Sonne und Wind sind die Schlüssel für den weltweiten Bedarf an mehr erneuerbarer Energie. Aber es gibt Produktionsbeschränkungen, die begrenzen, wie schnell Dinge wie Windturbinenblätter und Solarmodule hergestellt werden können. Die Hauptbestandteile von Solarmodulen sind die Siliziumwafer, die Sonnenlicht in Strom umwandeln. Das heißt nicht, dass es nicht auch andere Komponenten gibt, die für die Herstellung von Solarmodulen wichtig sind, aber ohne Siliziumwafer sind sie eher dekorativ als funktional.
In Zusammenarbeit mit einem Konsortium aus Unternehmen und Forschungseinrichtungen hat das Fraunhofer ISE eine innovative Produktionslinie entwickelt, die 15.000 bis 20.000 Siliziumwafer pro Stunde produzieren kann – etwa die doppelte Leistung der meisten heute eingesetzten Produktionslinien. Die erhöhte Produktionsgeschwindigkeit verspricht laut einem Fraunhofer ISE, Kosten zu senken und Engpässe in der Lieferkette zu reduzieren Pressemitteilung.
Die Verbesserungen, die von Fraunhofer und seinen Partnern vorangetrieben werden, umfassen Optimierungen an mehreren einzelnen Schritten im Herstellungsprozess. Die detaillierten Ergebnisse des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz geförderten Forschungsprojekts werden diese Woche auf der achten World Conference on Photovoltaic Energy Conversion in Mailand, Italien, vorgestellt.
„2021 wurden 78 Prozent aller Silizium-Solarzellen in China produziert“, erklärt Dr. Ralf Preu, Leiter PV-Produktionstechnik am Fraunhofer ISE. „Um möglichst schnell mehr Solaranlagen einzusetzen und unsere Lieferketten robuster zu machen, sollte Europa wieder eigene Produktionszentren für hocheffiziente Solarzellen aufbauen. Indem wir den Durchsatz steigern und die Produktionstechnologie ressourceneffizienter gestalten, können wir Kosten erheblich senken und Nachhaltigkeitspotenziale erschließen, die wir dank Prozesswissen und technischer Exzellenz heben können.“
Neue Konzepte zur Herstellung von Siliziumwafern
Das Konsortium untersuchte jeden Schritt der Produktion von hocheffizienten Siliziumsolarzellen, um den gesamten Prozess zu optimieren. Mehrere Prozessschritte erforderten Neuentwicklungen. »Bei manchen Prozessen galt es, etablierte Produktionsabläufe zu beschleunigen, andere Prozesse von Grund auf neu zu erfinden«, erklärt Dr. Florian Clement, Projektleiter am Fraunhofer ISE. „Im Vergleich zu den Zahlen, die wir derzeit sehen, erreichen die im Rahmen des Projekts entwickelten Produktionssysteme mindestens den doppelten Durchsatz.“
Eine der neuen Entwicklungen betrifft die Implementierung einer On-the-Fly-Laserausrüstung, die die Wafer kontinuierlich bearbeitet, während sie sich mit hoher Geschwindigkeit unter dem Laserscanner bewegen. Für die Metallisierung von Solarzellen führte das Konsortium anstelle des heute üblichen Flachbett-Siebdruckverfahrens den Rotationssiebdruck ein.
Solarzellen benötigen unterschiedlich dotierte Bereiche, in denen Siliziumschicht und Metallkontakte aufeinandertreffen. Die Forscher des Fraunhofer ISE haben den dabei verwendeten Diffusionsprozess und die thermische Oxidation der Wafer integriert und zu einem einstufigen Prozess gemacht. Wafer werden nicht mehr einzeln abgelegt, sondern übereinander gestapelt, um im Ofen verarbeitet zu werden. Als Ergebnis erzeugt der Oxidationsprozess das endgültige Dotierungsprofil und erreicht eine Oberflächenpassivierung, während der Durchsatz des Prozesses um den Faktor 2,4 erhöht wird.
Nach dem Elektrodenabdruck auf den Solarzellen wird in Inline-Öfen der Kontakt der Elektroden zur Silizium-Solarzelle beidseitig hergestellt. Standardöfen hätten eine wesentlich größere Heizkammer benötigt, um den Durchsatz in diesem Stadium zu erhöhen. Stattdessen installierte das Projektkonsortium eine dreimal schnellere Bandgeschwindigkeit im Ofen und verglich die Qualität der gesinterten Solarzellen mit dem heutigen Standard. Trotz der erhöhten Herstellungsgeschwindigkeit war die Effizienz der Solarzellen gleich hoch wie bei herkömmlich hergestellten.
Für die kompletten Solarzellen erarbeitete das Konsortium zwei Konzepte. Ein kontaktloses Verfahren und ein Verfahren mit Schleifkontakten wurden implementiert, damit zukünftige Produktionslinien Zellen schneller testen können. Dadurch ist es möglich, während der Vermessung der Zellen eine kontinuierliche Geschwindigkeit von 1,9 Metern pro Sekunde einzuhalten, wobei das Team bei beiden Konzepten eine hohe Messgenauigkeit demonstriert. Das berührungslose Verfahren wurde zum Patent angemeldet.
Das wegnehmen
Heutzutage wird oft darüber gejammert, dass die Revolution der erneuerbaren Energien den Strombedarf nicht dauerhaft decken kann und wir einfach weiter Kohle und unnatürliches Gas verbrennen sollten, um Strom zu erzeugen. Glücklicherweise verfolgen Organisationen wie das Frauhofer ISE und seine Forschungspartner fortschrittliche Forschungsprojekte wie dieses und Möglichkeiten zum Recycling von Solarmodulen, die erneuerbare Energie für mehr Menschen zu geringeren Kosten verfügbar machen.
Dass Kalifornien Autos mit höllischen Verbrennungsmotoren im Jahr 2035 verbietet, ist wie ein Affront, aber die Wahrheit ist, dass die Nachfrage nach diesen Gasschweinen bis dahin zusammengebrochen sein wird und niemand mehr diese Bestien herstellen wird. In ähnlicher Weise meckern die Leute darüber, dass die Sonne nachts nicht scheint, wissen aber nichts von den neuen Langzeit-Energiespeichertechnologien, die verfügbar werden.
Es ist Zeit, die Mistgabeln wegzulegen, Leute. Der Weg in eine kohlenstoffarme Zukunft wird jeden Tag um uns herum in Hunderten von Labors auf der ganzen Welt geschaffen. Die Quintessenz ist, dass wir, um zu überleben, aufhören müssen, fossile Brennstoffe zu verbrennen. Zeitraum. Punkt. Das Fraunhofer ISE hilft uns dabei, herauszufinden, wie genau das geht.
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