Le travail présenté consiste à caractériser la rigidité et étudier la rupture de plaques en silicium multi-cristallin de qualité photovoltaïque. Les éprouvettes sont obtenues par découpe au laser de wafers de silicium provenant de deux processus de fabrication différents, soit MCSI et RST. En s'appuyant sur des essais de flexion à 4-points, des moyens expérimentaux et numériques sont mis en place en parallèle pour aboutir à une caractérisation du module de Young adéquate. Les comportements à rupture sous flexion, soit le mode de rupture et la cause de l'amorçage, sont étudiés à l'aide d'imagerie rapide et de fractographie

Maynadier, Anne

Nelias, Daniel

Zhao, Lv

I-Revues

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Congrès Français de Mécanique                                               Lyon, 24 au 28 Août 2015 
 
 
Caractérisation de la rigidité et étude de la rupture 
de plaques en silicium de qualité photovoltaïque 
 
L. Zhao, A. Maynadier, D. Nélias 
 
Université de Lyon, INSA-Lyon, LaMCoS UMR CNRS 5259 ; F69621 Villeurbanne, France 
lv.zhao@insa-lyon.fr 
 
Résumé :  
Le travail présentéconsiste à caractériserla rigidité et étudier la rupture de plaques en silicium multi-
cristallin de qualité photovoltaïque. Les éprouvettes sont obtenues par découpe au laser de  wafers de 
silicium provenant de deux processus de fabrication différents, soit MCSI et RST. En s’appuyant sur 
des essaisde flexion à 4-points, des moyens expérimentaux et numériques sont mis en place en 
parallèle pour aboutir à une caractérisation du module de Young adéquate. Les comportements à 
rupture sous flexion, soit le mode de rupture et la cause de l’amorçage,  sont étudiés à l’aide 
d’imagerie rapide et de fractographie.  
 
Abstract : 
This study aims to characterize the rigidity and study the fracture of solar-grade multi-crystalline 
silicon plates. The specimens are laser cut from silicon wafers with two different manufacturing 
processes, i.e. MCSI and RST. Based on 4-point bending tests, both experiments and simulations are 
carried out in order to conduct a proper assessment of the Young’s modulus. Concerning the fracture 
study, the high speed imaging technique and the fractography are performed to investigate the 
fracture mode as well as the crack origin, respectively. 
 
Mots clefs : silicium Photovoltaïque,wafer en silicium multi-cristallin, 
rigidité, essais de flexion à 4-point, analyse éléments finis, rupture, imagerie 
rapide, fractographie 
 
1 Introduction  
Le silicium multi-cristallin est très largement utilisé pour réaliser les wafers des cellules 
photovoltaïques. À ce titre, il a été extensivement étudié d’un point de vue physico-chimique dans le 
but d’optimiser le rendement électronique. Cependant, les études portant sur la tenue mécanique du 
wafer sont encore rares. Pourtant la rigidité et la résistance à la rupture de cette pièce maîtresse durant 
la fabrication, le transport ou en service devient actuellement un point clé pour les industriels. En effet, 
l’augmentation de la fiabilité des cellules, et par conséquent des panneaux permettra le large  
développement de cette nouvelle source d’énergie propre.  
 
Le silicium multi-cristallin est un matériau naturellement hétérogène. En effet il peut être vu comme 
un agrégat de monocristaux (les grains) dont les tailles caractéristiques sont du même ordre de 
grandeur que celle de la structure. Le polycristal peut être homogénéisécomme un matériau isotrope 
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s’il possède suffisamment de grains qui n’ont pas d’orientations privilégiées. Bien que moins efficace 
électroniquement, le silicium multi-cristallinest largement utilisé dans les cellules PV grâce à son coût 
de fabrication inférieur à celui du silicium monocristallin.  
 
Récemment, la résistance mécaniquedes dispositifs PV a été identifiée comme un problème clé pour le 
développementde l’énergie solaire [9].Les investigations sont souvent menées à l’échelle du module 
entier [2, 7], ou de la cellule encapsulée ou non [6,8,10]. Plus rares sont les études qui s’intéressent à 
la tenue mécanique des wafers multi-cristallins, on signalera toutefois les travaux de Sherman sur la 
rupture du Si mono [5], les études numériques de Saffar et al. [1] et les modélisations EF de 
propagations de fissures trans- ou intra-granulaires de Infuso et al. [8] 
 
Dans cette étude, nous travaillons sur des plaques en silicium multi-cristallin qui sont obtenues par  
découpe au laser de wafers issus de deux différents processus de fabrication, soit le classique ingotcast 
découpé au fil (MCSI),soit le ruban de silicium sur substrat temporaire (RST obtenu par dépôt de Si 
liquide sur ruban de carbone sacrificiel) [3]. Les objectifs sont de caractériser la rigidité globale et 
étudier la rupture des deux types de wafers à température ambiante. Les éprouvettes ont une surface de 
50x50mm² avec une épaisseur de 170µm environ pour les plaques MCSI et de 90µmenviron pour les 
plaques RST.Concernant la caractérisation derigidité, des essais de flexion à 4-points sont mis en 
œuvre. Ceux-ci permettent de calculer facilement le module de Young à l’aide de la théorie 
despoutres. Un modèle éléments finis est réalisé en parallèle afinde corriger les mesures. Pour l’étude 
de la rupture, nous nous appuyons sur l’imagerie rapide pour observer la répartition et propagation des 
fissures, ainsi que sur la fractographie pour identifier l’origine de l’amorçage.  
 
