In de race naar lage kosten worden silicium zonnecellen steeds dunner. Het zonder breukverlies hanteren en bewerken van grote plakken silicium met een dikte van slechts 0,15 millimeter is echter een enorme uitdaging. Met name de stap waarbij kant-en-klare cellen elektrisch met elkaar worden verbonden om daarna in een zonnepaneel te worden gemonteerd, is kritisch. Binnen het Europese project CrystalClear is ECN onder meer verantwoordelijk voor het oplossen van deze, inmiddels zeer actuele, problematiek.
De markt op het gebied van zonne-energie groeit al enige jaren met meer dan 40 procent per jaar. De afgelopen jaren is de belangrijkste groeibijdrage geleverd door Duitsland waar duurzame energie al jaren hoog op de nationale agenda staat. Inmiddels is dit succesvolle beleid overgenomen door onder andere Spanje, Italië, Griekenland en Frankrijk.
Om zonnecellen te kunnen vervaardigen is zeer zuiver silicium nodig. Tot 2004 werd een beroep gedaan op de overcapaciteit en de reststromen van de productie voor de halfgeleiderindustrie. In 2005 was de vraag vanuit de zonne-energie sector naar zuiver silicium, de zogeheten feedstock, echter groter dan de beschikbaarheid. Paul de Jong, groepsleider Moduletechnologie bij het Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN), legt uit: "Deze krapte op de markt heeft geleid tot een enorme prijsstijging van de feedstock en bedrijven zonder leveringscontracten konden zelfs helemaal geen silicium meer krijgen. Inmiddels wordt flink geïnvesteerd in het bouwen van nieuwe fabrieken voor de productie van zuiver silicium speciaal ten behoeve van zonnecellen, maar het zal enige jaren duren voordat die operationeel zijn en vraag en aanbod weer in balans zijn."
Processtation waar de koperen strips aan de zonnecel worden verbonden.
Mede als een reactie op deze situatie heeft de zonnecellenindustrie ingezet op het zeer efficiënt omspringen met het beschikbare materiaal. Het gebruik van steeds dunnere siliciumplakken staat daarbij centraal. Vroeger was de dikte ruim 0,3 millimeter, vandaag iets meer dan 0,2 millimeter en over enkele jaren waarschijnlijk 0,1 millimeter. De plakken zijn bovendien groter geworden: was enkele jaren geleden 10 × 10 cm normaal, nu is dat meer dan 15 × 15 cm.
Uiteraard brengt de trend naar dun en groot een enorme uitdaging met zich mee wat betreft de fabricage van de cellen en de assemblage van de panelen. Sommige tot nu toe gebruikte technieken leiden tot veel breuk of zijn in het geheel niet toepasbaar.
Om de opgewekte stroom te kunnen afvoeren en om de spanning van het paneel op een bruikbaar niveau te brengen, worden de zonnecellen met elkaar verbonden door middel van koperen strips die van de voor- naar de achterzijde lopen. Dat gebeurt tot nu meestal door middel van solderen. De Jong: "Het probleem zit in het verschil in uitzettingscoëfficiënten van silicium en koper. Bij verhitting zet koper meer uit dan silicium. Omdat het soldeerproces plaatsvindt bij circa 200ºC, komt het gehele pakket van strips en cel tijdens het afkoelen letterlijk stijf van de spanning te staan. Er is dan niet veel voor nodig om het silicium te breken.
Gehele pilot-line waarmee koperen strips aan de zonnecel worden verbonden.
Vanwege het dunner worden van de cellen, wordt dit probleem steeds groter. Daarbij komt dat het koper juist dikker moet worden omdat de stroomopbrengst van de zonnecellen steeds verder verbetert. En het is uiteraard zonde om die duurbetaalde zonnestroom weg te stoken in de vorm van koperverliezen. Daarnaast hebben we ook nog te maken met de nieuwste milieuregels die eisen dat er loodvrij gesoldeerd moet worden. Hierdoor gaat de soldeertemperatuur nog verder omhoog. Kortom, er is geen houden meer aan."
Aanbrengen (dispensen) van de lijm op de contactvlakken van de zonnecel.
Om deze problemen te lijf te gaan heeft ECN een pilot-line ontwikkeld voor het reproduceerbaar maken van een nieuw type zonnecelverbindingen. De Jong: "Op dit moment werken we veel met elektrisch geleidende lijm omdat de procestemperatuur veel lager is dan bij solderen. Omdat deze lijm ook enigszins sponsachtig is worden mechanische spanningen tussen de zonnecel en de koperen strip bovendien opgevangen in de lijmlaag. Zo hebben we vorige week de eerste werkende module gemaakt met 150µm dunne zonnecellen, een unicum."
Een groot voordeel van deze opstelling is de flexibiliteit. De opstelling is geschikt om te experimenteren met andere materialen en met verschillende procesparameters. Hierdoor is ECN in staat in te spelen op een breed aanbod aan marktvragen.
Informatie
Meer informatie over het onderzoek naar zonnecellen en de pilot-line voor zonnecelverbindingen, kunt u vinden op www.ipcrystalclear.info en www.ecn.nl
Contact
Paul de Jong
ECN Zonne-energie
Tel. 0224 - 56 4731
p.dejong@ecn.nl
Delft, 23 april 2013
>>ECN presenteert haar aantrekkelijke, innovatieve technologieen en services aan de...
>>In opdracht van ECN en TNO is op 16 april de bouw gestart van een wereldwijd uniek...
>>
