Seeking Alpha

EysteinH's  Instablog

EysteinH
Send Message
Norwegian. Master degree in psychology. Currently studying law and working part time. Interested in stock Analyst work.
View EysteinH's Instablogs on:
  • BOOM, BUST OR STABLE – A CLOSER LOOK AT THE POLYSILICON SEGMENT WITH NAMEPLATE CAPACITY OF 20 COMPANIES

    I have written an article on polysilicon nameplate capacity in some companies in the industry.

    Link to pdf here.

    Link google drive pdf:

    drive.google.com/file/d/0B0WcxQcm29ewRTZ...

    Dropbox link

    www.dropbox.com/s/2vfmtirxqw5a5cx/BOOM%2...

    Version4:
    Adjustet memc capacity from 4200 to 8000 mt.

    Corrected error where wacker where represented with 49000 production in 2014 to nameplate capacity of 52000 MT.

    Corrected error on hemlock and wacker capacity in graphs of capacity.

    Put idea polysilicon from expansion in 2017 to the group of possible expansions.

    Adjusted boom&bust&stable conclusions based on new numbers.

    Disclosure: The author is long JKS.

    Jul 14 11:00 AM | Link | 1 Comment
  • Updated Estimates For Renewable Energy Corporation Earnings Per May 15th 2013.

    This estimate is only a current estimate because the Chinese tariffs have not been confirmed or not yet. The premises are that polysilicon prices will be kept low, EU market will not collapse at the face of tariffs, ASP in Europe will rise slightly, and finally REC will keep the 8-9% price premium of the average pvinsight reported price (as confirmed in IR meeting 2.May.) I will probably have to update this estimate again once the tariff situation plays out as this has dramatic effects on how I estimate income. What this estimate clearly will show you is that even with low ASP for polysilicon REC will have a good enough income for handling the 2014 debt. Currently REC have around 0.78$/watt and we are in the middle of q2. It is assumed that prices will increase to around 0.78$/watt on average and REC will get a 9% premium giving them 0.85$/watt.

    REC ASP per quarter for modules:
    q22013: 0,85 $ per watt
    q32013: 0,85 $ per watt
    q42013: 0,84 $ per watt
    q12014: 0,83 $ per watt
    q22014: 0,82 $ per watt

    Rec production cost per quarter (module cash cost +sg&a & r&d per watt):
    q22013: 0,66 $ per watt (0,58 + 0,08) @ profit 19 cents per watt
    q32013: 0,63 $ per watt (0,55 + 0,08) @ profit 20 cents per watt
    q42013: 0,60 $ per watt (0,52 + 0,08) @ profit 24 cents per watt
    q12014: 0,58 $ per watt (0,50 + 0,08) @ profit 25 cents per watt
    q22014: 0,55 $ per watt (0,47 + 0,08) @ profit 27 cents per watt

    REC MW shipments per quarter and EBITDA cashflow
    q22013: 205 MW shipped @ 38,95 million $ production cash flow.
    q32013: 205 MW shipped @ 41,00 million $ production cash flow.
    q42013: 205 MW shipped @ 49,20 million $ production cash flow.
    q12014: 205 MW shipped @ 51,25 million $ production cash flow.
    q22014: 205 MW shipped @ 55,35 million $ production cash flow.
    Total 235,75 million $ ~ 1350 million nok

    REC ASP per quarter for fbr polysilicon:

    (It seems REC contracts are 2/3 into a quarter so the big rise at the end of q1 will probably be reflected in q2 report, that is why I assume 17,6$/kg in q2)
    q22013: 17,60 $ per kg
    q32013: 16,00 $ per kg
    q42013: 16,00 $ per kg
    q12014: 16,00 $ per kg
    q22014: 16,00 $ per kg

    REC FBR EBITDA cost per quarter (polysilicon cash cost + sg&a & r&d per kg)
    q22013: 14,5 $ per watt (11,5 + 3) @ profit 3,1 $ per kg
    q32013: 14 $ per watt (11,5 + 2,5) @ profit 2,0 $ per kg
    q42013: 14 $ per watt (11,5 + 2,5) @ profit 2,0 $ per kg
    q12014: 14 $ per watt (12,5 + 2,5) @ profit 1 $ per kg
    q22014: 14 $ per watt (11,5 + 2,5) @ profit 2 $ per kg

    REC FBR MT shipments per quarter and EBITDA cashflow
    q22013: 4125 MT shipped @ 12,79 million $ profit
    q32013: 4125 MT shipped @ 8,25 million $ profit
    q42013: 4125 MT shipped @ 8,25 million $ profit
    q12014: 4125 MT shipped @ 4,13 million $ profit
    q22014: 4125 MT shipped @ 8,25 million $ profit
    Total 41,67 million $ ~ 239 million nok
    Float zone, Electronic grade, simens sg, off spec and silane gass sales:
    Total cash flow profit from these volumes has varied between 80-150 million nok in the last quarters. I expect the cashflow from these products to be around 55,72 million nok (10 million $) giving a total of 50 million $ during the next 5 quarters. (286,36 million nok positive cashflow.) In additional there could be a potential cash flow of 16 million $ (91 mil nok) from a tax settlement. source:http://www.columbiabasinherald.com/politics/article_4297eee8-7d33-11e2-8daa-001a4bcf887a.html?mode=jqm

    Total all cashflow: 343,42 million $ ~ 1967 million nok.

    Capex estimated for period 2013 q2-q4: 35 million $. 2014 q1-q2: 30 mil $. Total: 65 mil $ ~ 372 mil nok.

