JUSSI AHOLA YKSI- JA MONIKITEISTEN PIIAURINKOKENNOJEN VALMISTUS

JUSSI AHOLA YKSI- JA MONIKITEISTEN PIIAURINKOKENNOJEN VALMISTUS Kandidaatintyö Tarkastaja: yliassistentti Aki Korpela

II TIIVISTELMÄ TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Sähkötekniikan koulutusohjelma AHOLA, JUSSI: Yksi- ja monikiteisten piiaurinkokennojen valmistus Kandidaatintyö, 25 sivua Toukokuu 2008 Pääaine: Vaihtoehtoiset sähköenergiateknologiat Tarkastaja: yliassistentti Aki Korpela Avainsanat: piiaurinkokenno, piiaurinkokennon valmistus Yksi- ja monikiteiset piiaurinkokennot ovat tällä hetkellä yleisimmät aurinkokenno tyypit markkinoilla. Pii sisältää tarvittavat ominaisuudet aurinkokennolle. Pii on toiseksi yleisin alkuaine maankuoressa, jossa sitä on noin 26%. Tänä päivänä piin valmistus aurinkokennoille alkaa metalliteollisuuden tasoisen piin valmistusprosessilla. Tässä vaiheessa raaka-aineina käytetään yleensä kvartsia ja hiiltä. Reaktiosta saadaan kohtalaisen puhdasta piitä(99-98%). Seuraavaksi piitä jalostetaan elektroniikan puhtaustasolle. Yleisin menetelmä tähän on Siemens-prosessi. Edellä mainittu prosessi on erittäin energia kuluttava prosessi ja sen takia kallis. Prosessilla valmistetun piin puhtaustaso on tässä noin 99,9999% luokkaa. Edellä mainitulla prosessilla valmistettu pii on hieman liian puhdasta ja kallista aurinkokennoille. Kehityksen alla on tällä hetkellä useampia eri menetelmiä valmistaa aurinkokennoille sopivaa piitä. Kuitenkaan yksikään menetelmä ei ole vielä kaupallisessa käytössä. Kun aurinkokennoille sopivaa piitä saadaan, niin siitä valmistetaan harkkoja seuraavaksi. Monikiteisille aurinkokennoille valmistuvat harkot ovat suorakulmaisen särmiön muotoisia. Yksikiteiset harkot ovat lähinnä tangon muotoisia. Tämä johtuu niiden valmistus menetelmästä (CZ-menetelmä). Piiharkot ja -tangot sahataan seuraavassa vaiheessa piikiekoiksi. Sahaus tapahtuu monijohdinsahalla. Monijohdinsahassa on yhdestä johtimesta muodostettu johdinverkko, jonka avulla saadaan sahattua useita piikiekkoja samalla kertaa. Piikiekosta valmistetaan loppuvalmistusprosessissa aurinkokenno. Prosessissa muodostetaan piikiekolle tarvittava pn-liitos sekä muodostetaan tarvittavat kontaktit ja heijastumisenestävä pinnoite. Aurinkokennot testataan ja lajitellaan tehojen mukaan. Panelointivaiheessa aurinkokennot yhdistetään ja valmistetaan suojaukset. Aurinkokennoja kytketään yleensä 36 kappaletta yhdelle paneelille. Kennot suojataan eristysmateriaalilla ja suojalasilla. Valmistusprosessin vaiheet ovat kaikki kehittyneet vuosien saatossa. Eri vaiheet ovat tehostuneet ja kustannukset ovat laskeneet.

III ALKUSANAT Haluan kiittää työn ohjaajaa yliassistentti Aki Korpelaa hyvistä neuvoista ja parannusehdotuksista. Myös erityiskiitokset Ville Aholalle ja Markku Hänniselle virhekorjauksista ja parannusehdotuksista. Tampereella 23.5.2008 Jussi Ahola

IV SISÄLLYS 1. Johdanto... 1 2. Piiaurinkokennon valmistusprosessi... 2 2.1. METALLITEOLLISUUDEN TASOISEN PIIN VALMISTUSPROSESSI...2 2.1.1. Jalostus... 3 2.1.2. Valaminen ja murskaus... 4 2.1.3. Taloudelliset näkökulmat... 5 2.2. ELEKTRONIIKAN TASOISEN PIIN VALMISTUSPROSESSI... 6 2.2.1. Siemens-prosessi... 7 2.3. AURINKOKENNOLLE SOPIVA PII... 9 2.4. PIIKIEKON VALMISTUS... 10 2.4.1. Yksikiteisen piitangon valmistus... 10 2.4.2. Monikiteisen piiharkon valmistus... 11 2.4.3. Piin leikkaus piikiekoiksi... 14 2.5. AURINKOKENNON LOPPUVALMISTUSPROSESSI... 16 2.5.1. Päällystys ja panelointi... 17 3. YHTEENVETO... 19 Lähteet...20

V TERMIT JA NIIDEN MÄÄRITELMÄT MG MG-Si EG EG-Si SoG SoG-Si HEM EVA Metallurgical grade - Metalliteollisuuden taso. Metallurgical grade Silicon - Metalliteollisuuden tasoista piitä. Electronical grade Elektroniikan taso. Electronical grade Silicon Elektroniikan tasoista piitä. Solar grade Aurinkokenno taso. Solar grade Silicon Aurinkokenno tasoista piitä. Heat exchanger method Lämmönsiirrinmenetelmä Ethylene-vinyl-acetate Ethyleeni-vinyyli-asetaatti CZ Czochralski

1 1. JOHDANTO Aurinkokennoja kohtaan kiinnostus ja panostus ovat kasvaneet merkittävästi vuosien mittaan. Tähän ovat vaikuttaneet öljynhinnan kasvu ja ilmastonmuutos paineet. Yksi- ja monikiteiset piiaurinkokennot ovat tällä hetkellä dominoivia aurinkokennotyyppejä markkinoilla. Nykyään monikiteiset ovat markkinoilla johtava aurinkokennotyyppi. Tämä johtuu lähinnä siitä, että vuosien aikana siitä on tullut huomattavasti edullisempi vaihtoehto kuin yksikiteisestä piiaurinkokennosta. Nykyään suuri este piiaurinkokennoteollisuuden kasvamiselle on raaka-ainepula. Raaka-aineena on pääasiassa käytetty elektroniikkateollisuuden hylkäämää piitä, mutta koska kysyntä on kasvanut, ei edellä mainittu piin määrä enää riitä. Tämä kandidaatintyö käsittelee yksi- ja monikiteisen piiaurinkokennon valmistusprosesseja tänä päivänä. Valmistusprosesseista on pyritty selvittämään olennainen, jotta työ havainnollistaisi mielikuvaa piiaurinkokennon valmistuksesta. Työssä on myös yritetty paneutua tasapainoisesti merkittäviin yksityiskohtiin eri prosessien vaiheissa. Lisäksi työssä on pyritty ottamaan selvää mahdollisista merkittävistä parannuksista ja uusista tekniikoista valmistusprosessiin. Työn alussa käydään läpi metalliteollisuudelle sopivan piin valmistusprosessi. Tämän jälkeen on elektroniikkateollisuudelle sopivan piin valmistusprosessi. Pääasiassa tässä käydään läpi Siemens-prosessi. Kolmantena käsitellään hieman aurinkokennoille sopivia piin valmistusmenetelmiä. Näiden jälkeen on yksi- ja monikiteisen piikiekkojen valmistusmenetelmät. Tämä sisältää sekä monikiteisten piiharkkojen ja yksikiteisten tankojen valmistuksen että niiden sahaamisen. Lopuksi tarkastellaan vielä aurinkokennon loppuvalmistusprosessia ja kennojen panelointia. Loppuvalmistusprosessi sisältää piikiekon käsittelyyn liittyvät toimenpiteet, joiden avulla siitä valmistetaan kenno, jolla voidaan tuottaa sähköä valon avulla.

