Crucibles for next generation high quality silicon solar cells (CruGenSi)

CruGenSi-prosjektet startet 1.august 2017 og ble avsluttet 30.oktober 2021. Hovedmålet med prosjektet har vært å utvikle kunnskap og kompetanse på digler som brukes for å lage krystallinsk silisium ingot for solceller. Diglene kan lages ved forskjellige prosesser og råvarer som også vil påvirke deres endelige kvalitet (total urenhetskonsentrasjon) og struktur (kornstørrelse og porøsitet). I løpet av disse 4 år har vi utdannet 2 PhDer (Rania Hendawi og Jochen Busam). Rania er en kvinnelig kandidat fra Jordan og hun skal disputere PhD avhandling i desember 2021. Jochen er fra Tyskland og han skal ha disputasen i sommeren 2022. I tillegg 4 master studenter har jobbet i prosjektet. Gjennom tett samarbeid mellom NTNU, SINTEF, IFE og industri partner har vi fått en del spennende resultater. Noen av de viktigste resultater er: -vi har økte forståelse rund coating og fuktbarhet av silisiumnitrid digler. -vi har testet av kombinasjon av coatings for grafitt digler og fant at to-lag coating har en positiv effekt på fukteegenskaper, samtidig som det er finnes en optimal konsentrasjon av oksigen. -vi har klart å målet forurensning gjennom diglel, coating og ingot på samme posisjon før og etter krystallisering prosess. Disse data har vært viktig for å teste modellen. -modellen viser fordeling av forurensning i forskjellige typer digler og kan hjelpe videre industri på å forstå hvordan forurensninger beveger seg gjennom digel, coating og ingot. Disse data er også viktig for modeller som predikere hvordan forurensninger påvirker solcelle effektiviteten. -digler med diffusjonsbarrier viser mindre forurensning i Si ingot og tynnere "red zone". Selv om pandemiet har påvirket den siste perioden av prosjektet, er alle samarbeids partnere fornøyde med resultater i dette KPN prosjekt.

The main results are: -educated 2 PhD candidates. -increased understanding of the coating and wettability of silicon nitride crucibles. -increased understanding of quartz crucibles with and without diffusion barriers for silicon solar cells applications. -tested a combination of coatings for graphite crucibles and found that two-layer coating has a positive effect on the wetting properties, while there is an optimal concentration of oxygen. -quantification of the chemical composition of the impurities through the crucible, coating and ingot in the same position before and after crystallization process. These experimental data have been used for model validation. -crucibles with diffusion barriers show less pollution in the Si ingot and thinner "red zone". The outcomes of this project have the potential to further develop the PV industry with focus on silicon ingots production.

Today the main source of impurities that reduce the efficiency of silicon-based solar cells is the crucible used to contain the silicon melt. It is the purpose of this project to understand and reduce the impact of the crucible upon the quality of the final Si-based solar cells. The crucible and coating are the main sources of O, C and N in the Si ingot. Although most of the negative effects of these impurities are known, their formation and transport mechanisms are not fully understood and involve complex interactions. Increased understanding of these mechanisms and interactions is therefore needed. In this proposed project we want to develop knowledge and competence on light impurity elements in crystalline Si by focusing on the crucible materials and on the crucible/coating/silicon system. Crucibles can be made by different processes and raw materials which also will affect their final quality (total impurity concentration) and structure (grain size and porosity). In this project, we want to understand the role of crucible quality and structure upon the crystallization process itself, as well as upon the contamination level, defect density and grain size of Si ingots and wafers. The project involves 2 industries and 3 research partners. 2 PhD candidates will be educated. The consortium partners have expertise on all required aspects. This project can significantly influence the development of low cost and high efficiency solar cells for sustainable energy production, and improve the competitiveness of the industry partners.