Limpieza automatizada de módulos fotovoltaicos impresos mediante proceso de rollo a rollo

El módulo de limpieza compacto se puede adaptar al ancho de la cinta respectivo y se integra fácilmente en las líneas de producción de rollo a rollo. (Crédito de la foto: equipo del proyecto de investigación PV-CO2)

Mediante la limpieza automatizada con chorro de nieve de CO₂, las rebabas se pueden eliminar de manera fiable y compatible con la industria. El efecto de limpieza se basa en una combinación de efectos térmicos, mecánicos, de solvente y de sublimación. (Fuente de la imagen: Equipo del proyecto de investigación PV-CO₂) / El sistema de limpieza automatizado con chorro de nieve de CO₂ garantiza que las rebabas se eliminen de manera fiable en un proceso apto para uso industrial. El efecto de limpieza se basa en una combinación de efectos térmicos, mecánicos, de solvente y de sublimación. (Crédito de la foto: Equipo del proyecto de investigación PV-CO₂)

Los efectos del desbarbado se demostraron mediante la medición de la curva IV de módulos fabricados en sustratos que estaban sin tratar (d), limpiados manualmente (e) y limpiados utilizando la tecnología de chorro de nieve de CO₂ (f). b y c muestran las curvas claras y oscuras de los tres módulos tratados de manera diferente. En las imágenes DLIT de los módulos (d, e, f), las áreas brillantes indican puntos calientes y localizados, que son particularmente visibles en las zonas de conexión de los módulos no limpiados. (Crédito de la foto: equipo del proyecto de investigación PV-CO₂)

El grosor del apilamiento de capas (sin incluir la capa de PET, que sirve como material portador para el apilamiento de capas) de una célula solar impresa (capa de transporte de electrones ETL, capa activa AL, capa de transporte de huecos HTL, electrodo de nanohilos de plata AgNW, electrodo IMI estructurado con láser) es claramente inferior a un micrómetro. (Fuente de la imagen: equipo del proyecto de investigación PV-CO2)

La plataforma de I+D 300R2RCompact, en la que se puede integrar fácilmente la solución de limpieza, permite una amplia variedad de experimentos de recubrimiento e impresión de bobina a bobina. También se puede utilizar para escalar pruebas de laboratorio a pequeñas series de producción. (Crédito de la foto: Sciprios GmbH)

La producción de rodillo a rodillo permite una fabricación especialmente económica de módulos fotovoltaicos impresos. Para evitar cortocircuitos, sin embargo, los bordes conductores generados durante la estructuración láser del electrodo frontal no se eliminaban previamente de forma compatible con la industria, sino manualmente. En un proyecto conjunto, se desarrolló una solución de limpieza por chorro de nieve con CO2, completamente automatizada e integrable en la línea de producción, que elimina esta debilidad.

Con un grosor de capa entre 0,5 y un micrómetro y un alto rendimiento incluso con poca radiación solar, las células fotovoltaicas impresas flexibles abren múltiples aplicaciones en el suministro de energía solar. En la fabricación de la fotovoltaica impresa, el proceso de rodillo a rodillo ofrece grandes ventajas en velocidad de producción, volumen y costes. Las cinco capas en total de los módulos basados en semiconductores orgánicos y perovskitas pueden ser tratadas de forma individual, siendo la capa inferior, una electrodo IMI transparente (estructura: óxido de indio-estaño, plata, óxido de indio-estaño), estructurada mediante láser. A lo largo de los bordes de estructuración, se generan bordes que son conductores y sobresalen unos micrómetros de la superficie. Los relieves no eliminados causan daños y cortocircuitos debido a la escasa espesor del módulo. Hasta ahora, la tecnología estándar era la eliminación mecánica de los bordes a velocidades de línea muy bajas. Sin embargo, existe el riesgo de dañar las capas estructuradas mediante la acción mecánica.