2 2.PIIAURINKOKENNON VALMISTUSPROSESSI Suurin osa tämän päivän aurinkokennoista on valmistettu piistä ja on todennäköistä, että piipohjaiset aurinkokennot säilyttävät enemmistöaseman vielä tulevina vuosina. Pii sisältää tarvittavat ominaisuudet aurinkokennolle ja selkeää haastajaa ei ole vielä markkinoilla.[1] Pii on toiseksi yleisin alkuaine maankuoressa. Sitä on maankuoressa noin 26%. Pii ei koskaan esiinny vapaana luonnossa, vaan se on hapen kanssa eri yhdisteinä.[2] 2.1. METALLITEOLLISUUDEN TASOISEN PIIN VALMISTUSPROSESSI Suurissa valokaariuuneissa valmistetaan piitä metalliteollisuuden tarpeisiin (MG-Si). Sitä kutsutaan myös piimetalliksi. MG-Si puhtaus on 98-99% luokkaa, ja sen hinta on noin 1-2 /kg.[1] Periaatteena prosessi ei ole muuttunut juurikaan siitä, mitä se oli 1900-luvun alussa, kun se kehitettiin piiraudalle ja muille metalliseoksille. Kuitenkin käytännön toteutus on kehittynyt paljon suurempien uunien, tehokkaamman materiaalien käsittelyn ja paremman operaation hallinnan avulla. Tämä on johtanut jatkuvaan energian kulutuksen vähentymiseen, johon liittyy myös puhtaampien raaka-aineiden käyttäminen.[2] Uuni koostuu pääasiassa valupadasta, joka täytetään kvartsilla ja hiiltä sisältävillä materiaaleilla. Pii vapautetaan lämmön ja hiilen avulla piidioksidista.[2] Valokaariuunissa tapahtuva reaktio voidaan kirjoittaa seuraavasti:[1] SiO 2 (s) + C (s) = Si (l) + CO 2 (g). (1) Reaktioyhtälössä yhdisteiden alaindekseissä olevat kirjaimet tulevat englanninkielisistä lyhenteistä. S on solid eli kiinteä, l on liquid eli neste ja g on gas eli kaasu. Prosessissa ei käytetä piihiekkaa vaan kvartsin palasia, jotka omaavat tarvittavan puhtauden ja lämpökestävyyden. Hiiliraaka-aineet koostuvat pääasiassa metalliteollisuuden tasoisesta hiilestä sekä puulastuista ja/tai puuhiilestä ja koksista. Koksi on kivihiilestä kuivatislaamalla valmistettua hiiltä. Kuivatislaus on kemiallinen reaktio, jossa aineet hajotetaan kuumentamalla siten, että happi ei pääse reaktioon. Metalliteol-

lisuuden tasoista hiiltä valmistuu, kun käytetään hiiltä rautaharkkojen valmistuksessa. Tämä hiili täytyy pestä, jotta siitä saadaan pois tuhkan sisältämät epäpuhtaudet. Molemmat raaka-aineet hiili ja kvartsi valitaan siten, että saadaan tuotteesta korkealaatuista, uunista paras mahdollinen teho ja minimoitua ympäristölle aiheutuvat vahingot. Raaka-aineiden reaktiokyvyt ja niiden sekoituksen eheys, kuten huokoisuus ovat tärkeitä tekijöitä, jotta voidaan saavuttaa uunilla erinomainen tehokkuus ja tuotteen laatu.[2] Raaka-ainesekoitusta lämmitetään kolmella jatkuvalla valokaarella, jotka ovat elektrodien ja uunin sähköisen maadoituksen välillä. Elektrodit on upotettu uunin sisälle ja ne on tyypillisesti valmistettu hiilestä. Prosessissa on käytössä kolmivaihevirta ja avoin pyörivä uuni, jonka sähkökuormitus on 10 ja 30 MW välillä riippuen uunin koosta. Tavoite on saada kasvatettua uunin kokoa sekä sähkökuormitusta, jotta voidaan saada kasvatettua tuotantoa.[2] Nestemäinen piimetalli pääsee uuninpohjan kautta pois ja uudet raaka-aineet tulevat uunin yläpuolelta sisään. Reaktiossa valmistuu hiilimonoksidia, joka myöhemmin hapettuu hiilidioksidiksi avonaisissa uuneissa ja vapautuu ilmakehään. Lämpötila uunin keskellä on 1900-2100 ºC. Nestemäinen raakapii sisältää 1-3% epäpuhtauksia. Epäpuhtauksia siihen jää pääasiassa hiilestä(0.1-0.15%), alumiinista(0.4-0.7%), kalsiumista(0.2-0.6%), titaanista(0.1-0.02%) ja raudasta(0.2-1%).[2] 3 2.1.1. Jalostus Edellisen prosessin jälkeen raakapiitä pyritään yleensä vielä jalostamaan. Se valutetaan valusankoihin, jossa sitä käsitellään hapettavilla kaasuilla ja kuonaa muodostavilla lisäaineilla. Aineet, jotka ovat vähemmän jaloja kuin pii, kuten alumiini, kalsium ja magnesium, hapettuvat. Teoreettisesti on mahdollista pienentää alumiinin ja kalsiumin osuuksia hyvin pieniksi, mutta käytännössä tämän estää korkeat lämpöhäviöt, jotka muodostuisivat operaatiossa. Lämpötila tippuu operaatiossa 1700 ºC:sta 1500 ºC:een asti. Piin hapettamisella saadaan lämpöä ja näin pii pysyy nestemäisenä, mutta samalla muodostuu piioksidia. Prosessin haittoina ovat sivutuotteena muodostuvat materiaalihäviöt.[2] Kun jalostuksen hapetusvaihe on suoritettu valusangossa, epäpuhtauksia sisältävä kuona poistetaan. Poistaminen tapahtuu joko mekaanisesti tai painovoiman avulla. Tämän jälkeen nestemäinen pii valutetaan valumuottiin. Kuonaa muodostavat ainesosat vaikuttavat kuonan viskositeettiin ja tiheyteen. Nämä taasen vaikuttavat kuonan erotusmenetelmiin, koska esimerkiksi korkea CaO-pitoisuus aiheuttaa heikon viskositeetin, minkä seurauksena kuona valuu valusangon pohjalle. Sopivan erilaiset ominaisuudet viskositeetin ja tiheyden osalta sulalle piille ja kuonalle ovat vaatimuksena, jotta voidaan saavuttaa hyvä erottelukyky.[2]

