"De prijs van door zonne-energie opgewekte elektriciteit blijft dalen, en de technologie neemt in steeds meer delen van de wereld de overhand als de goedkoopste vorm van energie, ", zegt zonnecelonderzoeker John Atle Bones van SINTEF.

"We bevinden ons op een economisch kantelpunt dat de voorkeur geeft aan zonneceltechnologie, "zegt hij. "Goede voorbeelden hiervan uit de VS zijn het Berkeley Energy Group/EDF Renewable Energy-project, die onlangs een kolenmijn heeft gesloten en op dezelfde locatie een zonnepark heeft aangelegd. In Californië, de autoriteiten hebben onlangs besloten om normen voor zonnepanelen op het dak in te voeren voor nieuwe woningen, " legt Bones uit.

De selectie van grondstoffen perfectioneren

Prijsverlagingen in steeds populairdere zonnepanelen zijn het resultaat van ontwikkelingen in zowel technologie als productiemethoden - en het is precies deze technologie en zijn grondstoffen waar Bones en zijn collega's naar kijken. SINTEF-onderzoekers zijn nu van plan om robots in te zetten om de kwaliteit van het eindproduct te verbeteren.

Het perfectioneren van de productie van zogenaamd monokristallijn silicium (het materiaal dat de basis vormt van het vermogen van een zonnecel om elektriciteit op te wekken) houdt de onderzoeksgemeenschap van SINTEF al vele jaren bezig. Onderzoekers hebben nu hun aandacht gericht en, beter gezegd, die van hun sensoren naar de belangrijke kwartskroes die een van de sleutelrollen speelt bij de productie van zonnecellen (zie het feitenkader aan het einde van het artikel).

"Hoe beter de grondstoffen die we hebben, hoe efficiënter de zonnecellen zullen zijn, en dit zal op zijn beurt de ecologische voetafdruk verkleinen van de elektriciteit die de cellen genereren, ", zegt Bones. "Dus het is belangrijk dat de kwartskroezen die we gebruiken van de hoogste kwaliteit zijn. Momenteel, kwaliteitsborging van de smeltkroezen wordt uitgevoerd door visuele inspectie, maar dit heeft zijn beperkingen, " zegt Bones, wie het project leidt.

De robot is ontwikkeld door SINTEF-onderzoekers en een groep studenten van NTNU, en is gebaseerd op een aantal optische sensoren die veel meer kunnen detecteren dan voor het menselijk oog zichtbaar is.

Dit speciale sensorpakket heeft de robot zowel superzicht als de kenmerken van een detective gegeven. Kwartskroezen zijn opgebouwd uit verschillende lagen met verschillende structuren die reflectiviteit en transparantie combineren. Om de eigenschappen van een smeltkroes te onthullen, gebreken en defecten is noodzakelijk, letterlijk, diepgaand te zoeken.

"Voordat we deze robot bouwden, hebben we smeltkroezen bestudeerd om het verband te identificeren tussen hun kwaliteit en de eigenschappen van het monokristallijne silicium eindproduct, ", zegt Bones. "Om dit te doen, moesten we behoorlijk brutaal zijn, ' zegt hij. 'We hebben wat eenvoudig destructieve methoden worden genoemd, toegepast. Dit betekent verpletteren, vermalen en oplossen van de materialen in chemicaliën. Daaropvolgende analyses gaven ons duidelijke aanwijzingen over de eigenschappen van de verschillende lagen die een bepaalde smeltkroes zouden moeten vormen, ' zegt Bones.

Maar nu hebben ze de robot geleerd om defecten in smeltkroezen te herkennen zonder dat daarbij ook maar een korreltje stof wordt vernietigd. Met de nieuwe robot van SINTEF kan een smeltkroes door een snel en zeer nauwkeurig sorteerproces worden geleid voordat deze in de smeltoven wordt gebruikt. Hier speelt het een van de hoofdrollen in het kristalonttrekkingsproces dat voorafgaat aan de wafelproductie.

"De smeltkroezen hebben meestal een diameter van 50 tot 70 centimeter en wegen 10 kilogram, ", zegt Bones. "Het is dus belangrijk om ze zo optimaal mogelijk te kunnen benutten, ", zegt hij. "Het gebruik van een smeltkroes met de verkeerde eigenschappen kan ertoe leiden dat het vervaardigde silicium opnieuw moet worden gesmolten, " hij zegt.

Laservisie en sensoren

Het bleek onmogelijk om één enkele sensor te vinden die alles kon wat de onderzoekers wilden. Dus combineerden ze een selectie van sensoren en lieten ze met elkaar communiceren. Volgens Bones, de confocale witlichtsensor is een van de belangrijkste in dit systeem.

Het functioneert door te reageren op de verschillende kleuren en bijbehorende golflengten in het witte lichtspectrum.

Onder andere, er wordt ook een digitale CCD-camera met hoge resolutie meegeleverd die op zeer gedetailleerde schalen kan "zien". Dit is op zijn beurt verbonden met een machine vision-apparaat waarmee het systeem kleine variaties in materialen kan identificeren die er niet zouden moeten zijn.

De robot lokaliseert zichzelf vervolgens in de juiste fysieke positie.

"Een van de dingen die we meten is de kromming en dikte van de kwartskroes, die komvormig is, "zegt Bones. "Hier, de robot moet zijn "ogen" in de juiste hoek afstellen voor alle punten die hij moet inspecteren. Dit wordt mogelijk gemaakt door gebruik te maken van verschillende afstandssensoren en door berekeningen uit te voeren waarmee de robot continu de baan waarlangs hij beweegt kan corrigeren, " hij legt uit.

Geen probleem met delen

"Het geeft ons extra plezier dat we dit met beperkte financiering hebben kunnen bereiken - en de medewerking van NTNU-studenten die aan dit project hebben gewerkt als onderdeel van hun bachelor- en masteropleiding, " zegt Bones, die nu klaar is om de analytische sensortechnologie te delen met iedereen die denkt deze goed te kunnen gebruiken.

"Wat nog beter zou zijn, is als iemand dit artikel zou lezen en zou besluiten dat dit precies is wat ik nodig heb voor mijn project!", hij zegt. "Veel van wat we hier hebben bereikt, is overdraagbaar naar andere processen en grondstoffen, ' zegt Bones.

De rol van de kwartskroes bij de vervaardiging van zonnecellen:Een kwartskroes is een komvormige container, tussen 50 en 70 cm in diameter met muren van ongeveer 1 cm dik. De kwaliteit van de kroes is erg belangrijk. Als het onvoldoende is, het eindproduct zal onbruikbaar zijn. De kroes is opgebouwd uit verschillende kwartslagen die tijdens het fabricageproces verschillende functies vervullen. Het fungeert als een container die wordt gebruikt in de ovens die silicium smelten voorafgaand aan de productie van monokristallijn silicium. Als onderdeel van dit proces, een zogenaamd "zaadkristal" wordt in het gesmolten silicium gedompeld, en vervolgens wordt een groot monokristallijn siliciumkristal uit de smelt onttrokken. Dit proces van het terugtrekken van kristallen duurt maximaal twee dagen. Het eindproduct is een ongeveer twee meter lang en 20 centimeter breed kristal dat op zijn beurt wordt gebruikt als grondstof voor de vervaardiging van zogenaamde siliciumwafels. Deze wafels worden vervolgens opgedeeld om zonnecellen te produceren.