Dislokasjoner, som vises på videoen ovenfor, er en plage for solceller. Se en nærmere forklaring av det som skjer i videoen i faktaboksen lenger ned i saken.

Solceller blir enda bedre ved hjelp av røntgensyn

POPULÆRVITENSKAP: I forskning må vi av og til fordype oss i de minste detaljene for å forstå de store sammenhengene. Andre ganger må vi ta et steg bakover for å se få oversikt over det store bildet. Og noen ganger må vi gjøre begge deler samtidig.

Publisert

Solceller er den energiteknologien som gir oss mest høykvalitets energi – elektrisitet – per utnyttet areal. Når lyset trenger inn i solcellen, vil elektroner som i utgangspunktet er mer eller mindre i ro, bundet til hvert sitt atom, plutselig bli mobile og bevege seg til overflaten for å gi oss strøm. Men det er mange skjær i sjøen.

Hør for deg «Alle mine elektronkyllinger, kom hjem!» når sola skinner på solcellen; da er det veldig mange rever som er ute på elektronjakt! De viktigste av disse revene kalles dislokasjoner.

Dislokasjoner er fascinerende. Det er dislokasjoner som gjør at du kan bøye et stykke metall uten at det brekker, det er de som gjør at hvis du fortsetter å bøye fram og tilbake mange ganger, så blir det hardt, sprøtt og brekker til slutt. I metaller kan dislokasjoner være nyttige. I solceller er de kun en plage. Som reven i hønsegården.

Det er fremdeles mye vi ikke forstår om problemene med dislokasjoner, og for å kunne sette i gang en storstilt og effektiv revejakt, må vil lære mer om dislokasjonenes indre liv.

Atomer bitte litt ut av posisjon

Solceller er laget av silisiumkrystaller, og dislokasjoner er en slags linjer der krystallen ikke henger helt sammen. Dislokasjonene danner nettverk, og så snart et elektron, inspirert av sollyset til å vandre til solcelleoverflaten og gjøre nytte for seg, dulter borti dette nettverket, mister det all lyst til å bevege seg.

Vi vil helst ikke ha nettverket der, i hvert fall må det være så glissent at det er liten sannsynlighet for at elektroner treffer borti det.

Men dislokasjonene dannes sammen med krystallen: Når silisiumblokken tas ut av ovnen der den ble laget, er de der allerede; når solcelleskivene som skjæres fra blokken blir etset, kan man faktisk se nettverkene selv om dette altså bare er atomer som er bitte litt ut av posisjon.

Ustabile vesener

Dette har vi gjort mye før. Vi har etset silisiumskiver og studert dem i mikroskop. Da ser vi et mønster som vi tror kan forklare hvordan disse dislokasjonene dannes: De ser ut til å starte opp ved såkalte korngrenser, det vil si der hvor en krystall møter en annen. Og når de første dislokasjonene er dannet, og krystallen vokser videre, så blir de flere og dekker et større og større område.

Med andre ord, dislokasjonene ligger i nærheten av, og kan spores tilbake til korngrenser, og alt dette kan forklares med at det skjer noe feil idet smelte går over til krystall.

Alt vel så langt, men problemet er jo at vi ikke har bevist dette selv om bildene kan forklares med denne mekanismen. Dislokasjoner er ganske ustabile vesener ved høy temperatur: De kan flytte på seg slik at mye forandres fra de dannes til man sitter med en ferdig, kald krystall som kan studeres.

Når krystallen kjøles ned, oppstår det mekaniske spenninger som gjør at dislokasjoner beveger på seg. En alternativ forklaring til at dislokasjonene hoper seg opp i nærheten av korngrenser kan faktisk være at de dannes rundt forbi, men så har de beveget seg og stoppet opp ved korngrensene fordi de ikke «kommer over gjerdet» til neste krystall.

Bitte små detaljer avgjør

To forskjellige hypoteser forklarer samme fenomen. Hvorfor er det viktig å finne ut hvilken som er rett?

Den veldig gode grunnen er at den ene hypotesen peker på den delen av prosessen der krystallen dannes, mens den andre peker på den delen der krystallen kjøles ned. Hvilken skal man fokusere på?

Hvis man skal lage solcellene enda mer effektive, eller hvis man skal lage de enda billigere, eller, kanskje viktigst av alt, hvis man skal lage en prosess der man kan bøtte ut så mange solceller som mulig per døgn for å løse klimaproblemene, hvor skal man rette inn skytset sitt?

Vi ser at for å løse et stort problem, må man forstå den lille detaljen.

Og vi må finne et bedre verktøy enn å titte på dislokasjoner som ligger i ro og spekulere på hvordan de havnet der. Vi må faktisk forsøke å observere dem mens det skjer.