Hiili esiintyy raakapiissä pääasiassa liuenneena C- ja erottuneina SiC-partikkeleina. SiC:n osuus kasvaa, kun lämpötila laskee. SiC-partikkelit voidaan näin helposti kerätä kuonavaiheessa ja ne poistetaan mekaanisella erotuksella.[2] 4 2.1.2. Valaminen ja murskaus Jalostettu sula valutetaan valusangoista piimuottiin. Valu tulisi poistaa muotista ennen kuin se jähmettyy kokonaan. Jähmettymisen jälkeen normaaleissa teollisissa olosuhteissa pii on monikiteistä. Monikiteinen pii koostuu piirakeista. Epäpuhtaudet ovat pääasiassa piirakeiden liitoksissa. Epäpuhtauksia voi myös olla rakeiden sisällä, mikäli jähmettyminen on ollut nopeaa.[2] Jotta jähmettynyttä piitä voidaan tarjota asiakkaille, täytyy se murskata pienempiin palasiin. Nämä palaset ovat parhaimmillaan 100mm halkaisijaltaan. Murskaus suoritetaan leukamurskaimella ja valssimurskaimella, koska huoneen lämpötilassa MG-Si on kovaa ja haurasta. Leukamurskain on murskain, jossa materiaali joutuu puristukseen. Siinä on kaksi leukaosaa, toinen on kiinteä ja toinen liikkuva. Liikkuva leuka aiheuttaa voiman syötettäviin kappaleisiin, jolloin kappaleet rikkoutuvat ja sopivan kokoisina pääsevät kulkeutumaan kiinteän leuan keskeltä läpi.[6] Valssimurskain perustuu myös puristukseen. Se on murskain, jossa murskattava materiaali kulkee kahden pyörivän valssaimen telan läpi. Telojen etäisyydet vaikuttavat lopputuloksena saatavien kappaleiden kokoon. Suurin syötettävä kappale voi olla maksimissaan neljä kertaa telojen välin suuruus.[7] Operaatiossa valmistuu merkittävä määrä hienojauhettua piitä, mikä ei ole haluttua, koska se voi helposti sisältää epäpuhtauksia ja siten olla pilaantunutta. Lisäksi hienojauhettua piitä on vaikea kuljettaa ja käsitellä. Tästä johtuen hienojauhettu pii yleensä hävitetään murskauksen jälkeen.[2] Prosessi on esitetty kuvassa 1.

5 Kuva 1: Tyypillinen MG-Si:n valmistuskaavio. [1] 2.1.3. Taloudelliset näkökulmat MG-Si:tä valmistettaessa valokaariuuneissa uunit kuluttavat suuren energia- ja materiaalimäärän. Parhaillaan teollisuudessa saavutetaan 10-11 MWh energiakulutus piimetallitonnia kohden ja 90% raaka-aineista hyödynnetyksi. Sähkön hinta sekä raakaaineiden, kuten kvartsin ja hiilen saanti vaikuttavat herkästi MG-Si:n tuotantoon. Taulukko 1 antaa suuntaa keskimääräisistä kustannuksista piimetallin tuotantoon.[2]

6 Taulukko 1: Piimetallin kustannukset luokittain. [2] Kustannustekijä Osuus Hiili 20% Kvartsi 9% Elektrodit 12% Sähköenergia 21% Työvälineet 16% Työvoima 17% Kuljetukset (asiakkaille) 5% Tekniikan kehittyminen saattaa vaikuttaa eri kustannuksiin, erityisesti elektrodien kehitys. Kuitenkin, koska suurin osa MG-Si:tä valmistavista teollisuuslaitoksista ovat kymmeniä vuosia vanhoja, edellinen kuva pätee vanhempiin laitoksiin hyvin.[2] 2.2. ELEKTRONIIKAN TASOISEN PIIN VALMISTUSPROSESSI MG-Si on liian epäpuhdasta elektroniikka- ja aurinkokennoteollisuuden tarkoituksiin. Elektroniikkateollisuuden tarkoituksiin on olemassa oma electronical grade (EG) pii. Toinen nimi on semiconductor grade silicon eli puolijohdetasoinen pii. EG- Si puhtaus on 99.9999% luokkaa ja se on tarpeeksi puhdasta elektroniikkateollisuuden tarpeisiin.[1] Korkeiden ominaisuusvaatimusten takia elektroniikkateollisuus ja puolijohteet tarvitsevat erittäin puhdasta piitä. EG-Si:n valmistus sisältää neljä eri vaihetta. Vaiheilla on suuri vaikutus piin soveltuvuuteen erilaisiin kohteisiin. Ensimmäisessä vaiheessa valmistetaan helposti haihtuva piihydridi. Toisessa vaiheessa piitä puhdistetaan. Kolmannessa vaiheessa piikomponentit hajotetaan. Viimeisessä vaiheessa sivutuotteet kierrätetään.[2] Tällä hetkellä on kolme hieman erilaista valmistustekniikkaa käytössä. Kaikkein yleisin prosessi perustuu trikloorisilaanin termiseen hajotukseen. Tämä tapahtuu 1100 ºC, jossa piitanko on asetettu höyrystyskuvun sisään. Prosessi kehitettiin 50-luvun loppupuolella ja sitä yleisemmin kutsutaan Siemens-prosessiksi. Vuonna 2001 ainakin 60% maailmanlaajuisesta monikidepiin valmistuksesta tehtiin Siemens-prosessilla. Toinen tuore prosessi on muutoin sama, mutta trikloorisilaani on korvattu monosilaanilla. Kolmannessa käytössä olevassa menetelmässä käytetään myös monosilaania, mutta Siemens-prosessin piitanko ja kupu on korvattu eri menetelmällä. Tätä prosessia kutsutaan myös Ethyl Korporaatio prosessiksi.[2]