2 Module de Young des wafers MCSI etRST 
2.1 Caractérisation expérimentale 
Les deux procédés de fabrication étudiés induisent des microstructures différentes. Les morphologies 
de grains sont présentées dans laFig. 1 pour les deux types de wafers. Concernant les plaques MCSI, 
les grains ne présentent pas d’orientation particulière et leur taille varie de quelques mm2 à plusieurs 
cm
2
. Le matériau est considéré isotrope.Pour les plaques RST, les grains sont fortement étirés dans la 
direction de tirage du ruban de Si. Certain traversent intégralement la plaque en longueur, leur largeur 
varie du mm au cm. La rigidité dans la direction parallèle à la direction de tirage et celle dans la 
direction perpendiculaire seront distinguées. Dans les deux cas de nombreuses macles sont visibles 
dans les grains.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figure 1. Morphologie des grains pour les plaques MSCI (gauche) et les plaques RST (droite). 
(Dimensions des éprouvettes : 50x50mm
2
 
D
irectio
n
 d
e tira
g
e
 
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La caractérisation expérimentale est basée sur la théorie des poutres appliquée à la configuration d’un 
essai de flexion 4-points. Cette dernière est illustrée dans la Fig. 2.Les essais sont pilotés en 
déplacement. Le module de Young peut être calculé à l’aide de l’équation 1, en connaissant la force de 
réaction, le déplacement du poinçon ainsi que les dimensions de l’éprouvette et l’écartement entre les 
appuis : 
 
2
3
( ) ( 2 )
4
P a d a d
E
Lh f
 
  
 
(1) 
 
avecL la largeur et  fl’épaisseur de la plaque(nonreprésentés dans la Fig. 2). 
 
Figure 2. Configuration de l’essai de flexion 4-points 
 
2.2 Correction par simulation numérique 
En identifiant le module de Young par la théorie des poutres, on suppose que l’effet Poisson est 
négligeable ainsi que les variations dues aux contacts entre les appuis et la plaque. Un modèle 
éléments finis est construit afin d’estimer l’erreur relative liée à ces hypothèses. Etant donné que les 
propriétés mécaniques du monocristal de Silicium sont bien connues dans la littérature, le modèle est 
validé dans un premier temps par la comparaison entre les résultats numériques (analyse EF) et 
expérimentaux sur une plaque en silicium monocristallin (Fig. 3). Nous utilisons les constantes 
élastiquesreportées dans la littérature [4] pour la simulation. Ensuite, des études paramétriques sont 
effectuées afin d’en déduire l’erreur relative pour un module de Young de 160GPa et un coefficient de 
Poisson de 0.2, en faisant varier l’épaisseur de plaque. Nous constatons que pour un intervalle de 
déplacement de poinçon [0.4mm-0.6mm], l’erreur relative est quasiment constante pour toutes les 
épaisseurs considérées (entre 75µm et 180µm) et vaut 16.3%. 
 
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Figure 3. Comparaison de courbes Force-Déplacement numérique et expérimentale sur un monocristal 
de silicium PV ayant la même orientation.  
 
Après correction de l’erreur, le module de Young pour les plaques MCSI est estimé à 166±5GPa. Pour 
les plaques RST  les modules de Young sont 172±4GPa et 163±6GPa dans la direction de grains 
allongés (sens du tirage) et dans la direction perpendiculaire, respectivement, ce qui révèle une légère 
anisotropie. 
 
3 Rupture de MCSI et de RST 
3.1 Mode de rupture 
Les joints de grains étant visibles à l’œil nu, l’imagerie rapide est utilisée afin d’observer la trajectoire 
des fissures. Un miroir à 45 degrés est installé en dessous de la plaque pour permettre à la caméra 
d’imager la surface inférieure de l’éprouvette (face en tension).L’image vue par la caméra est 
reproduite dans la Fig. 4. 
 