    Interest rate for period 2013 q2-q4: 40 million $. 2014 q1-q2: 30 mil $. Total: 70 mil $ ~ 401 mil nok.

    Profit before taxes: 208,42 mil $ ~ 1194 mil nok.

    Debt maturing in 2014 is 331 mil $ ~ 1900 mil nok. Cash and cash equivalents is ~ 1600 mil nok. Rec needs around 500-600 MNOK in cash balance. They therefore need to earn 800 MNOK ~ 139 mil $ in the period q2 2013 to q2 2014. The calculations show that even with very low polysilicon prices this is easily achievable.

    Tags: REC, Solar
    May 15 6:49 AM | Link | Comment!
  • Fra Sand Til Ferdig Modul. En Forklaring Av En Hobby Amatør. (In Norwegian)

    Del 1 hvordan strøm genereres fra solceller

    (click to enlarge)

    Silikon og den fotoelektriske effekt.

    Silikon er verdens nest mest tilgjengelige stoff etter oksygen. Silikon som er selve grunnsteinen i enhver solmodul er lett tilgjengelig i til eksempel sand.

    Silikon er som en del andre metaller påvirket av den fotoelektriske effekt. Det er når et metall gir fra seg bundne elektroner (et partikkel mindre enn atom med en negativ elektrisk ladning, elektroner i bevegelse utgjør elektrisk strøm.) under påvirkning av lys. Albert Einstein fikk nobels fysikk pris for oppdagelsen av denne effekten i 1922, som han hadde skrevet i sin avhandling av 1905. Effekten ble observert først av Henrick Heinz i 1887.

    I veldig korte trekk slår fotoner (en kvantifisert mengde energi av elektromagnetisk stråling fra solen som beveger seg i lysets hastighet) ut elektronene i atomet til metallet. Ethvert metall har en grenseverdi, en viss mengde energi som fotonet må ha for å greie å slå ut elektronet av sin plass, har fotonet nok energi bruker den energien i sin helhet.

    Videre simplifisert er energien fotonet har med seg avhengig av bølgelengden. Blått lys har korte bølger og høy energi, mens rødt lys har lengre bølger og lavere energi.

    Silikons atomstruktur

    Silikon brukt for elektronikk har en struktur med 8 elektroner (negativ ladning) rundt en atomkjerne med tilsvarende mengder protoner (positiv ladning) og nøytroner. (ingen ladning.) Totalt sett er ladningen null da protonene og elektronene har tilsvarende mengde positiv og negativ ladning. Hvert atom deler på elektroner med de fire atomene rundt seg. Ved null grader er elektronene bundet fast mellom atomene som deler på elektronene. Med mer varme får elektronene mer energi og kan bryte fri fra strukturen. Dette er absolutt grense og enten er elektronet lav energi og bundet, eller det er høy energi og fritt til å bevege seg og skape strøm.

    Når et elektron beveger seg fra sitt bånd mellom atomene så etterlater det et hull. Hullet er positivt ladet siden atomet som delte elektronet nå har ett mindre elektron. (husk at atomene hadde ingen ladning siden like mange protoner som elektroner)
    Når et elektroner bundet er dette Ev "valence band" og når det er fritt til å bevege seg er dette Ec "conduction band". Siden et elektron enten er bundet eller fritt er det et område av energi på elektronet der det ikke går over fra Ev til Ec. Dette kalles the band gap, Eg.

    En enkel måte å tenke på bevegelsene av strøm er at elektronet som er negativt ladet beveger seg i Ec mens hullet som etterlater og er positivt beveger seg i Ev. Dette følger av at når et hull etterlates der elektronet var så vil elektroner forflytte seg mot hullet. Akkurat som når oksygen beveger seg opp fra vann så vil vann etterfylle der oksygenet lage et tomrom mens det er på vei oppover.

    Silicon uten noe behandling har 8.6 milliarder per cm-3 med hull og elektroner som er i bevegelse ved romtemperatur 25 celsius.

    Med behandling, såkalt "doping" kan man variere antallet elektroner og hull i atomstrukturen til silikon. Stoffer med 5 elektroner brukes til å danne overskudd av elektroner som kan binde seg mellom atomstrukturen til silikon der 4 bånd per atom kan knyttes. Typisk Phosphorous. Dette er n-type materialer. Stoffer med 3 elektroner brukes til å lage et underskudd av atomer, dette fører til at positive hull vil forflytte seg siden det mangler et elektron. Dette kalles p-type materialer. (Typisk av boron doping.)

    Den bæreren / "carrier" man har mest av er majoritets bæreren, til eksempel om man har flest elektron dopet materiale så er det en n-type som er majoritets bærer. Det man har mindre av er minoritets bæreren, i samme eksempel vil dette være p-type materiale, altså huller som forflytter seg.

    Siden doping gir betydelig mer bærere enn hva silikon har fra før av er det en forenklet modell å tenke at majoritetsbæreren vil ha antall ca likt hvor mye bærere som ble tilført ved doping.

    Fotonet og band gap

    Nå vet vi altså at band gap er den perioden med energi der elektronet er bundet og ikke enda er fritt til å bevege seg. Når et foton med høy energi (For eksempel blå bølgelengde) treffer band gap så vil det tilføre energi til elektronet som så vil forflytte seg til Ec mens det og dannes et hull i Ev.

