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

Magasinfyllingen har økt de to siste ukene, men kraftmarkedet er fremdeles i en underskuddssituasjon. Etter NVEs syn er det likevel ikke fare for forsyningssikkerheten neste vinter.
Torsdag, 16 august, 2018 - 10:10
NVE har gjort analyser som viser at strømprisen kunne vært 2-3 ganger høyere på vinteren selv med normale nedbørsmengder dersom vi ikke hadde vært koblet til det europeiske kraftmarkedet via overføringsnettet.
Torsdag, 16 august, 2018 - 09:40
Enova og Norsk Industri signerte 15. august en samarbeidsavtale med målsetting om økt innovasjon, reduserte klimagassutslipp og styrket forsyningssikkerhet i industrien. Samarbeidet skal bidra til at industrien utvikler og tar i bruk ny teknologi, øker sin kompetanse og gjennomfører investeringer som øker energieffektiviteten og reduserer utslippene av klimagasser.
Fredag, 17 august, 2018 - 08:33
Vi har 5000 km med vannkrafttunneler i Norge, nå skal forskerne i HydroCen finne ut hvor lenge de kan vare og om de har en holdbarhetsdato.
Onsdag, 15 august, 2018 - 09:44
Den europeiske nettutviklingsplanen 2018 viser at omfattende investeringer i kraftsystemet er nødvendig, både for å nå klimamålsetninger og for å ivareta en akseptabel forsyningssikkerhet.
Tirsdag, 14 august, 2018 - 09:52
Nettpartner har inngått avtale med Stangeland Maskin AS som underentreprenør for elektroarbeid inklusive kabelføringer i Guleslettene Vindpark. Videre skal Nettpartner bygge en 132 kV kraftlinje for Sogn og Fjordane Energi Nett (SFE Nett).
Onsdag, 8 august, 2018 - 09:31
NVE rår OED til å ikkje gje Sunnhordland Kraftlag løyve til Opo kraftverk med flaumtunell i Odda i Hordaland.
Onsdag, 15 august, 2018 - 09:32
Det nye konsernet Hafslund E-CO ble etablert 4. juli i år. Det nyoppnevnte styret i Hafslund E-CO AS ansatte Finn Bjørn Ruyter som konsernsjef. Nå er den nye konsernledelsen klar.
Fredag, 17 august, 2018 - 08:28
Fredagskommentar:
På slutten av forrige uke fikk deler av Østlandet en påminnelse om det uberegnelige været. Kraftig vind gjorde blant annet 40 000 kunder i nettområdet til Hafslund strømløse. Utover høsten og vinteren er det gode grunner til å holde på hatten. Og ikke minst; ta høyde for en beredskap som kan håndtere mer ekstremvær.
Fredag, 17 august, 2018 - 08:23
OED vil tilby Fortum Oslo Varme tilskudd til forprosjektering av CO2-fangst på energigjenvinningsanlegget på Klemetsrud.
Mandag, 13 august, 2018 - 10:02
Aluminiumselskapet Hydro har kjøpt 34% av Njordr, et selskap som skal utvikle landbaserte vindkraftprosjekter i Norge og Sverige.
Onsdag, 8 august, 2018 - 09:36
Norge er 51 % elektrifisert. Dårligst er transportsektoren, som til tross for en økende andel elbiler kun er 6 % elektrisk. Best i klassen er byggsektoren og energisektoren, hvor hele 81 % av energien kommer fra elektrisitet. Det viser en fersk oversikt over elektrifiseringsgraden i Norge som Bellona har utarbeidet sammen med Elektroforeningen (EFO). De to organisasjonene mener Norge kan bli verdens første helelektriske samfunn.
Torsdag, 16 august, 2018 - 09:30
Kommentar:
- Selv i Norge som er et av verdens mest egalitære land, var det ikke slik at elektrifiseringen startet med de fattigste, og til slutt også nådde frem til statsministeren, skriver Kjell Roland i Norfund. Han fortsetter debatten om hva som er riktige prioriteringer i energibistanden.
Torsdag, 9 august, 2018 - 10:53
Fra høsten får elektro-elever ved syv videregående skoler gratis utstyr til opplæring i fremtidens teknologiske hjem – smarthus.
Mandag, 13 august, 2018 - 10:08
Elbilistene trenger overhodet ikke bekymre seg for ladekø. Som andre nettbrukere må de bare venne seg til selv å betale for oppgradering av nettet. Det sier Småkraftforeningas styreleder Lars Emil Berge etter at Elibilforeningens Christina Bu er ute og bekymrer seg for «ladeangst» blant elbileierne.
Onsdag, 15 august, 2018 - 09:51
Bare ett norsk område er blant de 500 mest forurensende globalt. I en studie plasserer Bærum seg på en 270-plass blant de mest forurensede byområdene.
Mandag, 6 august, 2018 - 09:55
Det varme og tørre høytrykket som har preget Norden i sommer har nå flyttet seg sørover mot Middelhavet. Det åpner for lavtrykkstrafikk inn i det nordiske kraftmarkedet og gir et etterlengtet påfyll av vannressurser.
Torsdag, 9 august, 2018 - 09:54
I Norge utgjør vannkraften hoveddelen av kraftforsyningen, og ressursgrunnlaget avhenger av nedbørsmengden. Nedbør og temperaturer har derfor alltid påvirket det norske kraftsystemet. De siste årene har stor nedbør gitt flomsituasjoner i flere deler av landet. I år har langvarig tørke gitt mindre vann til vannkraftverkene, og skapt utfordringer for landbruk og vannforsyning.
Tirsdag, 14 august, 2018 - 09:40
Etter vel 600 tunge løft og like mange spesialtransporter ble den siste av vindmøllene i Roan vindpark montert i går. Med sine 71 turbiner og 256 MW i effekt blir vindparken Norges største når den er helt ferdig før jul.
Tirsdag, 14 august, 2018 - 09:46