Долой серебро, добавляй медь: новый импульс для производства солнечных элементов

Рост цен и низкая доступность сырья, особенно серебра, приводят к увеличению затрат на производство фотоэлектрических модулей. Исследователи Фраунгофера разработали процесс гальванического покрытия, в котором серебро, дорогой драгоценный металл, заменяется более доступной медью. Им также удалось заменить полимеры, которые обычно остаются после гальванопокрытий и которые дорого утилизировать, используя для маскировки легко перерабатываемый алюминий. Чтобы быстрее вывести технологию на рынок, был запущен спин-офф PV2+.

Когда дело доходит до производства электроэнергии из возобновляемых источников энергии, фотоэлектрические элементы являются опорой. Современные солнечные элементы с гетеропереходом имеют особенно низкий уровень выбросов CO.₂ из-за небольшого количества кремния, используемого для их производства, а когда дело доходит до промышленного производства, они достигают высочайшего уровня эффективности. В результате высоки шансы, что эта технология станет стандартом в производстве. Есть цифры, показывающие растущее значение фотогальваники. По данным Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA), в 2012 году во всем мире фотогальваническими системами было произведено более 96 ТВт-ч энергии, а к 2020 году этот показатель вырос почти до 831 ТВт-ч. Германия за тот же период выросла с почти 27 ТВтч до почти 50 ТВтч.

Это ни в коем случае не предел того, что может предложить фотогальваника.Однако при производстве солнечных элементов ценное серебро используется для шин и контактов, которые проводят электричество, вырабатываемое в кремниевом слое за счет солнечного излучения. Стоимость этого драгоценного металла растет — даже сегодня на долю серебра приходится около 10 процентов производственной цены фотоэлектрического модуля. Кроме того, на Земле имеется лишь ограниченное количество металла. Солнечная промышленность перерабатывает 15 процентов добываемого серебра, но из-за высоких темпов роста отрасли эта доля резко возрастет. Однако это не будет жизнеспособным, поскольку другие секторы, такие как электромобильность и технология 5G, также сообщают об ожидаемом будущем увеличении использования серебра. Именно поэтому для полной реализации потенциала солнечной промышленности требуются прорывные технологические инновации.

Медь для контактов солнечных батарей

Исследователи из Фраунгоферовского института систем солнечной энергии ISE взялись за эту задачу. Этот институт во Фрайбурге, в котором работает около 1400 сотрудников, является крупнейшим институтом исследования солнечной энергии в Европе. Группа исследователей во главе с доктором Маркусом Глаттааром, экспертом в области металлизации и структурирования, разработала процесс гальванического покрытия для многообещающей технологии гетероперехода, позволяющей заменить серебро медью. Медь во много раз дешевле и доступнее серебра.

Чтобы электропроводящая поверхность солнечного элемента не была полностью покрыта медью, участки поверхности, которые не должны быть покрыты, должны быть предварительно замаскированы. Эти области покрыты покрытием, обладающим электроизолирующим эффектом, что предотвращает их гальваническое покрытие. Медный слой будет накапливаться только в местах, не покрытых изоляцией.

Здесь исследователи добились еще одного значительного прогресса: до сих пор в этой отрасли для маскировки кремниевой пластины в ванне с электролитом использовались дорогие лаки на полимерной основе или ламинированная фольга.Надлежащая утилизация полимеров является дорогостоящим процессом, который приводит к образованию большого количества отходов. Доктор Глаттаар и его команда смогли заменить полимеры алюминием. Как и медь, алюминий полностью перерабатывается. Двойное изменение материалов, с серебра на медь и с полимера на алюминий, также приносит двойную выгоду: производство солнечных элементов не только более экологично, но и значительно дешевле.

Научный прорыв: инновационное гальванопокрытие и улучшенные электролиты

Но как исследователям удалось заменить серебро, дорогой драгоценный металл? «Мы разработали специальный процесс гальванического покрытия, который позволяет использовать для изготовления шин медь вместо серебра», — объясняет д-р Глаттаар. Это даже улучшает проводимость — медные контактные линии особенно узкие из-за их лазерного структурирования. Благодаря чрезвычайно малой ширине медной линии, всего 19 мкм (микрометров), светопоглощающий слой кремния испытывает меньшее затенение, чем серебряные линии. Это, а также высокая проводимость меди с гальваническим покрытием улучшают выход электроэнергии.

Команда Фраунгофера также сделала второе технологическое достижение, используя алюминий в качестве маскирующего слоя. Трудность здесь заключается в электропроводности алюминия, что делает его, на первый взгляд, непригодным для использования в качестве маски. Исследователи Фраунгофера воспользовались тем фактом, что алюминий может образовывать изолирующий оксидный слой на своей поверхности. Однако толщина этого слоя составляет всего несколько нанометров. «Мы смогли адаптировать параметры процесса и разработать особый тип электролита, который гарантирует, что чрезвычайно тонкий слой естественного оксида алюминия может надежно выполнять свою изолирующую функцию. Это стало важной вехой в успехе нашего исследовательского проекта», — с удовлетворением сообщает д-р Глаттаар.

Как перерабатываемые материалы, как медь, так и алюминий могут приблизить фотоэлектрическое производство к экономике замкнутого цикла, улучшая при этом экологические и социальные стандарты. «Учитывая, что у нас достаточно запасов меди в Германии, цепочки поставок намного короче, а цена меньше зависит от международных рынков сырья или иностранных поставщиков», — добавляет д-р Глаттаар.

Спин-офф PV2+ выводит на рынок солнечные технологии

Чтобы быстрее вывести перспективную технологию на рынок, Fraunhofer ISE запустила спин-офф PV2+. Буквы «P» и «V» обозначают фотовольтаику, а «2+» указывает на двойной положительный заряд ионов меди в гальванической ванне. Компания также базируется во Фрайбурге, а ее генеральным директором является исследователь Фраунгофера доктор Глаттаар. Он намерен создать опытный завод вместе с промышленными партнерами уже в начале 2023 года.

Как объясняет профессор Андреас Бетт, директор института Fraunhofer ISE: «Эти инновационные солнечные элементы являются важным шагом на пути к будущему источнику питания на основе возобновляемых источников энергии. Они дадут столь необходимый импульс фотоэлектрической промышленности. У спин-оффа есть огромный потенциал быстро и успешно зарекомендовать себя на рынке. И, конечно же, нам особенно приятно, что эти технологии разработаны в нашем институте». Более того, Федеральное министерство экономики и борьбы с изменением климата Германии (BMWK) финансирует проект в рамках своей стартовой программы Exist.