ENERGIX-Stort program energi

Solceller laget av krystallinsk silisium er en av de mest lovende kandidatene for vidstrakt utnyttelse av fornybar energi: Silisium er et utbredt grunnstoff, cellene har høy effektivitet, industrien er moden og produksjonskostnadene er lave, men det er fortsatt mulig å lage dem bedre og billigere. Såkalt "multikrystallinsk" silisium har størst potensiale for masseproduksjon og lave CO2-utslipp i produksjonsprosessen. Dette materialet inneholder krystallfeil, kalt "dislokasjoner", som reduserer effektiviteten til solcellene; disse dislokasjonene er faktisk det viktigste problemet å hanskes med når man skal lage gode, multikrystallinske silisiumsolceller. Å forstå hvordan disse feilene oppstår og hvordan de utvikler seg er derfor viktig for å fortsette å øke bruken av fornybar energi. Multikrystallinsk silisium produseres ved såkalt "rettet størkning", dvs at smeltet silisium som holdes i en beholder, begynner å kjøles ned og krystallisere fra én side (bunnen av beholderen), og det dannes lange, fine krystaller i retningen som størkningen foregår. Vi har tidligere vist at såkalte "korngrenser", dvs grensene mellom disse krystallene, er sentre for dannelsen av dislokasjoner. Samtidig foregår det mye med dislokasjonene etter at de er blitt dannet på korngrensene; de kan bevege seg, bli større, flere og færre. Frem til nå har dislokasjoner blitt studert etter at alle disse prosessene er ferdige, men da er hele livsløpet til dislokasjonene over. Vi studerer i grunnen derfor dislokasjonenes gravlund og forsøker å gjette oss til hvor de ble født og hvordan de levde. For de som skal prøve å optimalisere produksjonsprosessen i industrien betyr det at de ikke en gang vet hvilken del av prosessen de skal konsentrere seg om: Begynnelsen, midt imellom eller slutten. I dette prosjektet har vi oppnådd å snik-kikke på livene til dislokasjonene. Vi har brukt en teknikk som kalles "røngtendiffraksjon" til å studere dislokasjonenes bevegelser under størkning. Denne metoden kan vi kun få til ved å bruke svært konsentrerte røntgenstråler, så hoveddelen av dette arbeidet er gjort ved ESRF, den europeiske synkrotronen i Grenoble. Dette har foregått i tre konsentrerte puljer, såkalte "kampanjer", fordelt over prosjektets varighet. Resultatene har blitt bedre og mer interessante for hver kampanje. Den første kampanjen ble i stor grad brukt til læring. Fra den andre kampanjen fikk vi vellykkede eksperimenter, men det var vanskelig å tolke dem fordi vi måtte bruke gammeldags, filmbasert teknologi for å få bilder av det som skjedde. På den siste kampanjen brukte vi et moderne digitalt røntgenkamera, og da fikk vi virkelig observere dynamikken i det som skjer. Vi ser blant annet hvordan dislokasjonene dannes rett etter at krystallen er størknet, men at de kan fortsette å bevege seg en stund etterpå. Vi ser at de pipler ut fra korngrensene, men at de også kan tiltrekkes til de samme grensene. Begge deler kan føre til at det blir flere og lengre dislokasjoner. Vi ser at korngrensene kan forandre seg fra én type til en annen, og at dette har stor betydning for hvordan de virker på dislokasjonene. Det ser ut som mesteparten av utviklingen skjer kort tid etter at krystallen er dannet, men kanskje ikke så kort tid som vi trodde. Det er derfor denne fasen industrien bør jobbe med for å forbedre seg. Grunnleggende forståelse av dislokasjonenes liv og levnet kan også oppnås ved modellering på atomistisk- og mikroskala, og vi har utviklet modelleringsmetoder som viser oss hvordan korngrenser kan sende ut dislokasjoner ved høy temperatur, tilsvarende det eksperimentene viser. Her kan vi gå helt ned på mikroskopisk nivå, dvs hvordan atomene er organisert i korngrensene og hvordan forskjeller her påvirker dannelse av dislokasjoner. Til sist er det slik at slike in-situ forsøk er svært krevende og ikke minst kostbare, så det er ikke noe man kan basere seg på for å løse alle utfordringene knyttet til krystallisering av silisium. Vi har derfor også studert de samme prøvene i etterkant på vanlig måte for å bedre kunne forstå hva som ligger bak resultatene vi får fra slike studier. Dette vil hjelpe oss i videre arbeid for å forbedre solcellesilisium uten å trenge å studere dislokasjoner og korngrenser akkurat i øyeblikket de dannes.

I INSIDES har vi introdusert in-situ røntgentopografi for å studere utvikling av dislokasjoner i solcellesilisium i sanntid. Dislokasjonser oppstår på spesielle korngrenser og spres i takt med at krystallen vokser. Industrien bør derfor fokusere på å redusere tettheten av slike korngrenser ved nukleering. Vi har også utviklet kompetanse om produksjon av prøver, blant annet korngrenser med spesielle egenskaper. Arbeidet med diffraksjon har økt vår forståelse av materialet, spesielt korngrensenes oppbygging. Dannelse av dislokasjoner på atomært nivå er belyst gjennom atomistisk modellering. Modeller og metoder for å studere bevegelsen til dislokasjoner ved korngrenser på en realistisk tidsskala har blitt utviklet. Industrien vil framover fokusere på såkalt monokrystallinsk silisium. Vi tar med oss kompetansen fra INSIDES inn i forskning på dette materialet, spesielt knyttet til spontan dannelse av dislokasjoner som er et vesentlig problem ved produksjon av dette materialet.

INSIDES will investigate evolution of harmful defects in silicon for solar cells using in-situ x-ray characterization and atomic- and mesoscale modelling. Multicrystalline silicon is the most promising candidate for enabling large scale production of low cost solar cells. The efficiency of such cells is fundamentally limited by the presence of crystal defects, and there is little absolute knowledge about the defect generation mechanisms, because all generation and development happens at too high temperature to be observed by conventional characterization techniques. In-situ x-ray imaging is able to directly visualize the defects at high temperature and resolve many of the disputes regarding the mechanisms at play during solidification. It is the logical next step after investigations performed over years by room temperature characterization. In INSIDES, traditional characterization methods will be combined with in-situ x-ray characterization and simulations on atomic -and mesoscale to draw the best from all approaches. In-situ characterization requires a bright x-ray source, so all this work will be performed at the synchrotron at ESRF in collaboration with IM2NP in Marseille. Modelling the dislocation evolution in silicon requires a kinetic Monte Carlo approach which we will do in collaboration with University of Montreal. Two PhD candidates will be educated in the project. The specific topics that will be investigated are: 1: Is dislocation nucleation at high temperature or multiplication during cooling the most important factor that controls the dislocation density? 2: Dislocations in the vicinity of solid/liquid interface may be attracted to it by image forces or repelled because of increased Gibbs free energy; which will dominate? 3: Why are dislocations generated at the grain boundaries? 4: Random grain boundaries result in fewer dislocation clusters; is this because growing clusters annihilate at these boundaries or because they reduce the overall stress?