Multikrystallinske solceller består av flere krystaller, og områdene mellom enkeltkrystallene, kalt korngrenser, er opphavet til tap av generert strøm. Korngrensenes egenskaper er en funksjon av orienteringen både til kornene på hver side, og orientering til selve korngrensen. Enkelte typer korngrenser genererer skadelige strukturelle krystallfeil som brer seg innover i krystallet, mens andre typer korngrenser kan absorbere og eliminere de samme krystallfeilene. Gjennom disse indirekte mekanismene er det korngrensene i multikrystallinske solceller som i stor grad bestemmer konsentrasjonen av strukturelle krystallfeil og tapet av generert strøm sammenlignet med monokrystallinske solceller.
Prosjektets hovedmålsetning ved oppstart var å utvikle nye størkningsprosesser med lavere konsentrasjon av strukturelle krystalldefekter ved å endre forholdet mellom skadelige og gunstige korngrensetyper. Korngrensetypene og fordelingen mellom dem defineres i stor grad under første del av størkningsprosessen, hvor det første tynne sjiktet av fast silisium som dannes langs bunnen av kvartsdigelen fungerer som mal for den videre krystallveksten. Et sentralt verktøy for denne delen av prosjektet var en pilotovn for produksjon av multikrystallinske ingoter som tillater «destruktiv» testing med ulike bunnsubstrater og med temperaturbetingelser utover det som kan kjøres i en produksjonsskala ovn. Nødvendige fysiske modifikasjoner av pilotovnen, utvikling av en ny referanseprosess tilsvarende bransjestandard, samt tester av to ulike bunnsubstrater ble gjennomført i 2018.
Prosjektet har brukt Laue-scan til å identifisere korngrensetyper og andre strukturelle defekter i multikrystallinske silisiumskiver (wafere). I motsetning til tradisjonelle metoder, kan denne metoden kartlegge korngrensetyper og defekter over større arealer som gir et mer robust datagrunnlag. I tillegg til kartlegging av korngrensetyper og defekter i testwafere, er det samme gjort over høyde og bredde i to kommersielle referanseingoter.
Under første del av prosjektperioden falt markedsandelen til multikrystallinske solceller dramatisk. Overkapasitet i markedet viste tydelig at state-of-the-art multikrystallinske solceller ikke kunne konkurrere mot monokrystallinske solceller. Interne resultater og nye eksterne publikasjoner viste at potensialet for forbedringer i størkningsprosessen (0.2-0.3% abs) ikke ville være tilstrekkelig til å sikre multikrystallinske solcellers konkurranseevne, og indikerte et større forbedringspotensial i å redusere den elektriske aktiviteten til eksisterende strukturelle defekter. Fokus i prosjektet ble derfor fra 2019 endret fra å redusere mengden krystallfeil dannet under størkningsprosessen, til å forstå hvordan den elektriske aktiviteten til eksisterende krystallfeil påvirkes av forurensingselementer og ovnsatmosfære under størkningsprosessen, og hvordan aktiviteten kan endres med varmebehandling på wafernivå. Til dette arbeidet ble det produsert 8 fullskala ingoter med ulike nivåer av jern og aluminium; 4 multikrystalliske ingoter, og 4 monokrystallinske ingoter som referanser uten korngrenser og utbredte krystallfeil.
Basert på dette prøvesettet har prosjektet utviklet en prosess for å rense silisium-skiver ved varmebehandling uten bruk av ekstra kjemikalier. Metoden er kompatibel med prosessering av store batcher med lav kost. Rensemetoden forbedrer alle områder i multikrystallinske wafere, men den kan ikke alene eliminere de dårligste områdene. Prosessen har høyest industriell relevans for framvoksende lavtemperatur celleprosesser, som i motsetning til høytemperaturprosesser ikke inkluderer prosesstrinn med iboende renseeffekt.
Tre masteroppgaver ved NTNU er gjennomført som en del av prosjektet.
Prosjektet er finansiert av Forskningsrådet