7 2.2.1. Siemens-prosessi EG-Si:tä valmistetaan pääasiassa Siemens-prosessilla. Raaka-aineena Siemensprosessissa käytetään MG-Si:tä. Pii liotetaan prosessissa suolahappoon ja reaktiota indusoidaan kuparikatalyytin avulla. Reaktio voidaan kirjoittaa seuraavasti:[1] Si (s) + 3HCl (g) --> SiHCl 3 (g) + H 2 (g). (2) Trikloorisillaani on valittu käytettäväksi sen takia, koska sillä on matala kiehumispiste (31.8 ºC) ja se on helposti haihtuvaa. Sopiva trikloorisilaani (SiHCl 3 ) käy läpi kaksiosaisen puhdistamisen jakotislauksella. Jakotislauksella tarkoitetaan, kun erotetaan nestemäisen seoksen komponentteja höyrystämällä. Ensimmäisessä osassa poistetaan painavimmat ainesosat. Toisessa osassa poistetaan trikloorisilaania kevyemmät ainesosat.[2] Seuraavaksi erittäin puhdas SiHCl 3 höyrystetään, laimennetaan erittäin puhtaalla vedyllä ja tuodaan reaktoriin. Tämän jälkeen kaasu härmistyy ylösalaisin olevan U:n muotoisen siemenpiiputken pinnalle lasikuvun sisällä. Piiputket ovat lämmitetty 1100 C ja niiden ympärille prosessissa kasvaa äärimmäisen puhdasta monikidepiitä. Prosessin pääreaktioita ovat:[2] 2SiHCl 3 = SiH 2 Cl 2 + SiCl 4, (3) SiH 2 Cl 2 = Si + 2HCl, (4) H 2 + HSiCl 3 = Si + 3HCl, (5) HCl + HSiCl 3 = SiCl 4 + H 2. (6) Reaktioon siis jää sivutuotteina H 2, HCl, HSiCl 3, SiCl 3 ja H 2 SiCl 2. Kuva 2 kuvaa Siemens-reaktorin periaatteellisen toiminnan.

8 Kuva 2: Tyypillinen Siemens reaktori. [2] Siemens-prosessi kuluttaa paljon energiaa, ja sen energiatehokkuuden parissa onkin tehty kehitystyötä. Yksi prosessin energiankulutusta lisäävä yksityiskohta on tarve reaktiokammioiden seinämien jäähdyttämiseen. Seinämiä on jäähdytettävä, jotta niihin ei kiinnity merkittäviä määriä piitä. Huomattava kehitysaskel Siemens-prosessin energiatehokkuudessa otettiin, kun aiemmin käytössä ollut kvartsikupu vaihdettiin teräksestä valmistettuun kupuun. Kvartsikuvun pääasiallinen ongelma on mekaaninen heikkous, minkä vuoksi kuvun halkaisija jää pieneksi ja kammioon mahtuu normaalisti vain yksi kuvan 2 muotoinen siemenpiitanko. Kun teräskupu otettiin käyttöön, reaktiokammion kokoa pystyttiin kasvattamaan merkittävästi, jolloin useiden kymmenien käänteisien U:n muotoisten siemenpiitankojen yhtäaikainen asettaminen reaktiokammioon tuli mahdolliseksi. Tämä on parantanut Siemens-prosessin tuottavuutta merkittävästi, ja samalla energiakustannukset tuotettua piikiloa kohden ovat laskeneet.[2] Valmis tuote on monikiteistä piitä. Sen hinnaksi prosessissa muodostuu noin 30-50 /kg. Menetelmä on siis kohtuullisen kallis.[1] Huolimatta Siemens-prosessin laajalle levinneisyydestä ja johtavasta asemasta teollisuudessa, se kärsii seuraavista haittapuolista: Korkea energia kulutus, yli 90%

energiasta kuluu reaktorinseinien jäähdyttämiseen. Prosessi vaatii kaksi teholähdettä ja siemenpiiputkien esilämmityksen, koska siementangot omaavat korkean resistiivisyyden. Sähköiset kontaktit siementankoihin valmistetaan grafiitista, minkä takia ne ovat mahdollisia saastutuslähteitä. Sähkökatkokset aiheuttavat normaalisti Siemensprosessin keskeyttämisen. Kaasuvirtauksia ja sähkötehoa pitää prosessin aikana säätää, jotta saavutetaan optimaalinen valmistusnopeus. Prosessitoiminta on erätuotantoa. Suuri osa oheistuotteista täytyy käsitellä tai kierrättää. Näitä haittapuolia pyritään uuden tekniikan avulla parantamaan.[2] 9 2.3. AURINKOKENNOLLE SOPIVA PII Si-MG:n ja Si-EG välissä on hinnan ja puhtauden puolesta sopiva väli aurinkokennoon sopivaan piityyppiin, koska aurinkokennoon ei tarvita Si-EG:n puhtau-den tasoista piitä ja hintakin on turhan korkea. Aurinkokennopiiksi sopiva pii on nimetty SoG solar grade pii. Vielä ei ole keksitty sopivaa menetelmää valmistaa SoG-Si:tä. Piin puhtausvaatimuksiakaan ei ole vielä tarkkaan päätetty SoG-Si:lle.[1] Aurinkokennoihin saatava pii tulee tällä hetkellä pääasiassa elektroniikka teollisuuden hylkäämästä piistä. Tällä hetkellä kyseinen tuotanto ei kuitenkaan ole riittävä aurinkokennoteollisuudelle, koska aurinkokennoteollisuus on kasvussa ja tarvitsee enemmän piitä. Tänä päivänä aurinkokennoteollisuus elää siis jo piin takia raaka-aine puutteessa.[1] Tällä hetkellä useammat yritykset yrittävät kehittää eri menetelmiä valmistaa SoG-Si:tä. Eräs menetelmä liittyy metalliteolliseen prosessiin, joka sisältää useita eri jalostusvaiheita. Toisessa tutkitussa menetelmässä käytetään erittäin puhtaita raakaaineita piin valmistuksessa, kuten nokea ja hyvin puhdasta kvartsia. Siemens prosessin tapaisia kemiallisia hajoamismenetelmiä myös tutkitaan. Esimerkiksi trikloorisilaanin hajoamista, jonka tuloksena saadaan monikiteistä piitä, rakeisessa muodossa. Toinen tie monikiteiseen piihin on silaanin(sih 4 ) hajoamisreaktion avulla, jossa reaktio on seuraavanlainen: SiH 4 (g) = Si (l) +2H 2 (g). (7) Etuna tässä trikloorisilaanin hajoamisreaktioon nähden on se, että tarvittava lämpötila on pienempi sekä syövyttäviä yhdisteitä ei synny. Täysin valmiina ei ole ainutkaan edellä mainituista menetelmistä tuottamaan tarvittavaa piitä aurinkokenno teollisuudelle.[1] RSI Silicon-niminen yritys voitti MIT:n (Massachusetts Institute of Technology) järjestämän energialiiketoimintasuunnitelmakilpailun 2. toukokuuta 2007. Yrityksen piintuotantolaitoksen rakennus-kustannukset arvioidaan olevan kymmenyksen siitä,

