Pulizia automatizzata di moduli fotovoltaici stampati mediante processo roll-to-roll

Il modulo di pulizia compatto può essere adattato alla larghezza della bobina e facilmente integrato nelle linee di produzione roll-to-roll. (Fonte immagine: team del progetto di ricerca PV-CO2)

Attraverso la pulizia automatizzata con getto di neve di CO2, è possibile rimuovere in modo affidabile i bave compatibili con l'industria. L'effetto di pulizia si basa su una combinazione di effetti termici, meccanici, solventi e di sublimazione. (Fonte immagine: team del progetto di ricerca PV-CO2) / The automated CO2 snow jet cleaning system ensures that burrs are reliably removed in a process that is suitable for industrial use. The cleaning effect is based on a combination of thermal, mechanical, solvent and sublimation effects. (Photo credit: Research project team PV-CO2)

Gli effetti della sbavatura sono stati dimostrati misurando la curva IV di moduli prodotti su substrati non trattati (d), puliti manualmente (e) e puliti utilizzando la tecnologia a getto di neve di CO2 (f). b e c mostrano le curve chiare e scure dei tre moduli trattati in modo diverso. Nelle immagini DLIT dei moduli (d, e, f), le aree luminose indicano punti caldi e localizzati, che sono particolarmente visibili nelle zone di collegamento dei moduli non puliti. (Crediti fotografici: team del progetto di ricerca PV-CO2)

Lo spessore dello stack di strati (senza il strato di PET, che funge da materiale portante per lo stack di strati) di una cella solare stampata (strato di trasporto elettronico ETL, strato attivo AL, strato di trasporto delle lacune HTL, elettrodo in nanowire d'argento AgNW, elettrodo IMI strutturato a laser) è ben inferiore a un micrometro. (Fonte immagine: team del progetto di ricerca PV-CO2)

La piattaforma R&S 300R2RCompact, in cui è possibile integrare facilmente la soluzione di pulizia, consente una vasta gamma di esperimenti di rivestimento e stampa roll-to-roll. Supporta anche la scalabilità dei test di laboratorio a piccole serie di produzione. (Fonte immagine: Sciprios GmbH)

La produzione roll-to-roll consente una produzione particolarmente economica di moduli fotovoltaici stampati. Per evitare cortocircuiti, i bordi conduttivi generati durante la strutturazione laser dell'elettrodo frontale non sono stati finora rimossi manualmente in modo compatibile con l'industria. In un progetto congiunto è stata sviluppata una soluzione di pulizia con getto di neve di CO2 completamente automatizzata, integrabile nella linea di produzione, che elimina questa debolezza.

Con uno spessore tra 0,5 e un micrometro e un alto rendimento anche con scarsa illuminazione solare, le celle fotovoltaiche stampate aprono molteplici applicazioni nell'approvvigionamento di energia solare. Nella produzione di fotovoltaico stampato, il processo roll-to-roll offre grandi vantaggi in termini di velocità di produzione, volume e costi. I cinque strati complessivi dei moduli basati su semiconduttori organici e perovskiti possono essere lavorati singolarmente, con il primo strato, un elettrodo trasparente IMI (struttura: ossido di indio-stagno, argento, ossido di indio-stagno) strutturato laser. Lungo i bordi di strutturazione si formano bordi conduttivi che sporgono di alcuni micrometri dalla superficie. I rilievi non rimossi causano danni e cortocircuiti a causa dello spessore ridotto del modulo. La tecnologia attuale prevede la rimozione meccanica dei bordi a velocità di linea molto basse. Tuttavia, esiste il rischio che gli strati strutturati vengano danneggiati dall'azione meccanica.

