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Der Einsatz von Lasern zum Zusammenschmelzen von Glaskanten eliminiert störende Polymere
Laut einer Proof-of-Concept-Studie, die von Forschern des National Renewable Energy Laboratory (NREL) des US-Energieministeriums durchgeführt wurde, würde der Einsatz von Femtosekundenlasern zur Herstellung von Glas-Glas-Schweißnähten für Solarmodule das Recycling der Module erleichtern.
Die Schweißnähte würden die Verwendung von Kunststofffolien, die heute zu Solarmodulen laminiert werden, überflüssig machen, würden aber das Recycling erschweren. Am Ende ihrer Nutzungsdauer können die mit Laserschweißungen hergestellten Module zerbrechen. Die durch die Solarzellen verlaufenden Glas- und Metalldrähte können problemlos recycelt und das Silizium wiederverwendet werden.
„Die meisten Recycler werden bestätigen, dass die Polymere das Hauptproblem darstellen, wenn es darum geht, den Recyclingprozess zu behindern“, sagte David Young, leitender Wissenschaftler und Gruppenleiter der Gruppe „Hocheffiziente kristalline Photovoltaik“ in der Abteilung für Chemie und Nanowissenschaften am NREL. Young ist Hauptautor eines neuen Papiers, das den Einsatz von Laserschweißungen für Solarmodule beschreibt. Das Papier, “Auf dem Weg zu polymerfreien, Femtosekunden-lasergeschweißten Glas/Glas-Solarmodulen”, erscheint in der IEEE Journal of Photovoltaics.
Das zusammen mit den NREL-Kollegen Tim Silverman, Nicholas Irvin und Nick Bosco verfasste Papier zählt zu seinen Mitautoren auch zwei Mitarbeiter von Trumpf Inc., dem kalifornischen Unternehmen, das den beteiligten Femtosekundenlaser hergestellt hat. Ein Femtosekundenlaser verwendet einen kurzen Infrarotlichtimpuls, der das Glas zusammenschmilzt und eine starke, hermetische Versiegelung bildet.
Die Glasschweißung kann bei jeder Art von Solartechnologie eingesetzt werden – Silizium, Perowskite, Cadmiumtellurid –, da die Hitze der Schweißung auf wenige Millimeter vom Laserfokus beschränkt ist.
Solarmodule bestehen aus Halbleitern, die einen bestimmten Teil des Sonnenspektrums einfangen und Sonnenlicht zur Stromerzeugung nutzen sollen. Typischerweise werden die Halbleiter zwischen zwei Glasscheiben eingelegt, die mit Polymerfolien laminiert sind.
Die Untersuchungen des NREL zeigten, dass Glas/Glas-Schweißnähte mit Femtosekundenlasern im Wesentlichen so stark sind wie das Glas selbst.
„Solange das Glas nicht bricht, wird auch die Schweißnaht nicht brechen“, sagte er. „Da sich die Polymere jedoch nicht zwischen den Glasscheiben befinden, müssen die geschweißten Module viel steifer sein. Unsere Arbeit hat gezeigt, dass ein geschweißtes Modul bei richtiger Montage und einer Modifikation der geprägten Merkmale des Walzglases steif genug gemacht werden kann, um statische Belastungstests zu bestehen.“
Die Forschung von NREL ist die erste, bei der ein Femtosekundenlaser zur Herstellung von Glas/Glas-Schweißnähten zur Verwendung in einem Modul eingesetzt wird. In der Vergangenheit wurde eine andere Art der Kantenversiegelung mit Nanosekundenlasern und einem Glasfrittenfüller versucht, die Schweißnähte erwiesen sich jedoch als zu spröde für den Einsatz in Outdoor-Moduldesigns. Die Femtosekunden-Laserschweißnähte bieten überragende Festigkeit mit hermetischer Abdichtung zu überzeugenden Kosten.
Young sagte, die Forschung sei „definitiv ein hohes Risiko und ein hoher Gewinn“, weist aber auf eine Richtung für weitere Forschung hin, um die Lebensdauer von Solarmodulen auf über 50 Jahre zu verlängern und ein einfacheres Recycling zu ermöglichen.
Diese Forschung wurde vom Durable Module Materials Consortium durchgeführt, das von NREL geleitet und vom Solar Energy Technologies Office des US-Energieministeriums im Office of Energy Efficiency and Renewable Energy finanziert wird
NREL ist das wichtigste nationale Labor des US-Energieministeriums für Forschung und Entwicklung im Bereich erneuerbare Energien und Energieeffizienz. NREL wird für DOE von der Alliance for Sustainable Energy LLC betrieben.
Nachrichtenartikel von NREL.
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