mitä se on verrattavissa olevalla Siemens-prosessiin perustuvalla tehtaalla. Myös piintuotantolaitoksen rakennusaika arvioidaan olevan puolet ja piin valmistuskustannuksiksi arvioidaan 1/3, kun niitä verrataan Siemens-prosessiin perustuvaan tehtaaseen.[4] Aurinkokennolle sopivan piin valmistuskustannuksiksi arvioidaan 7-9 $/kg RSI:n menetelmän avulla, kun se on Siemensin menetelmällä 30-35 $/kg. Tällä hetkellä piin kustannukset aurinkokennoissa ovat noin 1.5 $/W. Yrityksen tavoitteena on laskea sen 0.25 $/W seuraavan 5 vuoden aikana.[4] 10 2.4. PIIKIEKON VALMISTUS Piiaurinkokennoja valmistettiin ensimmäisen kerran 50 vuotta sitten Czochralski (CZ) menetelmän avulla valmistetusta yksikiteisestä piistä. Tämä tekniikka tuli mikroelektroniikkateollisuudesta. Jälkeenpäin kennojen tehokkuusennätyksiä on saavutettu laboratorio olosuhteissa, korkeilla kustannuksilla ja yksikiteisestä piistä.[2] Kustannus paineet ovat ajaneet monikiteisenpiin kehityksen siten, että on alettu valmistaa isokokoisempia piiharkkoja. 2000-luvun alkupuolella tyypilliset piiharkkojen painot olivat 250 kg luokkaa. Paremman teoreettisen ymmärtämisen ja numeerisen simuloinnin avulla on saatu tämän päivän piiharkkojen valmistusprosessia taloudellisemmaksi.[2] 2.4.1. Yksikiteisen piitangon valmistus CZ-menetelmä on tänä päivänä yleisin (80%) yksikiteisenpiin valmistusmenetelmä. Menetelmällä on useita etuja valmistusprosessissa. Esimerkiksi siinä voidaan käyttää useita erimallisia ja seostettuja raaka-aineita, koska ne sulatetaan sulatusastiassa. Tämän avulla aurinkokennoteollisuus voi ostaa edullisesti piiraaka-aineita riittävällä laadulla, jopa paikallismarkkinoilta. Kuitenkin pitää välttää, ettei sellaisia makroskooppisia partikkeleita (SiO 2, SiC) pääse prosessiin, jotka eivät hajoa sulatusastiassa.[2] CZ-tekniikka on kypsä ja taloudellisesti kannattava. Prosessiin tarvittavat välineet automaattiseen kidevalmistukseen ovat kaupallisesti saatavilla. Kestävistä valmistuslaitteista johtuen monia yli 20 vuotta vanhoja CZ valmistuslaitoksia on yhä toiminnassa.[2] Yksikiteistenpiitankojen päähaittapuolena CZ-prosessissa on se, että valmiit piikiekot ovat ympyrän muotoisia, kun taas aurinkokennolle neliön muotoiset piikiekot olisivat parhaimpia. Tästä johtuen ennen kuin piitangoista leikataan piikiekkoja, niiden reunoista leikataan palat pois, jotta ne ovat sopivampia aurinkokennoihin. Lisäksi piitangon päätypala ja peräpala joudutaan myös leikkaamaan pois, koska se ei ole tasa-

paksu, vaan kartiomainen. Leikatut materiaalit kierrätetään ja ne päätyvät prosessiin uudelleen.[2] CZ-prosessi koostuu tyhjiökammiosta, jossa on sulatettavat raaka-aineet. Prosessissa ensimmäiseksi siemenkide kastetaan sulaan piihin. Tämän jälkeen siementä hitaasti nostetaan kohtisuoraan sulan piin pinnalta ja nestemäinen pii kiteytyy siemenen ympärille. Korkeita tyhjiöolosuhteita voidaan käyttää, niin kauan kun sulaa piitä on vähän käytössä (<1-2 kg), mutta kun kyseessä on suuremmat määrät piitä (>30 kg), niin käytetään argon kaasua noston yhteydessä. Vähentääkseen argonista aiheutuvia kustannuksia, pidetään kaasun paine yleensä 5-50 mb alueella aurinkokenno teollisuudessa. Mikroelektroniikkateollisuudessa käytetään normaalia ilmanpainetta argon kaasulle.[2] Sulanpiin lämpötila prosessissa pitää olla sopiva, koska esimerkiksi jos lämpötila on liian korkea, niin piitangon halkaisija alkaa pienentyä. Siemenkide aurinkokennoteollisuudessa on normaalisti yksikiteistä ja sitä kohotetaan, jotta piitanko voi kasvaa. Hieman ennen kuin piitangon halkaisija on sopiva, nostonopeutta kiihdytetään, jotta haluttu halkaisija saadaan. Siemenkiteen pyörittämisen johdosta piitangosta muodostuu pyöreä. Yleisesti nostonopeus ei ole prosessin aikana vakio, vaan sitä hidastetaan loppua kohden johtuen sulanpiin yläpinnan tippumisesta ja kammion seinien lämpösäteilystä. Yleiset nostonopeudet vaihtelevat 0.5-1.2 mm/min. Piitangon halkaisija aurinkokennoteollisuudelle on yleensä 100-150 mm. Tämä johtuu siitä, että suuremmissa kennoissa virran kasvaminen aiheuttaa ongelmia pintakontaktien resistiivisten häviöiden kanssa.[2] Piitangonperän valmistuksessa tangon halkaisijaa täytyy alkaa pienentää. Tämä muodostaa perään kartiomuodon. Halkaisijan pieneneminen saadaan toteutettua nostonopeutta kasvattamalla. Tämä suorituksen osa voidaan toteuttaa melko korkealla nostonopeudella, mutta mikäli nopeus on liikaa, voi tankoon syntyä epämuodostumia. Lopullinen piitangon pituus riippuu kammion raaka-aine määrästä ja vaihtelee 40-150 cm välillä. 11 2.4.2. Monikiteisen piiharkon valmistus Tällä hetkellä suurin osa markkinoiden aurinkokennoista on valmistettu monikiteisestä piistä. Myöhempi kuva 3 demonstroi tilannetta hyvin. On olemassa eri menetelmiä valmistaa monikiteisiä piikiekkoja, mutta dominoivin tekniikka perustuu tällä hetkellä suunnattuun jähmettymiseen, lämmönsiirrinmenetelmässä (HEM).[1] Lämmönsiirrinmenetelmässä valupata on kiinteästi kiinnitetty ja jähmettyminen etenee siten, että lämpöä poistuu pohjalta. Bridgman-Stockbarger-prosessissa valupata liikkuu ja lämmitysalue on kiinteässä asemassa.[1] Prosesseja kuvaa hyvin myöhempi kuva 4. Molemmissa prosesseissa piiharkkojen painoksi tulee noin 250-300 kg. Pintaalaksi muodostuu 70 x 70 cm 2. Pituudeltaan nämä ovat olleet yli 30cm. [2] Näiden menetelmien lisäksi muitakin variaatioita on olemassa.[1]

