Til hovedinnhold

Kontroll av urenhet i multikrystallinsk silisium med høy ytelse

Kontroll av urenhet i multikrystallinsk silisium med høy ytelse

I prosjektet har vi bygd opp en omfattende forståelse av hvordan forurensninger i høykvalitets multikrystallinsk silisium (HPMC-Si) fordeles i materialet gjennom produksjonsprosessen, fra silisium til solcelle, og hvordan de påvirker solcellens virkningsgrad. Målet har vært å finne måter å påvirke de forskjellige kildene til forurensninger for å kunne lage bedre og billigere solceller.

HPMC-Si er det dominerende solcellematerialet i dag. Sammenlignet med tradisjonelt multikrystallinsk Si inneholder det mange flere såkalte korngrenser, som i utgangspunktet ikke er bra for solcellen, men under krystalliseringsprosessen fører disse korngrensene til at det blir mye mindre av en annen type defekter, dislokasjoner. Disse defektene er tradisjonelt den begrensende faktoren for solcellekvaliteten; vi sier at de er "elektrisk aktive" fordi de fanger opp elektroner som egentlig skulle ha gått til å lage strøm. I HPMC-Si regner vi med at tettheten av disse defektene er så lav at det neste viktige steget for å øke kvaliteten er å redusere metallforurensning, f eks Fe, Cr og Ni.

Det er primært tre kilder til forurensninger: Silisiumråvaren, støpedigelen av kvarts og et tynt lag av silisiumnitrid ("coating") som ligger mellom silisium og digel for å forhindre direkte kjemisk kontakt. De to siste inneholder 1000 til 100 000 ganger så mye av viktige forurensningselementer som det silisiumråvaren gjør. Imidlertid vet man ikke så mye om hvor fort metallene diffunderer gjennom digel og coating, og det er dette som avgjør hvor mye som faktisk ender opp i silisiumkrystallen. Vi har derfor gjort forsøk for å bestemme denne, og for det viktige metallet Fe viser den seg å være 1000 ganger høyere enn hva man har trodd før. Et mulig tiltak for å redusere forurensningen fra digel er å bruke en renere type kvarts enn tidligere i et ganske tynt sjikt på innsiden av digelen.

I den ferdige silisiumkrystallen finnes metallene som spredte enkeltatomer, men mye er også som større partikler. Disse finnes på dislokasjoner og på korngrenser, er mindre farlige enn enkeltatomer, men de er også vanskeligere å fjerne senere i prosessen. Det viser seg at selv om det er svært lite dislokasjoner i HPMC-Si, er det fremdeles disse som er skyld i mesteparten av utfellingene. Det er derfor enda mer å hente på å gro krystaller med lav tetthet av dislokasjoner.

Det å fjerne forurensninger i løpet av celleproduksjonen kalles "gettering". Det viser seg at selv om forurensninger fjernes i løpet av denne prosessen, blir ikke materialet bedre, spesielt blir korngrensene og dislokasjonene dårligere. Vi har gjort målinger som tyder på at konsentrasjonen av metallatomer faktisk øker på korngrenser og dislokasjoner i løpet av getteringprosessen. Det aller siste steget i solcelleprosessen involverer hydrogen som diffunderer inn i krystallen og reagerer med metallene slik at de blir mindre elektrisk aktive. Dette kalles en passivering og gjør at materialkvaliteten totalt sett er bedre etter at solcelleprosessen er ferdig, men det er viktig at materialet går gjennom begge disse prosessene.

Vi har studert innvirkningen av forskjellige typer korngrenser på materialkvaliteten. Det viser seg at den typen korngrenser som er karakteristisk for HPMC-Si, såkalte tilfeldige korngrenser der krystallene på hver side av grensen har vokst nærmest uavhengig av hverandre, nesten ikke er elektrisk aktive i den ferdige cellen. Alle korngrenser som forblir elektrisk aktive kan sies å bestå av dislokasjoner, eller at det ligger dislokasjoner på dem, og de tiltrekker seg forurensninger på samme måte som dislokasjoner.

En viktig del av prosjektet har vært å lage matematiske modeller som beskriver disse prosessene. Ved å variere parametere her, kan vi kunne undersøke hvilke tiltak som vil ha stor effekt på forurensningene. Dette har vi kombinert med eksperimenter der vi lager krystaller på samme måte som i industrien. Sammenligning mellom modell og eksperiment gjør at vi kan stole på resultatet av modelleringen og forklare fenomener vi observerer i eksperimentene. Resultatene av dette arbeidet bekrefter at det kan være et stort potensiale i å forbedre innsiden av diglene. Hvis man lykkes med dette, er det trolig at det faktisk vil være kvaliteten på silisiumråvaren som avgjør kvaliteten. Dette gjelder spesielt for alternative råstoffkvaliteter som har blitt utviklet i løpet av de siste tiårene for å redusere kostnader.

Det er imidlertid fremdeles usikkerhet knyttet til hvor stor effekten av forurensningsnivået i de forskjellige kildene påvirker kvaliteten siden transporthastigheten gjennom digel og coating for en stor del fremdeles er ukjent. Det viktigste man må kontrollere er imidlertid fremdeles tettheten av dislokasjoner! I krystallene vi har laget er det ganske stor forskjell i cellekvalitet selv om forurensningsnivået er likt, og det er en tydelig sammenheng med tettheten av dislokasjoner.

Publisert tirsdag 20. april 2021
Seniorforsker
415 59 851

Prosjektvarighet

2013 - 2017