 
Figure 4. Vision de la caméra rapide sur la surface de de plaque 
 
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La fréquence utilisée dans cette partie est 13000Hz. La Figure 5 présente deux images successives 
juste avant et après la fracture. Les plaques se rompent en une multitude de fragments. Nous pouvons 
observer que la trajectoire d’une fissure est parfaitement rectiligne dans un grain. Toutes les fissures 
sont parallèles lorsqu’elles traversent un même grain. Nous constatons égalementqu’elles changent de 
direction quand elles entrent dans un grain voisin. En conclusion, la rupture est intra-granulaire et les 
fissures se propagent probablement sur des plans cristallographiques comme (111) ou (110).  Des 
essais similaires ont été menés sur les wafers RST dans le sens parallèle et perpendiculaire au sens de 
tirage du ruban. Les images obtenues mènent aux mêmes conclusions avec cependant moins de 
lisibilité à cause de l’élongation des grains et de la rugosité de la surface.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figure 5. Images successives avant et après la rupture dans un wafer de MCSI 
 
3.2 Lieu et cause d’amorçage des fissures 
Les instabilités sur le faciès de rupture de silicium permettent de déterminer la direction de 
propagation de fissure ([5]). Nous avons donc réalisé une campagne d’observation fractographique  
afin de localiser le point d’amorçage pour la première fissure.Celui-ci est repéré car à partir de ce point 
il est possible d’identifier deux directions de propagations opposées. La Figure 6 montre dans l’image 
à gauche la première fissure capturée par la caméra rapide à une fréquence de 33000Hz et dans 
l’image à droite l’observation sous microscopeconfocalKeyencedu faciès de la première fissure. Grâce 
aux instabilités présentes sur le bord de la face en compression, nous arrivons à trouver le sens de 
propagation de la fissure (en noir) et l’origine de rupture, indiquée par la flèche blanche (ici une cavité 
de taille importante). Les différents essais analysés nous permettent de conclure que les fissures 
s’amorcent au bord de la plaque sur des défauts dus à la découpe laser. Aucune des plaques rompues 
n’a initié sa rupture sur un précipité ou un défaut de forme de la plaque.  
 
 
 
 
 
 
 
 
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Figure 6. La première fissure capturée par la camera (gauche) et la fractographie sur cette fissure 
(droite) 
 
4 Remerciements 
Ces travaux ont été réalisés dans le cadre du FUI DEMOS et de l’EquipeX DURASOL, les auteurs 
souhaitent particulièrement remercier F. De Moro, E. Tupin et C.Belouetde la société Solarforcepour 
les riches discussions et pour l’approvisionnement en éprouvettes.  
 
Références 
 
[1] S. Saffar, B. Skallerud, Z.L. Zhang, Analysis of surface cracks in multi-crystalline thin silicon 
wafers, Engineering Fracture Mechanics 124 (2014) 310-321 
[2] M. Sander, S. Dietrich, M. Pander, M. Ebert, J. Bagdahn, Systematic investigation of cracks in 
encapsulated solar cells after mechanical loading, Solar Energy Materials and Solar Cells 111 (2013) 
82 - 89 
[3] F. De Moro, A. Focsa, K. Derbouz, A. Slaoui, N. Auriac and H. Lignier and P. Keller, 
Multicrystalline silicon solar cells from RST ribbon process, Phys. Status Solidi C 9 (2012) 2092-2096 
[4] J. J. Hall, Electronic Effects in the Elastic Constants of n-Type Silicon, Physical Review 161 
(1967) 756-761 
[5] D. Sherman, Fractography of Dynamic Crack Propagation in Silicon Crystal, Key Engineering 
Materials 409 (2009) 55-64 
[6] F. Kaule, W. Wang, S. Schoenfelder, Modeling and testing the mechanical strength of solar cells,  
Solar Energy Materials & Solar Cells 120 (2014) 441–447  
[7] S. Kajari-Schröder, I. Kunze, U. Eitner, M. Köntges, Spatial and orientation distribution of cracks 
in crystalline photovoltaic modules generated by mechanical load tests, Solar Energy Materials & 
Solar Cells 95 (2011) 3054–3059  
[8] A. Infuso, M. Corrado, M. Paggi, Image analysis of polycrystalline solar cells and modelling of 
intergranular and transgranular cracking, Journal of the European Ceramic Society 34 (2014) 2713–
2722  
[9] Performance and Reliability of Photovoltaic SystemsSubtask 3.2:   Review of Failures of 
Photovoltaic Modules,IEA PVPS Task 13 External final report IEA-PVPS March 2014, 
ISBN 978-3-906042-16-9,International energy agency photovoltaic power systems programme 
[10] S. Kajari-Schröder, I. Kunze, M. Köntges, Criticality of cracks in PV modules, Energy Procedia 
27 (2012) 658 – 663  
 
 


Caractérisation de la rigidité et étude de la rupture de plaques en silicium de qualité photovoltaïque

http://documents.irevues.inist.fr/bitstream/2042/57762/1/68705.pdf

Caractérisation de la rigidité et étude de la rupture de plaques en silicium de qualité photovoltaïque

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