12 10% 49% 9% 31% Monikiteinen pii Yksikiteinen pii Amorfinen pii Erilaiset kiteiset pii teknologiat Kuva 3: Aurinkokennomateriaalit 2001 [1] Kuva 4: Periaatteelliset kuvat monikiteisen piin sulatustavoista. [1] Vaikkakin piin puhtausvaatimus on heikompi aurinkopaneeleille, mitä se on elektroniikkateollisuudelle, niin syötettävien aineiden varovainen käsittely ja kontrollointi ovat tarpeellista, kun valmistetaan piiharkkoja aurinkokennoteollisuudelle. On tärkeää välttää syötettävien aineiden likaantumista koko prosessin aikana, koska epäpuhtaudet heikentävät tuotteiden laatua. Kuten aikaisemmin on mainittu, ei ole valmista raaka-aineiden valmistusmenetelmää vielä, joka olisi omistettu aurinkokennoteol-

lisuudelle. Tästä syystä raaka-aineina käytetään pääasiassa hylättyä yksi- ja monikiteistä piitä. Hylättyä yksikiteistä piitä saadaan piikiteiden hylätyistä päätypaloista, virheellisistä ja rikkoutuneista kiteistä. Hylättyä monikiteistä piitä muodostuu epätasaisen pinnan omaavista kiteistä, epämääräisistä paloista ja hiiltä sisältävistä kiteistä. Vähentääkseen valmistuskustannuksia, osia piiharkoista kierrätetään ja käytetään uusia piiharkkoja valmistaessa. Nämä kierrätykseen menevät osat tulevat harkkojen leikkauksessa muodostuvista jämistä.[1] Hiilen ja hapen osuus monikiteisessä piissä on raportoitu olevan hiilellä 0.2 ~ 0.4 ja hapella 0.9 ~ 3.5 ppm massasta. Kuitenkin kun käytetään eri materiaalityyppien sekoituksia, niin todellista raaka-aineen puhtaustasoa ei tiedetä. Epäpuhtauksia yksi- ja monikiteisessä piissä olevat hiili, happi, typpi ja rauta, joita jää piihin prosessin aikana. [1] Monikiteisiä piikiekkoja valmistava teollisuus on kohtalaisen uutta teollisuutta. Silicon for Solar Cells[1] väitöskirjan mukaan suurin kustannus monikiteisten aurinkokennojen valmistukseen tulee piikiekkojen valmistuksesta, missä kidekasvu muodostaa 35% piikiekon valmistuskustannuksista. Monikiteisen aurinkopaneelin ja piikiekon kustannuksia kuvaavat hyvin kuvat 5 ja 6. Prosessin parantaminen johtaa pienempiin kustannuksiin. Tämän takia, jotta voi säilyttää aurinkokenno teollisuudessa markkinaosuuden ja pysyä kilpailukykyisenä on tärkeää parantaa prosessin ja jähmettymiseen liittyvien ilmiöiden ymmärtämistä. 13 25% 35% 36% 65% 10% Piikiekko Kenno Moduulin valmistus kustannus Kidekasv u Sahaus Aloitus materiaalit 29% Kuva 6: Monikiteisen aurinkopaneelin kustannusjako. [1] Kuva 5: Monikiteisen piikiekon kustannusjako. [1] Piiharkkojen koot ovat kehittyneet vuosien saatossa merkittävästi. Harkkojen paino on kasvanut vuodesta 1993 vuoteen 2006 40 kg:sta 265 kg:aan. Tämä kuvaa noin 560% kasvua. Suurempia valutehtaita rakennetaan ja nämä pystyvät valmistamaan jopa 320 kg piiharkkoja. [3]

14 2.4.3. Piin leikkaus piikiekoiksi Monikidepiiharkkojen halkaisijat ovat kasvaneet yli 50 x 50 cm 2 ja painoa on tullut reilu 250 kg. Yksikidetankojen halkaisijat ovat jopa 20 cm nykyään. Viime vuosien aikana aurinkokennon jalostus- ja moduulinpäällystyskustannukset ovat laskeneet, mutta piikiekkojen sahauskustannukset ovat pysyneet yhä korkealla.[2] Kuvat 2 ja 3 näyttävät, että sahauksesta muodostuu suuri kustannuserä aurinkopaneelinkustannusjaossa. Korkeita kustannuksia sahauksessa aiheuttaa materiaalihäviöt.[2] Aurinkokennoteollisuuden alussa käytettiin elektroniikkateollisuuden sahaustekniikkaa. Harkkoja sahattiin pääasiassa yksittäisellä sahalla. Tämä tekniikka on kuitenkin suhteellisen hidas ja ei kovinkaan taloudellinen massatuotantoon. Asteittain tekniikka kuitenkin korvautui monijohdinsahatekniikalla. Etuina saadaan parannettua tuotantotehoa. Lisäksi leikkausurista aiheutui pienempiä häviöitä (180 μm ura) ja piikiekoista saatiin merkittävästi ohuempia. Nykyään leikataan noin 250-350 μm paksuisia piikiekkoja, mutta on mahdollista saavuttaa 100 μm raja tekniikan kehityksen avulla. Koska tekniikka on kohtalaisen uutta ja yhä kehityksessä, niin monet piikiekkovalmistajat ovat itse optimoineet sahausprosessia omien kokemusten avulla. Sahausprosessiin vaikuttaa merkittävästi sahauksesta aiheutuvat materiaalihäviöt sekä lisäksi valmistuvan piikiekon laatu.[2] Kidekasvatuksen jälkeen piiharkot leikataan ensimmäisessä osassa vannesahalla sellaisiksi harkoiksi, joiden poikkileikkaus vastaa toivottua piikiekon kokoa. Normaalikoko on 10 x 10 cm 2, mutta suurempia kokoja käytetään enemmän nykyään aurinkokennoteollisuudessa. Harkot liimataan alustaan, jonka jälkeen ne asetetaan monijohdinsahaan ja sahataan lopullisiksi piikiekoiksi. Sahan periaate näkyy kuvassa 7.

Kuva 7: Monijohdinsahan periaate. [2] Yksittäistä johdinta syötetään kelasta väkipyörän ja jännityksenkontrollointiyksikön läpi. Johto kiertää neljän viiranohjaimen kautta, jotka on uurrettu jatkuvalla jaolla. Johdoista saadaan muodostettua verkko kiertämällä johtoa 500-700 kertaa viiranohjainten ympäri. Vastaanottokela kerää kierretyn johdon ympärilleen. Johdonjännitystä ylläpidetään vetokontrollointiyksikön avulla. Johtimen kiertäessä piiharkkoa työnnetään johdinverkkoa vasten ja se sahautuu satoihin kappaleisiin samalla kertaa. Johdin joko kiertää yhteen suuntaan tai sitten liikkuu edestakaisin prosessissa. Aurinkokennoja varten johdin yleensä liikkuu yhteen suuntaan. Yhteen suuntaan kulkevalle johdolle saadaan korkeampia nopeuksia (5-20 m/s) kuin edestakaisin kulkevalle johdolle. Tasaisempia pintoja saadaan edestakaisella johdinliikkeellä. Riippuen johtimen kulkutavasta, voi johtimen kokonaispituus vaihdella 150-500 km välillä, jotta saadaan yksi harkko leikattua yhdellä johtimen kulkukerralla. Johdinmateriaali on yleensä ruostumatonta terästä.[2] Leikkaus saadaan aikaiseksi hiomalietteen avulla. Hiomalietettä syötetään johtimille suutinten avulla ja johtimien avulla se pääsee hiomasaumaan. Hiomaliete koostuu normaalisti kovista hienonnusmateriaaleista. Nykyään käytetään pääasiassa SiC:tä ja timanttia. Molemmat materiaalit ovat erittäin kalliita (25-35% leikkauskustannuksista). Yleisimmät hiomalietteet ovat öljypohjaisia, mutta vesipohjaisia ja vesiliukoisiakin testataan. Öljypohjaisten haittapuolena piikiekot voivat tarttua toisiinsa kiinni ja hiomalietteen puhdistaminen on vaikeampaa.[2] Vuodesta 1993 vuoteen 2006 sahauksen tekniikka on kehittynyt melkoisesti. Vuonna 1993 sahattiin parhaimmillaan 300 μm paksuisia piikiekkoja ja keskimäärin 15 kpl piisenttimetriä kohden. Vuonna 2006 parhaimmillaan sahattiin 225 μm paksuisia piikiekkoja ja keskimäärin 24 kpl piisenttimetriä kohden. Tämä on kasvattanut noin 60% piikiekkojen määrää piikiloa kohden. BP Solar on demonstroinut ja leikannut 12.5 x 12.5 cm 2 kokoisia ja 125 μm paksuja piikiekkoja, mutta prosessissa on vielä useita teknisiä ongelmia.[3] 15

