Modellering av krystalliseringsprosesser for solcelle-silisium

Silisiumbaserte solcellers evne til å omdanne solenergi til elektrisk energi er sterkt påvirket av ulike typer urenheter og defekter som oppstår under og etter krystallisasjonsprosessen. Utviklingen av støpefronten og strømningsmønsteret i smelten påvirker strukturen og kvaliteten til krystallene. Særlig vil tetthet av dislokasjoner, krystallkornenes form, urenheter og små klynger av atomer eller utfellinger bety mye for den lokale virkningsgraden i solcella.

Lokale områder med høy tetthet av dislokasjoner har blitt vist å være særlig ødeleggende for solcellas virkningsgrad, og slike må derfor forsøkes begrenses. Dislokasjoner oppstår under krystallisasjonsprosessen og den påfølgende avkjølingen under påvirkning av mekaniske spenninger som skyldes temperaturgradienter i det faste materialet. Økt forståelse av den komplekse krystallisasjons-/avkjølingsprosessen vil gjøre det mulig å redusere tettheten av dislokasjoner.

De siste tiårene har numeriske simuleringer framstått som et effektivt redskap for å utvikle og optimalisere tekniske prosesser. Dette gjelder særlig for prosesser der høyere produktkvalitet gir produktet vesentlig større verdi. God kontroll av temperatur og strømningsfordeling i krystalliseringsovnen er essensielt for fremstilling av høy-effektive solceller. Fordelene med en avansert regnemodell er mulighet til både å beregne makroskopiske størrelser som temperatur, væskestrømning og mekanisk spenninger og mikroskopiske krystalldefekter slik som dislokasjoner.

Utfordringer
Rekombinasjon av ladningsbærere ved ulike urenheter og defekter begrenser solcellers effektivitet. Effekten av en del urenheter kan reduseres gjennom ulike deler av framstillingsprosessen, men dislokasjoner er vanskelig å endre ettersom fjerning av slike defekter vil kreve svært høy energi. Dannelsen av dislokasjoner kan tilskrives plastiske deformasjoner ved høye temperaturer. Ulike tilnærminger har vært forsøkt for å modellere plastisitet ved støping av silisium. Områder med høy tetthet av dislokasjoner sammenfaller ofte med lokalt lavere effektivitet. Ønsker man å bruke modellering av støpeprosessen til å forutsi effektiviteten til solceller, må man derfor utvikle bedre modeller for dannelse og utbredelse av dislokasjoner. Mekanismene for hvordan dislokasjoner påvirker solcellers effektivitet er ikke kjent, men man tror at oppløste atomer/partikler kan spille en viktig rolle. I dette prosjektet blir disse mekanismene studert.

Det er fullt mulig å måle strukturen til og tettheten av dislokasjoner, og prosjektet vil kombinere eksperimentelle data og grunnleggende teori med prosessimuleringer som fremskaffer data for hvordan temperaturer, mekaniske spenninger og deformasjoner utvikler seg. Målet er å kartlegge de viktigste fenomenene som bestemmer dislokasjonsmønstret.