    Fotoner med for lav energi vil passere gjennom silikon uten å mer en svakt påvirke elektronene.
    Fotoner med for høy energi vil bli absorbert men vil ikke skape elektrisitet, da elektronene og hullene raskt vil falle på plass og energien slippes ut som varme.

    Siden majoritets bæreren allerede har enorme antall er det ikke denne sollyset skaper flere av, det er minoritetsbæreren som sollyset danner mer av.

    Foton og absorbering

    http://www.pveducation.org/pvcdrom/pn-junction/absorption-coefficient

    Materialet man bruker til å lag solcellene med vil påvirke hvor lett fotonene vil bli absorbert eller om de vil gå igjennom materialet uten å absorberes. Germanium absorberer mest bølgelengder og med høyest absorbering per nm med bølgelengde. Silikon kommer ikke spesielt godt ut av en slik sammenligning om man ser på andre materialer, men den absorberer bra fra rundt 200 nm til dårlig rundt 1200 nm.

    I praksis betyr dette at blå bølgelengde fotoner absorberes helt ved solcellens start (noen få milliondeler av en meter ned i strukturen) mens rød bølgelengde kan gå ned noen hundre milliondeler av en meter.

    Videre betyr det i praktisk at det absolutt meste av elektroner som får bevege seg fritt pga fotoner skjer ved cellens overflate eller direkte under overflaten.

    http://www.pveducation.org/pvcdrom/pn-junction/generation-rate

    Rekombinering og livstid til minoritetsbæreren

    Så lenge et elektron er i Ec (i båndet der elektroner skaper elektristet og er i bevegelse) så vil det over tid stabilisere seg og gå tilbake til Ev (båndet der elektronet er bundet og ikke i bevegelse.) Når dette skjer og elektronet ikke er i bevegelse lenger vil og et hull forsvinne. Denne prosessen kalles rekombinering og skyldes tre fenomener:

    Radiative rekombinering. Auger rekombingering og Shockley-Read-Hall (SHR) rekombinering.

    Radiativ rekombinering er rett og slett at elektronet slår seg på plass i et hull og frigir energi som et foton, denne energien tilsvarer band gap og dermed passerer fotonet ut av cellen igjen. (Radians ut fra cellen.) For silikon er denne effekten svært liten da det er et indirekte band gap materiale, mens for materialer som GaAS så vil denne effekten være større.

    SHR skjer der det er defekter i atomstrukturen. For mono struktur (der atomene har samme struktur gjennom hele materialet) så er SHR effekten ikke tilstede. Det som skjer er at et elektron eller hull blir fanget opp i en atomstruktur som ikke passer med strukturen rundt denne. SHR har høyest tendens til å skje når fotonet har energi rundt band gap og ikke nær Ec eller Ev.

    Auger rekombinering skjer fordi det er tre elektroner eller huller i bevegelse, ett elektron tar plassen til hullet, men istedenfor å gi energi som varme eller et foton så blir energien gitt til det tredje elektronet som vil fragi seg varme og gå tilbake til under Ec. Auger rekombinering skjer mest der silikon er tungt dopet og har mye elektron eller hull. Dette er logisk da det da er flere elektroner /huller i bevegelse og tendensen til at det er mulighet for tre hull/elektroner å få denne effekten er større. I silikon er Auger rekombinering en viktig begrensningen i hvor livstid et elektron har til å bevege seg før det rekombineres. Det er derfor en nøye vurdering hvor tungt man doper et materiale for å unngå denne effekten.

    Siden det er primært minoritetsbæreren som sollys generer mer av så er det også denne man fokusere på livstiden til og at effektene av rekombinering skal være minst mulig.

    Minoritetsbæreren i multi silikon (silikon med flere strukturer og ikke en uniform) påvirkes mest av SHR effekten siden denne forårsakes av nettopp forskjell i strukturen. En vanlig celle kan kanskje miste 20% av minoritetsbærere som elektrisitet i et område der strukturene ikke er uniform:
    http://www.pveducation.org/pvcdrom/pn-junction/diffusion-length

    I silikon kan livstiden til minoritetsbæreren være opp til ett millisekund. Lengden minoritetsbæreren greier å reise på denne tiden er typisk rundt 100-300 milliondeler av en meter. Jo lengre en minoritetsbærer greier å reise jo mer sannsynlig er det at den kan generere elektrisitet.

    Siden silikon dannes ved å sage blokker så vil overflatestrukturen til atomene ikke være hele og det vil være enormt mye SHR rekombinering ved overflaten. Hvis vi og husker at foton generer mest elektroner ved overflaten så ser man at det er viktig å gjøre noe med dette. Dette kommer jeg tilbake til når jeg går inn i prosessen med passivering.

    Bevegelse av bærere (huller og elektroner)
    Et viktig prinsipp her er at alle bærere har en tendens til å bevege seg fra område med høy konsentrasjon til områder av lav konsentrasjon. Dette skyldes tilfeldig bevegelse over tid og gjør at det over tid vil dannes en likevekt av huller og elektroner.

    Dette er basis for å genere strøm og dette er hvorfor man lager celler med p og n type materiale som settes mot hverandre. I praksis har man altså en side med høy konsentrasjon av elektroner (n-type) mot en side med flere hull (p-type.) Uten noe ekstern stimulering så vil effekten av dette balansere seg ut. Det vil forflytte seg like mye mellom ene siden til andre siden. Dette gir også grunnlaget for et elektrisk felt, et område der det lett kan skje en bevegelse av huller eller elektroner til andre siden av p-n junctionen. Siden om et elektron (n-type) spretter over til en side med flere huller vil dette forårsake ett mindre hull i bevegelse på andre siden og ett til hull i bevegelse på den siden av p-n junction den forlot. Eller for å si det på en annen måte en majoritets bærer vil gå over til å bli en minoritetsbærer når den forflytter seg til andre siden av p-n junctionen.

