W trakcie aktualnie prowadzonej dyskusji dotyczącej przyszłych dostaw energii istotną rolę odgrywają odnawialne źródła energii. Duże nadzieje pokładane są w energii słonecznej. Ale w jaki sposób można w sposób konkurencyjny wytwarzać ogniwa słoneczne? Meyer Burger AG to szwajcarska firma dostarczająca maszyny i zapewniająca wiedzę techniczną dla kluczowych etapów produkcji ogniw; Mettler Toledo dostarcza odpowiedni sprzęt analityczny i właściwe metody.
Czy można zarabiać pieniądze na energii słonecznej? Odpowiedź na to pytanie zależy w znacznej mierze od kosztów produkcji oraz jakości modułów słonecznych. Podstawą jest skomplikowany i zarazem interesujący proces produkcyjny.
Firma Meyer Burger Technology AG to wiodący dostawca i wykonawca rozwiązań w zakresie wytwarzania wafli, ogniw i modułów w przemyśle ogniw słonecznych. W ciągu zaledwie kilku lat na rynku pojawiła się grupa przemysłowa składająca się z ośmiu firm zatrudniających w sumie 1000 pracowników. Grupę tworzą firmy technologiczne oraz firmy przemysłu 3S, które zawarły ze sobą strategiczne porozumienia. Grupa prowadzi działalność, której zakres pokrywa cały łańcuch wartości dodanej. Oferta grupy obejmuje maszyny produkcyjne, systemu zarządzania i sterowania, elementy eksploatacyjne, wiedzę techniczną oraz serwis posprzedażny.
Firma Meyer Burger AG została założona w 1953 roku. W tamtym okresie firma specjalizowała się w produkcji maszyn wiertniczych dla przemysłu produkcji zegarków. Później firma zajęła się wytwarzaniem maszyn tnących dla przemysłu półprzewodników. Kolejnym etapem w historii firmy było zwrócenie uwagi na przemysł ogniw słonecznych, co miało miejsce na początku bieżącego stulecia. W chwili obecnej ponad 90% sprzedaży netto firmy MBAG pochodzi ze sprzedaży rozwiązań dla przemysłu fotowoltaicznego.
Zasadniczą działalność firma MBAG prowadzi w szwajcarskim mieście Thun. Firma opracowuje i produkuje specjalne piły przeznaczone do cięcia twardych i kruchych materiałów takich jak krzem, szafir, szkło, kwarc, ceramika oraz inne materiały krystaliczne. Wycinane są wafle, pryzmaty i inne kształty. Do najważniejszych produktów należą piły drutowe do wycinania bloków i wafli. Firma MBAG jest także dostawcą systemowym i projektantem zakładów produkcyjnych w trybie "pod klucz".
Pięć głównych procesów w produkcji elektryczności z energii słonecznej
Ogniw słonecznych przekształcających energię słońca bezpośrednio w energię elektryczną wykorzystujących w tym celu efekt fotoelektryczny nie należy mylić z kolektorami słonecznymi, które są wykorzystywane do zwykłego podgrzewania wody dla gospodarstw domowych i innych użytkowników. Produkcja ogniw słonecznych służących do wytwarzania energii elektrycznej jest znacznie bardziej skomplikowana, obejmuje wiele etapów, gdzie surowcem jest piasek, produktem końcowym zaś kompletny moduł słoneczny.
Etap 1: czysty krzem
Podstawowym surowcem wykorzystywanym w produkcji ogniw słonecznych jest krzem. Krzem jest półprzewodnikiem i jest bardzo kruchy. Jest otrzymywany przez prażenie w piecu elektrycznym w wysokiej temperaturze piasku wymieszanego z koksem. Dalsza obróbka pozwala uzyskać krzem o jakości metalurgicznej mający czystość około 99%, Jest on następnie poddawany rafinacji w skomplikowanym procesie oczyszczania, gdzie formą pośrednią jest trichlorosilan. Następnie z krystalicznych granulek krzemowych formowane są polikrystaliczne sztabki krzemowe (krzem o jakości słonecznej). Wysokowydajne ogniwa słoneczne są produkowane z monokryształów krzemowych (krzem o jakości elektronicznej, krzem półprzewodnikowy i zawartości zanieczyszczeń <1 ppb).
Etap 2: cięcie folii
W ramach procesu cięcia sztab na wafle, ze sztab są najpierw wycinane małe kwadratowe bloki, z których w kolejnym etapie są wycinane cienkie kwadratowe plastry zwane waflami. Wycinanie wafli krzemowych to najtrudniejszy etap w całym procesie skrawania.
Etap 3: ogniwa
Funkcjonalne ogniwa słoneczne są wytwarzane z wafli krzemowych. Produkcja ogniw jest wieloetapowym procesem fizykochemicznym. Ważnymi etapami są domieszkowanie, nakładanie powłoki antyodblaskowej oraz monitorowanie kontaktów elektrycznych. Po zakończonej produkcji ogniwo ma swój charakterystyczny wygląd oraz posiada zdolność przekształcania energii światła słonecznego w energię elektryczną.
