Mechanical properties of thin silicon wafers for photovoltaic applications : Influence of material quality and sawing process
Comportement mécanique des tranches fines de silicium pour applications photovoltaïques : Influence de la qualité du matériau et de sa découpe en tranche
Résumé
The crystalline silicon wafer is the key component of the solar cell and accounts for a significant portion of the total photovoltaic (PV) module cost. Reducing wafer thickness is therefore a privileged pathway to decrease solar energy production costs. Maintaining low breakage rates when processing such thin samples remains however challenging. In this context, it is essential to improve our understanding of the mechanisms responsible for wafer embrittlement and failure. This work investigates the mechanical properties of silicon wafers obtained using diamond wire sawing. We developed a mechanical characterization methodology suited for these thin, brittle samples, combining destructive tests with 4-line bending, biaxial bending and dynamic impacts. In parallel, finite element simulations were implemented to better understand the underlying phenomena. Tests performed on as-cut, chemically etched and annealed samples revealed that the most critical damage regarding mechanical failure is located within a thin subsurface layer (less than 3 µm), which properties are controlled by the sawing step. Through an extensive characterization campaign on wafers with different thicknesses (from 180 to 100 µm), we demonstrated that thinner samples exhibit an increased bending flexibility without alteration of their intrinsic mechanical strength, accompanied however by a higher risk of failure following an impact. Finally, we highlighted that the presence of structural defects in multicrystalline and mono-like silicon is indirectly responsible for the lower fracture strength of the wafers: the increased suffering of the diamond wire when cutting through these defects generates indeed deeper microcracks.
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 inférieur à 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.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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