Desarrollo de una solución de limpieza automatizada e integrable

Para eliminar esta debilidad en la producción de módulos fotovoltaicos impresos de rodillo a rodillo, el Instituto de Materiales de Tecnología Energética y Electrónica (I-MEET), la Solar Factory of the Future de la Universidad Friedrich-Alexander de Erlangen-Núremberg, Sciprios GmbH y acp systems AG iniciaron el proyecto de investigación financiado por el Ministerio Federal de Economía y Protección del Clima (BMWK) titulado «PV-CO2». El objetivo era desarrollar un sistema de limpieza por chorro de nieve con CO2 totalmente automatizado y apto para uso industrial, basado en la tecnología quattroClean de acp. Se trata de un método de limpieza en seco para aplicaciones de superficie completa y localizadas. El medio de limpieza es dióxido de carbono líquido, reciclado de procesos químicos de producción y generación de energía a partir de biomasa. Este se hace pasar por un anillo de doble material sin desgaste y se relaja al salir, formando finos cristales de nieve. Estos cristales son agrupados por un chorro de aire comprimido en forma de anillo y acelerados a velocidad supersónica. Cuando el chorro de nieve enfocado y el aire comprimido impactan en la superficie a limpiar, se produce una combinación de efectos térmicos, mecánicos, de disolventes y de sublimación, en la que se basa la acción de limpieza. El dióxido de carbono cristalino se sublima completamente durante el proceso, dejando las superficies tratadas secas.

Se ha demostrado una buena eliminación de bordes y una mejora en el rendimiento

Para la limpieza de los sustratos de electrodos estructurados con láser, se construyó una planta piloto de rodillo a rodillo equipada con varias boquillas de chorro de nieve quattroClean dispuestas a lo largo de la línea de electrodo. El primer paso fue optimizar los parámetros del chorro, reduciendo significativamente la altura de los bordes sin dañar el electrodo. Esto incluyó, además del diámetro de la boquilla, que define el flujo de dióxido de carbono líquido, y la presión del anillo de aire comprimido, la distancia entre la boquilla y el sustrato, la inclinación de las boquillas respecto al sustrato y la velocidad de la línea. Después de cada proceso de limpieza, se determinó la altura máxima de los bordes mediante medición con microscopía confocal. Este procedimiento se repitió con varias combinaciones de parámetros hasta alcanzar un resultado de limpieza óptimo.

Para evaluar el impacto de la eliminación de bordes en el rendimiento fotovoltaico, se fabricaron en sustratos tratados con chorro de nieve con CO2 ocho módulos fotovoltaicos orgánicos de ocho centímetros de ancho. Se compararon con módulos fabricados en sustratos sin tratar y limpiados manualmente del mismo tamaño. Como se esperaba, los módulos en el sustrato no tratado presentaban un alto corriente de fuga, reduciendo la eficiencia fotovoltaica (valor PCE) al 2,3 %. En los módulos limpiados manualmente, el valor PCE fue del 4,8 %, mientras que en los tratados con limpieza por chorro de nieve con CO2 alcanzó incluso el 5,3 %. Esta diferencia en rendimiento puede explicarse por los arañazos en el electrodo producidos durante la limpieza manual, que pueden reducir significativamente la superficie activa, ya que no solo la zona arañada no genera corriente, sino también las áreas cortadas por el arañazo, que quedan aisladas de la recolección de carga.

La confirmación de que la diferencia en rendimiento entre los sustratos tratados se debe a la eliminación de bordes se obtuvo mediante termografía de bloqueo en oscuridad (DLIT).

Se ha alcanzado prácticamente la producción en serie

Actualmente, la solución de limpieza totalmente automatizada está integrada en el proceso de producción estándar de módulos fotovoltaicos impresos en el Instituto de Materiales de Tecnología Energética y Electrónica. Aquí, para la eliminación fiable de los bordes inducidos por láser en una línea de 25 cm de ancho, se utiliza un array con siete boquillas. En Sciprios, el proceso de limpieza con CO2 también se ha convertido en una opción de equipamiento para las instalaciones de producción de módulos fotovoltaicos impresos en línea.

Con la solución de limpieza fácilmente integrable en una línea de producción de rodillo a rodillo, la fabricación de todo tipo de electrónica impresa estructurada con láser puede ser más económica, productiva y sostenible. Otra aplicación es la producción de electrodos en la fabricación de baterías.