Silisiumbaserte solceller

Silisiumbaserte solceller må sies å være en norsk spesialitet. Silisium er et godt solcellemateriale av mange årsaker, og silisiumbaserte solceller kan fremstilles billig i storskala. De har lang holdbarhet og ganske høy virkningsgrad.

Dette har muliggjort å bygge solkraftverk som har kunnet levere strøm til stadig lavere priser. Silisiumteknologien er en viktig årsak til at strøm fra solkraftverk er konkurransedyktig i store deler av verden.

Fra silisiumråmaterialer, også kalt feedstock, støper vi silisiumkrystaller, også kalt ingots. Disse skjæres i tynne skiver med tykkelser ned mot 100 um. Slike skiver kaller vi wafere. Waferene sendes deretter inn i solcellefabrikkene, der de gjøres om til effektive silisiumbaserte solceller.

Disse bygges så inn i solcellepaneler, som til sist er den viktigste byggesteinen i solkraftverkene. Hvert år produseres det nå nesten 25 milliardere wafere og solceller som de viktigste bestanddelene i nærmere 400 millioner solcellepaneler.

Hvert år utgjør de produserte solcellepanelene et samlet areal på mellom 500 og 1000 km2! Og nær sagt alt er beskyttet av glass. Solcellebransjen har blitt veldig stor veldig raskt.

Silisium

Grunnstoffet silisium er svært tilgjengelig i naturen; silisium er faktisk det nest mest tilgjengelige grunnstoffet i jordskorpa etter oksygen.

Det finnes imidlertid aldri rent i naturen; det er bundet opp til andre grunnstoffer i ulike bergarter og mineraler, som for eksempel kvarts.

Den metallurgiske industrien har utviklet prosesser for å utvinne rent silisium fra disse råmaterialene.

For at silisium skal kunne inngå i effektive solceller stilles det krav til at materialet må være svært rent, og ha få defekter. Med dette mener vi at krystallstrukturen til silisiummaterialet må være tilnærmet feilfri. Konsentrasjonen av andre urenheter må være svært lav.

Resirkulert silisium

I Norge har vi vært ledende på miljøvennlig fremstilling av silisium til bruk i solceller. Selskapet REC Solar ved Kristiansand produserte i mange år silisiumråmaterialer med lavere CO2-fotavtrykk enn noe annet selskap i verden. Selskapet legger nå om produksjonen for å ta dette enda lenger; snart vil produksjonen være basert på resirkulert silisium.

Flere steder under fremstillingen av silisiumbaserte solceller er det noe svinn. Spesielt under fremstillingen av wafere, som blir saget ut av hele blokker av silisium, produseres det mye sagspon.

Dette materialet er fortsatt høyrent silisium, men hittil har denne typen biprodukter hatt liten verdi.

Resirkulering er et viktig trinn på veien mot enda billigere og enda mer miljøvennlige solceller. Det blir veldig spennende å se hvordan markedet omfavner dette nye produktet!

Monokrystallinsk og multikrystallinsk silisium

Norske selskaper har i en årrekke bidratt til utvikling av nye prosesser for silisium ingots. Det finnes i dag i all hovedsak to teknologier på markedet. Den ene er såkalt monokrystallinsk (enkrystallinsk) silisium.

Monokrystallinsk silisium

Ved hjelp av en avansert krystalliseringsprosess kalt Czochralskiprosessen kan vi fremstille flere meter lange, sylinderformede støp av silisium med diametere på mange titalls cm. Dersom prosessen kjøres riktig ender vi opp med en eneste stor, nesten feilfri krystall.

Monokrystallinsk silisium inngår i de mest effektive silisiumbaserte solcellene. Materialet var i starten relativt kostbart, men teknologien har sett et imponerende prisfall de siste årene.

Solceller laget av monokrystallinsk silisium tar derfor over stadig større deler av verdensmarkedet.

Lavt miljøfotavtrykk

I Norge har vi to fabrikker som fremstiller silisium på denne måten. NorSun dobler i disse dager produksjonen på sin fabrikk i Årdal.

Selskapet har i flere år levert silisiumwafere til noen av de aller mest krevende kundene i solcellebransjen. Det andre selskapet er Norwegian Crystals, med en fabrikk i Glomfjord.

Utvikling av stadig billigere prosesser for fremstilling av minst like godt materiale med stadig mindre energibruk er viktig for begge selskapene.

Ved hjelp av spennende produksjonsteknologi og bruk av vannkraft kan disse fabrikkene levere materialer med både høy kvalitet og lavt miljøfotavtrykk.

Solceller av monokrystallinsk silisium er ofte lette å kjenne igjen. Støpene er i utgangspunktet sylinderformede.

I gamle solcellepaneler på hytter og båter i Norge ser vi iblant helt runde, små solceller plassert med store mellomrom. Dette er ikke en god måte å lage solcellepaneler på. Vi ender opp med å bruke store mengder glass og plast som ikke gjør nytte for seg. For å unngå dette kutter vi sylindrene ned så de får et nesten kvadratisk tverrsnitt. For ikke å resirkulere for mye lar vi imidlertid noe av den runde kanten være igjen rundt hjørnene.

Multikrystallinsk silisium

Multikrystallinsk silisium har vært lettere å skalere opp, og var lenge den dominerende teknologien i solcelleindustrien. I denne teknologien fyller vi store digler med silisium som smeltes for deretter å størknes tilbake til krystallinsk silisium.

I denne prosessen har vi ikke direkte kontroll på verken hvor krystallene starter å gro eller hvilken retning de peker i.

Det resulterende materialet består derfor av store mengder av krystaller. Nettopp dette er årsaken til navnet multikrystallinsk silisium.

Norge hadde lenge produksjon av slike materialer både i Glomfjord og på Herøya, men i dag produseres det bare monokrystallinsk silisium i Norge.

Ledende

Norsk industri og forskning har i lang tid vært blant de ledende innenfor silisiumproduksjon.

Til tross for hard internasjonal konkurranse, eller kanskje heller på grunn av den, ser vi både selskaper som utvider produksjonskapasitet og selskaper som legger om til helt ny teknologi for å drive bransjen videre.

Silisiumbaserte solceller vil være viktige i lang tid fremover. Vi jobber hardt for at norske selskaper er med på denne utviklingen!

Om forfatteren

Erik Stensrud Marstein er Forskningssjef i solenergi ved Institutt for Energiteknikk (IFE), Professor II i solcelleteknologi ved Universitetet i Oslo. Han er også Direktør i forskningssenteret FME SUSOLTECH (Research Center for Sustainable Solar Cell Technology), et forskningssenter som samler mange av de viktigste aktørene innen solcelleteknologi i Norge fra forskning og næring.

Siste innlegg

Foto av vindu

Ny «grønn» vindusteknologi

Under restauring av en gammel låve, fikk folkene bak Vågå Teknikk AS sin idé. Låvens små vinduer skulle beholdes og spesialtilpassede vinduer med tynne...