T. Ekelund, C. Carlsen, E. Fykse, B. Bøe

More documents

Recommendations

Info

smelten får samme krystallografiske struktur som frøkrystallen. Hvis prosessen er korrekt gjennomført, er produktet en meterlang og sylinderformet monokrystallinsk blokk på 75 kilo. Silisiumet er da av svært høy kvalitet, selv om det gjennom prosessen har blitt noe forurenset av grafitt og oksygen i smeltedigelen. Dette har en svak negativ innvirkning på dets yteevne i en solcelle. Flytsonemetoden (fra engelsk: Float Zone) er metoden som gir det kvalitetsmessig beste krystallinske silisiumet. Først blir en sylindrisk blokk med polysilisium skåret ut og montert vertikalt. Deretter plasseres en spole rundt silisiumet som ved hjelp av induksjon lager en 2 cm lang smeltesone i spolesentrumet. Spolen får gå gjennom hele silisiumet mens smeltesonen følger etter, og resultatet er en tilnærmet perfekt silisiumkrystall. Se figur 2.3. FZ-silisiumet er heller ikke hemmet av forurensing, ettersom spolen aldri var i kontakt med silisiumet under krystalliseringen. Det er imidlertid vanskelig å behandle større blokker uten at sylinderen kollapser under sin egen vekt. Framstilling av multikrystallinsk silisium er en forholdsvis ukomplisert prosess, derav den lave prisen. Blokker av polysilisium smeltes i en smeltedigel svært lik den i Chzochralskimetoden, sett bort fra at den av praktiske årsaker har firkantede sider. Deretter reguleres nedkjølingen av silisiumet nøye. Korrekt gjennomført, er resultatet en blokk av såkalt multikrystallinsk silisium. Hovedulempen ved dette silisiumet er den omtalte krystallstrukturen (se bilde 2.2), og på samme måte som i Chzochralskimetoden er smeltedigelen en kilde til forurensing. Metodens største fordeler er imidlertid at den er enklere og billigere å gjennomføre, samt at den ferdige silisiumblokken er formet som et rett prisme, og ikke en sylinder. Før blokkene kuttes opp til wafere (se del 2.2.2), bør de ha form som parallellepipeder, da kvadratiske solceller utnytter plassen i paneler best. For de sylindriske silisiumblokkene 12 B Figur 2.3 Wafer av multikrystallinsk silisium innebærer dette at 25 % må skjæres av. 2.2.2 - Doping C A Figur 2.2 Flytsonemetoden. A: Silisiumblokken. B: Spolen. C: Smeltesonen Doping, altså bevisst forurensing, av silisiumet har to formål: 1) Å gi silisiumet lederegenskaper. 2) Å skape pn-overgangen (omtalt i del 1) ved å gi silisiumwaferne én positiv og é n negativ side. 1) Grunnen til at silisium også må dopes for å få lederegenskaper, er at silisiumatomet har 4 elektroner i va- lensskallet, og i en perfekt krystall vil atomene danne perfekte kovalente bindinger med hverandre. Dette innebærer at det ikke finnes noen frie elektroner eller elektronhull som kan bevege seg rundt i silisiumet. Det vil med andre ord ikke kunne gå strøm. Problemet løses ved å dope silisiumet med et grunnstoff fra enten 3. eller 5. gruppe i det periodiske system. Stoffer som ofte brukes er grunnstoffene bor (B) og fosfor (P). Bor har 3 elektroner i ytterste skall, ett mindre enn silisium, og skaper derfor elektronhull som gir stoffet en positiv ladning (p-type-silisium). Fosfor har 5 elektroner i ytterste skall, ett mer enn silisium, og skaper derfor et fritt elektron som gir stoffet en negativ ladning (n-type-silisium). Se forøvrig figur 1.3 og 1.4 2) For å gi waferne både en positivt og en negativt ladd side, og slik skape en pn-overgang, må silisiumet dessuten dopes to ganger. En doper silisiumet for første gang allerede under krystalliseringen. Det dopes da som regel med bor, og etter krystalliseringen har alt silisiumet fått positiv ladning. Først etter at silisiumet er kappet opp til wafere, dopes en av wafersidene med fosfor for å skape pn-overgangen. Dopingen gjøres ved å diffundere fosfor inn i silisiumet, og dette gjøres ved å spraye en fosforholdig væske direkte på wafernes forside, for så å kjøre dem gjennom en ovn. Det dannes et tynt lag (0,5 μm) med negativt ladd silisium på waferens forside, og slik fullføres på den måten pnovergangen. 2.2.3 Kapping av silisiumblokker til wafere Når en silisiumblokk er ferdig krystallisert, dopet for første gang, og deretter beskjært ned i riktig dimensjoner, kappes den opp til wafere. Wafere er som regel kvadratiske skiver med sider på cirka 10-15 cm, tykkelse på cirka 150-250 μm, og er grunnlaget for de ferdige solcellene. Kappingen er en åtte timer lang prosess som foregår i en stor trådsag. I trådsagen er kilometerlange, sylskar-
