Ud med sølvet, ind med kobberet:Et nyt løft til solcelleproduktion

Den stigende pris og lave tilgængelighed af råmaterialer, især sølv, fører til højere omkostninger ved produktion af solcellemoduler. Fraunhofer-forskere har udviklet en galvaniseringsproces, der involverer at erstatte sølv, et dyrt ædelmetal, med kobber, som er lettere tilgængeligt. Det er også lykkedes at erstatte de polymerer, der normalt er tilovers efter galvaniseringsprocesser, og som er dyre at bortskaffe, ved i stedet at bruge let genanvendeligt aluminium til maskering. For at bringe teknologien til markedet hurtigere, blev spin-off PV2+ lanceret.

Når det kommer til at generere elektricitet fra vedvarende energi, er solceller en grundpille. Moderne heterojunction solceller har en særlig lav CO₂ fodaftryk på grund af de lave mængder silicium, der bruges til at fremstille dem, og når det kommer til industriel produktion, opnår de den højeste effektivitet. Som et resultat er chancerne store for, at denne teknologi bliver standarden i produktionen. Der er tal, der viser solcellernes voksende betydning. Ifølge International Renewable Energy Agency (IRENA) blev mere end 96 TWh energi produceret af solcelleanlæg på verdensplan i 2012, hvilket steg til næsten 831 TWh i 2020. Ifølge det tyske miljøagentur er mængden af ​​elektricitet produceret fra solceller i Tyskland steg fra knap 27 TWh til knap 50 TWh i samme periode.

Dette er på ingen måde grænsen for, hvad solceller kan tilbyde. Men ved fremstilling af solceller bruges værdifuldt sølv til skinner og kontakter, som leder den elektricitet, der genereres i siliciumlaget ved hjælp af solstråling. Prisen på dette ædle metal stiger - selv i dag tegner sølv sig for omkring 10% af fremstillingsprisen for et solcellemodul. Desuden er der kun begrænsede mængder af metal til rådighed på Jorden. Solindustrien forarbejder 15 % af det udvundne sølv, men på grund af industriens høje vækstrate står denne andel til at stige kraftigt. Dette vil dog ikke være levedygtigt, da andre sektorer såsom elektromobilitet og 5G-teknologi også rapporterer om en forventet fremtidig stigning i deres brug af sølv. Det er derfor, solcelleindustrien kræver banebrydende teknologiske innovationer for at realisere sit fulde potentiale.

Kobber til solcellekontakter

Forskere ved Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE har påtaget sig denne udfordring. Med omkring 1.400 ansatte er dette Freiburg-baserede institut det største solforskningsinstitut i Europa. Et team af forskere ledet af Dr. Markus Glatthaar, en ekspert i metallisering og strukturering, har udviklet en galvaniseringsproces til den lovende heterojunction-teknologi til at erstatte sølv med kobber. Kobber er mange gange billigere og lettere tilgængeligt end sølv.

For at sikre, at solcellens elektrisk ledende overflade ikke er fuldstændig galvaniseret med kobber, skal de områder af overfladen, der ikke bør belægges, først maskeres. Disse områder er dækket af en belægning, der har en elektrisk isolerende effekt, og derved forhindrer dem i at blive galvaniseret. Kobberlaget vil kun opbygges i de områder, der ikke er belagt med isoleringen.

Forskerne har gjort endnu et væsentligt fremskridt her:Indtil nu er dyre polymerbaserede lakker eller laminerede folier blevet brugt i denne industri til at maskere siliciumwaferen i elektrolytbadet. Korrekt bortskaffelse af polymererne er en dyr proces, der genererer meget affald. Dr. Glatthaar og hans team har været i stand til at erstatte polymererne med aluminium. Ligesom kobber er aluminium fuldt genanvendeligt. At skifte materialerne to gange, fra sølv til kobber og fra polymer til aluminium, giver også dobbelt så stor fordel:At producere solceller er ikke kun mere bæredygtigt, men også betydeligt billigere.

Et videnskabeligt gennembrud:Innovativ galvanisering og forbedrede elektrolytter

Men hvordan lykkedes det forskerne at erstatte sølv, et dyrt ædelmetal? "Vi udviklede en speciel galvaniseringsproces, der gør det muligt at bruge kobber i stedet for sølv til samleskinnerne," forklarer Dr. Glatthaar. Dette forbedrer endda ledningsevnen - kobberkontaktlinjerne er særligt smalle på grund af deres laserstruktur. På grund af kobberlinjens ekstremt lille bredde på kun 19 μm (mikrometer), oplever det lysabsorberende siliciumlag mindre skygge end med sølvlinjerne. Dette og den høje ledningsevne af galvaniseret kobber forbedrer eludbyttet.

Fraunhofer-teamet har også opnået en anden teknologisk præstation ved at bruge aluminium som maskeringslag. Vanskeligheden her er den elektrisk ledende karakter af aluminium, hvilket gør det ved første øjekast uegnet til brug som maske. Fraunhofer-forskerne udnyttede det faktum, at aluminium kan danne et isolerende oxidlag på overfladen. Dette lag er dog kun et par nanometer tykt. "Vi var i stand til at tilpasse procesparametrene og udvikle en speciel type elektrolyt, som sikrer, at aluminiumets ekstremt tynde, native oxidlag pålideligt kan opfylde sin isolerende funktion. Dette var en vigtig milepæl for vores forskningsprojekts succes," siger Dr. Glatthaar er glad for at kunne rapportere.

Som genanvendelige materialer kan både kobber og aluminium bringe solcelleproduktion meget tættere på den cirkulære økonomi, hvilket forbedrer miljømæssige og sociale standarder i processen. "I betragtning af at vi har tilstrækkelige forsyninger af kobber i Tyskland, er forsyningskæderne meget kortere, og prisen er mindre afhængig af internationale råvaremarkeder eller udenlandske leverandører," tilføjer Dr. Glatthaar.

Spin-off PV2+ bringer solcelleteknologi til markedet

For at bringe den lovende teknologi til markedet hurtigere, lancerede Fraunhofer ISE spin-off PV2+. Bogstaverne "P" og "V" står for solcelleanlæg, hvor "2+" angiver den dobbelte positive ladning af kobberioner i galvaniseringsbadet. Virksomheden er også baseret i Freiburg, hvor Fraunhofer-forsker Dr. Glatthaar fungerer som administrerende direktør. Han sigter mod at etablere et pilotproduktionsanlæg sammen med industrielle partnere allerede i starten af ​​2023.

Som prof. Andreas Bett, institutdirektør for Fraunhofer ISE, forklarer:"Disse innovative solceller er et vigtigt skridt på vejen mod en fremtidig strømforsyning baseret på vedvarende energi. De vil give solcelleindustrien et tiltrængt løft. spin-off har et enormt potentiale til hurtigt og succesfuldt at etablere sig på markedet. Og selvfølgelig er vi særligt glade for, at disse teknologier blev udviklet på vores institut." + Udforsk yderligere

Ny indsats har til formål at udvinde sølv fra gamle solpaneler ved hjælp af laserablation