"Priset på solelgenererad el fortsätter att rasa, och tekniken tar över som den billigaste energiformen i fler och fler delar av världen, säger solcellsforskaren John Atle Bones vid SINTEF.

"Vi är vid en ekonomisk tipppunkt som gynnar solcellsteknik, " säger han. "Bra illustrationer av detta från USA inkluderar Berkeley Energy Group/EDF Renewable Energy-projektet, som nyligen lade ner en kolgruva och etablerade en solcellspark på samma plats. I Kalifornien, myndigheterna har nyligen beslutat att införa takbaserade solpanelsstandarder för nya bostäder, " förklarar Bones.

Perfekt val av råmaterial

Prissänkningar på allt mer populära solpaneler är resultatet av utvecklingen inom både teknik och produktionsmetoder – och det är just denna teknik och dess råvaror som Bones och hans kollegor tittar på. SINTEF-forskare tänker nu använda robotar för att höja kvaliteten på slutprodukten.

Att fullända tillverkningen av så kallat monokristallint kisel (det material som ligger till grund för en solcells förmåga att generera el) har sysselsatt forskarvärlden vid SINTEF i många år. Forskare har nu fokuserat sin uppmärksamhet och, Mer relevant, det av deras sensorer mot den viktiga kvartsdegeln som spelar en av nyckelrollerna vid tillverkning av solceller (se faktaruta i slutet av artikeln).

"Ju bättre råvaror vi har, desto effektivare blir solcellerna, och detta kommer i sin tur att minska miljöavtrycket från den elektricitet som cellerna genererar, " säger Bones. "Så det är viktigt att de kvartsdeglar vi använder är av högsta kvalitet. För närvarande, kvalitetssäkring av degeln utförs genom visuell inspektion, men detta har sina begränsningar, säger Bones, vem som leder projektet.

Roboten har utvecklats av SINTEF-forskare och en grupp studenter vid NTNU, och bygger på ett antal optiska sensorer som kan detektera mycket mer än vad som är synligt för det mänskliga ögat.

Detta dedikerade sensorpaket har gett roboten både superseende och egenskaperna hos en detektiv. Kvartsdeglar är uppbyggda av olika lager med varierande strukturer som kombinerar reflektivitet och transparens. För att avslöja en degels egenskaper, fel och defekter är det nödvändigt, bokstavligen, att söka på djupet.

"Innan vi byggde den här roboten studerade vi deglar för att identifiera sambandet mellan deras kvalitet och egenskaperna hos den monokristallina kiselslutprodukten, " säger Bones. "För att göra detta var vi tvungna att vara ganska brutala, " säger han. "Vi tillämpade vad som helt enkelt kallas destruktiva metoder. Detta innebär att krossa, mala upp och lösa upp materialen i kemikalier. Efterföljande analyser gav oss tydliga indikationer på egenskaperna hos de olika skikten som skulle utgöra en given degel, säger Bones.

Men nu har de lärt roboten att känna igen defekter i deglar utan att så mycket som ett dammkorn förstörs i processen. SINTEFs nya robot gör att en degel kan ledas genom en snabb och mycket noggrann sorteringsprocess innan den används i smältugnen. Här spelar den en av huvudrollerna i kristallåterdragningsprocessen som föregår wafertillverkning.

"Deglar är vanligtvis mellan 50 och 70 centimeter i diameter och väger 10 kg, ", säger Bones. "Det är därför viktigt att kunna utnyttja dem så optimalt som möjligt, ", säger han. "Att använda en degel med fel egenskaper kan leda till att man måste smälta om det tillverkade kislet, " han säger.

Laserseende och sensorer

Att hitta en enda sensor som kunde göra allt som forskarna ville visade sig vara omöjligt. Så de kombinerade ett urval av sensorer och gjorde det möjligt för dem att kommunicera med varandra. Enligt Bones, den konfokala vitljussensorn är en av de viktigaste som ingår i detta system.

Den fungerar genom att reagera på de olika färgerna och motsvarande våglängder i det vita ljusspektrumet.

Bland annat, en högupplöst digital CCD-kamera ingår också som kan "se" i mycket detaljerade skalor. Denna är i sin tur kopplad till en maskinseende enhet som gör att systemet kan identifiera små variationer i material som inte borde finnas där.

Roboten placerar sig sedan i rätt fysisk position.

"Bland de saker vi mäter är krökningen och tjockleken på kvartsdegeln, som är skålliknande till formen, " säger Bones. "Här, roboten måste justera sina "ögon" i rätt vinkel för alla punkter den är programmerad att inspektera. Detta möjliggörs med hjälp av flera avståndssensorer och genom att utföra beräkningar som tillåter roboten att kontinuerligt korrigera spåret längs med vilket den rör sig, " han förklarar.

Inga problem att dela

"Det ger oss extra glädje att ha lyckats åstadkomma detta med begränsade medel – och samarbetet med NTNU-studenter som har arbetat med detta projekt som en del av sina kandidat- och magisterexamen, säger Bones, som nu är redo att dela den analytiska sensortekniken med alla som tror att de kan använda den på ett bra sätt.

"Det som skulle vara ännu bättre är om någon läser den här artikeln och bestämde mig för att det är precis vad jag behöver för mitt projekt!", han säger. "Mycket av det vi har uppnått här är överförbart till andra processer och råvaror, säger Bones.

Kvartsdegelns roll vid tillverkning av solceller:En kvartsdegel är en skålliknande behållare, mellan 50 och 70 cm i diameter med väggar ca 1 cm tjocka. Degelns kvalitet är mycket viktig. Om det är otillräckligt, slutprodukten kommer att vara oanvändbar. Degeln är uppbyggd av olika kvartsskikt som utför en mängd olika funktioner under tillverkningsprocessen. Den fungerar som en behållare som används i ugnarna som smälter kisel innan produktionen av monokristallint kisel. Som en del av denna process, en så kallad "frö"-kristall doppas i det smälta kislet, och en stor monokristallin kiselkristall avlägsnas sedan från smältan. Denna process för kristalluttag tar upp till två dagar. Slutprodukten är en cirka två meter lång och 20 centimeter bred kristall som i sin tur används som råvara för tillverkning av så kallade kiselwafers. Dessa wafers delas sedan upp för att producera solceller.