Skal NorSun klare å produsere flere wafere; solcellenes råmateriale, må de utnytte produksjonsmulighetene maksimalt – uten at det går på kvaliteten løs. For å løse den oppgaven får de forskerhjelp fra SINTEF. Bildet viser krystalltrekkerne som er sentrale i produksjonen. (Foto utlånt av NorSun)

Vil tidoble norsk satsing på sol

Verdens mest miljøvennlige produksjon av solceller skal økes med tigangen. Det skal skje i et lite norsk tettsted.
Torsdag, 2 august, 2018 - 10:05

Av: Christina Benjaminsen, Gemini

Verdens mest miljøvennlige produksjon av solceller skal økes med tigangen. Det skal skje i et lite norsk tettsted.

Innerst i Sognefjorden, ved foten av de bratte Skagastølstindane, skjer et industri-løft basert på satsingsvilje, industriell dyktighet, vannkraft og forskning.

– Årdal har alltid vært i forkant av den industrielle og teknologiske utviklingen, sier John Atle Bones, SINTEF-forsker, kybernetiker og solcelle-entusiast. Bygda er derfor kjent for både vannkraft og aluminiumsproduksjon.

Det er ikke like kjent at industrien i Årdal er i verdenstoppen når det gjelder å produsere monokrystallinsk silisium. Et supermateriale som brukes i praktisk talt all elektronikk, men som i dag også er den viktigste ingrediensen i høyeffektive solceller.

– Markedet er i enorm vekst, og utviklingen i bransjen skjer raskt. For å være ledende og holde seg i front satses det mye på kontinuerlig forbedring, forskning og innovasjon, sier Bones.

Nå leder han et av prosjektene som skal bidra til at NorSun i Årdal skal få verdens høyeste produktivitet. Om ryktet holder det det lover, har råvaren fra NorSun på Årdalstangen vakt Tesla-gründer Elon Musks interesse – i arbeidet med produktet sun-roof, solkraftverket Musk håper skal bli «allemannseie».

Mer miljøvennlig produksjon av monokrystallinsk silisium, skal den verdenskjente gründeren lete lenge etter: De bratte fjellene her leverer fornybar og utømmelig vannkraft til fabrikken i Årdal. Kraften brukes til å drifte de spesielle ovnene som kalles krystalltrekkere.

– Det er inne i ovnene, som holder en temperatur på over 1400 grader celsius, det spesielle krystallet dannes, sier forskeren.

Komplisert å lage solceller

Produksjonen av monokrystallinsk silisium er en fascinerende skapelsesprosess: Den forvandler en frøkrystall på størrelse med en blyant til en stor monokrystall av silisium på over to meter, en såkalt ingot.

Dette skjer ved hjelp av en for de fleste ukjent fremstillingsmetode som kalles Czochralski-prosessen og som foregår inne i smelteovnene over flere døgn. Her trekkes krystall-frøet sakte oppover av en metalltråd, mens det roterer i en digel av smeltet silisium. På denne måten vokser krystallet – omtrent en millimeter i timen, og blir til én eneste stor krystall – en monokrystall.

Materialet beskrives ofte som det mest perfekte mennesket har skapt, fordi atomene står på rekke og rad i hele den store krystallen – nesten helt uten avvik.  Det er også denne strukturen som gjør at det har evne til å omdanne sollyset til strøm veldig effektivt. Det finnes ingen grenser hvor to krystaller med forskjellig orientering møtes, og heller ingen små forskyvninger i krystallen som gir uperfekte linjer i materialet, såkalte dislokasjoner, som hindrer elektronenes flyt i solcellen.

– Prosessen er uhyre kompleks fordi den består av så mange ulike komponenter: Nøyaktig styring av temperaturer, trykk, gass, ovnenes alder og tilstand, silisiumets kvalitet, egenskapene til smeltedigelen og hvordan de ulike delprosessene styres. For å nevne noe, forklarer forsker John Atle Bones. Vi sier at dette er et sterkt koblet system – om man endrer på én parameter, så påvirker det som regel mange andre.

Og det er nettopp kompleksiteten i prosessen som gjør det så lønnsomt å bruke mer avanserte sensorer og digitale verktøy for å styre den: Jo mer nøyaktig styring, jo bedre.

SINTEF har i mange år studert hver enkelt delprosess i materialets vei fra frøkrystall til ferdig silisiumblokk – og videre til såkalte wafers – silisiumskivene som igjen blir til solceller.