Se bilder fra et av forsøkene i videoen ovenfor

I videoen ovenfor ser vi en prøve mens krystallen vokser og kjøles ned og mange forskjellige dislokasjonsbevegelser: En «tareskog» som strekker seg opp fra den opprinnelige krystallen, dislokasjoner som beveger seg inn mot korngrensen til venstre, en dislokasjon som krøller seg rundt et punkt der den har hengt seg opp og en dislokasjonskilde i korngrensen som pumper ut flere og flere buede dislokasjoner.

Ta et steg tilbake og fyr av kanonen

Dette er ikke enkelt. For det første krystalliserer silisium ved 1410 grader, og da er det så varmt at det blir utfordrende å observere noe som helst. Et enda større problem er at dislokasjonene ikke egentlig er noe. De er bare atomer litt ute av posisjon. Hva kan man bruke for å se noe sånt? Da må man ta et steg tilbake. Og fyre av en kanon.

I dette tilfellet kaller vi kanonen en synkrotron. Synkrotronen produserer røntgenstråler av en slik mengde og kvalitet at vi kan se effekten av disse atomene som bare er litt ute av posisjon. Og uten å gå i detalj: Her kreves det ganske mye av både det eksperimentelle oppsettet og av prøvene vi skal studere!

Vi allierer oss derfor med de beste. Forsøkene gjøres ved European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), et samarbeid mellom landene i Europa. Det er her vi finner det eksperimentelle oppsettet vi behøver, en ovn der vi kan smelte og krystallisere silisium mens røntgenstrålene passerer gjennom og viser oss dislokasjonenes indre liv. Det er en forskningsgruppe i Marseille i Frankrike som er spesialister på å drive dette instrumentet, så eksperimentene gjør vi sammen med dem.

Disse to bildene viser ting vi observerte under forsøkene. Til venstre er et stillbilde fra videoen nedenfor og viser dislokasjoner som skyter ut fra korngrensen. Stillbildet til høyre er fra videoen ovenfor og viser forskjellige dislokasjonsfenomener.
Disse to bildene viser ting vi observerte under forsøkene. Til venstre er et stillbilde fra videoen nedenfor og viser dislokasjoner som skyter ut fra korngrensen. Stillbildet til høyre er fra videoen ovenfor og viser forskjellige dislokasjonsfenomener.

Oppfører seg ikke helt som vi hadde trodd

Resultatene vi får kan ha relevans for en hel industri og gi et bidrag til det grønne skiftet. Det tar fire døgn for å se på fire prøver - prøver vi har brukt det siste halvåret til å produsere.

Det er alltid vanskelig å se på små ting. Det er også alltid vanskelig å styre store ting. Vi forsøker å se på atomer med en synkrotron som er 844 meter i omkrets og som produserer en røntgenstråle som er 100 milliarder ganger sterkere enn røntgenkildene som brukes på sykehus. Det er vanskelig å få resultater i det hele tatt. Men etter godt over et døgn med intens jobbing ser vi den første filmen av dislokasjoner mens de dannes.

Dette kan sammenlignes med marinbiologene som før var henvist til å studere en og annen blekksprutarm som er skylt opp på ei strand, men som nå kan se ned på de store havdyp og oppdage nye og ukjente arter. Synkrotronen er vår miniubåt, og på 4000 meters dyp ser vi et yrende dislokasjonsliv mens vi før bare kunne se stive linjer og urørlige prikker.

Vi ser dislokasjoner som dannes ved korngrenser mens krystallen fryser. Vi ser dislokasjonene, som lyse striper mot en grå bakgrunn, spre seg utover og oppover i krystallen. Vi ser at vår tolkning av bildene vi har sett på skivene vi har etset er riktige. Det er en stor tilfredsstillelse, men vi ser også helt nye ting. Dislokasjoner som beveger seg i retninger vi ikke trodde de ville gjøre, som deler seg, krøller seg og oppfører seg helt annerledes.

Denne videoen viser at prøven smeltes tre ganger etter hverandre, litt mer for hver gang. Siste gang (55 sek) lykkes vi med å få til en krystall som vokser fint, og etter en stund (1 min 5 sek), skyter det ut dislokasjoner mot venstre. Den spesielle røntgenteknikken gjør at de to krystallene ser ut som de er forskjøvet i forhold til hverandre; den venstre krystallen avbildes lenger nede enn den høyre.

Et lite bidrag til en grønnere framtid

Etter de store opplevelsene og fire intense døgn på synkrotronen, er det bare analysearbeidet som gjenstår. Det vil si, det er ikke «bare» i det hele tatt.

Vi ønsker ikke bare å finne ut når dislokasjonene dannes. Vi vil også vite hvordan og hvorfor de dannes, hvordan og hvorfor de beveger seg og blir flere og hvordan alt dette kan unngås. Vi er godt i gang med analysene. Vi har noen svar.

Vi har fått enda flere spørsmål, men vi har gitt et lite bidrag til en grønnere fremtid.

(Forsidefoto: Frank May / NTB scanpix)