Tradisjonelle solceller blir framstilt av skiver, eller såkalte wafere. Fysikkforskarar har nå testa ut ein meir energisparande måte å framstille solceller på, som kort fortalt går ut på å pakke inn silisiumfibrar i glas.  (Foto: NTNU)
Tradisjonelle solceller blir framstilt av skiver, eller såkalte wafere. Fysikkforskarar har nå testa ut ein meir energisparande måte å framstille solceller på, som kort fortalt går ut på å pakke inn silisiumfibrar i glas. (Foto: NTNU)

Pakkar inn silisium i glas - åpnar for billigare solceller

Å få silisiumen i solcellene rein kostar både tid og penger. Ein ny metode lar skitten være med inn i produksjonen, noko som vil redusere kostnadane. Vegen fram til markedet er likevel lang. 

Publisert

Silisium

Tidlegare kisel, er eit grunnstoff med kjemisk symbol Si og atomnummer 14.

Silisium ble først identifisert i 1787 av Antoine Lavoisier.

Silisium er eit halvmetall og ein halvleder. Silisium med homogen krystallstruktur endrar elektrisk motstand når det blir utsatt for mekanisk trykk. I reint silisium har den elektriske motstanden ein negativ temperatur-koeffisient, det vil si at motstanden synker når temperaturen øker. 

Silisium er det nest vanligaste grunnstoffet i jordskorpen etter oksygen og utgjør 25,7 prosent etter vekt. Det finnast oftest saman med oksygen som kvarts (silisiumdioksid, SiO2) eller isilikater. Desse mineralane er ein hovedbestanddel i mange bergartar, både på jorda og månen, og andre terrestriske planeter, måner og asteroider. Opp mot heile 95 prosent av jordskorpa består av silikatmineraler.

Silisium brukat blant anna til å lage halvlederkomponenter som solceller, transistorer og integrerte kretsar til bruk i datamaskinar og annan elektronikk. Innanfor metallurgisk industri bruker ein silisium i legeringar og som eit reduserande element. 

Kilde: Wikipedia

Fysikkprofessor Ursula Gibson har i fleire år arbeidd med å finne rimeligare metodar for å framstille solceller, slik at dei kan brukast i større skala. 

Professor Ursula Gibson, Insitutt for fysikk ved NTNU. (Foto: NTNU)
Professor Ursula Gibson, Insitutt for fysikk ved NTNU. (Foto: NTNU)

Men først da ho las ein artikkel om fiberoptikk, fekk ho ideen til det som kanskje kan være neste steg i retning av rimelegare og mindre energikrevande produksjon av solceller. 

– Vi bruker mindre og billegare råvarer, vi har færre prosessledd og langt mindre energibruk i produksjonen fram til dei ferdige solcellene. Dessutan kan vi bruke uren silisium, oppsummerar stipendiat Fredrik Martinsen, som arbeidar saman med Gibson ved Institutt for fysikk på NTNU.

Glastråd med silisiumkjerne

Kort fortalt består solcellene deira av silisiumfibrar innbakt i glas.

Ein silisiumkjerne førast inn i eit glasrøyr med diameter kring 3 millimeter. Det blir varma opp, slik at metallet smeltar. Samtidig blir glaset mjukt, og kan trekkast nedover til ein tynn tråd. Silisiumet inni glaset følgjer med. I prosessen med oppvarming og uttrekking kan tråden bli 100 gonger tynnare enn utgangspunktet.

Dette er ein velprøvd industriell metode som brukast til å produsere fiberoptiske kablar. Men NTNU-forskarane er dei første som har fått til å lage lange glastrådar med silisiumkjerne – og dei første som har kome på å bruke dette til solceller.

Mindre energibruk

Figuren viser et lite segment av en silisiumfiber innbakt i glass, som videre har blitt prosessert til en solcelle. Diameteren på silisiumkjernen måler ca. 100 mikrometer. (Foto: (Illustrasjon: NTNU))
Figuren viser et lite segment av en silisiumfiber innbakt i glass, som videre har blitt prosessert til en solcelle. Diameteren på silisiumkjernen måler ca. 100 mikrometer. (Foto: (Illustrasjon: NTNU))

Med denne produksjonsmetoden løyser dei også eit anna problem: Tradisjonelle solceller krev heilt rein silisium. Prosessen med å foredle silisium til reine skiver, såkalla wafere, slik vi kjenner dei frå solcellepanela, er omstendelig, energikrevjande og kostbar.

