Til hovedinnhold

Når nesten helt rent ikke er rent nok

Når nesten helt rent ikke er rent nok

Publisert 17. november 2014
Til renromslaboratoriene kommer solcelleindustrien for å forstå og forbedre materialene sine.
Main intro image
Mange doktorgrader og artikler har sitt utspring i labene ved NTNU. Her Cecilie Esser, Krzysztof Adamczyk (bak), Kai Erik Ekstrøm (bak), Antoine Autruffe og Marisa Di Sabatino. Foto: Per Henning, NTNU

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

Installert solkraft, ledende land (2013)

Land, Watt per innbygger:

  • Tyskland 403
  • Italia 274
  • Belgia 239
  • Tsjekkia 186
  • Hellas 142
  • Bulgaria 125
  • Spania 111
  • Norge 2

Kilde: snl.no

– 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 hennes kolleger 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 nyttiggjøre deg mer enn fra 16 til noen og 20 prosent av energien.

En plate med krystallisert silisium. Silisiumplaten er tilsatt silisiumnitrid på ca 75 nm (0.000075 mm) som gir en blå farge. Silisiumnitrid fungerer som et antirefleksbelegg. Foto: Per Henning/NTNU

En plate med krystallisert silisium. Silisiumplaten er tilsatt silisiumnitrid på ca 75 nm (0.000075 mm) som gir en blå farge. Silisiumnitrid fungerer som et antirefleksbelegg. Foto: Per Henning/NTNU

Klikk for å åpne

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

Blant firmaene som bruker labene her er Elkem Solar, Norsun og The Quartz Corporation.

Laboratoriet samarbeider også med Massachusetts Institute of Technology (MIT) i USA og aktører i Japan, Frankrike og flere andre land.

Blant annet derfor er det så viktig å fortsette å forske på materialene og fremstillingsmetodene.

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.

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

Klikk for å åpne

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.

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. De undersøker støpeprosessen, defekter og strukturen i materialet. Målet er å få utnyttet sollyset best mulig.

Spektrometri

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

– Dette er et unikt laboratorium i Norge, sier Di Sabatino.

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

Spektrometri/Spektroskopi

  • 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.

Kilde: snl.no

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

Den andre metoden (GDOES) brukes for å sjekke hvordan den kjemiske sammensetningen 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. Vanskelig? Ikke for folkene her.

Dette arbeidet har ført til at Marisa Di Sabatino per november har vært delaktig i fem publiserte artikler om emnet bare i 2014. Instituttet utdanner i tillegg rundt 15 doktorgradskandidater i året.