Når det bobler i solcellene
Hvordan dyrke silisiumkrystaller så rene som mulig? Hvordan utnytte restprodukter, og hvordan resirkulere solceller? Selv om solindustrien sliter, holder forskerne trykket oppe.
Den norske solindustrien har vært i hardt vær de siste årene. I 2023 valgte Rec Solar å legge ned produksjonen i Norge. Samme året gikk Norwegian Crystal konkurs. Da Norsun i Årdal gikk konkurs i desember 2024 var det kroken på døra for den siste solcellefabrikken i Norge.
Nå domineres den globale solcelleindustrien av Kina. Men det er ennå rom for norske aktører, og ved NTNU står forskere ved Institutt for materialteknologi klare til å gi en hjelpende hånd.
– Det har vært både trist og tøft, men vi fokuserer på det som fortsatt er, sier forsker og professor Marisa Di Sabatino.
En aktør som holder stand, er selskapet The Quartz Corp på Drag i Hamarøy. Selskapet utvinner kvarts fra en malmgruve i USA. Kvartsen renses til en så høy renhet at den blant annet kan brukes til å lage smeltedigler for produksjon av solceller.
Diglene er former som man smelter silisium i. Omtrent som en brødform.
– Det vi har jobbet med nå, i samarbeid med The Quartz Corp, er hvordan vi kan få kvaliteten på diglene til å bli best mulig, og få dem til å vare lenger, sier Di Sabatino.
Nær ti prosent av verdens elektrisitet kommer nå fra solceller. Men markedet for solcellepaneler er tøft, med lave priser og intens konkurranse mellom Kina og vestlige land. Her ser vi en solcellepark i Calabria, Italia. Foto: Ingebjørg Hestvik
Fra sand til paneler
Silisium er det vanligste råmaterialet for solcellepaneler. Og det må være rent. 99,9999 prosent rent. Da stilles det høye krav til formene. Di Sabatino forklarer gjerne hvordan solcelleproduksjonen foregår:
– For å lage solceller, må du ha det vi kaller en wafer, som er en skive av silisium.
Skivene er tynne. Ikke mer enn 0,2 millimeter, noen ganger enda tynnere. Om man tenker på wafere som brødskiver, er selve brødet en såkalt ingot, en kompakt blokk av rent silisium. Støpt i en form av kvarts.
– For å lage en ingot, må man smelte silisium. Silisium får man fra sand. Sand består av silisiumoksid som da reagerer med karbon, og du får silisium. Slik silisium kommer i småbiter, og er cirka 98 prosent ren.
For å lage solcellepaneler må bitene bli renere. Fra 98 prosent til 99,9999 prosent.
– Bitene må smeltes, til en silisiumblokk. En ingot.
Selve smeltedigelen må være i stand til å tåle høye temperaturer. Silisium smelter på litt over 1400 grader. Digelen, altså brødformen, må tåle enda høyere temperaturer.
– Det er veldig få materialer man kan bruke til å smelte silisium. Da må du bruke kvarts. Kvarts har et veldig høyt smeltepunkt, rundt 1700 grader, så det passer bra.
- Les også: Når nesten helt rent ikke er rent nok
Bobler i strukturen
Selve smelteprosessen må skje langsomt. Først skal silisiumbitene smelte, og så skal de størkne.
– Det må skje sakte slik at strukturen blir så defektfri eller så perfekt som mulig. Så den vokser en til to mm per minutt. Det betyr at formen holder høy temperatur i mange timer.
I denne langsomme smelteprosessen er den innerste delen av formen alltid i kontakt med den smeltende silisiummassen
I tillegg til silisium inneholder solcellepaneler en rekke materialer som kan resirkuleres. Som for eksempel sølv. Volumet av sølv er ikke stort, men har en høy verdi. Foto: Per Henning, NTNU
– Alle forurensningene som finnes på den innerste overflaten i digelen, vil komme inn i smelten. Kvaliteten på digelen er derfor veldig viktig for kvaliteten du får på silisiumet.
Et problem i denne smelteprosessen er at det kan dannes små gassbobler.
– Om boblene går inne i materialet, ødelegger det strukturen på silisiumet.