Etap 4: moduły
Ogniwa słoneczne są montowane w gotowe do użycia moduły. Kilka ogniw słonecznych jest ze sobą łączonych w tak zwane generatory słoneczne umożliwiające wytworzenie znacznej ilości użytecznej energii elektrycznej. Ogniwa są umieszczane w dużych odpornych na warunki pogodowe modułach szklanych posiadających niewielkie wymagania w zakresie konserwacji.
Etap 5: instalacja
Końcowym etapem jest instalacja modułów na dachach budynków lub w siłowniach słonecznych. Do przekształcenia prądu stałego wytwarzanego przez moduły w prąd przemienny potrzebne są przekształtniki. Tylko taki prąd może być podawany do sieci przemysłowej. Przyjrzyjmy się teraz bliżej drugiemu etapowi, w których odbywa się cięcie wafli.
Proces otrzymywania i obróbki wafli krzemowych: od bloku krzemowego do wafli
Sztabki monokrystalicznego krzemu mają kolisty przekrój poprzeczny i należy je najpierw pociąć w bloki posiadające przekrój poprzeczny w kształcie ośmiokąta. Krzem polikrystaliczny jest dostarczany w postaci dużych bloków, których przekrój wynosi jeden metr kwadratowy. Są one cięte na mniejsze bloki o kwadratowej podstawie.
Krzemowe bloki są mocowane do podłoża, po czym odbywa się ich cięcie na 3000 wafli w jednym cyklu produkcyjnym przy pomocy piły drutowej. Stalowy drut jest rozwijany ze szpuli i nawijany na przynajmniej dwie prowadnice rolkowe. prowadnice rolkowe posiadają nacięcia oddalone od siebie na ściśle określoną odległość - odpowiadającą grubości wafla. Drut przechodzi przez wszystkie rowki znajdujące się na rolkach, tworząc w ten sposób kompletną sieć. Koniec drugiego drutu jest nawinięty na szpulę. Długość drutu może osiągnąć nawet 800 kilometrów długości.
Zawiesina będąca najczęściej mieszaniną węgliku krzemu w glikolu polietylenowym jest podawana przez system dysz na ruchomą sieć drutu, powodując występowanie tarcia mechanicznego. Blok krzemowy poddawany procesowi cięcia naciska od góry coraz silniej na drucianą sieć; drut pokryty zawiesiną tnie materiał na plastry zwane waflami.
Innym sposobem jest wykorzystanie do cięcia drutu diamentowego, gdzie na powierzchni drutu znajdują się diamenty wywołujące tarcie. Są one mechanicznie połączone z drutem. W tym przypadku nie ma potrzeby stosowania zawiesiny. Stosowane jest wyłącznie chłodziwo, którym jest zazwyczaj woda z dodatkiem innej substancji.
Bloki mają długość od 200 do 1000mm; wymiary wafla to zazwyczaj 125x125 lub 156x156mm. W przypadku stosowania zawiesiny grubość drutu wynosi około 120 do 140 um, grubość drutu diamentowego natomiast to zazwyczaj około 140um. Drut porusza się przez blok z szybkością od 10 do 15 metrów na sekundę. Blok jest naciskany na sieć drutów z szybkością 0.3 do 0.5 mm/min. Pocięcie bloku na wafle o grubości od 160 do 200um zajmuje około 6 godzin. Na koniec, wafle są oddzielane od podłoża i czyszczone wieloetapowo. Wszystkie działania należy wykonywać bardzo ostrożnie, ponieważ wafle są bardzo cienkie i kruche.
Wymagania i oczekiwania klienta w procesie cięcia wafli
Celem w technologii cięcia jest wykonywanie tego działania z wysoką jakością, aby sprowadzić wielkość strat materiału do absolutnego minimum oraz osiągnąć wysoki poziom wydajności w skali całego procesu. Istotne też jest zdolność detekcji wszelkiego rodzaju niedoskonałości lub uszkodzeń na wczesnym etapie produkcji. Osiąga się to, badając naturę powierzchni oraz geometrię pomiędzy różnymi etapami procesu oraz jak najwcześniejsze wyeliminowanie z procesu wadliwego materiału.
Zastosowanie piły drutowej i zawiesiny powoduje straty materiału na poziomie około 50%, co jest wielkością mniejszą od grubości wafla. Straty materiału wynikają z zastosowanej grubości drutu oraz zawiesiny. Im cieńsze wafle są wycinane, tym mniejsze straty materiału są ponoszone, czego konsekwencją są niższe koszty produkcji. W przypadku stosowania drutu diamentowego do cięcia straty są nieco większe niż grubość drutu diamentowego.
Po zakończonym procesie cięcia, na waflach mogą występować mikropęknięcia lub inne niedociągnięcia jakościowe. Rozdzielanie i transport wafli do następnego etapu procesu to sprawa bardzo delikatna. Uszkodzeniu średnio ulega 15% wafli w skali całego łańcucha procesowego. Uwaga zasadniczo koncentruje się na optymalizacji systemu, co pozwala producentom wafli zminimalizować koszty produkcji. Przed procesami cięcia stawiane są bardzo istotne wymagania, do których należą:
Ważnym czynnikiem pozwalającym spełnić te wymagania jest korzystanie z odpowiednich metod analitycznych. Jakość poszczególnych etapów procesu zależy w znacznej mierze od składu i jakości cieczy i substancji stałych użytych na każdym etapie procesu.
