Czy miedź zastąpi srebro w panelach fotowoltaicznych?
FraunhoferRosnąca cena i niska dostępność surowców, zwłaszcza srebra, prowadzą do wyższych kosztów produkcji modułów fotowoltaicznych. Badacze Fraunhofera opracowali proces galwanizacji, który polega na zastąpieniu srebra, drogiego metalu szlachetnego, miedzią, która jest łatwiej dostępna. Udało im się również zastąpić polimery, które zwykle pozostają po procesach galwanizacji, a których utylizacja jest kosztowna, poprzez zastosowanie do maskowania aluminium, które można łatwo poddać recyklingowi.
Jeśli chodzi o wytwarzanie energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii, fotowoltaika jest podstawą. Nowoczesne heterozłącza ogniwa słoneczne mają szczególnie niski poziom CO2 ze względu na niewielkie ilości krzemu użytego do ich produkcji, a jeśli chodzi o produkcję przemysłową, osiągają najwyższe poziomy wydajności. Dzięki temu istnieje duża szansa, że technologia ta stanie się standardem w produkcji. Według Międzynarodowej Agencji Energii Odnawialnej, w 2012 r. na całym świecie z systemów fotowoltaicznych wytworzono ponad 96 TWh energii, a do 2020 r. prawie 831 TWh. W tym samym okresie Niemcy wzrosły z prawie 27 TWh do prawie 50 TWh.
Nie jest to bynajmniej granica tego, co może zaoferować fotowoltaika. Jednak przy produkcji ogniw słonecznych cenne srebro wykorzystuje się do produkcji szyn i styków, które przewodzą prąd elektryczny wytwarzany w warstwie krzemu za pomocą promieniowania słonecznego. Koszt tego szlachetnego metalu rośnie — nawet dzisiaj srebro stanowi około 10 procent ceny produkcji modułu fotowoltaicznego. Co więcej, na Ziemi dostępne są tylko ograniczone ilości tego metalu. Przemysł fotowoltaiczny przetwarza 15 procent wydobytego srebra, ale ze względu na wysokie tempo wzrostu w branży odsetek ten ma gwałtownie wzrosnąć. Nie będzie to jednak opłacalne, ponieważ inne sektory, takie jak elektromobilność i technologia 5G, również zgłaszają oczekiwany w przyszłości wzrost wykorzystania srebra.
Miedź do styków ogniw słonecznych
Naukowcy z Instytutu Fraunhofera ds. Systemów Energii Słonecznej ISE podjęli to wyzwanie. Zatrudniający około 1400 pracowników instytut z siedzibą we Fryburgu jest największym instytutem badań nad energią słoneczną w Europie. Zespół naukowców pod kierunkiem dr Markusa Glatthaara, eksperta w dziedzinie metalizacji i strukturyzacji, opracował proces galwanizacji dla obiecującej technologii heterozłącza, która ma zastąpić srebro miedzią. Miedź jest wielokrotnie tańsza i łatwiej dostępna niż srebro.
Aby zapewnić, że elektrycznie przewodząca powierzchnia ogniwa słonecznego nie jest całkowicie pokryta miedzią, obszary powierzchni, które nie powinny być powlekane, muszą być najpierw zamaskowane. Obszary te są pokryte powłoką, która ma działanie izolujące elektrycznie, zapobiegając w ten sposób galwanizacji. Warstwa miedzi będzie gromadzić się tylko w obszarach niepokrytych izolacją.
Naukowcy dokonali tutaj kolejnego znaczącego postępu: do tej pory w tej branży używano drogich lakierów na bazie polimerów lub folii laminowanych do maskowania wafla krzemowego w kąpieli elektrolitycznej. Właściwa utylizacja polimerów to kosztowny proces, który generuje dużo odpadów. Dr Glatthaar i jego zespół byli w stanie zastąpić polimery aluminium. Podobnie jak miedź, aluminium w pełni podlega recyklingowi. Dwukrotna zmiana materiałów, ze srebra na miedź iz polimeru na aluminium, również przynosi podwójną korzyść: produkcja ogniw słonecznych jest nie tylko bardziej zrównoważona, ale także znacznie tańsza.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Przełom w nauce: innowacyjna galwanizacja i ulepszone elektrolity
Ale jak naukowcom udało się zastąpić srebro, drogi metal szlachetny? „Opracowaliśmy specjalny proces galwanizacji, który umożliwia użycie miedzi zamiast srebra do szynoprzewodów”, wyjaśnia dr Glatthaar. Poprawia to nawet przewodność — miedziane linie kontaktowe są szczególnie wąskie ze względu na ich strukturę laserową. Ze względu na wyjątkowo małą szerokość linii miedzianej, wynoszącą zaledwie 19 μm (mikrometrów), warstwa krzemu pochłaniająca światło jest mniej zacieniona niż w przypadku linii srebrnych. To oraz wysoka przewodność miedzi galwanizowanej poprawiają uzysk energii elektrycznej.
Zespół Fraunhofera dokonał również drugiego osiągnięcia technologicznego, wykorzystując aluminium jako warstwę maskującą. Trudność polega na tym, że aluminium przewodzi elektryczność, co sprawia, że na pierwszy rzut oka nie nadaje się do stosowania jako maska. Badacze Fraunhofera wykorzystali fakt, że aluminium może tworzyć na swojej powierzchni izolującą warstwę tlenku. Jednak ta warstwa ma tylko kilka nanometrów grubości. – Udało nam się dostosować parametry procesu i opracować specjalny rodzaj elektrolitu, który zapewnia, że niezwykle cienka, natywna warstwa tlenku aluminium może niezawodnie spełniać swoją funkcję izolacyjną. Był to ważny kamień milowy dla sukcesu naszego projektu badawczego – informuje dr Glatthaar.
Jako materiały nadające się do recyklingu, zarówno miedź, jak i aluminium mogą znacznie zbliżyć produkcję fotowoltaiczną do gospodarki o obiegu zamkniętym, poprawiając tym samym standardy środowiskowe i społeczne. „Biorąc pod uwagę, że mamy wystarczające dostawy miedzi w Niemczech, łańcuchy dostaw są znacznie krótsze, a cena jest mniej zależna od międzynarodowych rynków surowców lub dostawców zagranicznych”, dodaje dr Glatthaar.
Spin-off PV2+ wprowadza na rynek technologię słoneczną
Aby szybciej wprowadzić obiecującą technologię na rynek, firma Fraunhofer ISE wprowadziła na rynek spin-off PV2+. Litery „P” i „V” oznaczają fotowoltaikę, a „2+” oznacza podwójny dodatni ładunek jonów miedzi w kąpieli galwanicznej.
Jak wyjaśnia prof. Andreas Bett, dyrektor instytutu Fraunhofer ISE: – Te innowacyjne ogniwa słoneczne są ważnym krokiem na drodze do przyszłego zasilania opartego na energii odnawialnej. Zapewnią one przemysłowi fotowoltaicznemu tak bardzo potrzebny impuls. Spin-off ma ogromny potencjał, aby szybko i skutecznie zaistnieć na rynku. I oczywiście jesteśmy szczególnie zadowoleni, że te technologie zostały opracowane w naszym instytucie.
Źródło: Fraunhofer
