesis of local crystal deformations, iii) the interactions between defects, and iv) the impact of different types of defects on the materials properties (electrical, mechanical, etc.).

To achieve these objectives, original in situ and time-resolved experiments during solidification will be conducted in a unique device called GaTSBI (Growth at high Temperature observed by X-ray Synchrotron Beam Imaging), developed by the MCA (Self-Organized Growth Microstructures) team at IM2NP and implemented at the ESRF (European Synchrotron Radiation Facility), a major European facility. X-ray imaging, used while samples are solidifying in the GaTSBI solidification furnace, allows for the study of the shape and dynamics of the solid-liquid interface, the formation and development of defects, and crystal deformation [5, 6, 10] in situ during seed heating, solidification, and cooling. During the PhD, complementary ex situ experiments at the microscopic scale are planned using Dark Field X-ray Microscopy (DFXM), also at the ESRF [11], to characterize the fine interactions between dislocations and sub-grain and twin boundaries. Techniques complementary to X-ray imaging methods will be implemented, including ex situ characterization of grain structure (Electron Backscatter Diffraction - EBSD) at the MSMP laboratory (Mechanics, Surface, Materials and Processes Laboratory, Aix-en-Provence), and techniques to measure the impact of these defects on the electrical properties of silicon as much as possible.

The doctoral work will be conducted at IM2NP in the MCA team of the MATER department (Structure and Chemistry of Materials).

Keywords: silicon, photovoltaics, X-ray imaging, solidification, dislocations, crystal deformations.

References:
[1] Guide « Le solaire photovoltaïque en France », version du 22/10/2025 sur https://solairepv.fr/.

[2] ©Fraunhofer ISE: Photovoltaics Report, updated: 29 May 2025.

[3] Ballif et al., Nature Reviews Materials 7 (2022) 597.

[4] Zhang et al., Solar Energy Materials Solar Cells 193 (2019) 214.

[5] Neves Dias et al., physica status solidi (b) 2100594 (2022) 1-8.

[6] Tsoutsouva et al., Acta Materialia 210 (2021) 116819.

[7] Drikis et al., Journal of Crystal Growth 474 (2017) 8-15.

[8] Jiptner et al., Journal of Crystal Growth 408 (2014) 19-24.

[9] Brun et al., Sol. Materials & Solar cells 93 (2009) 1238.

[10] M. Becker et al., Journal of Applied Crystallography 52(6) (2019) 1312-1320.

[11] Borgi et al., Journal of Applied Crystallography 58 (2025) 813.

French version (English version below)

Unité pluridisciplinaire aux confluents de la physique, de la chimie, des matériaux et de l’électronique, l’IM2NP a pour mission de développer une recherche exploratoire faisant le lien entre aspects fondamentaux et applications dans les domaines des matériaux, de la microélectronique et des nanosciences. Depuis sa création, ses trois objectifs scientifiques clés sont les suivants:

• Développer des études fondamentales sur tout le spectre scientifique de l’unité et favoriser des couplages industriels forts dans les domaines d’expertise du laboratoire ;
• Établir/maintenir des interactions très fortes entre les travaux de recherche menés au laboratoire et les différentes filières d’enseignement portées par les enseignants- chercheurs de l’unité (IUT, licences, masters, écoles d’ingénieurs, formation continue) ;
• Contribuer à être un acteur majeur de la recherche universitaire de haut niveau en microélectronique et en nanosciences, qui soit le pendant de l'activité industrielle dans ce domaine en Région Provence-Alpes-Côte d'Azur.

English Version:

A multidisciplinary unit at the crossroads of physics, chemistry, materials science, and electronics, IM2NP mission is to develop exploratory research linking fundamental aspects and applications in the fields of materials science, microelectronics, and nanoscience. Since its creation, its three key scientific objectives have been:

To develop fundamental studies across the unit entire scientific spectrum and foster strong industrial partnerships in the laboratory areas of expertise;

To establish and maintain strong interactions between the research conducted at the laboratory and the various teaching programs led by the unit faculty members (University Institutes of Technology, Bachelor's and Master's degrees, engineering schools, continuing education);

To contribute to being a major player in high-level university research in microelectronics and nanoscience, complementing industrial activity in this field in the Provence-Alpes-Côte d'Azur region.

French version (English version below)

Le candidat ou la candidate doit avoir obtenu un master dans le domaine du sujet de thèse proposé. Des connaissance en science des matériaux sont indispensables. Une coloration dans le domaine des énergies pourra être un plus sans exclusive.

Le travail de thèse sera basé sur des expériences, leur exploitation et leur analyse pour développer des mécanismes et modèles.

Compte tenu des prérequis pour la participation au concours d'obtention d'une bourse de l'école doctorale, la candidate ou le candidat devra avoir d'excellent résultats scientifiques.

La langue française n'est pas un pré-requis.

English version : 

The candidate must hold a Master's degree in the field of the proposed thesis topic.

Knowledge of materials science is essential. A background in energy is a plus but not mandatory.

The thesis work will be based on experiments, their processing, and analysis to develop mechanisms and models.

Given the prerequisites for applying for a doctoral school scholarship, the candidate must demonstrate excellent academic performance. French language proficiency is not a prerequisite.