16 2.5. AURINKOKENNON LOPPUVALMISTUSPROSESSI Aurinkopaneelin valmistuksen loppuprosessi perustuu seulapainantaan. Seulantapainanta screen printing on menetelmä, jossa pastamainen materiaali eli painoaine siirretään alustalle painamalla se kuvioseulan silmien läpi pehmeällä lastalla vetäen. Menetelmää käytetään sekä hybridipiirien että piirilevyjen valmistuksessa.[5] Enemmän tai vähemmän pienemmillä muutoksilla tätä prosessia käyttävät monet valmistajat. Tämän 30 vuotta vanhan tekniikan hyvät puolet ovat helppo automaatio, luotettavuus, tehokas materiaalien käyttö ja korkea tuotto. Haittapuolena on metallipinnoittamisen aiheuttamat tehokkuushäviöt.[2] Prosessin vaiheittainen suoritus on seuraavan kaltainen: Aluksi on piikiekkoja joiden sivut ovat 10-15 cm pitkiä ja paksuus 200-350 μm. Nämä seostetaan p-tyypiksi boorin avulla ja resistiivisyys on noin 1 Ω cm. Tämän jälkeen poistetaan sahauksesta aiheutuneet vahingot piikiekon pinnalta. Se on tärkeää siksi, että rikkonainen pinta heikentää laatua ja voi johtaa murtumiin. Tästä johtuen noin 10 μm etsataan pois piikiekon molemmilta puolilta. Emäksisiä etsausaineita suositaan happamien sijasta jätteidenkäsittelyn takia. NaOH etsaus aiheuttaa yleisesti pienen pyramidirakenteen piikiekon pinnalle. Hyvin pieni pyramidirakenne voi johtaa valon heijastumiseen ja suuri rakenne taas voi vaikeuttaa kontakteja. Jotta voidaan välttää nämä ääripäät ja saavuttaa hyvä pintakarkeus, niin konsentraatio, lämpötila, liuoksen homogeenisyys ja prosessin kestoaika täytyy olla tarkasti hallinnassa. Tyypillisesti liuoksen konsentraatio on noin 5% NaOH, lämpötila 80 ºC ja kestoaika noin 15 minuuttia.[2] Seuraavassa vaiheessa luodaan n-tyypin pintakerros piikiekolle. Aurinkopaneeleissa siihen käytetään yleensä fosforia seostuksessa. Koska kiinteän olomuodon diffuusio vaatii korkean lämpötilan, on erittäin tärkeää, että piikiekon pinnalla ei ole mitään epäpuhtauksia diffuusion aikana. Diffuusiossa molekyylit siirtyvät väkevämmästä aineesta laimeampaan aineeseen, tasoittaen pitoisuuseroja. Tässä vaiheessa piikiekko altistetaan yleensä happamalle etsausaineelle, jotta voidaan poistaa emäksisyydet ja metalliset epäpuhtaudet. Teollisuudessa on monia eri menetelmiä fosforin diffusoimiseksi, mutta pääasiassa ne tapahtuvat uunissa korkeassa lämpötilassa.[2] N-tyypin alueet piikiekonreunoilla muodostaisivat liitoksen etu- ja takapuolen kanssa. Tästä syystä n-tyypin alueet poistetaan reuna-alueilta. Piikiekot voidaan esimerkiksi altistaa plasmalle siten, että ne poltetaan plasmalla pois. Toinen vaihtoehto on käyttää laseria reuna-alueiden leikkaamiseen. Yleensä useampi piikiekko laitetaan päällekkäin tässä vaiheessa, jotta voidaan nopeuttaa prosessia.[2] Titaaniumoksidia (TiO 2 ) käytetään usein valmistettaessa heijastumisenestävä pinnoite piikiekolle. Titaaniumoksidi omaa lähes optimaalisen taitekertoimen koteloiduille kennoille. Yleinen tekniikka on normaalissa ilmanpaineessa tapahtuva kemial-

