Automatizált nyomtatott fotovoltaikus modulok tisztítása tekercsről tekercsre módszerrel

A kompakt tisztítómodul a szalag szélességéhez igazítható, és könnyen integrálható a tekercsről-tekercsre gyártási folyamatba. (Kép forrása: PV-CO2 kutatási projekt csapata) / The compact cleaning module can be adapted to the respective web width and easily integrated into roll-to-roll production lines. (Photo credit: Research project team PV-CO2)

Az automatizált CO2-szóró hógéppel történő tisztítás megbízhatóan eltávolítja a szögeket, ipari felhasználásra alkalmas módon. A tisztítási hatás hő-, mechanikai, oldószer- és szublimációs hatások kombinációján alapul. (Kép forrása: PV-CO2 kutatási projekt csapata)

A deburring hatásait az IV-görbe mérésével mutatták be az nem kezelt (d), kézi tisztítású (e) és a CO₂-szóró technológiával tisztított (f) szubsztrátokon készült modulok esetében. b és c a három különböző kezeléssel készült modulok világos és sötét görbéit mutatják. A DLIT-képekben (d, e, f) a világos területek forró, helyi foltokat jeleznek, amelyek különösen jól láthatók a nem tisztított modulok összekötő zónáiban. (Képforrás: PV-CO₂ kutatási projekt csapata)

A nyomtatott napelem rétegsorának (a PET réteg nélkül, amely a rétegsor hordozó anyagaként szolgál) vastagsága (ETL elektrontranszport réteg, AL aktív réteg, HTL lyuktranszport réteg, AgNW ezüstdoboz-vezeték elektróda, IMI elektróda lézerrel strukturált) jóval kevesebb mint egy mikrométer. (Kép forrása: PV-CO2 kutatási projekt csapata)

A 300R2RCompact K+F platform, amelybe a tisztítószert könnyen integrálni lehet, lehetővé teszi számos tekercsről tekercsre történő bevonási és nyomtatási kísérlet elvégzését. Emellett alkalmas laboratóriumi vizsgálatok kicsi gyártási sorozatokra történő felnagyítására is. (Képforrás: Sciprios GmbH)

A tekercsről tekercsre gyártás lehetővé teszi a nyomtatott fotovoltaikus modulok különösen költséghatékony gyártását. A rövidzárlatok elkerülése érdekében a frontelektróda lézeres struktúrálásakor keletkező vezetőképes peremeket eddig nem ipari körülmények között manuálisan távolították el. Egy konzorciumi projektben kifejlesztettek egy a gyártósorba integrálható, teljesen automatikus CO₂-szeletelős tisztítórendszert, amely megszünteti ezt a gyengeséget.

0,5 és egy mikrométer közötti rétegvastagsággal, valamint magas hatékonysággal, még gyenge napfény esetén is, a rugalmas, nyomtatott fotovoltaikus cellák számos alkalmazást nyitnak meg a napenergia ellátásban. A nyomtatott fotovoltaikus gyártásban a tekercsről tekercsre eljárás nagy előnyöket kínál a gyártási sebesség, a volumen és a költségek tekintetében. A modul összesen öt rétege, amelyek szerves és perovszkit típusú félvezetőkre épülnek, egyedileg kezelhetők, miközben az alsó réteget, egy átlátszó IMI-elektródát (felépítés: indium-tin-oxid, ezüst, indium-tin-oxid) lézeres struktúrálásnak vetik alá. A struktúrálási éleken peremek keletkeznek, amelyek vezetőképesek és néhány mikrométerrel kiemelkednek a felületből. A nem eltávolított peremek a modul vékony volta miatt sérüléseket és rövidzárlatokat okozhatnak. A technológia jelenlegi állása szerint a peremek mechanikus eltávolítása nagyon alacsony sebességgel történik. Ez azonban veszélyt jelenthet arra, hogy a struktúrált rétegek mechanikus hatásra sérüljenek.

