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

Det er plass i nettet ved gassanlegget på Nyhamna til å ta imot 350 MW havvind fra Havsul, hvis parken automatisk kobles fra hvis det oppstår problemer i nettet på land.
Fredag, 22 mars, 2019 - 12:57
I 2018 gjennomførte Statnett Transport 26 tunge transporter til sjøs. De fleste av dem var krafttransformatorer for kraftbransjen. I år ligger det an til et tilsvarende omfang.
Torsdag, 21 mars, 2019 - 10:09
Etter å ha vært assisterende jernbanedirektør og konsulent er Gunnar G. Løvås tilbake i Statnetts konsernledelse.
Torsdag, 21 mars, 2019 - 19:54
40 TWh fornybar kraft kan erstatte 95 TWh fossil, altså mer enn en halvering av energibruken, ifølge Statnetts estimater.
Torsdag, 21 mars, 2019 - 21:18
Søker man på ordet «driftssentral» på internett får man bilder med kraftsensitiv informasjon. Brudd på forskriften, mener NVE.
Torsdag, 21 mars, 2019 - 09:28
Småkraftforeninga vil la andre land støtte norsk småkraft for å nå sine fornybarforpliktelser, men forslaget omfavnes ikke av NVE og OED.
Lørdag, 16 mars, 2019 - 23:55
Statnetts praksis for tariffering av reaktiv effekt er i strid med regelverket, ifølge NVE.
Onsdag, 20 mars, 2019 - 14:06
Energi Norge støtter Enovas forslag om la energimerkeordningen for bygg ta hensyn til effektbruken, mens NBBL mener det kan undergrave arbeidet med energieffektivisering
Tirsdag, 19 mars, 2019 - 16:42
Fredagskommentar:
Vi regner med at de fleste av våre lesere har registrert at flere av de sakene som er publisert på dette nettstedet denne uken er lagt bak betalingsmur. Det henger sammen med en kvalitetsmessig oppgradering av innholdet.
Fredag, 22 mars, 2019 - 20:42
I januar 2021 kommer nye skip fra Hurtigruten og Havila til å betjene kystruta. Skipene er "plug in hybrider" slik at behovet for strøm til hotelldrift og batterier kan dekkes av landstrøm.
Tirsdag, 19 mars, 2019 - 12:33
Jærentreprenør er tildelt den første kontrakten for en større oppgradering av strømnettet i regionen. Kontrakten gjelder grunnarbeid, bygg og utendørsområde for ny transformatorstasjon på Opstad i Hå kommune. Kontrakten er verdt rundt 60 millioner kroner.
Onsdag, 20 mars, 2019 - 19:07
Sterkere fokus på strukturelle endringer og den digitale utfordringen er to viktige saker som vil prege utviklingen i energibransjen i 2019.
Mandag, 18 mars, 2019 - 10:29
Det er vassdrag i Nord-Norge som har størst sannsynlighet for stor vårflom i år. Også enkelte elver i indre strøk i Sør-Norge har relativt stor sannsynlighet for stor vårflom.
Torsdag, 21 mars, 2019 - 14:31
Vindmøllestøy kan gi søvnproblemer og mer depresjon for eldre, ifølge dansk forskning.
Mandag, 18 mars, 2019 - 18:56
I Oslo skal Fortum Charge & Drive bygge verdens første trådløse hurtigladestasjoner for elektriske taxier. Selskapet inviterer bilprodusenter til å bli med på prosjektet.
Torsdag, 21 mars, 2019 - 10:20
NVE har fatta vedtak om tvangsmulkt til 16 områdekonsesjonærar og sendt varsel om tvangsmulkt for 170 konsesjonærar og eigarar av produksjonsanlegg på grunn av manglande rapportering av anleggsdata.
Tirsdag, 19 mars, 2019 - 11:13
Enova ga tilsagn om 1,8 milliarder kroner til 987 energi- og klimaprosjekter i virksomheter i Norge i 2018. I tillegg ble det gitt 275 millioner kroner i støtte til nesten 15 000 energitiltak i norske hjem. Dermed endte tildelingene på totalt 2,1 milliarder. Statsforetaket er tilfreds med resultatet i de fleste sektorer, men etterlyser flere banebrytende industriprosjekter.
Onsdag, 20 mars, 2019 - 19:16
Norsk Vind Energi AS har sendt inn melding til NVE på vindkraftverket Hordavind i Nordhordland. Prosjektet på 1.500 MW forventes å ha årlig kraftproduksjon på over 5 TWh. Hordavind vil være et av Europas største vindkraftverk.
Fredag, 15 mars, 2019 - 16:30