Førsteamanuensis Marisa Di Sabatino sammen med forskerkollegene Cecilie Esser, Krzysztof Adamczyk (bak), Kai Erik Ekstrøm (bak) og Antoine Autruffe ved Institutt for materialteknologi ved NTNU. (Foto: Per Henning, NTNU)
Førsteamanuensis Marisa Di Sabatino sammen med forskerkollegene Cecilie Esser, Krzysztof Adamczyk (bak), Kai Erik Ekstrøm (bak) og Antoine Autruffe ved Institutt for materialteknologi ved NTNU. (Foto: Per Henning, NTNU)

Når 99,999 prosent rent ikke er rent nok

Normalt får du ikke utnyttet mer enn 16–20 prosent av energien som kommer inn til en vanlig solcelle. På et laboratorium i Trondheim vil forskerne gjøre noe med akkurat det.

Publisert

Installert solkraft, ledende land (2013)

LandWatt per innbygger
Tyskland403
Italia274
Belgia239
Tsjekkia186
Hellas142
Bulgaria125
Spania111
Norge2

(Kilde: Store norske leksikon)

Spektrometri

Spektrometri er den praktiske målingen av gjenstander basert på fargespekteret de avgir eller reflekterer. Spektroskopi er den teoretiske tilnærmingen til feltet.

Maskinen som brukes til målingene ved NTNU kan foreta to typer spektrometri, både massespektrometri og optisk emisjonsspektrometri. På engelsk kalles disse glow discharge mass spectrometry (GDMS) og glow discharge optical emission spectrometry (GDOES).

På norsk kalles «glow discharge» glimutladning. Det er en selvstendig elektrisk utladning mellom kalde elektroder i en gass ved lavt trykk, ifølge snl.no.

90 prosent av alle solceller i verden er laget av silisium.

– Slik vil det antakelig være de nærmeste årene også, mener Marisa Di Sabatino, som er førsteamanuensis ved Institutt for materialteknologi ved NTNU og rådgiver ved Sintef Materialer og kjemi.

Gjennom forskningen sin på silisium hjelper Di Sabatino og kollegene firmaene som lager solceller til å forstå materialet bedre. For fremdeles gjenstår mye før solcellepaneler av silisium kan utnytte hele potensialet sitt.

Et typisk solcellepanel består av 60 solceller i en glass- eller aluminiumsramme. Når sola skinner på et solcellepanel, vil bare en mindre del av energien som kommer inn omdannes til strøm. I et vanlig solcellepanel vil du sjelden kunne gjøre nytte av mer enn 16–20 prosent av energien.

Men den teoretiske grensen for materialene som brukes i dagens vanlige solcellepaneler ligger på litt over 30 prosent.

– Blant annet derfor er det så viktig å fortsette å forske på materialene og fremstillingsmetodene, sier Di Sabatino.

Blant firmaene som bruker labene her er Elkem Solar, Norsun og The Quartz Corporation. Men laboratoriet samarbeider også med Massachusetts Institute of Technology (MIT) i USA og aktører i Japan, Frankrike og flere andre land.

Selv er Di Sabatino blitt spesialist på analyser av silisium. Hun jobber i hovedsak på to områder, nemlig krystallisering og kjemisk analyse ved spektrometri.

Krystallisering

Instituttets bygning i Trondheim har to rom der store maskiner står. I disse rommene slipper du ikke inn uten beskyttelsesutstyr. Dette er de rene rommene. Det reneste rommet får vi ikke komme inn på.

Grunnstoffet silisium fremstilles fra kvarts og karbon. Renheten av silisium fra denne reaksjonen er ikke god nok for solceller og da må det renses videre.

Ny forskning viser at det kan brukes mindre rent silisium i morgendagens solcellepaneler. Men selv om de har kuttet noen 9-tall bak kommaet, må silisiumet fremdeles være 99,9999 prosent rent for å være brukbart. Derfor kommer du ikke stampende inn på laboratoriet her og kladder på alt mulig.

En plate med krystallisert silisium. Silisiumplaten er tilsatt silisiumnitrid på cirka 75 nanometer (0,000075 millimeter) som gir en blå farge. Silisiumnitrid fungerer som et antirefleksbelegg. (Foto: Per Henning, NTNU)
En plate med krystallisert silisium. Silisiumplaten er tilsatt silisiumnitrid på cirka 75 nanometer (0,000075 millimeter) som gir en blå farge. Silisiumnitrid fungerer som et antirefleksbelegg. (Foto: Per Henning, NTNU)

Her kan forskerne støpe barrer av krystallinsk silisium i fem størrelser, fra 90 gram til 250 kilo. Disse barrene kuttes deretter med en trådsag i cirka 0,2 millimeter tynne skiver, kalt wafere.

Waferne er grunnlaget for å lage vanlige solceller ved blant annet å tilsette små mengder av andre materialer og et antirefleksbelegg.

Skivene kan også analyseres. Arbeidet her bidrar til å bedre metodene for å fremstille mest mulig effektive solcellepaneler.

Spektrometri

I denne ovnen kan forskerne lage rundt to meter lange og 120 kilo tunge barrer bestående av solcellesilisium. (Foto: Per Henning, NTNU)
I denne ovnen kan forskerne lage rundt to meter lange og 120 kilo tunge barrer bestående av solcellesilisium. (Foto: Per Henning, NTNU)

I et annet rom kan de finne den kjemiske sammensetningen i metallprøvene.

Her kan de utføre to typer spektrometri (se faktaboks). Ingen andre laboratorier i Norge kan tilby begge typer.

Den ene metoden (GDMS) kan måle urenheter i et materiale helt ned til 1 del per milliard. Det betyr et saltkorn i et svømmebasseng. Di Sabatino har nylig vært med på å finne grensene for hvor små urenheter denne metoden kan måle i silisium.

Den andre metoden (GDOS) brukes for å sjekke hvordan den kjemiske sammensetning endrer seg langs tykkelsen av materialet. Da undersøkes materialet helt ned på nanometernivå, så dette er ekte presisjonsarbeid. 1 nanometer er en milliondels millimeter.

Argon i plasmatilstand hetes opp på overflaten av materialet som skal undersøkes. Argon-plasmaet har en ladning, som fører til at atomer fra materialet fjernes lag for lag. De ulike atomene gir fra seg lys med ulik bølgelengde, og kan derfor måles ved hjelp av spektrometri.

Referanse:

Di Sabatino: Detection limits for glow discharge mass spectrometry (GDMS) analyses of impurities in solar cell silicon, Measurement, Volume 50, April 2014, Pages 135–140, doi:10.1016/j.measurement.2013.12.024.