    Elektristet

    Veldig enkelt skjer dette ved at man har en overflate med metall som elektronet / hull kan bevege seg igjennom (en krets ofte sølv.) og på undersiden av modulen en krets til. Kobler man sammen disse har man strøm i koblingen da elektronet beveger seg fra toppkretsen og gjennom koblingen og ned til bunnkretsen og inn i solcellen igjen.

    Siden rekombinering hindrer bevegelse av elektronet så er dette ikke bra for generering av elektroner. I området mellom p-n juntion der det er et elektrisk felt vil det være svær god generering av elektroner og alle fotoner fra sollys som treffer dette området vil generere mer elektristet. I overflaten av cellen vil det være mye SHR effetk så her vil det rekombineres mye, noe som er et problem da mye av fotoner absorberes nettopp i overflaten. Lav energi fotoner vil treffe dypere inn i materialet og her vil det og skje mye rekombinering om ikke baksiden også passiveres. (mer om passivering senere.)
    http://www.pveducation.org/pvcdrom/solar-cell-operation/collection-probability

    Quantum effiency (Q.e)

    Dette sier noe om hvor mange fotoner som vil forårsake bærere. Eller sagt på annet hvis hvor mange fotoner det skal til for å forårsake en bærer.

    http://www.pveducation.org/pvcdrom/solar-cell-operation/quantum-efficiency

    I korte trekke er Q.E lav ved overflaten (SHR effekten) og lav ved undersiden pga lav absorbering, lav energi på rød bølgelgende og lav bevegelse av elektronene/hullene som treffes av lav energi fotoner.

    Man snakker ofte om ekstern Q.E dette inkluderer effekt av refleksjon og andre ytre årsaker som påvirker hvor mange fotoner som skal til for å gi en bærer. Indre Q.E omhandler fotoner som faktisk trenger inn i materialet og hvor mange som skal til for å generere en bærer.

    Isc og Voc

    Isc står for "short circuit current" med andre ord når elektronene/hullene er i bevegelse og alt

    volt potensiale er tatt ut. Dette er mengden strøm som cellen maksimalt kan ta ut.

    Voc "open circut voltage" er kretsen som naturlig er inne i cellen der elektronene /hullene beveger seg tilfeldig. Denne måler potensialet i vatt for at det skal bevege seg elektroner. Denne styrers av hvor mye potensiale det er i cellen for å generere mer bærere av sollys fotoner. Denne er høyest når det ikke allerede er elektroner/huller i bevegelse.

    FF (fill faktor) er den høyeste rektangulære form man får i I V kurven. Siden Current påvirkes av potensiale i vatt så vil en høyere vatt gi en høyere FF. (Mer potensiale for å generere strøm.) Lavere fill faktor tyder på at det skjer en mer brå kurve forandring mellom forholdet Isc og Voc.

    Effektivitet. (%)

    http://www.pveducation.org/pvcdrom/solar-cell-operation/efficiency

    Defineres som ratio mellom energi fra solen og energi solcellen greier produsere. Siden denne påvirkes av en rekke faktorer så er det standardiserte verdier som brukes for å rapportere effektivitet. For en 156 x 156 mm2 celle er mengden strøm fra solen satt til 24.3 watt.

    For å eksemplifisere med rec sine moduler

    http://www.recgroup.com/en/products/SolarPanels/recpeakenergyseries/

    Ta 260 watt seriene. Den vil ha en høy voltage potensiale 37.8 Voc. Potensiale for strøm ved Isc er 9,01 ampere. Siden modulen består av 60 celler er potensiale watt fra solen 24,3* 60 =1458 watt. Siden vi ikke vet FF faktorene kan vi ikke regne oss frem til celle effekt, men vi vet at modul effekten er 15.8% og at denne generere 260 WATT ved Air Mass 1.5 Irradiance 1000W/m2 og celle temperatur 25 celcius.

    Ved NOCT (800 w/m2, wind speed 1m/s, roomtemperatur 20 celcius og høyest operasjonell temperature for rec rundt 45,7 +-2 celcius) vil denne modulen generere 197 Watt.

    Varme påvirker cellen ved at jo varmere det er jo mer elektroner vil ha energi til å bevege seg, dette gir et redusert potensiale til energi fra minoritetsbæreren når sollys treffer med fotoner på cellen. Det kan og sies enklere ved at Eg (Band gap) minkes jo mer temperaturen øker. (flere elektroner går til Ec og flere huller til Ev.)

    Del 2 produksjonsprosessen

    Jeg vil her fokusere på modulene og ikke så mye på hvordan man rengjør polysilicon (FBR, uMGS og Simens rengjøring).

    Polysilicon, også kalt polycrystaline silicon er altså silicon med flere krystaller av silikon (poly= flere og krystal = område med samme struktur) og ikke en sammenhengende rekke av silikon atomer i bånd med elektroner. Det består også av urenheter av andre metaller (for eksempel jern) og ikke metaller som for eksempel oksygen.

