Nettoyage automatisé de modules photovoltaïques imprimés en procédé rouleau à rouleau

Le module de nettoyage compact peut être adapté à la largeur du web et intégré facilement dans les lignes de production rouleau à rouleau. (Crédit photo : équipe du projet de recherche PV-CO2)

Grâce au nettoyage automatisé par jet de neige de CO₂, il est possible d'éliminer de manière fiable les bavures, de manière compatible avec l'industrie. L'effet de nettoyage repose sur une combinaison d'effets thermiques, mécaniques, de solvants et de sublimation. (Source de l'image : équipe du projet de recherche PV-CO₂) / Le système de nettoyage automatisé par jet de neige de CO₂ garantit l'élimination fiable des bavures dans un processus adapté à l'industrie. L'effet de nettoyage est basé sur une combinaison d'effets thermiques, mécaniques, de solvants et de sublimation. (Crédit photo : équipe du projet de recherche PV-CO₂)

Les effets de l'ébavurage ont été démontrés par la mesure de la courbe IV des modules fabriqués sur des substrats non traités (d), nettoyés manuellement (e) et nettoyés à l'aide de la technologie de jet de neige de CO₂ (f). b et c montrent les courbes lumineuses et sombres des trois modules traités différemment. Sur les images DLIT des modules (d, e, f), les zones claires indiquent des points chauds localisés, particulièrement visibles dans les zones de connexion des modules non nettoyés. (Crédit photo : équipe du projet de recherche PV-CO2)

L'épaisseur de la pile de couches (sans la couche en PET, qui sert de matériau porteur pour la pile de couches) d'une cellule solaire imprimée (couche de transport d'électrons ETL, couche active AL, couche de transport de trous HTL, électrode en nanofils d'argent AgNW, électrode IMI structurée au laser) est nettement inférieure à un micromètre. (Crédit photo : équipe du projet de recherche PV-CO2)

La plateforme R&D 300R2RCompact, dans laquelle la solution de nettoyage peut être facilement intégrée, permet une large gamme d'expériences de revêtement et d'impression en rouleau à rouleau. Elle peut également être utilisée pour faire passer les essais en laboratoire à de petites séries de production. (Crédit photo : Sciprios GmbH)

La production de rouleau à rouleau permet une fabrication particulièrement économique des modules photovoltaïques imprimés. Afin d’éviter les courts-circuits, les rebords conducteurs générés lors de la structuration laser de l’électrode frontale ne devaient jusqu’à présent pas être enlevés manuellement, ce qui n’était pas compatible avec l’industrie. Dans le cadre d’un projet en consortium, une solution de nettoyage par jet de neige au CO2 entièrement automatisée et intégrable à la ligne de production a été développée, éliminant cette faiblesse.

Avec une épaisseur de couche comprise entre 0,5 et un micromètre, ainsi qu’un rendement élevé même en faible ensoleillement, les cellules photovoltaïques flexibles et imprimées offrent de nombreuses applications dans l’approvisionnement en énergie solaire. La fabrication des photovoltaïques imprimés bénéficie du procédé rouleau à rouleau, qui présente de grands avantages en termes de vitesse de production, de volume et de coûts. Les cinq couches des modules, basés sur des semi-conducteurs organiques et perovskites, peuvent être traitées individuellement, la couche inférieure, une électrode IMI transparente (structure : oxyde d’indium-étain, argent, oxyde d’indium-étain), étant structurée au laser. Le long des lignes de structuration, des rebords conducteurs émergent, dépassant de quelques micromètres de la surface. Les excroissances non enlevées provoquent, en raison de la faible épaisseur du module, des dommages et des courts-circuits. La technique actuelle consiste à éliminer mécaniquement ces rebords à très basse vitesse de déplacement. Cependant, cela comporte le risque d’endommager les couches structurées par l’action mécanique.

