Å produsere solceller er en lang og omstendig prosess. Normalt gjør ikke ett selskap alt fra A til Å – det er rett og slett for mye og forskjellig spesialkunnskap som skal til. Prosessen starter som klassisk tungindustri i form av gruvedrift og smelteverk, og ender som finmekanikk og elektronikkmontasje.
Interessant nok har vårt eget land en solid industri på området: Eksempler er fra Elkem i råvare-enden, til Norwegian Crystals og REC på videreforedling og endelig til ferdig produkt. Vi kan forsvare å si at prosessen vi beskriver i denne artikkelen faktisk er noe av en norsk spesialitet. Å lage solceller er en kompetanseindustri.
Fakta: Slik virker solceller
Superren silisium
Den viktigste ingrediensen i fremstilling av solceller er grunnstoffet silisium. Det finnes i massevis på jorda, det er faktisk det nest mest forekommende grunnstoffet i jordskorpa, kun forbigått av oksygen. Målt etter vekt utgjør silisium nær 28 prosent av grunnstoffene i jordskorpa.
Praktisk talt all stein, sand, jord og leire har et innslag av silisium, men ikke i ren form. Silisium er et reaktivt stoff som aldri finnes i ren form i naturen. Det er heller bundet til andre stoffer, særlig til oksygen i form av silikater – i mineralsk form bedre kjent under navnet «kvarts».
Kvarts er et vanlig utgangspunkt for fremstilling av rent silisium, og kvarts finnes over hele Norge. Norges geologiske undersøkelse NGU har i sine databaser cirka 250 registrerte forekomster. Det brytes kvarts over hele landet, fra Lillesand i sør, via Drag i Nordland, til Norges største kvartsittbrudd i Tana i Finnmark. Finmalt kvarts fra disse bruddene er det første steget på vei mot solceller.
Siden vi trenger helt rent silisium for solcellene, må råstoffet renses grundig. Det foregår i flere trinn når vi snakker om superrent silisium for elektronikkbruk. Det første steget er å varme opp kvartsen sammen med karbon opptil 2000ºC, der stoffene smelter, karbonet binder seg til oksygenet i silikatet, og renere silisium tappes ut. Etter en vaskeprosess av resultatet står vi igjen med 98,5 til 99,7 rent silisium, som omtales som «metallurgisk silisium».
For å lage solceller og annen elektronikk trenger vi imidlertid 99,9999999 prosent rent silisium, så mer rensing må til. Her finnes det flere alternative teknikker, med forskjellig energibehov og kjemikaliebruk, men resultatet er det samme: høyrent poly-silisium. Dette er silisium med en renhetsgrad på opptil 99,999999 prosent, som betyr maks ett fremmed atom per en milliard silisiumatomer.
Silisiumkrystaller
For å utnytte silisiums halvlederegenskaper, trenges krystallinsk silisium som er dopet for den planlagte bruken (for mer om silisiumdoping, sjekk artikkelen «slik virker solceller»). Dette lages i det neste trinnet i prosessen, som ender i ett av to mulige videreforedlinger: monokrystallinsk eller multikrystallinsk silisium.
Monokrystallinsk silisium består av ett eneste krystall, som altså betyr at materialet er helt homogent på atomnivå. Dette gjør at monokrystallinske solceller er de som presterer best, målt etter flere faktorer: Effektivitet, motstand mot høy temperatur og livslengde. Ulempen er at monokrystallinske solceller krever en mer avansert og dyrere fremstillingsprosess med langt høyere krav til renhet i både materialet og prosessen, som selvsagt gjenspeiler seg i prisen på det ferdige produktet.
Multikrystallinske solceller består av mange krystaller, og det gjør at de yter noe dårligere enn mono-celler på kriteriene vi listet over. Men det er adskillig enklere å lage dem, og det gjør at de er billigere.
Starten på fremstillingen av disse er den samme, et smeltebad der silisiumet har fått tilsatt den riktige mengden med doping, alt etter hvilken type halvleder som skal lages. Ovnen der dette smeltes er et lukket system, og luft er fortrengt av en edelgass, som regel argon. Det gjør at det ikke kommer inn ukontrollerte forurensinger i smeltebadet.
CZOCHRALSKI-METODEN: Denne korte videoen viser metoden for å produsere monokrystallinske krystaller, og kuttingen til blokker, og deretter wafere. (Video: UNSW eLearning)
For monokrystallinsk fremstilling senkes et lite «frø-krystall» nedi smeltebadet, der det flytende silisiumet avsetter seg i nøyaktig samme struktur som det frøet har. Dette roterer og trekkes langsomt opp av smeltebadet. Noen døgn senere har vi en sylinder av monokrystallinsk silisium som er spiss i begge endene, en såkalt «ingot». Den er halvannen til to meter lang, og diameteren kan variere fra 15 til 30 centimeter, avhengig av trekkehastigheten, temperatursjiktene i ovnen, og rotasjonshastigheten under trekkingen.
Multikrystallinsk silisium lages ganske enkelt ved å helle smeltebadet i en form, der krystaller vil dannes under en kontrollert avkjøling.
