Geautomatiseerd reinigen van gedrukte fotovoltaïsche modules in een rol-naar-rol proces

Het compacte reinigingsmodule kan worden aangepast aan de breedte van de band en eenvoudig worden geïntegreerd in rol-naar-rol-productielijnen. (Fotocredit: Onderzoeksteam PV-CO2)

Door de geautomatiseerde CO2-sneeuwstraalreiniging kunnen de bramen betrouwbaar en industrieel compatibel worden verwijderd. Het reinigingseffect is gebaseerd op een combinatie van thermische, mechanische, oplosmiddel- en sublimatie-effecten. (Beeldbron: Onderzoeksteam 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)

De effecten van ontgraten werden aangetoond door het meten van de IV-kenlijn van modules op ongecontroleerde (d), handmatig gereinigde (e) en met de CO2-sneeuwstraaltechnologie gereinigde (f) substraten. b en c tonen de lichte en donkere lijnen van de drie verschillend behandelde modules. In de DLIT-beelden van de modules (d, e, f) wijzen de heldere gebieden op hete, lokale hotspots, die vooral zichtbaar zijn in de verbindingszones van de ongereinigde modules. (Fotocredit: Onderzoeksteam PV-CO2)

De dikte van de laagopbouw (zonder de PET-laag, die dient als drager voor de laagopbouw) van een geprinte zonnecel (ETL-elektronentransportlaag, AL-actielaag, HTL-gatentransportlaag, AgNW-zilvernano draad-elektrode, IMI-elektrode wordt laser-gestructureerd) is duidelijk minder dan een micrometer. (Beeldbron: Onderzoeksteam PV-CO2)

De 300R2RCompact R&D-platform, waarin de reinigingsoplossing gemakkelijk geïntegreerd kan worden, maakt een breed scala aan rol-naar-rol coating- en printexperimenten mogelijk. Hij ondersteunt ook het opschalen van laboratoriumtesten naar kleine productie-series. (Fotocredit: Sciprios GmbH)

De rol-naar-rol productie maakt de bijzonder kosteneffectieve fabricage van gedrukte fotovoltaïsche modules mogelijk. Om kortsluiting te voorkomen, hoefden de geleidende bramen die bij de laserstructurering van de frontelektrode ontstaan, tot nu toe niet industrieel compatibel handmatig te worden verwijderd. In een samenwerkingsproject is een volledig geautomatiseerde CO2-sneeuwstraal-reinigingsoplossing ontwikkeld die deze zwakke plek wegneemt.

Met een laagdikte tussen 0,5 en één micrometer en een hoog rendement, zelfs bij weinig zonlicht, openen flexibele, gedrukte fotovoltaïsche cellen talloze toepassingen in de zonne-energievoorziening. Bij de productie van gedrukte fotovoltaïsche modules biedt het rol-naar-rol proces grote voordelen op het gebied van productiesnelheid, -volume en -kosten. De in totaal vijf lagen van de op organische en perovskiet-halffabrikaten gebaseerde modules kunnen daarbij individueel worden bewerkt, waarbij de onderste laag, een doorzichtige IMI-elektrode (opbouw: indium-zink-oxide, zilver, indium-zink-oxide), laserstructureren wordt. Langs de structuurkanten ontstaan bramen die geleidend zijn en enkele micrometers uit de oppervlakte uitsteken. Niet-verwijderde ophopingen veroorzaken door de geringe module-dikte beschadigingen en kortsluitingen. De huidige stand van de techniek is de mechanische verwijdering van de bramen bij zeer lage baan-snelheden. Daarbij bestaat de kans dat de gestructureerde lagen door de mechanische invloed worden beschadigd.