    Ingot dannelse

    Polysilicon smeltes i bakeovner av som regel quartz til såkalte blokker eller ingots. To hovedmetoder for smelting er directional solidification (NYSEMKT:DSS) der varme gradvis spres fra ene siden av smeltemassen til andre siden og ett område er varmest til en hver tid, den andre metoden er Cz prosessen der man smelter polysilicon og så med hjelp av et seed krystall drar opp en mono struktur av krystall (sammenhengende atomstruktur.) En tredje metode er float zone der polysilicon gradvis dras gjennom en varmekilde og et lite område til en hver tid er smeltet, metaller og urenther vil søke til dette området som er smeltet til en hver tid så prosessen kan ses på som å dra urenheten ut av polysiliconet og gir en svært ren atomstruktur uten mye forurensning fra andre metaller og ikke metaller.

    https://en.wikipedia.org/wiki/Float-zone_silicon

    http://en.wikipedia.org/wiki/Czochralski_process

    http://en.wikipedia.org/wiki/Directional_solidification

    Fra før av vet vi at en god atomstruktur er bra da det lettere hindrer SHR rekombinering. Men siden DSS er den desidert billigste og raskeste metode så dominerer multi silikon baserte solceller markedet. Målet med DSS design er å påvirke varmeprosessen mest mulig slik at den skaper minst mulig krystall grenser som fanger opp elektroner i SHR. Eksempler på dette er forskning på at en meget rask nedkjøling etter oppvarming forårsaker en krystallstruktur som minner mye om hvordan tre sprer ut grener og blader noe som gir mindre grenseområder som forårsaker SHR rekombinering.

    I denne prosessen dannes også minoritetsbæreren, ofte ved at man i oppvarmingen har med boron som gjør selve ingots basen til en n-type minoritetsbærer.

    Men gitt alt annet likt vil mono baserte design være bedre enn multi baserte design da det vil være mindre SHR rekombinering.

    Årsaken til at man vil fjerne metaller og ikke metaller er at disse og gir andre strukturer i materialet og dermed forårsaker SHR. Derfor er Float zone basert silikon enda mer effektiv enn mono basert struktur med mer metall og ikke metall urenheter.

    Wafer kutting

    Ingots festes til en glass og metall plate med lim som varmes opp (ikke høye temperaturer opp mot 50-60 celcius) to spoler har en wire (som regel stål wire) som trekkes og spennes fast, en skiller sprer ut wierne i lengde slik at ingoten kuttes opp i flere wafere. Etter skilleren er det en nozzle som sørger for at et kutte materiale som regel av silicon carbide pulver blandet med olje elle vann stoff (kalles slurry) spres ut over wire trådene og så når pulvert passerer ingoten så eroderer det et hull i ingoten, dette fører til at ingoten kuttes opp i wafere. Jo tynnere man gjør hver wafer jo mer sannsynlig er det at de vil brekke ved transport. En 140 milliondel av meter tynn wafer vil veldig lett brekke bare ved å tas opp av en sugekopp. Svært tynne wafere vil ikke brekke men være fleksible (40 milliondeler av en meter for eksempel i tynnhet.)


    Kerf tap eller tapet av silicon som sages vekk ved silikon powder har man forsøkt å resirkulere for så å spare penger. Problemet er at slurry av olje / silicon pulver forårsaker forurensining av polysilicon materialet slik at det ikke egner seg til ny produksjon ved å smelte til ingot. Nyere forskning på diamant wire viser at disse kan hindre forurensing fra slurry (bruker jo ikke slurry) og gjør at man kan resirkulere kerf. På den andre siden så sliper ikke diamant wire ned waferne på samme måte som slurry gjør og dette forårsaker at det oppstår mange mikro sprekker i wafer materialet som gjør at det mye lettere bryter sammen under produksjon. Derfor er det enda lite populært med diamond wire design, men det jobbes med å få diamond wire til å ikke skape like mye mikro sprekker i waferne.

    Slurry resirkulering er svært viktig da slurry kan utgjøre flere cent i kostnader. Hvis man slipper å kjøpe inn olje / mer silicon powder men resirkulere dette så sparer man mye. Proffesjonelle tredjeparter som resirkulerer slurry greier å bevare opp mot 90% av slurry til ny produksjon. Often er denne onsite da transport av slurry koster mye, og da må og produsenten ha mye slurry tilgjengelig på fabrikken siden de hele tiden må shippe ut slurry.

    Problemet med silicon powder er at kornene som sliper ned waferen er av ujevn størrelse, dette fører til at en wafer faktisk ikke er jevnt over kuttet men kutet med groper og ujevnhet. En dimanat wire har mye mindre ujevnhet. I praksis betyr det at tynnheten på en wafer kan variere rundt 10% i produksjon. I snitt er tynnheten rundt 180 um (milliondel av meter) da denne gir størst wafer styrke til minst mulig tap av silicon og mest wafere.

    Etsing av sag skaden

    (click to enlarge)

    Skaden på cellen er i et lag på rundt 5-10 um og metall fra tråd og urenheter kan ha trengt ned i de første um av sagskaden. Typisk etser man bort 10 um i et DAMAGE REMOVAL (NYSE:SDR) med en alkaline eller HF/HNO basert blanding. Før SDR brukes andre kjemikalier for å rengjøre waferen for urenheter.

    Teksturering

    (click to enlarge)
    Etter SDR følger man opp med en etsing som forandrer strukturen på overflaten av waferen. Målet her er å fange mest mulig lys og at minst mulig skal reflekteres. Dette oppnås mest effektiv per dags dato med å etse en pyramide lignende struktur langs hele wafer overflaten. Her er det to momenter som er mot hverandre, på den ene siden vil overflate rekombinering øke pga mer defekter i strukturen (SHR rekombinering), og på den andre siden vil mer lys og fotoner treffe inn i materiale pga pyramide strukturen.