Fra wafer til celle
De neste trinnene i prosessen er helt mekaniske. En monokrystallinsk ingot vil først få de spisse endene saget av, og deretter vil sidene sages slik at tverrsnittet av den er en maksimalt stor kvadrat. Hjørnene skjæres ikke helt ut, de får en liten skråskjæring, og det er derfor tradisjonelle solceller får sin karakteristiske fasong. Nå har vi en «blokk», tilsvarende støpeformen som multikrystallinsk silisium lages i. Dermed er prosessen videre lik for mono- og multikrystallinske celler.
Det neste som skjer er at silisiumet skal sages i tynne skiver – såkalte «wafere». Vanligvis gjøres dette med tynne skjæretråder, og waferne får en tykkelse ned mot 100 mikron, eller 0,1 millimeter; omtrent samme tykkelse som et papirark. Deretter poleres og renses waferne etter sagingen, før overflaten blir antirefleksbehandlet. Dette skjer ved å prege et mønster i overflaten, slik at sollyset ikke reflekteres rett tilbake, men derimot sendes i vinkler i for eksempel et mikroskopisk pyramidemønster på overflaten. Det gjør at mer av sollyset sendes inn i solcellen.
Fram til nå er waferen strengt tatt ikke blitt en solcelle ennå. Da krystallblokken ble lagd, hadde silisiumet kun ett dopingstoff tilsatt, slik at hele blokken ble én type halvleder, tradisjonelt en P-type. For å bli en solcelle trenges også en N-type halvleder, og den tilsettes nå. Det skjer ved å bake waferen i høy temperatur, mens stoffene fosfor og nitrogen tilsettes. Det lager et tynt lag med en kraftig dopet N-type halvleder, og nå har waferen blitt til en solcelle.
Resten av prosessen fram til sluttproduktet vi ønsker oss handler om montering og oppkobling.
Ferdige solceller
Ferdigstillingen av en enkelt solcelle består av å gi den oppkoblingspunkter og beskyttelse. På forsiden får cellen mange tynne tråder av en sølvlegering eller et annet stoff med svært god elektrisk ledeevne, for å høste elektroner på hele overflaten. Slike tynne tråder legges parallelt over cellen, og disse kobles igjen sammen med tykkere tråder på tvers, som også fungerer som koblingspunkter for forsiden. Disse trådene kalles for «busbars». Tilsvarende må baksiden av cellen også kobles opp, her finnes flere teknikker, og også her ender vi opp med tilkoblingspunkter. Cellen har altså fått det som tilsvarer pluss- og minuspolen på et batteri. I tillegg legges glass på forsiden, dels for å beskytte cellen, men også for å filtrere lyset, slik at det kun er de utnyttbare lysfrekvensene som slipper inn i cellen.
En enkelt solcelle gir tilstrekkelig med strøm for å kunne lade opp et lite batteri, eller holde liv i annet som krever relativt lite elektrisk effekt. Tidligere har tommelfingerregelen vært at en enkelt solcelle gir 0,5-0,6 volt, mens nyere design klarer om lag 0,7 volt. Strømmen ut av cellen er naturligvis avhengig av hvor mye de blir belyst, men en strømstyrke fra 5,5 til 6-7 ampere er normalt når cellen yter høyt.
For å kunne produsere mer kraft enn dette kreves flere solceller, og for å kunne snakke om et solkraftverk trenges store mengder av dem.
Stor, større, størst
Solceller produserer altså likestrøm, akkurat som batterier, og de kan kobles sammen på samme måte som batterier. Seriekobling, der pluss kobles til minus gjennom serien, gir høyere spenning ut. Parallellkobling, der pluss kobles til pluss og minus til minus, øker strømstyrken. Kombinasjoner der serier deretter kobles i parallell er vanlig for å få en passe kombinasjon av strøm og spenning.
Når solcellene kobles sammen på den måten, beskyttes med glass foran og andre beskyttelsesmaterialer bak, bygges inn i en ramme med festeanordninger for montasje, så snakker vi om et «solcellepanel». Slike paneler kan inneholde alt fra 10-12 til flere titalls enkeltceller, alt etter hvor stor effekt panelet skal ha, og hvor store ytre mål som er ønskelig.
I større installasjoner brukes mange paneler. Panelene som brukes her er vanligvis på 400-450 watt, og dekker snaue to kvadratmeter. På en normal norsk enebolig er det plass til 20-30 paneler, naturligvis avhengig av tilgjengelig solvendt areal.
På det neste nivået dreier det seg om solkraftverk, som bruker tusenvis av solcellepaneler der ytelsen handler om megawatt. Verdens største solcellebaserte kraftverk er for tiden i India. I Bhadla Solar Power Plant, som består av flere enkeltkraftverk, er ytelsen på formidable 2.245 megawatt – levert av mer enn 10 millioner solcellepaneler.
Om strømforbruket som er tilkoblet solcellene er akkurat det samme som det cellene produserer, så trenges bare kabler og sikringer i tillegg. Om strømmen skal lagres, trenges ladekontrollere og batterier eller andre former for energilagring. Dersom forbrukerne trenger vekselstrøm, så må vi ha invertere. Og om vi skal gjøre kombinasjoner av dette, eller av og til selge strømmen til el-verket, så trenges det meste av dette, i tillegg til avansert strømstyring.