Ontwikkeling van een geautomatiseerde, integreerbare reinigingsoplossing

Om deze zwakke plek in de rol-naar-rol productie van gedrukte fotovoltaïsche modules weg te nemen, hebben het Instituut voor Materialen van de Energietechnologie en Elektronica (I-MEET) en de Solar Factory of the Future van de Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, de Sciprios GmbH en de acp systems AG het door het Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) gefinancierde onderzoeksproject 'PV-CO2' geïnitieerd. Het doel was het ontwikkelen van een volledig geautomatiseerd, industrieel inzetbaar CO2-sneeuwstraal-reinigingssysteem gebaseerd op de quattroClean-sneeuwstraaltechnologie van acp. Het betreft een droog reinigingsproces voor zowel volledige oppervlakken als lokale toepassingen. Het reinigingsmedium is vloeibaar, uit chemische productieprocessen en energieopwekking uit biomassa gerecycled kooldioxide. Het wordt door een slijtagevrije tweestoffen-ringdüse geleid en ontspant bij het uitstromen tot fijne sneeuwkristallen. Deze worden gebundeld door een aparte, ringvormige persluchtmantelstraal en versneld tot supersonische snelheid. Bij het treffen van de goed te focussen sneeuw-persluchtstraal op het te reinigen oppervlak ontstaat een combinatie van thermische, mechanische, oplosmiddel- en sublimatie-effecten, waarop de reinigingswerking gebaseerd is. Het kristallijne kooldioxide sublimeert volledig tijdens het proces, zodat de behandelde oppervlakken droog zijn.

Goede ontbraming en verbeterde prestaties aangetoond

Voor de reiniging van de laser-gestructureerde elektrodesubstraten is een pilotinstallatie op rol-naar-rol basis opgebouwd, uitgerust met meerdere quattroClean-sneeuwstraaldüsen die over de elektrodelijn zijn geplaatst. De eerste stap was het optimaliseren van de straalparameters, zodat de bramhoogte aanzienlijk wordt verminderd zonder de elektrode te beschadigen. Dit omvatte naast de diameter van de capillair, die de doorstroom van het vloeibare kooldioxide bepaalt, en de druk van de persluchtmantel, ook de afstand tussen de nozzle en het substraat, de hoek van de nozzles ten opzichte van het substraat en de snelheid van de baan. Na elke reinigingscyclus werd de maximale bramhoogte vastgesteld door confocale microscopiemeting. Deze procedure werd herhaald voor diverse parametercombinaties totdat een optimaal reinigingsresultaat was bereikt.

Om de invloed van de ontbraming op de fotovoltaïsche prestaties te beoordelen, werden op de met CO2-sneeuwstraal behandelde substraten acht centimeter brede organische fotovoltaïsche modules vervaardigd. Ze werden vergeleken met modules die op onbewerkt en handmatig gereinigd substraten van dezelfde grootte waren gemaakt. Verwacht werd dat de modules op het ongereinigde substraat een hoog lekstroom vertoonden, wat de fotovoltaïsche efficiëntie (PCE-waarde) reduceerde tot 2,3%. Bij de handmatig gereinigde modules lag de PCE-waarde op 4,8%, terwijl die bij de met CO2-sneeuwstraal behandelde modules zelfs 5,3% bedroeg. Dit prestatieverschil kan worden verklaard doordat bij handmatige reiniging krassen op de elektrode ontstaan. Dit kan het actieve oppervlak aanzienlijk verminderen, omdat niet alleen het gekraste gebied geen stroom opwekt, maar ook gebieden die door de kras van de ladingsafvoer worden afgesloten.

De bevestiging dat het prestatieverschil tussen de verschillend behandelde substraten terug te voeren is op de ontbraming, werd geleverd door Dark-Lock-in Thermografie (DLIT).

Praktische serieproductie bijna bereikt

Intussen is de volledig geautomatiseerde reinigingsoplossing geïntegreerd in het standaardproductieproces voor gedrukte fotovoltaïsche modules aan het Instituut voor Materialen van de Energietechnologie en Elektronica. Hier wordt een array met zeven nozzles ingezet voor betrouwbare verwijdering van de laser-geïnduceerde bramen op een breedte van 25 cm. Ook bij Sciprios behoort het CO2-reinigingsproces inmiddels tot de opties voor de uitrusting van rol-naar-rol installaties voor de productie van gedrukte fotovoltaïsche modules.

Met de eenvoudig in een rol-naar-rol productie te integreren reinigingsoplossing kan de productie van elk type gedrukte elektronica, waarbij wordt gestructureerd met een laser, economischer, productiever en duurzamer worden gemaakt. Een ander toepassingsgebied is de productie van elektroden in de batterijproductie.