Solidification of Unseeded high-PERformance MULTIcrystalline silicon

Solcellebransjen har i to tiår vært dominert av to silisiumbaserte teknologier; (i) multikrystallinske solceller med lav produksjonskost, og (ii) monokrystallinske solceller med høyere solvirkningsgrad, men også høyere produksjonskost. Redusert produksjonskost for monokrystallinske prosesser gjennom de siste årene har ført til at multikrystallinske solceller må øke solvirkningsgraden for å gi samme ytelse/kost-forhold og opprettholde sin konkurransedyktighet. Multikrystallinske solceller består av flere krystaller, og områdene mellom enkeltkrystallene, kalt korngrenser, er opphavet til tap av generert strøm. Korngrensenes egenskaper er en funksjon av orienteringen både til kornene på hver side, og orientering til selve korngrensen. Enkelte typer korngrenser genererer skadelige strukturelle krystallfeil som brer seg innover i krystallet, mens andre typer korngrenser kan absorbere og eliminere de samme krystallfeilene. Gjennom disse indirekte mekanismene er det korngrensene i multikrystallinske solceller som i stor grad bestemmer konsentrasjonen av strukturelle krystallfeil og tapet av generert strøm sammenlignet med monokrystallinske solceller. Prosjektets hovedmålsetning ved oppstart var å utvikle nye størkningsprosesser med lavere konsentrasjon av strukturelle krystalldefekter ved å endre forholdet mellom skadelige og gunstige korngrensetyper. Korngrensetypene og fordelingen mellom dem defineres i stor grad under første del av størkningsprosessen, hvor det første tynne sjiktet av fast silisium som dannes langs bunnen av kvartsdigelen fungerer som mal for den videre krystallveksten. Et sentralt verktøy for denne delen av prosjektet var en pilotovn for produksjon av multikrystallinske ingoter som tillater «destruktiv» testing med ulike bunnsubstrater og med temperaturbetingelser utover det som kan kjøres i en produksjonsskala ovn. Nødvendige fysiske modifikasjoner av pilotovnen, utvikling av en ny referanseprosess tilsvarende bransjestandard, samt tester av to ulike bunnsubstrater ble gjennomført i 2018. Prosjektet har brukt Laue-scan til å identifisere korngrensetyper og andre strukturelle defekter i multikrystallinske silisiumskiver (wafere). I motsetning til tradisjonelle metoder, kan denne metoden kartlegge korngrensetyper og defekter over større arealer som gir et mer robust datagrunnlag. I tillegg til kartlegging av korngrensetyper og defekter i testwafere, er det samme gjort over høyde og bredde i to kommersielle referanseingoter. Under første del av prosjektperioden falt markedsandelen til multikrystallinske solceller dramatisk. Overkapasitet i markedet viste tydelig at state-of-the-art multikrystallinske solceller ikke kunne konkurrere mot monokrystallinske solceller. Interne resultater og nye eksterne publikasjoner viste at potensialet for forbedringer i størkningsprosessen (0.2-0.3% abs) ikke ville være tilstrekkelig til å sikre multikrystallinske solcellers konkurranseevne, og indikerte et større forbedringspotensial i å redusere den elektriske aktiviteten til eksisterende strukturelle defekter. Fokus i prosjektet ble derfor fra 2019 endret fra å redusere mengden krystallfeil dannet under størkningsprosessen, til å forstå hvordan den elektriske aktiviteten til eksisterende krystallfeil påvirkes av forurensingselementer og ovnsatmosfære under størkningsprosessen, og hvordan aktiviteten kan endres med varmebehandling på wafernivå. Til dette arbeidet ble det produsert 8 fullskala ingoter med ulike nivåer av jern og aluminium; 4 multikrystalliske ingoter, og 4 monokrystallinske ingoter som referanser uten korngrenser og utbredte krystallfeil. Basert på dette prøvesettet har prosjektet utviklet en prosess for å rense silisium-skiver ved varmebehandling uten bruk av ekstra kjemikalier. Metoden er kompatibel med prosessering av store batcher med lav kost. Rensemetoden forbedrer alle områder i multikrystallinske wafere, men den kan ikke alene eliminere de dårligste områdene. Prosessen har høyest industriell relevans for framvoksende lavtemperatur celleprosesser, som i motsetning til høytemperaturprosesser ikke inkluderer prosesstrinn med iboende renseeffekt. Tre masteroppgaver ved NTNU er gjennomført som en del av prosjektet.

Status ved avslutning av prosjektet er at den multikrystallinske delen av solbransjen er marginalisert og ser ut til å forsvinne helt i løpet av 2021. REC Solar produsere fremdeles små volumer med multikrystallinsk silisium til spesialmarkeder, men har i 2020 dreid sin virksomhet til å levere råstoff med markedets laveste klimaavtrykk til produksjon av monokrystallinske solceller. Varmebehandlingsprosessen utviklet i prosjektet har høy relevans også for selskapets monokrystallinske virksomhet, og kan legge til rette for økt bruk av vårt råstoff i en stadig voksende del av markedet som betaler høyere pris for produkter med lavt klimaavtrykk. Denne aktiviteten blir videreført i andre interne og eksterne prosjekter.

In the project, Solidification of Unseeded high-PERformance MULTIcrystalline Silicon (SUPERMULTI), we aim to secure the future competitiveness of REC Solar's tall multicrystalline ingots by influencing the recombination activity of structural defects through controlling how they interact with impurity elements and through in-situ hydrogen passivation. REC Solar captures a large synergy effect by using their own feedstock source in their own crystallization process for multicrystalline silicon, which enables the growth of very tall ingots, thus significantly increasing the productivity of the process. The product satisfies current material specifications, but due to increasing quality requirements for tomorrow's higher efficiency cell processes, this is not expected to last. Due to an increase in the density of crystal defects towards the top of the ingot, tall ingots may be particularly challenging for high efficiency cells. However, what renders the structural defects recombination active are the impurity elements decorating them. In the SUPERMULTI project we will therfore work to understand and change the recombination activity of structural defects, like grain boundaries and dislocation clusters, in order to make them less harmful. This can be achieved by influencing the distribution of impurity elements (dissolved/precipitated states), and by increasing the hydrogen passivation of the defects. It is important to understand how the impurity elements are distributed on different types of grain boundaries. Mapping of grain boundary types with Laue diffractometer will be conducted at Sintef and followed by lifetime characterisation of the samples, combined with modeling of recombination activity. Dedicated ingots will be grown with added impurity elements by REC Solar, as well as ingots with in-situ hydrogen during growth. Both p-type and n-type ingots will be made. The material will also be processed to solar cells (PERC type) to screen effects down to cell level. Systematic investigations of heat treatment wil be conducted on selected samples to influence the distrubution of the impurity elements and hydrogen's ability to passivate defects. In the last phase we will look into cross effects between impurity additions and hydrogen in-situ during growth and how it influences the recombination activity of the specific impurity elements. In addition to Elkem Solar and SINTEF staff, bachelor and/or master students at NTNU will be involved in characterization as well as R&D activities in Elkem Solar's labs and production facilities.