linen höyrystyspinnoitusmenetelmä, joka koostuu titaanin orgaanisista komponenteista ja vedestä. Sekoitusta suihkutetaan suuttimesta piikiekolle noin 200 ºC:ssa.[2] Seuraavassa vaiheessa piikiekon etupinnalle valmistetaan metallikontaktit seulantapainannalla. Vaatimuksena metallikontaktin täytyy omata pieni kontaktiresistanssi piihin, pieni omaresistanssi, hyvä mekaaninen kiinnittyminen, hyvä juotettavuus ja yhteensopivuus päällystysmateriaalien kanssa. Resistiivisyys, hinta ja saatavuus tekevät hopeasta ideaalisen valinnan kontaktimetalliksi. Kupari tarjoaa samanlaisia etuisuuksia, mutta se ei sovellu seulantapainantaan, koska sen korkean diffusoitumisen takia se muodostaisi epäpuhtauksia jälkikäteisessä lämmityksessä.[2] Takapinnalle tehdään sama prosessi muuten, paitsi siellä käytetään seulantapainannassa myös alumiinia hopean lisäksi ja kuviointi on erilainen. Alumiinia tarvitaan, koska hopea ei muodosta ohmisia kontakteja p-si:lle, mutta sitä ei voi käyttää yksin, koska sitä ei pysty juottamaan.[2] Seuraavaksi metallikontaktit täytyy polttaa kiinni. Korkea lämpötila tarvitaan, jotta voidaan polttaa orgaaniset liimakomponentit pois. Metalliset liitokset pitää polttaa yhteen, jotta voidaan saada hyvät johtimet. Lisäksi metallikontaktien pitää saada muodostettua hyvä kontakti alla olevaan piihin.[2] Viimeisessä vaiheessa paneelia testataan. Testauksessa käytetään 25 ºC lämpötilaa ja keinotekoista valonlähdettä simuloimaan auringonvaloa. Virheelliset kennot hylätään ja muut luokitellaan niiden tehojen mukaan.[2] Kennon valmistus prosessi on kehittynyt hieman vuodesta 1993 vuoteen 2006. Keskimääräinen tehokkuus on kasvanut 12.5%:sta 15.0% monikiteisillä piiaurinkokennoilla. Tämä tarkoittaa noin 20% kasvua sähköntuotannossa.[3] 17 2.5.1. Päällystys ja panelointi Yksittäisen kennon teho on pieni. Tämän takia niitä kytketään yleensä sarjaan. Kun kennot ovat valmiita, niin ne juotetaan yhteen kupariliuskojen avulla. Yleensä yksi paneeli koostuu 36 kennosta. Näin saadaan maksimissaan 15 V ulostulo jännite, eli paneelista saadaan helposti tarvittava jännite 12 V patterin lataamiseen.[2] Jotta voidaan saavuttaa pitkäaikainen kesto paneelille käytännössä, täytyy se suojata. Paneelia voi vahingoittaa mekaaniset rasitukset, sääilmiöt ja sähköiset häiriöt. Paneelin suojana käytetään yleensä 2-3 mm paksuista natronkalkkilasia suojaamaan sitä mekaanisilta rasituksilta. Sillä täytyy olla pieni rautapitoisuus tai muuten se häiritsee valon läpäisyä. Modernit lasit käyttävät ceriumia, joka estää UV-säteilyä, mikä taas parantaa luotettavuutta. Kennomatriisin ympäröi molemmin puolin eristysmateriaali. Yleisin eristysmateriaali on etyleeni-vinyyli-asetaatti polymeeri (EVA).[2] Seuraava kuva 8 antaa hyvän kuvan paneelin päällystyksestä.

18 Kuva 8: Tyypillinen kennon päällystys. [2] Monikideaurinkopaneeleilla keskimääräinen tuotantoteho on kasvanut 60 W:sta vuonna 1993 165 W:iin vuoteen 2006 mennessä. 1993 panelointi suoritettiin pääasiassa käsin, kun 2006 se oli jo erittäin automatisoitua. Viimeaikaisten parannusten myötä teho on kasvanut vielä 4%.[3]

19 3. YHTEENVETO Tässä työssä tarkasteltiin piiaurinkokennojen valmistusprosessia sekä siihen liittyviä ongelmia ja kustannuksia. Yleisesti suurin este aurinkokennojen laajempaan yleistymiseen on niiden hinta. Toiseksi valmistuksessa kärsitään raaka-ainepulasta. Piiaurinkokennon merkittävimpiä kohteita kustannusten vähentämisessä on raaka-aineiden valmistus. Tällä hetkellä tarvittavaa raaka-ainetuotantoa ei edes ole vastaamaan kysyntää. Merkittävimmät raaka-ainesäästöt perustuvat SoG-piin valmistukseen. Mikäli kyseistä piitä onnistutaan kaupallisesti valmistamaan suurissa määrin ja edullisesti, voisi se laskea aurinkokennojen hintoja merkittävästi. Uskoisin vahvasti, että tulevaisuudessa jossain vaiheessa joku alkaa valmistaa aurinkokennoille sopivaa piitä edullisesti. Esimerkiksi RSI Silicon näyttäisi alkavan lähitulevaisuudessa valmistamaan edullisesti piitä aurinkokennoteollisuudelle. Yksikiteinen piiaurinkokenno on monikiteistä piiaurinkokennoa tehokkaampi, mutta korkeiden kustannusten takia monikiteisistä aurinkokennoista on tullut suositumpia. Yksikiteisten aurinkokennojen suurin kustannus tulee, kun valmistetaan yksikiteistä piitä CZ-menetelmällä. Menetelmän kustannukset muodostuvat korkeasta energian kulutuksesta prosessin aikana. Mikäli edullinen vaihtoehtoinen menetelmä kehitettäisiin tai energian kulutusta saataisiin laskettua merkittävästi, niin yksikiteiset aurinkokennot voisivat kasvattaa merkittävästi markkinaosuuttaan. Mikäli piikiekkojen paksuutta pystytään edelleen pienentämään ja sahauksen materiaalihäviöitä vähentämään, on mahdollista saavuttaa kustannussäästöjä. On hyvin todennäköistä, että tällä alueella tullaan tulevaisuudessa parantamaan kustannustehokkuutta ja saamaan säästöjä, koska se on viime vuosien aikana kehittynyt ja parantunut tasaisesti. Piiaurinkokennojen tehokkuutta ja säästöjä voidaan parantaa monien muidenkin yksityiskohtaisten menetelmien parantamisen myötä. Esimerkiksi kennon valmistuksen loppuprosessin aikana on mahdollista vaikuttaa kennon hyötysuhteeseen erilaisten parannusten avulla. Koko valmistusprosessin aikana yksi merkittävä tekijä, joka vaikuttaa kennon tehokkuuteen, on epäpuhtaudet. Kun epäpuhtauksista päästään vielä paremmin eroon ja saadaan estettyä niiden joutuminen kennoon, voidaan kennon tehoa parantaa entisestään.

20 LÄHTEET [1] Silicon for Solar Cells. Trondheim October 2004, Anne-Karin SØiland [Viitattu 25.3.2008]. s. 20-26 Saatavissa: http://www.diva-portal.org/diva/getdocument? urn_nbn_no_ntnu_diva-565-1 fulltext.pdf [2] Handbook of Photovoltaic Science and Engineering. 2003, Antonio Luque and Steven Hegedus [Viitattu 4.4.2008] s. 153-302. [3] Polycrystalline silicon photovoltaic manufacturing technology development and commercialization. 2006, John Wohlgemuth, Mohan Narayanan, Roger Clark, Tim Koval, Steve Roncin, Murray Bennet, Daniel Cunningham, Dinesh Amin, George Kelly, Nathan Stoddard and Joseph Creager [Viitattu 30.3.2008] Saatavissa: http://ieeexplore.ieee.org/iel5/4059527/4059528/04059825.pdf? tp=&isnumber=&arnumber=4059825 [4] Solar Silicon Solution Wins MIT Energy plant Contest [WWW] [Viitattu 30.3.2008]Saatavissa: http://pesn.com/2007/05/02/9500469_rsi_silicon_wins_mit_contest/ [5] MOT Elektroniikka ja tietotekniikka 1.0a [Sanakirja] [Viitattu 25.4.2008] [6] Jaw crushers how do they work? [WWW] [Viitattu 14.5.2008] Saatavissa: http://www.mine-engineer.com/mining/jaw_crusher.htm [7] Roll crushers, what are these machines and how do they work? [WWW] [Viitattu 14.5.2008] Saatavissa: http://66.113.204.26/mining/rollcrush.htm