Développement d’une solution de nettoyage automatisée et intégrable

Pour éliminer cette faiblesse dans la production rouleau à rouleau des modules photovoltaïques imprimés, l’Institut des matériaux pour la technologie de l’énergie et de l’électronique (I-MEET), le Solar Factory of the Future de l’Université Friedrich-Alexander d’Erlangen-Nürnberg, la société Sciprios GmbH et acp systems AG ont lancé le projet de recherche « PV-CO2 », financé par le ministère fédéral de l’Économie et de la Protection du Climat (BMWK). L’objectif était de développer un système de nettoyage par jet de neige au CO2 entièrement automatisé et utilisable industriellement, basé sur la technologie quattroClean de jet de neige d’acp. Il s’agit d’une méthode de nettoyage à sec pour des applications globales et locales. Le média de nettoyage est du dioxyde de carbone liquide, recyclé à partir de processus de production chimique et de la production d’énergie à partir de biomasse. Il circule dans une bague à deux composants sans usure et se détend à la sortie pour former de fines cristaux de neige. Ceux-ci sont concentrés par un jet d’air comprimé en anneau séparé et accélérés à une vitesse supersonique. Lors de l’impact du jet de neige d’air comprimé bien focalisé sur la surface à nettoyer, une combinaison d’effets thermiques, mécaniques, de solvants et de sublimation se produit, constituant la base de l’effet nettoyant. Le dioxyde de carbone cristallin sublime complètement pendant le processus, laissant les surfaces traitées sèches.

Bonne débridation et amélioration des performances confirmées

Pour le nettoyage des substrats d’électrodes structurés au laser, une installation pilote rouleau à rouleau a été construite, équipée de plusieurs buses quattroClean disposées au-dessus de la bande d’électrodes. La première étape consistait à optimiser les paramètres du jet, afin de réduire considérablement la hauteur des rebords sans endommager l’électrode. Cela comprenait le diamètre du capillaire, qui définit le débit de dioxyde de carbone liquide, la pression de la bague d’air comprimé, la distance entre la buse et le substrat, l’angle des buses par rapport au substrat et la vitesse de déplacement. Après chaque cycle de nettoyage, la hauteur maximale des rebords était mesurée par microscopie confocale. Cette procédure a été répétée avec différentes combinaisons de paramètres jusqu’à obtenir un résultat de nettoyage optimal.

Pour évaluer l’impact de la débridation sur la performance photovoltaïque, des modules photovoltaïques organiques de huit centimètres de large ont été fabriqués sur des substrats traités au jet de neige au CO2. Ils ont été comparés à des modules fabriqués sur des substrats non traités et manuellement nettoyés, de même taille. On a constaté que les modules sur substrat non traité présentaient un courant de fuite élevé, réduisant le rendement photovoltaïque (valeur PCE) à 2,3 %. Les modules nettoyés manuellement avaient un PCE de 4,8 %, tandis que ceux traités par le jet de neige au CO2 atteignaient même 5,3 %. Cette différence de performance s’explique par le fait que le nettoyage manuel peut provoquer des rayures sur l’électrode, ce qui réduit considérablement la surface active, car non seulement la zone rayée ne produit pas de courant, mais aussi les zones coupées par le rayure sont exclues de la collecte de charge.

La confirmation que la différence de performance entre les substrats traités différemment est due à la débridation a été apportée par la thermographie à verrouillage dans l’obscurité (DLIT).

Pratiquement prête pour la production en série

Aujourd’hui, la solution de nettoyage entièrement automatisée a été intégrée au processus de production standard pour les modules photovoltaïques imprimés à l’Institut des matériaux pour la technologie de l’énergie et de l’électronique. Un ensemble de sept buses est utilisé pour assurer une élimination fiable des rebords induits par laser sur une bande de 25 cm de large. Chez Sciprios aussi, le processus de nettoyage au CO2 fait désormais partie des options d’équipement pour les installations rouleau à rouleau destinées à la fabrication de modules photovoltaïques imprimés.

Grâce à cette solution de nettoyage facilement intégrable dans une production rouleau à rouleau, la fabrication de tout type d’électronique imprimée structurée au laser peut devenir plus économique, plus productive et plus durable. Un autre domaine d’application concerne la production d’électrodes pour la fabrication de batteries.