Un sensore di luce bianca confocale è in grado di dividere la luce bianca trasmettendola attraverso diverse lenti. Il risultato è che la lunghezza focale è distribuita su un numero specificato di punti sull'oggetto, che insieme forniscono uno spettro luminoso composto da diversi colori. Quando la luce viene riflessa verso uno spettrometro nello strumento di misura, l'intensità delle lunghezze d'onda ci permette di effettuare una misurazione esatta della distanza dall'oggetto da ispezionare. Credito:SINTEF
"Il prezzo dell'elettricità prodotta dal solare continua a precipitare, e la tecnologia sta prendendo il sopravvento come la forma di energia meno costosa in sempre più parti del mondo, ", afferma il ricercatore di celle solari John Atle Bones al SINTEF.
"Siamo a un punto di svolta economico che favorisce la tecnologia delle celle solari, " dice. "Buone illustrazioni di questo dagli Stati Uniti includono il progetto Berkeley Energy Group/EDF Renewable Energy, che ha recentemente chiuso una miniera di carbone e installato un parco solare nello stesso sito. In California, le autorità hanno recentemente deciso di introdurre standard per i pannelli solari sul tetto per le nuove abitazioni, " spiega Bones.
Perfezionamento della selezione delle materie prime
Le riduzioni dei prezzi dei pannelli solari sempre più popolari sono il risultato di sviluppi sia nella tecnologia che nei metodi di produzione - ed è proprio questa tecnologia e le sue materie prime che Bones e i suoi colleghi stanno esaminando. I ricercatori SINTEF ora intendono utilizzare i robot per migliorare la qualità del prodotto finale.
Il perfezionamento della produzione del cosiddetto silicio monocristallino (il materiale che costituisce la base della capacità di una cella solare di generare elettricità) preoccupa da molti anni la comunità di ricerca di SINTEF. I ricercatori hanno ora concentrato la loro attenzione e, più precisamente, quella dei loro sensori verso l'importante crogiolo di quarzo che svolge uno dei ruoli chiave nella fabbricazione delle celle solari (vedi riquadro a fine articolo).
"Migliori sono le materie prime che abbiamo, più efficienti saranno le celle solari, e questo a sua volta ridurrà l'impronta ambientale dell'elettricità generata dalle celle, " dice Bones. "Quindi è importante che i crogioli di quarzo che usiamo siano della massima qualità. Attualmente, la garanzia della qualità dei crogioli viene effettuata mediante ispezione visiva, ma questo ha i suoi limiti, "dice Bones, chi sta guidando il progetto.
Il robot è stato sviluppato dai ricercatori SINTEF e da un gruppo di studenti di NTNU, e si basa su una serie di sensori ottici in grado di rilevare molto più di quanto sia visibile all'occhio umano.
Questo pacchetto di sensori dedicato ha conferito al robot sia una vista eccellente che le caratteristiche di un detective. I crogioli di quarzo sono costituiti da diversi strati con strutture variabili che combinano riflettività e trasparenza. Per rivelare le proprietà di un crogiolo, vizi e difetti è necessario, letteralmente, per cercare in profondità.
"Prima di costruire questo robot abbiamo studiato i crogioli per identificare la connessione tra la loro qualità e le proprietà del prodotto finale in silicio monocristallino, " dice Bones. "Per fare questo dovevamo essere piuttosto brutali, " dice. "Abbiamo applicato quelli che vengono semplicemente chiamati metodi distruttivi. Questo significa schiacciare, macinando e dissolvendo i materiali in prodotti chimici. Analisi successive ci hanno fornito chiare indicazioni sulle proprietà dei diversi strati che dovrebbero costituire un dato crogiolo, "dice Bones.
Ma ora hanno insegnato al robot a riconoscere i difetti nei crogioli senza che nel processo venga distrutto nemmeno un granello di polvere. Il nuovo robot SINTEF consente di guidare un crogiolo attraverso un processo di selezione rapido e molto accurato prima che venga utilizzato nel forno fusorio. Qui svolge uno dei ruoli principali nel processo di prelievo dei cristalli che precede la produzione dei wafer.
Occhi sui gambi:questo robot è dotato di un pacchetto molto speciale di sensori combinati con la visione artificiale. Ciò gli consente di rilevare molto più di quanto sia visibile all'occhio umano. Credito:SINTEF
"I crogioli hanno in genere un diametro compreso tra 50 e 70 centimetri e pesano 10 chilogrammi, " dice Bones. "È quindi importante essere in grado di utilizzarli nel modo più ottimale possibile, " dice. "L'uso di un crogiolo con le proprietà sbagliate può comportare la necessità di rifondere il silicio fabbricato, " lui dice.
Visione laser e sensori
Trovare un singolo sensore in grado di fare tutto ciò che i ricercatori volevano si è rivelato impossibile. Quindi hanno combinato una selezione di sensori e hanno permesso loro di comunicare tra loro. Secondo Bones, il sensore di luce bianca confocale è uno dei più importanti inclusi in questo sistema.
Funziona rispondendo ai diversi colori e alle corrispondenti lunghezze d'onda nello spettro della luce bianca.
Tra l'altro, è inclusa anche una telecamera CCD digitale ad alta risoluzione che può "vedere" a scale molto dettagliate. Questo a sua volta è collegato a un dispositivo di visione artificiale che consente al sistema di identificare piccole variazioni nei materiali che non dovrebbero essere presenti.
Il robot si posiziona quindi nella posizione fisica corretta.
"Tra le cose che stiamo misurando c'è la curvatura e lo spessore del crogiolo di quarzo, che ha la forma di una ciotola, " dice Bones. "Ecco, il robot deve regolare i suoi "occhi" con l'angolazione corretta per tutti i punti che è programmato per ispezionare. Ciò è reso possibile utilizzando diversi sensori di distanza ed effettuando calcoli che consentono al robot di correggere continuamente la traccia lungo la quale si muove, " lui spiega.
Nessun problema nella condivisione
"Ci dà un ulteriore piacere essere riusciti a raggiungere questo obiettivo con finanziamenti limitati e la collaborazione di studenti NTNU che hanno lavorato a questo progetto come parte dei loro diplomi di laurea e master, "dice Bones, che ora è pronto a condividere la tecnologia dei sensori analitici con chiunque pensi di poterne fare buon uso.
"Ciò che sarebbe ancora meglio è se qualcuno leggesse questo articolo e decidesse che è proprio quello di cui ho bisogno per il mio progetto!", lui dice. "Molto di ciò che abbiamo ottenuto qui è trasferibile ad altri processi e materie prime, "dice Bones.
Il ruolo del crogiolo di quarzo nella produzione di celle solari:un crogiolo di quarzo è un contenitore a forma di ciotola, tra 50 e 70 cm di diametro con pareti di circa 1 cm di spessore. La qualità del crogiolo è molto importante. Se è inadeguato, il prodotto finale sarà inutilizzabile. Il crogiolo è costituito da diversi strati di quarzo che svolgono una varietà di funzioni durante il processo di fabbricazione. Funge da contenitore utilizzato nei forni che fondono il silicio prima della produzione del silicio monocristallino. Come parte di questo processo, un cosiddetto cristallo "seme" viene immerso nel silicio fuso, e un grande cristallo di silicio monocristallino viene quindi prelevato dalla massa fusa. Questo processo di prelievo del cristallo richiede fino a due giorni. Il prodotto finale è un cristallo lungo circa due metri e largo 20 centimetri che a sua volta viene utilizzato come materia prima per la fabbricazione dei cosiddetti wafer di silicio. Questi wafer vengono quindi suddivisi per produrre celle solari.