I prosjektet, som har fått navnet ASICO (Advanced Single crystal growth control for high-end photovoltaics, se faktaboks), utvikles ny kunnskap og teknologi som skal bidra til å trekke krystaller raskere, og med enda bedre kvalitet. En viktig del av dette er å studere og forstå hvordan ulike parametere påvirker resultatet. En del av prosjektet går på å utvikle algoritmer som beskriver dette matematisk. Når det er gjort kan tallene bli til dataprogram, som igjen kan gi ovnene en hjerne og evne til å lære.

–  Målet er å maksimere prosessytelsen, uten kvalitetsavvik. Systemet er bygd og tatt i bruk, og uttesting er i gang. Vi ser gode resultater og ikke minst videre potensiale, sier SINTEF- forskeren.

Hver ovn er individuell

Et viktig grep forskerne har foreslått er å utstyre ovnene med maskinlæring, slik at de blir selvlærende. Målet er at hver ovn kan justere seg selv til å kunne ta ut sitt fulle potensiale.

– Men er ikke ovnene helt like?

– Nei. I prinsippet er alle ovnene like, men i realiteten er det forskjeller: Ovnene har for eksempel varmesoner som består av ulike typer grafitt. Det er varmesonen som gir de termiske betingelsene for å gro krystallene. Men grafitten varer ikke for alltid, den må med jevne mellomrom byttes ut fordi den blir slitt. Det gjør at hver ovn får sitt «termiske fingeravtrykk», som igjen påvirker produksjonen. Disse forskjellene må kompenseres med oppskriften man styrer ovnen etter, forklarer Bones.

Med andre ord er dette et tidkrevende og kontinuerlig arbeid som krever at man henter ut driftsdata, og at man analyser alle styringsparameterne – eller forholdene inne i ovnen – til enhver tid, for alle ovnene. Snart skal dette skje automatisk:

– For å forklare hva ovnene nå skal gjøre, kan vi sammenlikne med en bil som skal kjøre uten fører på en svingete og glatt vei: Oppgave en er å holde den innstilte farten med god nøyaktighet, mens den kontinuerlig finner den maksimale hastigheten som cruise controllen kan settes til, uten at bilen sklir ut i svingene, sier John Atle Bones.

– Ganske enkelt kan vi skyve hver enkelt ovns ytelse over på det maksimale. Det tror vi vil gi oss stor gevinst, både i produksjonstakt og kvalitet, utdyper prosessingeniør i NorSun, Jeroen J. van Delft.

Samtidig jobbes det med andre aspekter av prosessen, f.eks. hvordan man mer effektivt kan kjøle krystallen mens den vokser.

– Vi gjorde noen vellykkede forsøk knyttet til dette for kort tid siden, og her vil det skapes en del ny teknologi fremover. Til slutt så gir alt dette billigere og bedre solceller for meg og deg, og en mer bærekraftig jordklode å leve på, sier Delft.

Solceller vokser – og vokser

Solcellestrøm er den raskest voksende energiformen i verden, og bidrar stadig mer til fornybar energi i mange land. Mye av grunnen til det er at markedet etterspør rimelig og fornybar energi, samtidig som solceller i høyt tempo utkonkurrerer andre kraftkilder i større og større deler av verden. Investeringskostnadene for solstrøm har falt kraftig og virkningsgraden av solcellene økt. Som en følge av dette jobber flere aktører med å lage såkalte bygningsintegrerte solceller: solceller som er innebygget i enten materialer for tak, fasader, eller i vinduer.

Fakta om prosjektet:

Navn: ASICO (Advanced Single crystal growth control for high-end photovoltaics)
Prosjekteier: NorSun
Partnere: SINTEF, NTNU, TUD
Varighet: 2016-2019

Vil du vite mer om utviklingen innenfor solstrøm, kan du lese rapporten Solcellesystemer og sol i systemet, som er utarbeidet av Multiconsult og Asplan Viak på oppdrag fra Solenergiklyngen.

Ved Norwegian Crystals, som produserer monokrystallinsk silisium til Solceller i Norge, skal det også ekspanderes kraftig.

