Reisebrev fra beamline ID19 på Synkrotronen i Grenoble, 10.02.2018

Vi må forstå dislokasjoner for få bedre solceller

For å gjøre solceller enda bedre og billigere enn det de er i dag, må vi ta i bruk kraftig skyts – bokstavelig talt. Vi har som mål å forstå hvordan noen helt spesifikke materialdefekter dannes i silisium for solceller. Defektene vi er ute etter å forstå kalles dislokasjoner, og er en feil i et atomgitter (Mer om hva atomgitter er senere).

Når sola skinner på panelene våre sparkes elektroner ut av sin vante posisjon og da kan de brukes som strøm. Men dislokasjonene spiser elektroner. Dersom de blir spist opp av defekter før de rekker å lage strøm for oss, går effektiviteten på solcellepanelet vår ned og vi får mindre energi fra sola. (Du kan lese mer om solceller her.)

Dislokasjoner er små. De er på størrelse med atomer, og jo mindre ting er, jo større må utstyret være for at vi skal kunne se dem. For å se dislokasjoner trenger vi kraftig skyts, og vi har reist ned til synkotronen til ESRF (European Synchotron Radiation Facility) i Grenoble, Frankrike. Vi er så heldige at vi har fått innvilget et forskerprosjekt fra Norges Forskningsråd (INSIDES) hvor vi i samarbeid med NTNU skal prøve å få innblikk i dislokasjonenes hemmelige liv. Det er lettere sagt enn gjort. Hadde det vært lett, hadde vel noen andre allerede gjort det.

Som å grave på kirkegården for å finne ut hva slags liv folk har levd

Dislokasjonene fødes, lever og formerer seg mens silisium størkner og kjøler seg ned. Det vil si når silisium går fra å være en lysende, flytende og glovarm smelte til en hard, kald og skinnende krystall i grå metallfarge. Vanligvis ser vi på kalde prøver, etter at all moroa er over og dislokasjonene har lagt seg til ro. Det er som å grave på kirkegården for å finne ut hva slags liv folk har levd, som min gamle veileder pleide å si. Drømmen ville jo vært å snikkikke litt på dislokasjonene mens de fødes, lever, vokser og formerer seg. Men siden silisium har en smeltetemperatur på over 1400 grader og ikke er spesielt gjennomsiktig, hverken i flytende eller fast form, er det vanskelig å få øye på dem. Men vent nå litt! I teorien burde det være mulig med noen velrettede røntgenstråler. Og vipps, så er vi i «the experimental hutch» på «Beamline ID19» på synkotronen i Grenoble.

Dag og natt på lab’en

Vipps er for øvrig et helt feil ord å bruke i denne sammenhengen. Det har tatt noen måneder med arbeid for å komme hit. Prøveprepareringen har vært tidkrevende som det heter. For å bli ferdige har vi siden jul vært på lab’en natt og dag, bokstavelig talt. For man tar ikke med seg en tilfeldig prøve ned til ESRF.

Vi vet litt om dislokasjoner fra før av. Det vil si, vi vet faktisk ganske mye. Sammen med en håndfull andre forskningsmiljøer er vi blant dem som vet mest om dislokasjoner i silisium for solceller i hele verden. Men vi vet fortsatt for lite til å bli kvitt dem. Uansett, vi vet litt om hva slags prøver vi må ha for å ha en teoretisk mulighet for å finne ut det vi lurer på.

Kjenn din fiende

Silisium er et krystallinsk materiale. Det betyr at alle atomene i silisium egentlig skal ligge pent på rekke og rad. Det betyr at alle atomene er plassert i et gitter. En dislokasjon oppstår når man har en feil i dette gitteret, altså at atomene er litt ute av stilling. Og det er disse dislokasjonene vi vil lære å kjenne. Kjenn din fiende, er det noe som heter, og det er det vi prøver på.

Dislokasjoner følger visse regler. De beveger seg, for eksempel, i gitte plan i gitteret. Det er derfor viktig at disse planene er synlige for røntgenstrålene fra synkrotronen. De dannes også sannsynligvis i grensen hvor to krystaller med et helt spesielt forhold til hverandre møtes. Det gjør at vi må ha med oss helt spesifikke prøver, kuttet til i helt spesifikke retninger med en nøyaktighet i størrelsesorden 0,01 grad, smeltet ned til et gitt nivå og størknet igjen i en gitt hastighet og i en gitt retning, kuttet igjen i en helt spesifikk annen retning og deretter til helt nøyaktig riktig størrelse, planparallelle kanter og med feilfri overflate. Puh! Siste hånd på verket gjorde vi natta før flyet gikk og vi hadde den siste prøven klar 5 minutter før flytaxien kom og hentet oss kl 4:30 om morgenen.

Røntgenstråler og diffraksjonsmønster

Så var vi vipps i Grenoble, hvor røngtenstrålen og prøvene våre endelig skal møtes. Og hvor vi sammen med NTNU og et team fra universitetet i Marseille har 4 døgn med stråletid i «the experimental hutch» til «beamline ID19». Prøven skal inn i en ovn og røntgenstrålen skal opplinjeres i forhold til atomgitteret i prøven vår. Røntgenstrålene går deretter gjennom prøven hvor den spres ut i et komplisert diffraksjonsmønster som fanges opp på en film. Film? Sa jeg film? Ja, i denne teknologiens høyborg er det fortsatt film som gjelder når diffraksjonssmønstret fra prøven skal avbildes. Men det er ikke fordi ESRF sover i timen. Men, et digitalkamera har ikke god nok oppløsning for de små tingene vi skal se på.

Et diffraksjonsmønster består av mange flekker i et mønster hvor man kan se noe fra prøven i hver flekk. Så gjelder det å finne riktige flekker for begge krystallene våre med det gitte forholdet til hverandre – og så kan vi begynne med selve eksperimentet. Vi smelter ned prøven vår delvis og lar den gro opp igjen på den usmelta delen. Underveis tar vi bilder av noen utvalgte diffraksjonsflekker og løper halve synkotronen rundt (ganske nøyaktig halve runden, dvs. 5-600 meter) for å fremkalle filmene våre. Og det er disse filmene med et flekkmønster på som er våre resultater. Her kan vi nemlig, i teorien, se dislokasjonene slik de var da bildet ble tatt. Dvs. under smelting og under størkning! Da får vi et innblikk i dislokasjonenes oppførsel mens de lever! Dersom vi klarer å tolke alle flekkene. Dersom vi kuttet alle kuttene i perfekte plan. Dersom overflaten var perfekt. Dersom røntgenstrålen var perfekt opplinjert med atomplanene i prøven vår. Dersom smeltingen og størkningen går bra. Dersom vi får diffraksjonsmønster til å virke igjen. Dersom vi klarer å gjøre alt riktig.

Alt tyder på at forsøket var vellykket

Vi har vært her nede i to døgn og er ferdig med en prøve! Det er vanskelig å si hvor vellykket forsøket har vært, siden det sannsynligvis vil ta hundrevis av arbeidstimer å tolke alle flekkene vi har fremkalt. Men, alt tyder på at selve forsøket var vellykket. At vi får resultater vi kan lære noe nytt av! Etter nitid jobbing, dag og natt i flere døgn, står ikke jubelen i taket, men gjett om vi smilte da de første tegn på et vellykket forsøk begynte å tikke inn. Altså da de første flekkete filmene kom løpende fra mørkerommet. Nå har vi satt inn en ny prøve i ovnen – hakket mer komplisert enn den forrige prøven – og satser på flere løpeturer i natt og flere flekker vi kan smile til.