Automatyczne czyszczenie drukowanych modułów fotowoltaicznych w procesie roll-to-roll

Moduł czyszczący o kompaktowej konstrukcji można dostosować do odpowiedniej szerokości taśmy i łatwo zintegrować z liniami produkcyjnymi typu rolka-na-rolkę. (Źródło zdjęcia: zespół projektu badawczego PV-CO2) / 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)

Za pomocą zautomatyzowanego systemu czyszczenia strumieniem śniegu CO2 można niezawodnie usunąć zadziorów, które są kompatybilne z przemysłem. Efekt czyszczenia opiera się na połączeniu efektów termicznych, mechanicznych, rozpuszczalnikowych i sublimacyjnych. (Źródło zdjęcia: zespół projektu badawczego 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)

Wpływ odszlifowania został potwierdzony poprzez pomiar krzywej IV modułów wyprodukowanych na podłożach, które były nieobrobione (d), ręcznie czyszczone (e) oraz czyszczone za pomocą technologii strumienia śniegu CO2 (f). b i c przedstawiają jasne i ciemne krzywe trzech różnych modułów. Na obrazach DLIT modułów (d, e, f) jasne obszary wskazują na gorące, lokalne punkty, które są szczególnie widoczne w strefach połączeń modułów nieczyszczonych. (Źródło zdjęcia: zespół projektu badawczego PV-CO2)

Grubość stosu warstw (bez warstwy PET, która służy jako materiał nośny dla stosu warstw) drukowanej ogniwa słonecznego (ETL - warstwa transportu elektronów, AL - warstwa aktywna, HTL - warstwa transportu dziur, AgNW - elektroda z nanodrutów srebra, elektroda IMI jest laserowo strukturalizowana) jest wyraźnie mniejsza niż jeden mikrometr. (Źródło zdjęcia: zespół projektu badawczego PV-CO2)

Platforma badawczo-rozwojowa 300R2RCompact, do której można łatwo zintegrować rozwiązanie czyszczące, umożliwia przeprowadzanie szerokiego zakresu eksperymentów z powlekania i druku na rolkach. Umożliwia również skalowanie prób laboratoryjnych do małych serii produkcyjnych. (Źródło zdjęcia: Sciprios GmbH)

Produkcja z rolki na rolkę umożliwia szczególnie ekonomiczną produkcję drukowanych modułów fotowoltaicznych. Aby uniknąć zwarć, konieczne było do tej pory ręczne usuwanie powstających podczas laserowej strukturyzacji krawędzi przewodzących na elektrodzie przedniej, co nie było kompatybilne z przemysłem. W ramach projektu partnerskiego opracowano zintegrowane z linią produkcyjną, w pełni zautomatyzowane rozwiązanie do czyszczenia strumieniem śniegu z CO2, które eliminuje tę słabość.

Przy grubości warstwy od 0,5 do jednego mikrometra oraz wysokiej sprawności nawet przy niskim nasłonecznieniu, elastyczne drukowane ogniwa fotowoltaiczne otwierają szerokie możliwości zastosowań w solarnym zaopatrzeniu w energię. W produkcji drukowanych ogniw fotowoltaicznych metoda rolka na rolkę ma duże zalety pod względem szybkości produkcji, wolumenu i kosztów. Pięć warstw modułów opartych na organicznych i perowskitowych półprzewodnikach można indywidualnie obrabiać, przy czym najniższa warstwa, przezroczysta elektroda IMI (budowa: indowo-cynkowy tlenek, srebro, indowo-cynkowy tlenek), jest laserowo strukturyzowana. Wzdłuż krawędzi strukturyzacji powstają krawędzie, które są przewodzące i wystają kilka mikrometrów ponad powierzchnię. Niezmyte wypukłości powodują uszkodzenia i zwarcia ze względu na niewielką grubość modułu. Obecnie stosowaną techniką jest mechaniczne usuwanie krawędzi przy bardzo niskich prędkościach trakcji. Jednak istnieje ryzyko uszkodzenia strukturowanych warstw przez mechaniczne oddziaływanie.

