211service.com
Ett ljusare sätt att göra solceller
Att tillverka solceller innebär att kiselskivor utsätts för temperaturer över 1 000 °C. Processen innebär normalt användning av värmeelement och kräver mycket energi.
En ny optisk ugn utvecklad av forskare vid National Renewable Energy Laboratory i Golden, Colorado, värmer upp solskivor genom att fokusera ljus på dem - en mycket effektivare process som använder ungefär hälften av energin från en konventionell ugn. Ännu viktigare är att den nya designen också använder ljus för att ta bort vissa föroreningar från kiselskivorna, ett steg som kan förbättra uteffekten av färdiga celler.
Arbetet är i ett tidigt skede — hittills har forskarna bara förbättrat effektiviteten hos de resulterande solcellerna med en halv procentenhet. Men baserat på laboratorietester tror de att de kan öka effektiviteten med fyra procentenheter, från cirka 16 procent effektiva till 20 procent, vilket skulle vara en stor sak i solcellsindustrin, som firar till och med en halv procents ökning.
Höga temperaturer behövs i mer än ett steg under solcellstillverkning. Ugnar används för att införa dopämnen i kislet för att skapa elektriska fält i materialet, för att skapa elektriska kontakter och för att oxidera ytor för att förbättra effektiviteten. Den nya ugnen möjliggör också bättre kontroll av några av dessa processer, vilket kan förbättra en solcells effektivitet.
NRELs design är inte den enda som använder ljus för att bearbeta kisel. Ugnar för snabb termisk bearbetning, som används inom mikroelektronikindustrin, använder också ljus för att värma upp halvledare. Men de nya ugnarna använder mycket reflekterande och värmebeständig keramik för att säkerställa att ljuset endast absorberas av en silikonskiva, inte av väggarna inuti ugnen. Det gör det många gånger effektivare, säger Bhushan Sopori, forskare som ansvarar för ugnsprojektet vid NREL.
Genom att exakt designa formen på ugnens inre kan forskarna kontrollera exakt var ljuset fokuseras, vilket säkerställer att skivorna värms upp jämnt. Det räcker inte att se till att wafern är jämnt upplyst – kanterna måste få mer ljus eftersom de förlorar värme snabbare än resten av wafern.
Processen minskar termisk stress på skivorna och den möjliggör exakt kontroll över de kemiska reaktioner som uppvärmning möjliggör. Exakt kontroll av hastigheterna och tidpunkten för uppvärmningen kan också förbättra de elektriska kontakterna på solcellen, vilket förbättrar dess effektivitet. Och det gör det praktiskt att införa ett oxidationssteg. Oxidation har vanligtvis endast använts av ett fåtal tillverkare för avancerade solceller, men den nya processen skulle göra det billigare och därmed göra det möjligt för fler tillverkare att använda det.
Sopori säger att NREL har utvecklat processer som drar bättre nytta av fotoniska effekter än de snabba termiska bearbetningsugnarna. Eftersom fotoner interagerar med kislet kan de orsaka skadliga föroreningar som järn att flytta ut ur materialet, samtidigt som de behåller fördelaktiga sådana som bor, som behövs för att solcellen ska fungera korrekt.
Forskarna har ännu inte insett den fullständiga effektivitetsförbättringen på fyra procentenheter, delvis eftersom de nya bearbetningsstegen inte alla är kompatibla med andra steg i konventionell tillverkning. Sopori säger att de arbetar med att modifiera de andra stegen för att dra full nytta av den optiska ugnen.
NREL arbetar också med Advanced Optical Systems för att utveckla en maskin som kan bearbeta inte bara en wafer åt gången, som med labbversionen, utan upp till 2 000. Så hög genomströmning kommer att vara nödvändig om ugnarna ska konkurrera med konventionella, som är billiga i drift.