    For mono med ren struktur brukes en KOH eller NAOH + IPA løsning for best resultat. Mens for multi krystall strukur må andre løsninger brukes, ofte en løsning av HF og HNO3 i kombinasjon med acetic acid.

    Diffusering av emittor (bærer)

    Når da waferen har blitt rengjort og finslipt og teksturert der de har vært sagskade så er neste steg å diffusere eller dope en majoritetsbærer på overflaten av waferen. (P-type eller N-type). Fra før av husker vi at waferen er dopet med en minoritetsbærer av den motsatte type, typisk P-type altså boron basert doping. Med andre ord er det kun 3 elektroner og de har et hull for mye i minoritetsbæreren. Emittoren altså laget på overflaten er her av N-type og har altså for mange elektroner. Den vil da ønske å passere de elektriske felt mellom N-P junction og gå over til en minoritetsbærer på andre siden. Det vil føre til et postivt ladet hull på emittor siden og et negativt ladet elektron i bevegelse på base siden.

    Ofte skjer diffusering ved at gass (POCL3) varmes opp (ca 900 celicus) og man ønsker å dope kun forsiden, men vil også dope sidene og baksiden (men ved diffusering der to wafer er rygg mot rygg kun delvis bakside diffusering.) Dette former et glass lag ved bruk av POCL3 som må etses bort. En stor fordel med diffusering er at metall urenheter har en tendens til å trekke mot overflaten når de varmes opp mye og dette kalles "gettering". Særlig er det en tendens for dette når basen er basert på N-type materiale (altså ett elektron for mye som vil vandre til andre siden.) og dermed er N-type base wafere mer ufølsom mot urenhet av metaller i polysilicon brukt til å lage ingots.

    http://www.siliconfareast.com/gettering.htm

    Kant isolering.

    Kantene må isoleres slik at de ikke kort slutter kretsen av elektroner/huller som beveger seg. Husk igjen at det ved doping nå er et lag av emittore også på kantene og baksiden av wafere. Dette kan gjøres med etsing for eksempel HF/HNO3. Eller det kan gjøres med laser.

    Passiverings lag og anti reflektive lag

    Overflaten ønsker man at skal ha lite SHR rekombinering så man legger til et lav med SiN som også gjør at waferen reflekterer mindre sollys og mer fotoner går inn i materialet. (anti reflective coating - ARC) Hvordan ARC laget passer inn med laget som er teksturert (ofte i pyramider) vil innvirke SHR rekombineringen. Et drømmemål må være å få til et lag som gir mindre refleksjon, men som sørger for mindre SHR rekombinering. Det er for øvrig ARC som gir cellene dens karakteristiske blå farge.

    http://www.pveducation.org/pvcdrom/manufacturing/anti-reflection-coatings

    Man oppnår mindre SHR rekombinering ved å påvirke atomene som har skadet struktur fra å bli elektrisk aktive og fange opp elektroner og huller. Dette gjøres per dags dato ved en prosess kalt IMEC clean eller annen type prosess som består av en ren, metall fri oksid kjemikalie som skaper et dielectric felt, altså egentlig det motsatte av et elektrisk felt. Det skyver unna elektroner/huller fra dette feltet.

    http://en.wikipedia.org/wiki/Dielectric

    Dette gjøres som regel på forsiden av waferen men også bakside passivering har blitt mer og mer viktig i mer avanserte design der baksidens rekombinerings ratio også er av betydning.

    Til eksempel har REC forsøkt seg med en bakside passivering, siden baksiden har mest rødt lys så gjør det cellen mer senitiv for å generere elektrisitet på morgen / kveld (da det produseres mer rødt bølgelengde lys.)

    Et annet viktig konsept under diffusering er selektive emittor (NYSE:SE) diffusering. Emittor diffusering er en kamp mellom to ting, man vil på ene siden ha lav diffusering under kretsene men samtidig vil man ha høy diffusering over resten av emittoren for at den skal kunne generere elektristet mest mulig effektivt. Dette oppnås mer effektivt med to diffuseringer. Den ene med lav doping den andre med høy doping. Dette er i korte trekk konseptet om selektive emittors.

    En passiveringsform som begynner å få popularitet er basert på en patent av sanyo som snart går ut. (i 2011 var det noen år til patenten gikk ut.) Det er et en hetro junction, en p-n junction av to forskjellige materialer (derfor hetro altså forskjellig) i dette tilfellet av a-si:H og silikon. Denne har vist seg å hindre rekombinering svært effektivt og gir ekstremt høye celle effektivitet. (over 20%)

    Metall kretsene

    Metallisering.

    (click to enlarge)

    For at strømmen skal få en retning den beveger seg i må man lage kretser på solmodulen. Dette gjøres i metalliseringsfasen. Siden metalisering er dyrt og fører til skyggelegging av modulens forside så er det brukt mye tid og forskning på metaliseringsprosessen. Til eksempel er nå sølv dyrere enn polysilicon på en modul med i gjennomsnitt 9 cents per watt i kostnad for sølvkretsene, og 8 cents per watt for polysilikonet til waferen. Det er generelt sett mye effektivitet å hente på bedre metalisering av modulene. Standard metode for dette har vært en tykkfilm printe metode der ca 1500-2000 wafere strømmer igjennom printerområdet i timen. Det er med andre ord en utrolig kjapp prosess. Kretsene ofte av sølv er på ca 100-150 um i bredde. Printingen fungerer i tre faser. I første fase dekkes modulområdet av en sølvpasta ved hjelp av en drager ("Squeegee") som fordeler pastaen utover en maske over modulen. I neste fase presser drageren nedover slik at sølvet går igjennom masken og over på modulen. I siste steg blir masken løftet av slik at kun kretsen står igjen.

