Hvordan lager man solceller? Det hele starter med produksjonen av monokrystallinsk silisium. Bildet er fra fabrikken til solcellebedriften NorSun (Foto: NorSun)
Hvordan lager man solceller? Det hele starter med produksjonen av monokrystallinsk silisium. Bildet er fra fabrikken til solcellebedriften NorSun (Foto: NorSun)

Verdens mest miljøvennlige produksjon av solceller finnes i Årdal

Nå vil forskere og bedrifter tidoble norsk solkraftproduksjon. Det skal skje på det lille tettstedet med de bratte fjellene.

Published

Innerst i Sognefjorden, ved foten av de bratte Skagastølstindane, produseres stoffet monokrystallinsk silisium. Det er et supermateriale som brukes i praktisk talt all elektronikk, men som i dag også er den viktigste ingrediensen i høyeffektive solceller.

– Årdal har alltid vært i forkant av den industrielle og teknologiske utviklingen, sier John Atle Bones, Sintef-forsker og solcelle-entusiast. Bygda er derfor kjent for både vannkraft og aluminiumsproduksjon.

Det er de bratte fjellene i Årdal som gjør det mulig å levere fornybar og utømmelig vannkraft.

Kraften brukes til å drifte de spesielle ovnene som kalles krystalltrekkere.

– Det er inne i ovnene, som holder en temperatur på over 1400 grader celsius, det spesielle krystallet dannes, sier Bones.

Komplisert å lage solceller

Produksjonen av monokrystallinsk silisium er en fascinerende skapelsesprosess: Den forvandler en frøkrystall på størrelse med en blyant til en stor monokrystall av silisium på over to meter, en såkalt ingot.

Dette skjer ved hjelp av en fremstillingsmetode som kalles Czochralski-prosessen, og som foregår inne i smelteovnene over flere døgn. Her trekkes krystall-frøet sakte oppover av en metalltråd, mens det roterer i en digel av smeltet silisium.

På denne måten vokser krystallet – omtrent en millimeter i timen og blir til én eneste stor krystall – en monokrystall.

Om Czochralski-prosessen

Selv om det ikke er allment kjent, så har Czochralski-prosessen (Cz) vært, og er fortsatt, en av de viktigste industrielle prosessene i verden.

Praktisk talt alt silisium som brukes i mikroelektronikk (PCer, mobiltelefoner, sensorer og så videre) er produsert med denne prosessen.

I dag brukes den også til å produsere de mest effektive kommersielle solcellene.

Det hele startet for 100 år siden, da den polske vitenskapsmannen Jan Czochralski studerte vekstrater for ulike materialer.

Et perfekt materiale

Materialet beskrives ofte som det mest perfekte mennesket har skapt fordi atomene står på rekke og rad i hele den store krystallen – nesten helt uten avvik. Det er også denne strukturen som gjør at det har evne til å omdanne sollyset til strøm veldig effektivt. Det finnes ingen grenser hvor to krystaller med forskjellig orientering møtes, og heller ingen små forskyvninger i krystallen som gir uperfekte linjer i materialet, såkalte dislokasjoner, som hindrer elektronenes flyt i solcellen.

– Prosessen er uhyre kompleks fordi den består av så mange ulike komponenter: Nøyaktig styring av temperaturer, trykk, gass, ovnenes alder og tilstand, silisiumets kvalitet, egenskapene til smeltedigelen og hvordan de ulike delprosessene styres. For å nevne noe, forklarer forsker John Atle Bones.

– Vi sier at dette er et sterkt koblet system – om man endrer på én parameter, så påvirker det som regel mange andre.

Og det er nettopp kompleksiteten i prosessen som gjør det så lønnsomt å bruke mer avanserte sensorer og digitale verktøy for å styre den: Jo mer nøyaktig styring, jo bedre.

Hver ovn er individuell

Et viktig grep forskerne har foreslått er å utstyre ovnene med maskinlæring, slik at de blir selvlærende. Målet er at hver ovn kan justere seg selv til å kunne ta ut sitt fulle potensiale.

– Men er ikke ovnene helt like?

– Nei. I prinsippet er alle ovnene like, men i realiteten er det forskjeller: Ovnene har for eksempel varmesoner som består av ulike typer grafitt. Det er varmesonen som gir de termiske betingelsene for å gro krystallene. Men grafitten varer ikke for alltid, den må med jevne mellomrom byttes ut fordi den blir slitt. Det gjør at hver ovn får sitt termiske fingeravtrykk, som igjen påvirker produksjonen. Disse forskjellene må kompenseres med oppskriften man styrer ovnen etter, forklarer Bones.

Med andre ord er dette et tidkrevende og kontinuerlig arbeid som krever at man henter ut driftsdata, og at man analyser alle styringsparameterne – eller forholdene inne i ovnen – til enhver tid, for alle ovnene. Snart skal dette skje automatisk:

Solcelleforsker Birgit Ryningen i Sintef viser fram en monokrystall. (Foto: Sintef)
Solcelleforsker Birgit Ryningen i Sintef viser fram en monokrystall. (Foto: Sintef)

Sammenligner med selvkjørende biler

– For å forklare hva ovnene nå skal gjøre, kan vi sammenlikne med en bil som skal kjøre uten fører på en svingete og glatt vei: Oppgaven er å holde den innstilte farten med god nøyaktighet, mens den kontinuerlig finner den maksimale hastigheten som cruise controllen kan settes til, uten at bilen sklir ut i svingene, sier John Atle Bones.

– Ganske enkelt kan vi skyve hver enkelt ovns ytelse over på det maksimale. Det tror vi vil gi oss stor gevinst, både i produksjonstakt og kvalitet, utdyper prosessingeniør i solcellebedriften NorSun, Jeroen J. van Delft.

Samtidig jobbes det med andre aspekter av prosessen, for eksempel hvordan man mer effektivt kan kjøle krystallen mens den vokser.

– Vi gjorde noen vellykkede forsøk knyttet til dette for kort tid siden, og her vil det skapes en del ny teknologi fremover. Til slutt så gir alt dette billigere og bedre solceller for meg og deg, og en mer bærekraftig jordklode å leve på, sier Delft.

Solceller vokser – og vokser

Solcellestrøm er den raskest voksende energiformen i verden, og bidrar stadig mer til fornybar energi i mange land. Mye av grunnen til det er at markedet etterspør rimelig og fornybar energi, samtidig som solceller i høyt tempo utkonkurrerer andre kraftkilder i større og større deler av verden. Investeringskostnadene for solstrøm har falt kraftig og virkningsgraden av solcellene økt.

Som en følge av dette jobber flere aktører med å lage såkalte bygningsintegrerte solceller: solceller som er innebygget i enten materialer for tak, fasader, eller i vinduer.