Di Sabatino og kollegene har derfor prøvd ut hvordan ulike størrelser på sandpartiklene i digelen, samt renheten på råmaterialene, påvirker slik bobledannelse. De fant at jo finere sandpartikler og renere råmaterialer, jo mindre bobler dannet det seg.
- Les også: Norsk metall styrker Europas sikkerhet
Renser silisiumet
Samtidig har forskerne begynt å flytte fokus fra produktkvalitet til resirkulering og utnytting av restavfall.
– Da jeg begynte å jobbe med solceller på begynnelsen av 2000-tallet, var alle bare opptatt av hvordan man kunne få høyest mulig effektivitet. Hvordan få mest mulig strøm ut av solcellene, sier Di Sabatino.
Solcellene er typisk laget for å kunne fungere i cirka 25 år.
Jafar Safarian er professor ved Institutt for materialteknologi ved NTNU, der han forsker på produksjon, raffinering og resirkulering av solcellesilisium. Foto: NTNU
– Det betyr at alle solcellepaneler som ble installert i begynnelsen av 2000-tallet nå har nådd sin levetid. Derfor er resirkulering et viktig tema.
For å resirkulere alle materialer (silisium, glass, aluminium, sølv etc) som solcellepaneler består av, er det gunstig å kunne separere dem.
– Da må vi jobbe med hvordan vi kan gjøre det enklere å ta solcellepanelene fra hverandre. Hvordan skille de ulike materialene.
Gjennom det EU-finansierte prosjektet APOLLO har NTNU-forskerne sett på hvordan materialene i solcellene kan brukes på nytt.
Prosjektleder Jafar Safarian, også han professor ved Institutt for materialteknikk, sier målet er å kunne gjenvinne materialer av høy kvalitet på en effektiv måte.
– Vår forskning har fokus på rensing av silisium som er skilt ut fra de øvrige materialene i solcellemodulen ved hjelp av kjemiske og metallurgiske prosesser, forteller Safarian.
Høy temperatur og vakum
Forskerne har også sett på hvordan man kan utnytte restprodukter fra selve silisiumproduksjonen. Di Sabatino forklarer:
– Om vi tenker på wafere som brødskiver igjen, så vet man at det blir en del smuler når man skjærer skivene. I silisiumproduksjon kalles disse smulene for kerf.
Når man skjærer skiver av en silisiumblokk får man avfallsprodukt, kalt kerf på fagspråk. Små partikler av silisium-kerf kan pelletiseres (få milimeter-størrelse) og resirkuleres til nytt råstoff. Foto: NTNU
Når man skjærer skiver av en silisiumblokk, kan så mye som 30-40 prosent av blokka ende opp som smuler, eller kerf. Det gir mye avfall. Forskere anslår at årlig blir det produsert mer enn 200.000 tonn kerf, noe som gjør det presserende å finne måter å utnytte det på.
I samarbeid med det nasjonale senteret for solcelleteknologi, FME-Susoltech, har forskerne sett på hvordan man kan resirkulere kerf. Metodene handler enkelt sagt om å bruke høye temperaturer og vakum for å smelte om silisiumsmulene.
– Vi har publisert vellykkede resultater, sier Safarian.
Burde vernet bedre om norsk industri
I Norge driver selskapet Resitec med resirkulering og produksjon av silikonpulver fra kerf. Pulveret blir blant annet brukt til å lage anoder for batterier.
– Avfallsprodukter fra solindustrien trenger ikke nødvendigvis å gå tilbake til å lage nye solcellepaneler. Det finnes veldig mange andre anvendelser, sier Di Sabatino.
Di Sabatino mener politikerne burde vernet bedre om solcelleindustrien i Norge.
– Den store forskjellen mellom å produsere solceller i Norge og i USA eller Kina, er utslippene. I Norge kan vi bruke vannkraft, i USA og i Kina brukes mest kull. Norsun i Årdal var veldig gode, de hadde noe av den høyeste kvaliteten i verden på sine solceller, men det er vanskelig å konkurrere med Kina. Norske politikere må prøve å bli flinkere til å beskytte den industrien vi har i Norge. Så skal vi hjelpe dem til å få gode resultater.
Mechanisms and melting behavior study of Si-kerf agglomerates under inert and vacuum conditions to recover PV silicon. ScienceDirect