På forsiden nå

Styrene i Eidsiva Energi og Hafslund E-CO er gjennom en intensjonsavtale blitt enige om å se nærmere på muligheten for å slå sammen hovedvirksomhetene i de to konsernene. En samling vil styrke evnen til å gi utbytte til eierkommunene og til kontinuerlig forbedring og innovasjon i et energisystem i rask endring.
Torsdag, 15 november, 2018 - 13:26
- Elektrifisering er eit viktig klimatiltak for å fjerna bruken av fossil energi. Vi treng 30-50 TWh meir fornybar energi for å nå målet om full elektrifisering av fastlands-Norge, og vindkraft vil stå for det meste av veksten, seier Olav Osvoll, konserndirektør Produksjon i BKK.
Fredag, 16 november, 2018 - 09:13
Midtkraft Nett AS, et nettselskap lokalisert i Buskerud, har valgt Aidon som leverandør av nye smarte målere. Kontrakten ble inngått i Vikersund 26. oktober og dekker alle kundene til Midtkraft, det vil si totalt 13 500 målepunkter.
Torsdag, 15 november, 2018 - 08:59
I 2019 skjerpes regelverket om forebyggende sikkerhet og beredskap i energiforsyningen. Endringene innebærer blant annet et omfattende nytt krav til IKT-sikkerhet og grunnsikring.
Fredag, 16 november, 2018 - 09:18
Markedsaktørene har løftet prisforventningene i strømmarkedet både for den kommende vinteren og for de kommende årene.
Torsdag, 15 november, 2018 - 09:05
Enova anslår at det årlige markedet for lønnsomme energitiltak i bygningsmassen er på flere milliarder kroner. Likevel går det for tregt med energieffektiviseringen. Statsforetaket har allerede støttet 8 ulike forretningskonsept som kan få fart på utviklingen med til sammen 6,4 millioner kroner. Nå er en ny konkurranse ute.
Fredag, 16 november, 2018 - 09:28
Tema for Grønn frokost i Lyse var blant annet hva som skjer når alle el-ferjer, el-fly og elbusser kommer?
Onsdag, 14 november, 2018 - 09:05
Styret i Akershus Energi har med beklagelse akseptert at konsernsjef Jørn Myhrer benytter sin avtale om fratreden fra 62 år.
Tirsdag, 13 november, 2018 - 08:21
Fredagskommentar:
Fra himmelen, svarte jeg spontant. Tiåringen så ut som et levende spørsmålstegn. Så sprakk ansiktet i et stort smil. Gud kan alt han, sukket barnebarnet mitt imponert.
Fredag, 16 november, 2018 - 10:17
Nexans på Rognan har produsert og levert til sammen 915 kilometer forsterkerfrie, fiberoptiske sjøkabler til PT Mora Telematika Indonesia (Moratelindo). Kablene vil skape en digital bru mellom Jakarta og Surabaya.
Torsdag, 15 november, 2018 - 09:11
Lyse kjøper nettvirksomheten til Forsand Elverk. Avtalen ble signert mandag 12. november og overtakelse vil skje ved nyttår.
Tirsdag, 13 november, 2018 - 08:29
Et økende antall utenlandske elvirksomheter og fagarbeidere søker om godkjennelse til å kunne arbeide i Norge. DSB forutsetter at de som skal arbeide i Norge også setter seg inn i regelverket som NEK 400 er en del av. NEK 400:2018 foreligger derfor nå i engelsk utgave slik at det blir enklere for utenlandske installatører, leverandører og prosjekterende å sette seg inn i normens krav.
Torsdag, 15 november, 2018 - 08:52
Hvordan skal befolkningen i Longyearbyen sikres lys og varme når kullkraftverket må stenge om få år? Statkraft foreslår å bruke fornybar hydrogen, produsert med vindkraft i Finnmark og fraktet med båt til Svalbard.
Mandag, 12 november, 2018 - 09:21
Sogn og Fjordane fylkeskommune har trukket BKK inn i en rettssak som burde vært avvist av tingretten. For å omgå forkjøpsretten til SFE-aksjene har fylkeskommunen konstruert en hypotetisk transaksjonsmodell, og benytter rettsvesenet som utredningsinstans.
Tirsdag, 13 november, 2018 - 08:11
Norge kan bli første land i verden som erstatter all fossil energibruk med fornybar. BKK skal være en energipartner til alle næringer som vil erstatte bruk av fossil energi med strøm.
Onsdag, 14 november, 2018 - 08:48
Høstens kull fra Trainee Sør har gjennomført sine første måneder i Agder Energi. Hva har de jobbet med? Hvordan har overgangen til arbeidslivet vært og hvordan har arbeidsgiveren deres taklet "livet med ny trainee"?
Mandag, 12 november, 2018 - 09:16
Siva, Norges Forskningsråd og Innovasjon Norge offentligjorde i slutten av forrige uke hvilke miljøer som blir tatt opp i klyngeprogrammet Norwegian Innovation Clusters.
Mandag, 12 november, 2018 - 09:26
Multiconsult har signert en fireårig rammeavtale med den norske ambassaden i Dar es Salaam for konsulenttjenester knyttet til fornybar energi og kraftmarkeder i Tanzania.
Onsdag, 14 november, 2018 - 08:57