Sviluppo di una soluzione di pulizia automatizzata e integrabile

Per eliminare questa debolezza nella produzione roll-to-roll di moduli fotovoltaici stampati, l'Istituto Materiali per la Tecnologia dell'Energia e l'Elettronica (I-MEET) e il Solar Factory of the Future dell'Università Friedrich-Alexander di Erlangen-Nürnberg, la Sciprios GmbH e acp systems AG hanno avviato il progetto di ricerca finanziato dal Ministero federale dell'economia e della protezione del clima (BMWK) denominato "PV-CO2". L'obiettivo era sviluppare un sistema di pulizia con getto di neve di CO2 completamente automatizzato e industrialmente applicabile, basato sulla tecnologia quattroClean di acp. Si tratta di un metodo di pulizia a secco per applicazioni su tutta la superficie o locali. Il mezzo di pulizia è anidride carbonica liquida, riciclata da processi chimici di produzione e dalla produzione di energia da biomassa. Viene condotta attraverso un anello di valvole a due componenti senza usura, che si espande in cristalli di neve fini all'uscita. Questi vengono concentrati da un getto d'aria compressa a forma di anello e accelerati a velocità supersonica. Quando il getto di neve d'aria compressa ben focalizzato colpisce la superficie da pulire, si verifica una combinazione di effetti termici, meccanici, solventi e di sublimazione, su cui si basa l'effetto di pulizia. Il biossido di carbonio cristallino sublimina completamente durante il processo, lasciando le superfici trattate asciutte.

Buona rimozione dei bordi e miglioramento delle prestazioni dimostrati

Per la pulizia dei substrati degli elettrodi strutturati laser, è stato installato un impianto pilota roll-to-roll dotato di più ugelli quattroClean disposti lungo il percorso dell'elettrodo. Il primo passo è stato ottimizzare i parametri del getto, riducendo significativamente l'altezza dei bordi senza danneggiare l'elettrodo. Ciò ha comportato la regolazione del diametro del capillare, che definisce il flusso di anidride carbonica liquida, e la pressione dell'anello d'aria compressa, la distanza tra ugello e substrato, l'inclinazione degli ugelli rispetto al substrato e la velocità della linea. Dopo ogni ciclo di pulizia, è stata misurata l'altezza massima dei bordi tramite microscopia confocale. Questa procedura è stata ripetuta con diverse combinazioni di parametri fino a ottenere un risultato di pulizia ottimale.

Per valutare l'impatto della rimozione dei bordi sulle prestazioni fotovoltaiche, sono stati prodotti su substrati trattati con getto di neve di CO2 otto moduli fotovoltaici organici larghi otto centimetri. Sono stati confrontati con moduli prodotti su substrati non trattati e manualmente puliti di uguale dimensione. Come previsto, i moduli su substrato non trattato presentavano un alto leakage current, che riduceva l'efficienza fotovoltaica (valore PCE) al 2,3%. Nei moduli puliti manualmente, il valore PCE era del 4,8%, mentre in quelli trattati con il processo di pulizia con getto di neve di CO2 raggiungeva addirittura il 5,3%. Questa differenza di prestazioni può essere spiegata dal fatto che la pulizia manuale può causare graffi sull'elettrodo, riducendo significativamente l'area attiva, poiché non solo l'area graffiata non produce corrente, ma anche le zone isolate dal graffio dalla raccolta di carica.

La conferma che la differenza di prestazioni tra i substrati trattati e non trattati è attribuibile alla rimozione dei bordi è stata ottenuta tramite la termografia a lock-in al buio (DLIT).

Praticamente raggiunta la produzione in serie

Ora la soluzione di pulizia completamente automatizzata è integrata nel processo di produzione standard di moduli fotovoltaici stampati presso l'Istituto per i Materiali della Tecnologia dell'Energia e dell'Elettronica. Qui, per la rimozione affidabile dei bordi indotti dal laser su una linea di 25 cm di larghezza, è in uso un array di sette ugelli. Anche Sciprios considera il processo di pulizia con CO2 una delle opzioni di equipaggiamento delle linee roll-to-roll per la produzione di moduli fotovoltaici stampati.

Con questa soluzione di pulizia facilmente integrabile nel processo di produzione roll-to-roll, è possibile rendere più economica, produttiva e sostenibile la produzione di ogni tipo di elettronica stampata strutturata con laser. Un altro ambito di applicazione è la produzione di elettrodi per batterie.