Progettazione sperimentale di pile di wafer per la diffusione in speciali barche al quarzo. Credito:Fraunhofer ISE
Quando si producono celle solari al silicio, è importante avere un'elevata produttività. Ciò riduce i costi di produzione e allevia i colli di bottiglia nella fornitura poiché un numero maggiore di installazioni fotovoltaiche vengono implementate in Germania e nel mondo. Guidato dal Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, un consorzio di produttori di impianti, società di metrologia e istituti di ricerca ha escogitato una prova di concetto per una linea di produzione innovativa con una produttività compresa tra 15.000 e 20.000 wafer all'ora per rispondere a questa esigenza . Ciò rappresenta il doppio della normale velocità effettiva ed è dovuto al miglioramento di diverse singole fasi del processo.
L'ottava conferenza mondiale sulla conversione dell'energia fotovoltaica di questa settimana a Milano, in Italia, vedrà la presentazione dei risultati dettagliati del progetto di ricerca.
"Nel 2021, il 78% di tutte le celle solari al silicio sono state prodotte in Cina", spiega il Dr.-Ing. Ralf Preu, Direttore della divisione Tecnologia di produzione fotovoltaica presso Fraunhofer ISE. "Per implementare più installazioni solari il più rapidamente possibile e per rendere le nostre catene di approvvigionamento più solide, l'Europa dovrebbe ristabilire i propri centri di produzione per celle solari ad alta efficienza. Aumentando la produttività e rendendo la tecnologia di produzione più efficiente sotto il profilo delle risorse, può ridurre notevolmente i costi e sbloccare il potenziale di sostenibilità che saremo in grado di sfruttare grazie alla conoscenza dei processi e all'eccellenza ingegneristica."
Nuovi concetti per la produzione di celle solari al silicio
Il consorzio ha studiato ogni fase della produzione di celle solari al silicio ad alta efficienza per ottimizzare l'intero processo. Diverse fasi del processo hanno richiesto nuovi sviluppi. "Per alcuni processi, i flussi di lavoro di produzione consolidati dovevano essere accelerati, altri processi dovevano essere reinventati da zero", spiega il dott. Florian Clement, project manager presso Fraunhofer ISE. "Rispetto ai numeri che vediamo attualmente, i sistemi di produzione sviluppati nell'ambito del progetto raggiungono almeno il doppio della produttività."
Uno dei nuovi sviluppi ha visto i ricercatori implementare nuove apparecchiature laser al volo che elaborano continuamente i wafer mentre si muovono ad alta velocità sotto lo scanner laser. Per la metallizzazione delle celle solari, il consorzio ha introdotto la stampa serigrafica rotativa invece dell'attuale processo standard, la stampa serigrafica piana.
Profili di temperatura delle celle solari trasportate attraverso il forno a una velocità di 6 metri al minuto (rosso) e 20 metri al minuto (blu). Credito:Fraunhofer ISE
Diffusione e ossidazione dello stack
Le celle solari richiedono sezioni con drogaggio diverso, ad esempio dove si incontrano lo strato di silicio e i contatti metallici. I ricercatori del Fraunhofer ISE hanno integrato il processo di diffusione utilizzato in questo contesto e l'ossidazione termica dei wafer in un'unica fase del processo.
I wafer non vengono più posizionati singolarmente ma impilati l'uno sull'altro per essere lavorati nel forno. Di conseguenza, il processo di ossidazione crea il profilo di drogaggio finale e raggiunge la passivazione superficiale aumentando allo stesso tempo la produttività del processo di un fattore di 2,4.
Processi di forni in linea più rapidi
Dopo l'impronta dell'elettrodo sulle celle solari, il contatto degli elettrodi con la cella solare in silicio viene formato su entrambi i lati in forni in linea. I forni standard avrebbero richiesto una camera di riscaldamento significativamente più grande per aumentare la produttività in questa fase.
Invece, il consorzio del progetto ha installato una velocità del nastro tre volte più veloce nel forno e ha confrontato la qualità delle celle solari sinterizzate con lo standard odierno. Sono stati in grado di aumentare significativamente la produttività senza compromettere l'efficienza delle celle solari.
L'elaborazione delle celle solari nel forno in modo notevolmente più rapido non compromette l'efficienza. Credito:Fraunhofer ISE
Test e analisi dei difetti senza contatto
Per la caratterizzazione delle celle solari complete, il consorzio ha ideato due concetti. Sono stati implementati un metodo contactless e un metodo che utilizza contatti scorrevoli per consentire alle future linee di produzione di testare le celle più velocemente.
Ciò consente di mantenere una velocità continua di 1,9 metri al secondo durante la misurazione delle celle, con il team che ha dimostrato una grande precisione di misurazione per entrambi i concetti. È stato depositato un brevetto per il metodo contactless. + Esplora ulteriormente
