De fleste kommersielle solceller er bygget opp rundt en tynn skive av silisium. Denne kalles en wafer og den produseres ved å sage en blokk av støpt silisium med en trådsag.

I en trådsag føres en ståltråd over flere parallelle spor i roterende sylindriske guider med en høy hastighet. Silisiumblokker presses ned mot trådnettet og resultatet er en sageprosess som gir et stort antall wafere per blokk. Prinsippet er illustrert under.

For å oppnå en effektiv sagemekanisme, eller avvirkningsmekanisme, benyttes en diamantbelagt tråd eller påføring av en sagevæske som føres inn i kuttesporene sammen med tråden.

Sistnevnte er mest brukt, og sagevæsken som kalles slurry består av polyetylenglykol og SiC-partikler. Ettersom store deler av kostnadene til solceller ligger i produksjon av rent silisium, er det store kostnadsbesparelser i å utnytte all silisium. Sageprosessen genererer mye sagespon som er vanskelig å resirkulere. Dette gir en redusert utnyttelse av kostbar silisium.

En økning i antall wafere per blokk vil derfor redusere produksjonskostnadene per wafer og dermed medvirke til at solceller blir billigere.

Gjør solceller mer attraktive

Med støtte fra Forskningsrådet har SINTEF ledet et prosjekt i samarbeid med REC Wafer, SiC Processing og Washington Mills med tanke på å øke antall wafere per blokk. Prosjektet startet opp i 2007 og betegnes som TyWatt-prosjektet.

Fra 2007 til 2009 er wafertykkelsen i standard produksjon hos REC Wafer redusert fra 200 µm til 180 µm og antall wafere per blokk økt med 24 prosent. Dette tilsvarer en betydelig reduksjon i produksjonskostnadene, og bidrar til å gjøre solceller mer attraktiv som energikilde også fra et økonomisk synspunkt.

Flere tiltak er gjort for å oppnå dette, men reduksjon i trådtykkelse er et av hovedtiltakene. Trådtykkelsen korrelerer sterkt med hvor mye sagespon som avgis i prosessen, og en reduksjon i denne gir mindre spon og flere wafere per blokk.

Å benytte tynnere tråd er i utgangspunktet et enkelt prosesstiltak som nødvendigvis ikke burde kreve mye forskningsinnsats. Dette er en sannhet med modifikasjoner. Reduksjon i trådtykkelse øker sannsynligheten for trådbrudd i prosessen og påvirker waferens overflatekvalitet.

Ved å forske på samspillet mellom trådtykkelse, trådspenning og slurrykvalitet har det likevel vært mulig å redusere trådtykkelsen uten at dette har gått på bekostning av kvalitet. Dette er et resultat av forskningsintensive industrikampanjer gjennomført hos REC Wafer med spesialspesifisert slurry og SiC-partikler fra henholdsvis SiC Processing og Washington Mills.

Etablert kompetanse og ny innsikt

En ytterligere økning i waferutbyttet per blokk vil kreve en mer fundamental forståelse av hva som foregår i prosessen. SINTEF jobber med eksperimentelle og teoretiske metoder for å studere hvilke mekanismer som virker i selve kuttesporet og i områdene i og rundt blokkene. Det gjenstår 2 år av prosjektet og gode resultater vil redusere produksjonskostnadene for solceller ytterligere.

Som forsker er det spennende og utfordrende å jobbe med et slikt prosjekt. Med bakgrunn i matematisk strømningsteknikk får jeg jobbe med problemstillinger rundt strømning av slurry og temperaturutvikling i kutteprosessen.

Samtidig må jeg samarbeide med forskere som har en helt annen bakgrunn for eksempel innen optisk måleteknikk. Sammen prøver vi å forstå hva som foregår i kuttesporet.

Noen problemstillinger løser vi med etablert kompetanse, mens andre problemstillinger krever ny innsikt og nye metoder. Dermed vet vi aldri om vi kommer helt i mål.

Å jobbe i flerfaglige team med en kombinasjon av oppgaver som er relativt lettløst og oppgaver som meget utfordrende på et tema som kan redusere klimautslippene, synes jeg er motiverende og artig.