Automatizované čištění tištěných fotovoltaických modulů v procesu rol-zu-rolu

Kompaktní čisticí modul lze přizpůsobit šířce pásu a snadno jej integrovat do výroby na role. (Zdroj obrázku: Výzkumný projektový tým PV-CO2) / Kompaktní čisticí modul lze přizpůsobit příslušné šířce pásu a snadno jej začlenit do výroby na role. (Fotografie: Výzkumný projektový tým PV-CO2)

Automatický systém čištění sněhovou CO2 tryskou spolehlivě odstraňuje ostré hrany v průmyslovém prostředí. Čisticí účinek je založen na kombinaci tepelných, mechanických, rozpouštědlových a sublimace efektů. (Zdroj obrázku: Výzkumný projektový tým PV-CO2)

Dopady odstraňování ostřin byly prokázány měřením IV křivky modulů vyrobených na substrátech, které byly neupravené (d), ručně čištěné (e) a čištěné pomocí technologie CO₂ sněhového paprsku (f). b a c ukazují světlé a tmavé křivky tří různě ošetřených modulů. Na DLIT snímcích modulů (d, e, f) světlé oblasti označují horké, lokalizované skvrny, které jsou obzvláště patrné v spojovacích zónách u neupravených modulů. (Zdroj obrázku: Výzkumný tým projektu PV-CO₂)

Tloušťka vrstvené skladby (bez PET vrstvy, která slouží jako nosný materiál pro vrstvenou skladbu) tištěné solární buňky (ETL - elektrontransportní vrstva, AL - aktivní vrstva, HTL - vrstva pro přenos děr, AgNW - stříbrný nanovlákno-elektroda, IMI - elektroda je laserem strukturována) je výrazně menší než jeden mikrometr. (Zdroj obrázku: Výzkumný projektový tým PV-CO2)

300R2RCompact R&D platforma, do které lze snadno integrovat čisticí roztok, umožňuje širokou škálu pokusů s nanášením a tiskem na válcové pásy. Také podporuje zvětšení měřítka z laboratorních testů na malé výrobní série. (Zdroj obrázku: Sciprios GmbH)

Výroba z role na role umožňuje obzvlášť nákladově efektivní výrobu tištěných fotovoltaických modulů. Aby se zabránilo zkratům, dosud nebylo nutné manuálně odstraňovat vodivé ostré hrany vznikající při laserové struktuře přední elektrody, což je v rozporu s průmyslovými normami. V rámci společného projektu byla vyvinuta plně automatizovaná řešení čištění pomocí CO2 sněhové vrstvy, která je integrována do výrobní linky a odstraňuje tuto slabinu.

Flexibilní, tištěné fotovoltaické články s tloušťkou vrstvy mezi 0,5 a jedním mikrometrem a vysokou účinností i při nízkém slunečním záření otevírají široké možnosti využití v solární energetice. Při výrobě tištěných fotovoltaických článků má technologie role na role velké výhody z hlediska rychlosti výroby, objemu a nákladů. Celkem pět vrstev modulů založených na organických a perovskitových polovodičích může být individuálně upravováno, přičemž nejnižší vrstva, průhledná IMI elektroda (složení: oxid indium-zinečnatý, stříbro, oxid indium-zinečnatý), je laserově strukturována. Podél strukturálních hran vznikají vodivé ostré hrany, které vystupují několik mikrometrů nad povrch. Neodstraněné ostré hrany způsobují kvůli malé tloušťce modulu poškození a zkratování. Současný stav techniky spočívá v mechanickém odstraňování těchto hran při velmi nízkých rychlostech pohybu. Při tom hrozí poškození strukturovaných vrstev mechanickým zásahem.

