Birgit Ryningen med ovner for silisium til solceller. Foto: SINTEF / Thor Nielsen.

Orden i rekkene for å få mer energi ut av sollyset

#SINTEFblogg

0

Jeg forsker på silisium for solceller. Min forskning skal bidra til å få mer energi ut av sollyset. Her kan du finne ut mer om hvordan jeg gjør dette.

Jeg jobber med selve materialet som solcellene er laget av: silisium. Det er det materialet som fanger opp solstrålene og konverterer lys til strøm. Altså det vi kaller fotoelektrisk effekt, den effekten Einstein forklarte allerede i 1905, og som han senere fikk nobelprisen i fysikk for (siden han ikke fikk noen pris for relativitetsteorien).

En silisiumkrystall trekkes opp av silisiumsmelte.

Selve effekten er med andre ord forklart for lenge siden og blitt forsket på lenge. Det handler om sånne vanskelige ord som kvantemekanikk, fotoner, elektroner, halvledere, båndgap og krystallstrukturer.

En silisiumkrystall er full av feil!

Silisium er et av verdens mest utbredte grunnstoffer og i rein form binder atomene seg sammen med hverandre og danner et ordnet mønster; en krystall med en helt bestemt krystallstruktur.

Naturen er fantastisk og fasinerende, men den er også komplisert. Alle silisiumatomene stiller seg ikke nødvendigvis opp som perler på en snor. Selv om all verdens energiberegninger tilsier at det er lurt av dem ( eller som vi pleier å si: energetisk gunstig) å rette seg etter den forutbestemte krystallstrukturen, så er ikke dette alltid tilfelle. En silisiumkrystall er full av feil!

Forskjellige deler av krystallen kan ha forskjellige krystallretninger og der disse delene møtes, har vi korngrenser. Enda verre er når atomene i en krystallbit legger seg litt feil, så dannes det feil på feil og rekker av feil som vi kaller dislokasjoner.

Figuren viser et kart hvor vi har kartlagt dårlige områder, dvs områder med mange atomer på avveie (les: dislokasjoner) på en wafer. De blå områdene er bra, de øvrige fargene er forskjellige grader av dårlig. Den nederste rekken av wafere er mye mer blå enn de andre, så vi tror vi er inne på noe!

Dislokasjoner er uorden i rekkene

Dislokasjoner er altså atomer som ikke er på plassen sin i det ellers så velordnede atomgitteret, omtrent som om trompetisten i gardemusikken hadde stilt seg ut av rekken sin eller, enda verre, om alle som spiller kornett plutselig flyttet seg noen hakk i forhold til de andre eller om trommisen fra ett skolekorps blandet seg inn i rekkene.

I tillegg finnes jo ikke 100% reint silisium. På samme måte som det ikke finnes vakuum (på jorda i alle fall). Riktignok jobber vi med opptil «nine Ns» som vi sier, dvs en reinhet på 99,9999999%.

Det er jo litt vanskelig å få til, dvs, både solcellebransjen og elektronikkbransjen får det til hver dag – i tonnevis, men det er ressurskrevende. Det koster både tid, kompetanse og ikke minst, energi å få det til.

Litt mindre ren – men mye billigere

Men det verken vi eller industrien har klart å gjøre noe med (enda) er dislokasjonene. Det finnes en type silisium med litt lavere reinhet og som er satt sammen av mange krystaller, såkalt multikrystallinsk silisium, som er billigere å lage og lettere å masseprodusere.

Og med den enorme veksten vi har i solcellebransjen i dag og med det helt vanvittige presset på pris, er multikrystallinks materiale et attraktivt alternativ og det mest brukte.

Men så er det disse dislokasjonene, da, eller de korpsmusikerene som ikke klarer å holde rekkene sine. Slikt blir det støy av, og i en solcelle minker effekten. Det vil si at vi får mindre strøm ut av sollyset enn vi kunne ha fått dersom vi hadde hatt en perfekt krystall …

Som et strikketøy

Uansett, disse dislokasjonene opptar mye av min arbeidshverdag. De er på størrelse med atomer, men kan strekke seg over lange avstander – opptil metervis! Det er nesten som å miste en maske i et strikketøy som er nesten ferdig. Bare en liten maske, så revner det nedover og ødelegger alt!

Og ingen vet med sikkerhet hvordan de dannes, dislokasjonene altså, hvordan de oppfører seg under produksjon og hva som skjer med dem når de avkjøles. Det finnes riktignok mange teorier, formler, modeller, forklaringer og meninger. Alle like kompliserte … Men konklusjonene spriker.

Resultatet er at industrien ikke vet hvilken del av prosessen de skal optimalisere. Jeg og mine kolleger jobber med å finne ut av dette, for å hjelpe norsk silisiumindustri til å overleve, for å få mer energi ut av sollyset, og for rett og slett gi et lite bidrag til å prøve å redde verden. Eller som vi sier det i SINTEF, for å utvikle teknologi for et bedre samfunn.

Denne artikkelen er tidligere publisert på #SINTEFblogg

Sintef om valg av riktig solskjerming

Bildet viser utvendige, bevegelige persienner og faste utenpåliggende lameller som solskjerming av kontorfasade. Foto: SINTEF Byggforsk