Opracowanie zautomatyzowanego, zintegrowanego rozwiązania czyszczącego

Aby wyeliminować tę słabość w produkcji z rolki na rolkę drukowanych modułów fotowoltaicznych, Instytut Materiałów Technologii Energetycznej i Elektroniki (I-MEET), Solar Factory of the Future Uniwersytetu Erlangen-Nürnberg, firma Sciprios GmbH oraz acp systems AG zainicjowały projekt badawczy finansowany przez Federalne Ministerstwo Gospodarki i Klimatu (BMWK) pod nazwą „PV-CO2”. Celem było opracowanie w pełni zautomatycznego, przemysłowo zastosowalnego systemu czyszczenia strumieniem śniegu z CO2 opartego na technologii quattroClean firmy acp. Jest to sucha metoda czyszczenia do zastosowań na dużą skalę i lokalnych. Medium czyszczące to ciekły dwutlenek węgla, recyklingowany z procesów chemicznych produkcji i energetyki z biomasy. Przepływa przez bezzużyciową dwuskładnikową dyszę pierścieniową i rozpręża się przy wyjściu do drobnych kryształków śniegu. Kryształy te są skupiane przez osobny, pierścieniowy strumień sprężonego powietrza i przyspieszane do prędkości naddźwiękowej. Po uderzeniu dobrze skupionego strumienia śniegu z powietrzem w powierzchnię do czyszczenia dochodzi do kombinacji efektów termicznych, mechanicznych, rozpuszczalnikowych i sublimacji, na których opiera się efekt czyszczenia. Krystaliczny dwutlenek węgla sublimuje podczas procesu całkowicie, pozostawiając powierzchnie suche.

Udowodniono dobrą obróbkę krawędzi i poprawę wydajności

W celu oczyszczenia laserowo strukturyzowanych podłoży elektrod zbudowano pilotażową linię produkcyjną typu rolka na rolkę i wyposażono ją w kilka dysz quattroClean umieszczonych nad ścieżką elektrod. Pierwszym krokiem była optymalizacja parametrów strumienia, tak aby znacznie zmniejszyć wysokość krawędzi, nie uszkadzając elektrody. Obejmowało to m.in. średnicę kapilary, która określa przepływ ciekłego dwutlenku węgla, ciśnienie strumienia powietrza, odległość między dyszą a podłożem, kąt ustawienia dysz względem podłoża oraz prędkość trakcji. Po każdym procesie czyszczenia przeprowadzano pomiar maksymalnej wysokości krawędzi za pomocą konfokalnej mikroskopii. Procedurę tę powtarzano dla różnych kombinacji parametrów, aż osiągnięto optymalny efekt czyszczenia.

Aby ocenić wpływ usuwania krawędzi na wydajność fotowoltaiczną, na podłożach poddanych obróbce strumieniem śniegu z CO2 wyprodukowano osiemcentymetrowe szerokie moduły fotowoltaiczne organiczne. Porównano je z modułami wyprodukowanymi na nieobrobionych i ręcznie oczyszczonych podłożach o tej samej wielkości. Oczekiwano, że moduły na nieoczyszczonym podłożu będą miały wysokie straty prądu upływowego, co obniży ich sprawność (wartość PCE) do 2,3 %. Moduły ręcznie oczyszczone miały wskaźnik PCE na poziomie 4,8 %, podczas gdy te poddane czyszczeniu strumieniem śniegu z CO2 osiągnęły nawet 5,3 %. Różnicę tę można wyjaśnić tym, że podczas ręcznego czyszczenia powstają zarysowania na elektrodzie, które mogą znacznie zmniejszyć aktywną powierzchnię, ponieważ nie tylko zarysowana powierzchnia nie generuje prądu, ale także obszary odcięte od odprowadzania ładunku przez zarysowania.

Potwierdzenie, że różnice w wydajności między podłożami poddanymi różnym metodom obróbki, są spowodowane usuwaniem krawędzi, uzyskano dzięki termografii ciemnego pola (DLIT).

Praktyczne osiągnięcie gotowości do seryjnej produkcji

Obecnie w pełni zautomatyzowane rozwiązanie czyszczące jest zintegrowane z standardowym procesem produkcji drukowanych ogniw fotowoltaicznych w Instytucie Materiałów Technologii Energetycznej i Elektroniki. Do niezawodnego usuwania laserowo wyciętych krawędzi na szerokości taśmy 25 cm stosowany jest układ siedmiu dysz w linii. Również firma Sciprios wprowadziła proces czyszczenia strumieniem śniegu z CO2 jako jedną z opcji wyposażenia linii do produkcji drukowanych modułów fotowoltaicznych.

Za pomocą łatwo zintegrowanego rozwiązania czyszczącego w technologiach typu rolka na rolkę można uczynić bardziej opłacalną, wydajniejszą i bardziej zrównoważoną produkcję każdego rodzaju drukowanej elektroniki, w której strukturyzuje się laserowo. Kolejnym obszarem zastosowań jest produkcja elektrod w przemyśle baterii.