pe metalltråder kveilet tett rundt to roterende valser. Silisiumblokken plasseres mellom valsene og presses langsomt mot metalltrådene, som da fungerer som sager. En væske kalt slurry, som inneholder små grove korn, påføres metalltrådene konstant gjennom hele prosessen, og hjelper trådene med å kutte gjennom det harde silisiumet. I løpet av prosessen går omtrent 30 % av silisiumet tapt i sagstøv som havner i slurryen, og dette er det største tapet gjennom hele prosessen. 2.2.4 Påføring av elektriske kontakter De elektriske metallkontaktene spiller en sentral rolle i solcellen. Kontaktene på forsiden sørger for at elektronene som blir slått løs blir tatt opp og utnyttet, og metallplaten på baksiden er nødvendig for at kretsen skal være sluttet. Metallkontaktene og metallbakplaten blir som regel påført ved hjelp av en teknikk kjent som sjablongtrykking. Først plasseres et tett nett av tynne tråder over waferen. Trådnettet er dekket av en emulsjon, men emulsjonen er fjernet der metall skal trykkes på waferen. Når en metallpasta presses mot trådnettet trykkes den gjennom de utildekte delene av trådnettet, og påføres på waferen. Metallpastaen brennes deretter fast til waferen i en ovn. Denne teknikken er svært enkel og billig. Som regel påføres bakplaten først. Den består som regel av en blanding av aluminium og sølv. Sølv befinner seg i gruppe 3, og bakplaten blir derfor positivt ladd. Bakplaten er som regel et tett metalltrådnett, og blir da trykt ved hjelp av sjablongtrykking, men i mange tilfeller er den også en massiv metallplate. De elektriske metallkontaktene på forsiden (ofte kalt fingre) er som regel av sølv. De må påføres slik at de er brede nok til å lede godt, men smale nok til å ikke skape for mye skygge. De er vanligvis mellom 150 μm og 200 μm brede, og er plassert cirka Figur 2.4 Elektriske kontakter på en solcelle: Tynne horisontale fingre, tykke vertikale busbars. 3 mm fra hverandre. Til slutt påføres to såkalte ”bus bars”, to brede (2 mm) fingre som strekker seg på tvers av de mindre fingrene, og som forener elektronstrømmene fra de mindre fingrene og leder dem videre. 2.2.5 Antirefleksjonsbehandling For at mest mulig sollys skal absorberes av solcellene gjøres wafernes forside så lite reflekterende som mulig. Dette gjøres først og fremst ved å påføre et antirefleksjonsbelegg. Belegget er som regel silisiumnitrid (Si3Ni4). Et lag på noen hundre nanometers tykkelse påføres ved hjelp av en metode kalt kjemisk dampavsetting. Alternative metoder er spraying og den tidligere omtalte sjablongtrykkingen. Monokrystallinske wafere går i en del tilfeller gjennom en spesiell overflatebehandling før antirefleksjonsbelegget påføres. Behandlingen går ut på å etse inn små pyramider på waferoverflaten ved hjelp av en modifisert kaliumhydroksidløsning (KOH). En slik overflate øker waferens lysabsorpsjonsevne, da lys som reflekteres vekk fra én pyramide ofte kan tas opp igjen av en nabopyramide. Slik teksturering fungerer ikke på multikrystallinsk silisium. Det forskes imidlertid mye på feltet, og mange gode alternativer er på prøvestadiet. 2.2.6 Montering i solcellemodul Solcellene er nå ferdige. Avslutningsvis kobles vanligvis 36 og 36 solceller sammen i serie, som sammen leverer en spenning på cirka 12 V, og monteres i solcellemoduler og solcellepaneler. Modulkonstruksjonen består som regel av en herdet glassfront, en isolerende termoplastisk polymerramme, samt en bakside av polyester. Delene sammenføyes ved smelting. Tilleggsutstyr kan, som foreslått i del 4, være strøm- og spenningsregulatorer som sikrer best mulig utnyttelse av den innstrålte solenergien. 2.2.7 Fremtiden Selv om silisiumsolceller i dag er konkurransedyktige i en del sammenhenger, bør det allikevel påpekes at produksjonskostnadene alltid vil være generelt høye i forhold til den lave maksimalytelsen på 25 %. Dette kan i framtiden åpne for alternative solcelleteknologier. 2.3 Oppsummering Fra kvarts i sand blir metallurgisk silisium utvunnet ved hjelp av en elektrisk lysbueovn. Silisiumet blir deretter renset til halvledersilisium ved destillering av flytende triklorsilan og bruk av Siemensprosessen. For å tillate elektrontransport blir silisiumet krystallisert ved bruk av enten Chzochralski-, Flytsone, eller Mcsilisium-metoden. Silisiumet dopes to ganger, både av hensyn til lederegenskaper og pn-overgang. Etter krystallisering og første doping kuttes silisiumblokken opp til wafere. Waferne blir deretter dopet for andre gang, påført elektriske kontakter og påført et antirefleksjonsbelegg. Avslutningsvis blir flere slike solceller montert sammen i serie i solcellemoduler og solcellepaneler. 13
Page 1: E N E R G I T. Ekelund, C. Carlsen,
Page 6 and 7: pel sollyset. Slike energikilder er
Page 8 and 9: Figur 1.3 N-type silisium med frie
Page 11: Å foredle metallurgisk silisium i
Page 16 and 17: øker. Dette er fordi linja L (som
Page 18 and 19: ne ble fylt opp med gass. Når gass
Page 21: Figur 4.1 Diagram over vinkler og s
Page 24 and 25: gasskraftverk som produserer elektr
Page 26 and 27: hydrogen bli lav, for også elektri
Page 29 and 30: 6.3 Solceller koblet i serie og par
Page 31 and 32: Solar Electricity, Tomas Markvart,

T. Ekelund, C. Carlsen, E. Fykse, B. Bøe

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

Delete template?

Save as template?