    De fleste sølv løsninger inneholder sølv partikler, glass frit, løsemidler og et kjemikalie som binder kretsen til modulen.

    En annen prosess som har fått mye popularitet i det siste er to steg prosessen. Her lager man først et tynt sølvlag med god kontakt med silikon under (lav ohm eller motstand). Så legger man til et tykkere sølvlag som er særlig egnet for at strøm går igjennom. Dette laget er som oftest sølv eller kopper.

    Andre metoder er å smelte en løsning og så printe den på modulen. Dette har fått kretser på rundt 60 um så vil gi mindre skyggelegging av modulfrontsiden.

    En metode man spekulerer i framtiden vil slå an er å skrape et 40 um dypt kutt i modulen med et blad som dreges over modulen. Så fyller man hullet med nikkel nederst og så kopper. Dette fører til mye mindre skyggelegging av modulen siden kun en liten del av kretsen er i overflaten. Nikkel brukes som et lag mellom silikon og kopperet slik at ikke kopper skal diffusere sammen med silikon. (Vil da gi dårligere lede evne og mer SHR effekt.)

    Her har man og vurdert laser for å kutte opp et lag. Her blir ikke emittor laget like mye skadet som om et mekanisk blad kutter opp et lag i fronten der emittoren er.

    En tredje metode er å spre et pulver av sølv over modulen og så varme dette opp med laser for å lage kretsen. (Laser micro-sintering prosess) Fordelen her er mindre varme brukt (kun laser varmen) resirkulering av sølv pulvet som ikke varmes opp, og mindre ohm resistens siden pulver varmes opp og gir bedre kontakt med silikonet.

    En hel del konsepter går ut på å få alle kretsene på baksiden av modulen. Da unngår man helt skyggelegging av forsiden. Hvis dere husker fra tidligere i artikkelen så er det mest sollys som absorberes i det øverste laget, det er derfor ønskelig å ha mest mulig av det elektriske feltet her (p/n junction) og at man unngår skyggelegging så mest mulig treffer emittor laget. Et viktig konsept her er Metal Wrap Trough og interdigitated back contacts (IBC) som jeg vil skrive om i avanserte celle design.

    (click to enlarge)

    Baksiden av modulen må og metalliseres. Her kan man enten lage en hel bakside av metall (feks alluminum ramme) eller man kan velge å lage en krets kontakt der cellene kobles mot hverandre (60 celler koblet mot hverandre i en standard modul.) Også baksiden bør passiveres siden rødt lys treffer mye av baksiden og mye elektroner og huller vil søke mot kretsene på baksiden om dette laget ikke pasiveres. Dette kalles Back surface field (BSF) og er et felt for å avvise elektronene og hullene fra å gå mot kretsene. Tradisjonelt har dette blitt gjort ved å dope laget nederst slik at det har flere hull og da vil det ved tilfeldig bevegelse søke flere hull mot midten av cellen slik at elektrone ikke vil søke mot bunnen av cellen. (I prinsippet kan dette ses på som at man prøver hele tiden å skyve elektronene mot kretsene øverst slik at de skaper elektrisitet.) Det motsatte gjøres der minoritetsbæreren er huller da sørger man for en bakside med mye elektroner slik at hullene vil søke mot toppen av cellen.

    http://pvcdrom.pveducation.org/DESIGN/SURF_MIN.HTM

    Akkurat som selektive emittor kan benyttes på toppen av cellen så kan også det på bunnen kun dopes tungt der kretsene som kobler cellene sammen (ribbons) er da det er her elektronene eller hullene vil søke og det man ønsker å unngå.

    En annen fordel med å kun selektivt dope og ha alluminium paste er at refleksjonen til bunnen kan nå opp til 95% mot 65-80% for en bunn som har et helt BSF og ikke et selektivt BSF. Siden en del bølgelengder faktisk går igjennom cellen er det ønskelig å reflektere disse så de får en sjanse til å generere elektrisitet også på veien tilbake. I tilegg vil disse ikke generere varme om de blir reflektert. Ofte hvis du ser en modul som har en lav operasjonell temperatur skyldes det trolig at de bruker et selektivt bakside lag som gir god refleksjon og dermed mindre varme på modulen.

    Sammenkobling av celler og pakking (EVO lag for beskyttelse)

    (click to enlarge)

    I korte trekk så blir solceller kombinert og koblet sammen slik at de former en modul ved hjelp av å lage kretser i to steg først "solder ribbons" prosessen kalles "tabbing" og så selve kretsen i "stringing" prosessen. Modulen blir så laminert og så vil elektrisk kontakt formet med en junction box (j-box) og en ramme blir lagt på modulen. Til slutt blir modulene testet for effektivitet og mekanisk motstand.

    Koblingen mellom solcellene er som regel flate kopper tråder som er dekket med bly. Koblingene er tradisjonelt rundt 120-180 um høy og 1.5-2.4 mm i bredden. Noen bruker bly fri kolbinger. (til eksempel rec eco modulen.) Disse koppertrådene med bly legges på begge sidene av solmodulen, og dekker sølvkoblingene på oversiden. Et stoff "flux" legges til og sørger for at trådene av kopper /bly festes til kretsene på oversiden av primært sølv og på undersiden av primært alluminum/sølv. Under prosessen med å feste bly til koppertrådene så varmes modulen til 35-40% dette fører til mekanisk stress når dette nedkjøles da koppertrådene har mye større tendens til å trekke seg sammen ved nedkjøing enn silikon. I praksis må nedkjølingen kontrolleres slik at ikke celler i modulen brister / sprekker oppstår.

