Konkurenca na trgu fotovoltaike je huda. Ko gre za ceno, so azijski proizvajalci najpogosteje majhen korak pred konkurenco. Vendar prav v tem času Fraunhoferjevi raziskovalci razvijajo nove procese premazov in tankoplastnih sistemov, ki bi lahko bistveno pripomogli k zmanjšanju cene sončnih celic. Če bi se začeli uporabljati, bi nemški proizvajalci s področja fotovoltaike spet postali konkurenčni.
Znanstveniki so nekatere izmed teh novih postopkov predstavili na sejmu EU PVSEC v Frankfurtu od 25 do 28 septembra. Mnogi ljudje so odgovorili z glasnim „Da!“, ko smo jih vprašali, če bi želeli energijo iz okolju prijaznih sončnih celic – vendar naj ne bi bila predraga. Prav iz tega razloga se bije prava cenovna vojna med proizvajalci sončnih celic. Evropskim proizvajalcem so ogrožali preživetje predvsem poceni izdelki azijskega porekla. Vse do sedaj so z nizko ceno premagovali vsako konkurenco, vendar so zdaj raziskovalci inštituta Fraunhofer za inženiring površin in tankih plasti IST v Braunschweigu tem družbam zagotovile podporo. Razvijajo procese premazov in tankoslojnih filmov, katerih cilj je drastično zmanjšati stroške proizvodnje sončnih celic. Znanstveniki so predstavili nekatere od teh novih postopkov na sejmu EU PVSEC.
Vroče žice namesto plazme
Fotovoltaična industrija je vse svoje upe uprla predvsem na visoko učinkovite solarne celice, ki lahko dosežejo učinkovitost do 23 odstotkov. Te „HIT“ celice (heterojunction z notranjo tanko plastjo) morajo biti izdelane na osnovi absorberja iz kristalnega silicija z dodatnimi tankimi plastmi silicija. Do sedaj so proizvajalci uporabljali plazma CVD procese (okrajšava za kemično naparevanje) za nanašanje teh plasti na podlago: reakcijska komora je napolnjena z silanom (SiH4, molekulo tega plina sestavlja en atom silicija s po štirimi atomi vodika) in kristalnim silicijevim substratom. Plazma aktivira plin, s čimer razbije vezi med atomi silicija in vodika. Osvobojeni atomi silicija in ostanki silicij-vodika se oprimejo površine podlage. Vendar je tu še ena težava: plazma lahko aktivira le 10 do 15 odstotkov dragega silan plina, preostalih 85-90 odstotkov pa ostane neizkoriščenih, izgubljenih. To pa seveda pomeni ogromne stroške.
Raziskovalci na IST so zdaj ta proces nadomestili z boljšim: namesto, da bi za aktiviranje plina uporabili plazmo, jih pri novem procesu aktivirajo z vročimi žicami. „Na ta način bomo lahko uporabili skoraj ves silan plin, tako da bomo dejansko izkoristili kar 85-90 odstotkov tega zelo dragega plina. To zmanjšuje celotne proizvodne stroške za nanašanje plasti za več kot 50 odstotkov, cena žice, ki jo potrebujemo za ta proces pa je zanemarljiva v primerjavi s ceno silana,“ pojasnjuje dr Lothar Schäfer, vodja oddelka na IST. „V zvezi s tem moram omeniti še to, da je naš sistem edini, ki plašči substrat v neprestanem gibanju – zato ga tudi uvrščamo med linijske procese.“ Takšen proces je mogoč zato, ker film silicija raste na površini približno petkrat hitreje kot s plazmo CVD – plasti pa so še vedno enake kakovosti. V tem trenutku lahko raziskovalci prevlečejo površine, ki merijo do 50 x 60 kvadratnih centimetrov, proces pa je mogoče enostavno povečati na 1,4 kvadratnih metrov, kar je veliko bolj običajen format v tej veji industrije. Še ena prednost: sistemska tehnologija je veliko bolj preprosta od plazme CVD, zato je sistem bistveno cenejši. Tako je, na primer, cena generatorja, ki proizvaja električni tok za ogrevanje žic le okoli desetina cene, kot jo dosega cena ustreznega generatorja v plazma CVD procesu.
Poleg tega je ta postopek primeren tudi za sončne celice s tankoplastnim filmom. S stopnjo učinkovitosti nekaj več kot 10 odstotkov, so se te prej le pogojno izplačale. Vendar pa, če sončne celice potrojimo (tj. z nalaganjem treh celic eno na drugo), se stopnja učinkovitosti precej poveča, obstaja pa še ena težava: ker so vse tri celice vezane na velike izgube materiala pri oslojevanju z uporabo plazme CVD, so trojne fotonapetostne celice zelo drage. Tako so raziskovalci videli še eno potencialno možnost uporabe svojega procesa: nov postopek oslojevanja bi proizvodnjo fotovoltaičnih celic znatno pocenilo. Trojne celice bi se lahko dolgoročno zelo uveljavile, če bi za osnovo uporabili sicer redek, a zelo učinkovit germanij. Vendar je tudi germanij zelo drag in če bi želeli izbrati dobičkonosno odločitev, morate biti sposobni nanašati posamezne plasti s čim manj izgubami dragocenega germanija, na primer s pomočjo procesa CVD z vročo žico.
35 –odstotni prihranek prozornega prevodnega oksida v procesu brizganja
Energija, ki se proizvede v fotovoltaičnih celicah, mora biti nekje dostopna, da jo lahko uporabimo. To je običajno izvedeno v obliki naparjene kontaktne površine, ki prevaja nastale vrzeli in elektrone. Ampak za HIT celice ta mreža ni dovolj. Namesto prosojnih prevodnih plasti – podobno kot pri LCD televizorju – je potrebna prevodna plast po celotni površini.
To se običajno izvaja s procesom brizganja: keramične ploščice, izdelane iz cinka z dopiranim aluminijem ali indij-cinkov oksid atomizirajo. Posamezne komponente se oprimejo površine, s čimer dobimo tanko plast. Žal so keramične ploščice tudi precej drage, zato so raziskovalci na IST uporabili kovinske ploščice, ki so 80 odstotkov cenejše kot podobne, izdelane iz keramike. Elektronski nadzor zagotavlja, da kovinske ploščice ne oksidirajo, saj bi se sicer spreminjali tudi pogoji, pri katerih lahko kovino brizgamo. „Čeprav je večji izdatek za zagotavljanje krmiljenja, lahko še vedno znižamo stroške tega proizvodnega procesa za 35 odstotkov pri oslojevanju površine 1,4 kvadratnega metra,“ pravi dr. Volker Sittinger, vodja skupine na IST.
Raziskovalna skupina namerava združiti oba procesa na dolgi rok, da bi postale tankoslojne sončne celice cenejše in končno tudi bolj donosne. „ Vse silicijeve plasti lahko proizvedete s pomočjo procesa CVD z vročo žico in vse prosojne prevodne plasti s postopkom naparjevanja s kovinskimi ploščicami. Načeloma bi morali biti ti postopki primerni tudi za velike formate,“ pravi Sittinger.
Vendar pa ti postopki, ki so jih uporabil, še niso čisto pravi proizvodni procesi. Čeprav raziskovalci že uporabljajo postopke za proizvodnjo neskončnega števila kvadratnih centimetrov, bo še vedno trajalo približno tri do pet let, da jih bo mogoče uporabiti v proizvodnji sončnih celic.
Novi postopki za poceni izdelavo sončnih celic
