Formene solcellematerialet lages i, påvirker både produksjonsprosessen og kvaliteten på ferdige solceller. Hvordan kan man lage dem best mulig? – Det forsker jeg på.

For å kunne produsere nok solceller til det grønne skiftet, må nåværende produksjonsprosesser optimaliseres. Utgangspunktet når man i dag lager solceller er en slags bakeformer laget av spesialtilpasset sand. Jo bedre bakeformen er – jo bedre kvalitet får solcellene. Dette forsker jeg på i mitt doktorgradsarbeid.

Kvinne som legge objekt på mikroskop. Foto
På bildet undersøkes mikrostrukturen i en bit fra en varmebehandlet kvartsdigel. Prøven er støpt inn i epoxy og polert for å få god kvalitet på bildene fra lysmikroskopet. Foto: Per Henning / NTNU.

Silisumbaserte solceller

I dag er over 90% av solceller produsert av silisium som enten kan være multi- eller monokrystallinsk. Det vil si at den er satt sammen av henholdsvis mange småkrystaller eller en krystall.

I de siste årene har monokrystallinske silisiumsolceller begynt å dominere markedet. Disse er hovedsakelig produsert i prosess kalt Czochralski-prosessen: En beholder, eller digel, fylles med silisium feedstock. Dette varmes til nesten 1500 grader og holdes ved denne temperaturen i flere timer. Opp av denne massen trekkes det langsomt opp en silisiummonokrystall . For at digelen kan brukes lengst mulig, kan den «recharges», altså at det tilføres nytt silisium for å smelte det igjen og trekke en ny silisiummonokrystall.

Illustrasjon som viser en prosess ved smelting av silisium

Bakverk

Hvis vi ser på monokrystallinsk silisium som en kake, og en digel som en allerede godt fungerende bakeform, kan man si at jeg jobber med å forbedre og forstå kvaliteten på bakeformen. Målet er at kaken (silisiumkrystaller) skal bli enda bedre, og at man skal kunne lage flere kaker fra en og samme form.

Verdens reneste sand?

Diglene som brukes i Czochralski prosessen er fremstilt fra naturlig kvartssand av høy renhet og kvalitet. For å kunne brukes som råmateriale for digelproduksjon, må sanden ha en renhet på 99.997%. Det får den ved at naturlig sand går gjennom forskjellige prosesstrinn. I disse trinnene fjernes forurensningene og sandens kvalitet forbedres.

Den endelige digelen har to lag: et ytre lag som inneholder bobler, og et indre lag som vil være i kontakt med smelten under hele prosessen.

Forbudt med bobler

Smelten som brukes må være fri for bobler. Det er fordi eventuelle bobler i det indre laget vil kunne overføres opp til krystallen. Det igjen kan føre til at den mister den ønskede formen. Kort sagt: dersom vi har en dårlig bakeform som inneholder forurensninger, vil vår deig smake mindre godt, og kvaliteten på den endelige kaken vil være dårlig.

Flammende hete

Under Czochralski-prosessen må digelen motstå en temperatur på over 1450 grader i flere timer mens silisiumkrystallen trekkes. I tillegg til det, blir digelen langsomt, men sikkert oppløst i løpet av prosessene. Det medfører at eventuelle forurensninger fra digelen går inn i smelten, noe som kan påvirke kvaliteten på blokken.

Oppvarmingen og nedkjøling påvirker digelen. Under og etter produksjonsprosessen går digelen gjennom en fasetransformasjon som gjør den sprø, og dermed umulig å gjenbruke den. Skal en digel brukes flere ganger, må den derfor holdes oppvarmet.

Digelens egenskaper i søkelyset

Forskningen min setter søkelys på nettopp digelene- mer spesifikt deres egenskaper, som forurensningsnivå, bobleinnhold, mekanisk styrke og fasetransformasjonen som skjer under og etter Czochralski-prosessen (under avkjøling).

Målet med prosjektet er å kunne kartlegge hvilke egenskaper er de som styrer digelens oppførsel under prosessen og hvordan vi kan bruke den over lengst mulig tid, slik at flere krystaller kan trekkes før hele ovnen avkjøles.

Nå er antall krystaller som kan trekkes begrenset grunnet digelens deformasjon forårsaket av den høye temperaturen, og oppløsning inn i smelten.

Hvilke egenskaper er det viktigste?

Hvis forskningen vår lykkes, vil vi kunne si hvilke egenskaper som er de mest relevante for at digelen skal overleve lengst mulig uten (eller med så liten som mulig) deformasjon.
Med best mulige digler vil det bli mulig å oppnå tre viktige ting:

  • å trekke enda flere krystaller fra samme digel
  • å redusere mengde avfall
  • å spare energi ved at ovnen ikke vil måtte kjøles ned og varmes opp like ofte som nå.

Bare tenk på kakeanalogien igjen! Du får flere kaker på kortere tid dersom du ikke avkjøler ovnen mellom hver kake. Dette ønsker jeg å bidra til med min forskning.

Forskningen gjennomføres i samarbeid med The Quartz Corp (TQC) og SINTEF Industry tilknyttet senter FME SuSolTech.

Gabriela Kazimiera Warden er stipendiat ved Institutt for materialteknologi ved NTNU. Hun jobber med karakterisering av kvartsdigler brukt i produskjon av monokrystallinsk silisium.