– Med vår metode blir silisiumet sjølvreinsande. Vi kan bruke skitten silisium i utgangspunktet, medan reinsinga blir ein del av prosessen med smelting og størkning. Det betyr at ein sparer energi og fleire prosessar, seier Gibson.

Energiforbruket i produksjonsprosessen fram til ferdige solceller ligg kring ein tredel av den tradisjonelle prosessen med framstilling av skiver.

Gibson fekk altså ideen til denne framstillingsmåten etter at ho las ein artikkel av John Ballato ved Clemson-universitetet i Sør-Carolina, som ligg langt framme i forsking mellom anna på fiberoptikk.

– Eg såg at metoden han skildra også kunne brukast til solceller.

Dei innleia eit samarbeid, og studentar frå NTNU hospiterte ved Clemson-universitetet, lærte seg produksjonsmetoden og vidareutvikla den.

Silisiumstavar

Forskarane sine solceller bygger på såkalla stavdesign, som nyleg er utvikla.

- Det betyr at ein kan bruke mindre rein silisium, forklarer Martinsen, og forklarar kva som skjer i ei solcelle: - Foton med ulik bølgjelengde absorberast på ulike nivå i silisiumskiva. Der genererer dei frie ladningar, ladningsberarar, som er dei vi vil utnytte for å produsere straum. Men dei må nær overflata, til den såkalla PN-overgangen, for å bli fanga. Om dei ikkje blir fanga, går energien berre med til å varme opp sjølve solcellepanelet.

Stipendiat Fredrik Martinsen, Institutt for fysikk ved NTNU.  (Foto: NTNU)
Stipendiat Fredrik Martinsen, Institutt for fysikk ved NTNU. (Foto: NTNU)

I eit tradisjonelt solcellepanel kan vegen vere lang frå staden der ein ladning blir generert og til overflata. Ein må derfor ha veldig rein silisium for å kunne fange dei. Men med silisiumfiber i glasstavar får vi eit slikt overgangsfelt rundt heile fiberen. Avstanden frå der ladningen blir generert og dit den kan bli fanga er kort. Da kan ein også fange fleire ladningsberarar, sjølv med mindre rein silisium.

– Stavdesign er enno ikkje vanleg i kommersiell bruk. Til no er den framstilt med avanserte og dyre nanoteknikkar som er vanskelege å skalere opp. Vi bruker derimot velprøvde industrielle prosessar, og får dermed ein langt billegare produksjonsmåte, seier Martinsen.

For liten effekt

Effekten i silisiumstavane er førebels ikkje så mykje å skryte av.

Dagens solcellepanel, som er hyllevare i butikkane, har ein effekt rundt 18 prosent. Prototypen NTNU-forskarane har utvikla har berre kome opp i 3,6 prosent. Private investorar står difor ikkje i kø – enno. Men Gibson og Martinsen har likevel tru på potensialet i denne produksjonsmetoden.

– Dette er dei aller første solcellene som er produsert på denne måten, med urein silisium. Da er det ikkje så rart at effekten førebels ikkje er så høg. Det er litt urettvist å samanlikne med konvensjonell produksjon, som har hatt 40 år på seg til å optimalisere alle ledd, seier Martinsen.

– Vi har hatt ei bratt læringskurve, ikkje alle ledd i prosessen er ferdig utvikla. Men utgangspunktet er godt. Vi er dei første som har vist at ein kan lage solceller på denne måten. Resultata er publisert, og prosessen er i gang, seier Martinsen.

Neste skritt er oppskalering, å lage større og meir effektive solceller og sette fleire saman.

Så kanskje det ein dag bankar ein investor på døra?

Referanse:

F.A. Martinsen, m.fl. Silicon-core glass fibres as microwire radial-junction solar cells. Scientific Reports, 04 September 2014.