Fejlesztés automatizált, integrálható tisztítási megoldásra

Ennek a gyengeségnek a kiküszöbölése érdekében a Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Energia- és Elektronikai Anyagok Intézete (I-MEET), a Future Solar Factory, a Sciprios GmbH és az acp systems AG által indított kutatási projekt, amelyet a Szövetségi Gazdasági és Klímavédelmi Minisztérium (BMWK) támogat. A cél egy teljesen automatikus, ipari felhasználásra szánt CO₂-szeletelős tisztítórendszer kifejlesztése volt, az acp quattroClean technológiájára alapozva. Ez egy száraz tisztítási eljárás, amely teljes felületeken és helyi alkalmazásokban egyaránt alkalmazható. A tisztítószer a folyékony szén-dioxid, amelyet vegyi gyártási folyamatokból és biomassza energiahasznosításából származó, újrahasznosított szén-dioxid alkot. Ez egy kopásmentes, két anyagból álló körgyűrűs fúvókán keresztül halad, és a kilépéskor finom hókristályokká relaxálódik. Ezeket egy külön, kör alakú nyomású levegőburok gyűjti össze, és gyorsítja szuperszonikus sebességre. Amikor a jól fókuszált hó-nyomású levegőfúvóka az tisztítandó felületre ér, egy kombinált hatás jön létre: hőmérsékleti, mechanikai, oldószeres és szublimációs hatások együttesen működnek, amelyek a tisztítás alapját képezik. A kristályos szén-dioxid a folyamat során teljesen szublimálódik, így a kezelt felületek szárazak maradnak.

Jó érdességcsökkentés és teljesítményjavulás bizonyított

A lézeres struktúrálású elektródaalapokra történő tisztításhoz egy pilot-tekercses berendezést építettek, amelyet több, az elektródavezeték fölött elhelyezett quattroClean hófúvókával szereltek fel. Az első lépés a sugárzás paramétereinek optimalizálása volt, hogy jelentősen csökkentsék a peremmagasságot anélkül, hogy az elektródát sértenék. Ez magában foglalta a fúvóka átmérőjét, amely meghatározza a folyékony szén-dioxid áramlását, a nyomás értékét, a fúvóka és az aljzat közötti távolságot, a fúvókák dőlésszögét az aljzathoz képest, valamint a vonal sebességét. Minden tisztítási ciklus után konfokális mikroszkópiával mérték a maximális peremmagasságot. Ezt a módszert különböző paraméterkombinációkkal ismételték, amíg optimális tisztítási eredményt nem értek el.

Az elektromos teljesítményre gyakorolt hatás értékeléséhez a CO₂-szeletelős kezelést kapott substrátokra nyolc centiméter széles, organikus fotovoltaikus modulokat készítettek. Ezeket összehasonlították azonos méretű, kezeletlen és manuálisan tisztított substrátokra készült modulokkal. Várhatóan a kezeletlen substrátokon magas szivárgási áram jelentkezett, ami 2,3%-ra csökkentette a fotovoltaikus hatásfokot (PCE érték). A manuálisan tisztított modulok PCE értéke 4,8% volt, míg a CO₂-szeletelős kezelésű moduloké akár 5,3%-ot is elért. Ez a teljesítménykülönbség abból adódik, hogy a manuális tisztítás során karcok keletkeznek az elektródán, amelyek jelentősen csökkenthetik az aktív felületet, mivel nemcsak a karcolt felület nem termel áramot, hanem a karc által elzárt területek is kiesnek a töltéselvételből.

A teljesítménykülönbség okának megerősítése érdekében sötét-Lock-in termográfiát (DLIT) alkalmaztak, amely igazolta, hogy a különböző kezelések közötti teljesítménykülönbség az érdességcsökkentés eredménye.

Gyártási sorozatban már elérhető

Jelenleg a teljesen automatikus tisztítórendszer beépült a Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Energia- és Elektronikai Anyagok Intézetének standard gyártási folyamatába nyomtatott fotovoltaikus modulok esetében. Itt egy hét fúvókából álló tömb van telepítve, amely hatékonyan eltávolítja a lézer által indukált peremeket egy 25 cm széles szalagon. A Scipriosnál a CO₂-tisztítási folyamat már a nyomtatott fotovoltaikus modulok gyártására szolgáló tekercsről tekercsre rendszerek felszereltségének része.

A könnyen integrálható tisztítórendszer lehetővé teszi minden típusú nyomtatott elektronika gyártását, ahol lézerrel történik a struktúrálás, gazdaságosabbá, hatékonyabbá és fenntarthatóbbá téve a folyamatot. Egy másik alkalmazási terület a akkumulátorok elektródatermelése is.