    Her er en veldig viktig prosess lamineringen, dette fordi den påvirker sollyset som kommer inn, elektrisk isolering, hvor mye modulen tåler og hvordan den vil operere i feltet.

    Standard metode for å legge på et laminator lag er "roll to roll" produksjonsmetoden. Typisk har man et laminatorlag som festes på glass som cellen festes til. Så festes et nytt lag med laminering på dette igjen, og til sist et siste insulerende lag på baksiden av cellen. Så går alt inn i en laminatormaskin som smelter alt på plass og en vakum prosess vil bli benyttet for å få ut alt av luft bobler under varme prosessen. Resultatet er en modul omkapslet av et EVA lag, med glass over for lite refleksjon på overflate og for å tåle mekanisk press. På underiden er rammen en fysisk beskyttelse (mekanisk styrke), elektrisk insulator og en barriere mot at fuktighet skal komme inn i EVA laget.

    Studier viser at ARC laget og EVA laget absorberer mye kort bølgelengde fotoner (300-450 nm) og et mål med eva lagene er å unngå absorbering og refleksjon av disse bølgelengdene.

    Siden det beskyttende laget (ofte Ethylene vinyl acetate - EVA) skal gjøre flere oppgaver så er det flere lag med eva som legges. Til eksempel på oversiden med kontakt med glasset må EVA ha høy lys gjennomstrømming og lite refleksjon. Videre må den ha god stabilitet for UV lys (10-450nm) og ha god isoleringsevne. Hvis ikke vil det kunne skje elektrokjemisk errosjon av modulen over tid. Sist men ikke minst må stoffet kunne beskytte mot at vann trenger inn. Definisjonen av lufttett omfatter ikke mikroskopiske vannmolekyler og derfor behøver til eksempel ikke en lufttett modul være helt trygg mot fuktskader.

    avanserte celle design med forklaring

    http://www.pveducation.org/pvcdrom/manufacturing/high-efficiency

    Nøkkelen i passivated emitter with rear locally diffused (OTCPK:PERL) design er at det skjer svært lite rekombinering i overflaten pga SHR. Dette sørger et oksideringslag ovenfor silikonen for. PERL kan nå opp til 25% effekt pga dette. Også baksiden har man hindret at elektronene / hullene tas opp i bundet form igjen ved å kun lokalt under kretsene diffusere med høyere doping nivå. (hindrer at elektronene / hullene søker mot disse og at de istedenfor søker mot det elektriske feltet i P-N junction området.)

    http://www.pveducation.org/pvcdrom/manufacturing/rear-contact

    Nøkkelen i interdigitated back contact (IBC) sol celle design er at man hindrer skyggelegging av frontsiden (øker mengden sollys som treffer emittor på overflaten av solcellen ) ved at man flytter kontaktene i kretsene til baksiden av modulen. Her er det svært viktig med høy kvalitet på silikonstrukturen (mono som regel) slik at elektronene/hullene har lang levetid og når ned til bunnen av cellen der kretsene er. IBC har mer potensiale jo tynnere waferen blir da levetiden kan reduseres jo kortere reise elektronene/hullene har. En annen fordel er at når alle kretsene er på baksiden så kan cellene kobles helt inntil hverandre istedenfor med et lite mellomrom som er vanlig på standard celler. Med andre ord vil dette sørge for mer watt per m2 siden designet er mer kompakt.

    Metal wrap-through

    Kjennetegnes ved prikkene (hull) på modulene istedenfor kretslinjer. Se for eksempel sunpower sin modul her:
    http://us.sunpowercorp.com/homes/products-services/solar-panels/

    I korte tegn drilles eller ved hjelp av laser åpnes et hull i cellene og metall printes igjennom hullet. Dette minker skyggeleggingen på fronten av cellen og dermed øker elektrisitetspotensialet.

    (click to enlarge)

    Heterojunction technology (HIT) baserer seg på at p-n junctionen består av materiale av forskjellig type (hetero) istedenfor av samme type dvs som oftest silikon. Et eksempel på dette i nyere forskning er A:si-H lag dopet med boron for en p-type kombinert med silikon base av phosphorous (n-type) som gir en p-n junction med veldig lav rekombinering og høy livstid for minioritetsbæreren (mer enn 10 ms) på undersiden er passiveringsfeltet a-si:H dopet med en n-type for å sørge for at elektronene / hullene søker mot det elektriske feltet i p-n junctionen.

    HiT teknologien passer meget bra til en bifacial teknologi, dvs at det er en p-n juncton på begge sidene av modulene og at sollys generere strøm fra begge sidene. Noe som passer bra på moduler som ikke ligger på en overflate. Den store effekten fra HIT cellene sørges primært sett av at det er meget god carrier lifetime på minoritetsbæreren som generer strøm.

    Apr 20 10:38 AM | Link | 1 Comment
Full index of posts »
Latest Followers

StockTalks

More »

Latest Comments


Posts by Themes
Instablogs are Seeking Alpha's free blogging platform customized for finance, with instant set up and exposure to millions of readers interested in the financial markets. Publish your own instablog in minutes.