Krzem gromadzi się w zawiesinie
Podczas cięcia bloków zawiesina cały czas krąży - gromadzi się poniżej siatki z drutów, po czym jest ponownie rozpylana na siatkę poprzez system dysz zlokalizowanych powyżej. Zjawisko tarcia występujące w trakcie procesu cięcia powoduje gromadzenie się krzemu. Jeśli zawartość krzemu przekracza 6%, należy dodać świeżą zawiesinę w celu zapewnienia, że cięcie jest prowadzone wydajnie i w czystych warunkach. Wzrost zawartości krzemu powoduje wzrost gęstości zawiesiny. Zawartość krzemu należy zatem okresowo sprawdzać, mierząc gęstość zawiesiny przy pomocy gęstościomierza przenośnego. Pozwala to zapewnić optymalną jakość zawiesiny i zmniejszyć jej zużycie do absolutnego minimum.
Jaki jest układ kąpieli czyszczących?
Świeżo wycięte wafle są poddawane czyszczeniu jeden po drugim w różnych kąpielach. Są to kąpiele kwaśne lub zasadowe oraz kąpiele zawierające czystą wodę. Oprócz pH, monitorowaniu podlega także stężenie kwasu octowego, które należy utrzymywać w ściśle określonym zakresie. Kąpiel alkaliczna musi mieć stałe stężenie wodorotlenku sodu/węglanu sodu. Dokładny skład kąpieli oraz ich pH mają kluczowe znaczenie dla struktury powierzchni wafli.
Stężenie kwasów i zasad są oznaczane w laboratorium przez miareczkowanie wykonywane przy pomocy titratora Excellence. Oprócz tego w laboratorium mierzy się gęstość gęstościomierzem LiquiPhysics Excellence. Wafle przechodzą przez kąpiele zawierające czystą wodę pomiędzy różnymi etapami czyszczenia i na etapie końcowym. Do monitorowania czystości służy pomiar przewodnictwa. Wyniki przewodnictwa pozwalają mieć pewność, że powierzchnia wafla będzie wolna od osadów po suszeniu. Pomiar przewodnictwa jest również wykonywany przy pomocy titratora T90 Excellence.
Martin Lanz nie kryje zadowolenia, że w obu instrumentach - titratorze Titration Excellence oraz gęstościomierzu LiquidPhysics Excellence - zastosowano taki sam interfejs użytkownika One Click. Nie trzeba przyzwyczajać się do każdego instrumentu, gdy zachodzi potrzeba przejścia od jednego lub drugiego. Martin musi również ustawić przyciski skrótów dla laborantów. Jedno naciśnięcie przycisku skrótu wystarczy, aby uruchomić analizę. Nie trzeba zatem posiadać szczegółowej wiedzy dotyczącej obsługi instrumentów.
Duża ilość danych pochodzących z analiz generowanych w laboratorium jest automatycznie zapisywana w oprogramowaniu komputerowym LabX titration. Dane te są dostępne do przeprowadzania różnego rodzaju analiz. Oprogramowanie działa w trybie podwójnym - laboranci nie muszą przejmować się obecnością komputera, mogąc uruchamiać analizy, korzystając z ekranu dotykowego. Martin Lanz korzysta jednak z monitora komputerowego podczas bardziej zaawansowanych porównań danych lub dokładnych analiz krzywych miareczkowania.
Opracowanie metody odbywa się bezpośrednio na ekranie dotykowym. Optymalizacja metody jest łatwa i szybka dzięki dostępności wstępnie zdefiniowanych metod, prostej strukturze metody oraz łatwym w zrozumieniu parametrom posiadającym wstępnie zdefiniowane wartości.
Perspektywy na przyszłość
Przemysł ogniw słonecznych jest nadal nową branżą. W skali całego świata mniej niż 1% zużywanej energii elektrycznej jest uzyskiwane z energii słonecznej. Słońce jest w stanie dostarczyć ilość energii przewyższającą wiele razy aktualne potrzeby. kilka metrów kwadratowych modułów słonecznych przypadających na jedną osobę wystarczyłoby, aby zaspokoić zapotrzebowanie wszystkich ludzi zamieszkujących Ziemię na energię elektryczną.
Postęp technologiczny może nastąpić dzięki poprawie sprawności modułów słonecznych oraz zwiększeniu wydajności procesu ich wytwarzania. Oczekuje się znacznego wzrostu udziału ogniw słonecznych w produkcji energii elektrycznej w najbliższych latach. Stanie się to możliwe dzięki usprawnieniu procesów wytwarzania ogniw, czego konsekwencją będzie spadek ich ceny. Firma Meyer Burger czyni starania, wykorzystując zgromadzoną wiedzę techniczną, aby technologia ta odniosła sukces rynkowy, dzięki między innymi instrumentom analitycznym Mettler Toledo.