Vývoj automatizovaného, integrovatelného řešení čištění

Pro odstranění této slabiny v výrobě tištěných fotovoltaických modulů technologií role na role iniciovaly Institut materiálů pro energetické technologie a elektroniku (I-MEET), Solar Factory of the Future při Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, společnost Sciprios GmbH a acp systems AG výzkumný projekt financovaný Spolkovým ministestvem hospodářství a klimatu (BMWK) s názvem „PV-CO2“. Cílem bylo vyvinout plně automatizovaný průmyslový systém čištění pomocí CO2 sněhové vrstvy založený na technologii quattroClean od acp. Jedná se o suchou čisticí metodu pro celoplošné i lokální aplikace. Čisticím médiem je kapalný oxid uhličitý recyklovaný z chemických výrobních procesů a z energetiky z biomasy. Je veden bezúdržbovým dvousložkovým kruhovým tryskáním a při výstupu se uvolňuje do jemných sněhových krystalků. Ty jsou shromažďovány samostatnou kruhovou tlakovou vzduchovou clonou a urychlovány na nadzvukovou rychlost. Při dopadu dobře zaostřeného sněhového vzduchového paprsku na čištěný povrch dochází ke kombinaci tepelného, mechanického, rozpouštědlového a sublimace efektu, na kterém je založena čisticí účinnost. Krystalický oxid uhličitý během procesu úplně sublimuje, takže ošetřené povrchy jsou suché.

Dobré odstraňování ostrých hran a zlepšení výkonu potvrzeno

Pro čištění laserově strukturovaných elektrodových substrátů byla vybudována pilotní linka role na role vybavená několika quattroClean tryskami umístěnými nad elektrodovou páskou. Prvním krokem bylo optimalizovat parametry paprsku tak, aby se výrazně snížila výška hran, aniž by došlo ke zranění elektrody. To zahrnovalo kromě průměru kapiláry, který definuje průtok kapalného oxidu uhličitého, a tlaku vzduchové clony i vzdálenost mezi tryskou a substrátem, sklon trysek vzhledem ke substrátu a rychlost pohybu pásky. Po každém čisticím cyklu byla určena maximální výška hran pomocí konfokální mikroskopie. Tento postup byl opakován pro různé kombinace parametrů, dokud nebyl dosažen optimální čistící výsledek.

Pro posouzení vlivu odstraňování ostrých hran na fotovoltaický výkon byly na substrátech ošetřených CO2 sněhovou vrstvou vyrobeny osmicentimetrové široké organické fotovoltaické moduly. Byly porovnány s moduly vyrobenými na nespálených a manuálně očištěných stejných substrátech. Očekávaně měly moduly na neošetřeném substrátu vysoký únikový proud, který snížil fotovoltaickou účinnost (PCE) na 2,3 %. U manuálně očištěných modulů byla hodnota PCE 4,8 %, zatímco u modulů po čištění CO2 sněhovou vrstvou dosáhla dokonce 5,3 %. Tento rozdíl ve výkonu lze vysvětlit tím, že při manuálním čištění dochází ke škrábancům na elektrodě. To může výrazně snížit aktivní plochu, protože nejenže škrábaná plocha neprodukuje proud, ale i oblasti, které jsou od krve odříznuty škrábancem, jsou od odvodového proudu odděleny.

Potvrzení, že rozdíl ve výkonu mezi různě ošetřenými substráty je způsoben odstraněním ostrých hran, bylo získáno pomocí Dark-Lock-in-Thermografie (DLIT).

Prakticky dosažený sériový stav

V současnosti je plně automatizované řešení čištění integrováno do standardního výrobního procesu tištěné fotovoltaiky na Institutu materiálů pro energetické technologie a elektroniku. Pro spolehlivé odstranění laserem indukovaných hran na pásku široké 25 cm je používáno pole sedmi trysek. I společnost Sciprios nyní zařadila proces čištění CO2 mezi možnosti vybavení linek role na role pro výrobu tištěných fotovoltaických modulů.

S jednoduše integrovatelným řešením čištění do výroby role na role lze výrobu jakéhokoliv druhu tištěné elektroniky, která je strukturována laserem, učinit ekonomičtější, produktivnější a udržitelnější. Dalším možným využitím je výroba elektrod v bateriové výrobě.