Wafle krzemowe wygrzewane światłem

źródło: NREL/Dennis Schroeder

Naukowcy z USA odkryli, że w trakcie procesu produkcyjnego ogniw słonecznych, ich podstawy z wafli krzemowych najlepiej wygrzewać wiązką światła. Daje to znaczny wzrost wydajności ogniw i umożliwia zmniejszenie zanieczyszczeń - podał magazyn "Technology Review".

Produkcja nowoczesnych ogniw słonecznych wymaga wygrzewania ich podstawowego elementu, jakim są krzemowe wafle, do temperatury 1000^oC. Proces ten pochłania wiele energii i jest skomplikowany, ponieważ rozgrzewanie wafla musi zachodzić równomiernie na całej powierzchni. W innym przypadku powstają napięcia termiczne, powodujące jego zniszczenie.

Naukowcy, pracujący w National Renewable Energy Laboratory (NREL), stworzyli nową metodę rozgrzewania wafli krzemowych. Wafle rozgrzewane są przy użyciu skoncentrowanej wiązki światła. Proces ten pochłania o połowę mniej energii w stosunku do tradycyjnego rozgrzewania przy pomocy elementów grzejnych oraz pozwala na równomierne rozgrzanie całego wafla. Ponadto proces ten umożliwia usunięcie zanieczyszczeń z wafla. Daje to w efekcie czysty panel ogniwa słonecznego, co podwyższa jego wydajność.

Badania laboratoryjne, wykazały, że oczyszczenia wafla krzemowego może przynieść zysk w wydajności rzędu 4 punktów procentowych. Umożliwiłoby to wyprodukowanie ogniw działających z 20 proc. wydajnością. Pierwsze doświadczenia laboratoryjne z oczyszczaniem i rozgrzewaniem wafla przy pomocy wiązki świetlnej dały wzrost wydajności o 0,5 punktu proc., ale naukowcy twierdzą, że wafla nie udało się oczyścić do końca i testy znajdują się dopiero w fazie początkowej.

Zdaniem naukowców, zastosowanie nowego procesu oczyszczania wafla wymaga też zmiany innych stadiów produkcji - bez tego nie da się uzyskać zaplanowanego wzrostu wydajności ogniw.

Wysokie temperatury są używane także w innych stadiach procesu produkcji ogniw słonecznych. Są one konieczne do wprowadzenia do krzemu domieszek, umożliwiających wytworzenie pól i połączeń elektrycznych wewnątrz wafla oraz oksydacji powierzchni dla zwiększenia wydajności. Zastosowanie światła do rozgrzewania umożliwia lepszą kontrolę całego procesu.

W tym celu zbudowano prototypowe "piece świetlne" używające termoodpornej ceramiki pokrytej grubą warstwa przezroczystego szkliwa, co gwarantuje, że światło będzie rozgrzewało wafel, nie piec. Wafel wygrzewany jest przy użyciu komputerowej kontroli tomograficznej w czasie rzeczywistym - rogi są bardziej naświetlane niż środek, ponieważ szybciej oddają ciepło. Chodzi o usunięcie zwłaszcza takich zanieczyszczeń, jak żelazo, którego cząsteczki odbijają fotony światła padające na ogniwo i wprowadzenie takich domieszek, jak bor, zwiększających przewodnictwo elektryczne i wydajność całego ogniwa.

Nagrzewanie prowadzone w ten sposób pozwala na uniknięcie napięć termicznych, zaś ściśle określony czas wygrzewania ułatwia także oksydację powierzchni. Dotąd, jako proces drogi, oksydację stosowali niektórzy producenci - przy użyciu techniki wygrzewania świetlnego jest ona tańsza i łatwiejsza w stosowaniu.

Obecnie naukowcy z NREL pracują nad stworzeniem - na bazie skonstruowanego Advanced Optical Systems - całego prototypowego ciągu, który mógłby wygrzewać nie jeden wafel, jak w laboratorium, ale do 2 tys. sztuk. Dopiero badania na takiej linii pozwolą na całkowitą zmianę procesu produkcyjnego i wytwarzanie nowych, bardziej wydajnych ogniw słonecznych.

PAP - Nauka w Polsce