Die Herstellung von Solarzellen hat sich in den letzten Jahren rasant weiterentwickelt. Da der Solarenergie ein außerordentliches Wachstum prognostiziert wird, ist in naher Zukunft mit noch mehr technologischen Innovationen zu rechnen.
In diesem Artikel erläutern wir die Schritte des Herstellungsprozesses von Solarzellen. Zudem gehen wir auf die Herausforderungen und Fortschritte bei der Verbesserung der Effizienz und Nachhaltigkeit von Solarzellen ein.
Inhaltsverzeichnis
Der Prozess der Umwandlung von Rohstoffen in leistungsstarke Photovoltaikzellen ist komplex. Im Grunde nutzt die Technik den photovoltaischen Effekt. Dabei regen Photonen Elektronen in einem Halbleitermaterial an, um einen elektrischen Strom zu erzeugen. So wird Sonnenlicht in Sonnenenergie umgewandelt. Das sind die 5 wichtigsten Schritte:
Vom Block zum Wafer: Als nächstes werden die Siliziumblöcke in dünne Siliziumwafer geschnitten. Diese Wafer dienen als Grundlage für Solarzellen. Die gängigsten Solar- und PV-Module bestehen aus sechseckigen oder rechteckigen Zellen. Die Siliziumwafer werden im Anschluss gereinigt und texturiert, um die Reflexionsverluste des Sonnenlichts zu minimieren.
Die Solarzellen werden dann zu Solarmodulen zusammengefügt, mit Schichten aus Ethylenvinylacetat (EVA) umhüllt und mit einer Glasabdeckung und einer Rückwand versehen, um die Haltbarkeit zu gewährleisten.
Um den elektrischen Anschluss zu erleichtern, werden Photovoltaikmodule mit einer Anschlussdose versehen. Der von den Zellen erzeugte Gleichstrom (DC) wird von einem Wechselrichter, der fest mit dem Solarmodul verbunden ist, in Wechselstrom (AC) umgewandelt.
Die folgende Abbildung zeigt die verschiedenen Komponenten, die bei der Montage von Solarmodulen verwendet werden.
Trotz eines rasanten Rückgangs der Herstellungskosten steht saubere Energie aus Solarmodulen immer noch vor verschiedenen Herausforderungen in Bezug auf Effizienz und Nachhaltigkeit. Wichtige Fortschritte bei den Materialien und Fertigungstechniken lassen jedoch vielversprechende Entwicklungen erwarten.
Hier sind die wichtigsten aktuellen Innovationen.
In der Solarindustrie werden Solarzellen hergestellt, die auf einer Seite Licht absorbieren. Aktuelle Innovationen haben die verstärkte Produktion von bifazialen Modulen ermöglicht, die eine Lichtabsorption auf beiden Seiten des Solarmoduls erlauben.
Solarzellen mit passivierter Emissionselektrode und Rückseite (Passivated Emitter and Rear Contact, PERC) werden bei der Herstellung von Solarmodulen ebenfalls immer beliebter. Dank einer zusätzlichen Schicht auf der Rückseite der Zelle, die das Sonnenlicht zurück in die Solarzelle reflektiert, produzieren diese verbesserten Zellen bis zu 12 % mehr Energie.
TOPCon- und Heterojunction (HJT)-Solarzellen sollen in Zukunft die Hauparten der hergestellten Solarzellen werden. Sie sind nicht nur kostengünstig in bestehende Anlagen zu integrieren, sondern ermöglichen auch viele der Effizienzgewinne pro Quadratmeter, die von früheren Innovationen übernommen wurden, was zu einem wirtschaftlicheren System führt.
Alternative Materialien haben in letzter Zeit in der Industrie an Aufmerksamkeit gewonnen. Dünnschicht-Solarzellen aus Cadmiumtellurid (CdTe) und Perowskit-Solarzellen (PSC) verfügen beispielsweise über ein größeres Absorptionsvermögen über ein breiteres Spektrum von Wellenlängen und bieten im Vergleich zu herkömmlichen kristallinen Siliziumzellen relativ hohe Wirkungsgrade.
Außerdem sind PSC mit gekrümmten und flexiblen Oberflächen kompatibel und im Allgemeinen sehr viel dünner als kristalline Siliziumzellen, was neue Möglichkeiten für die Solartechnologie eröffnet.
Perowskit zersetzt sich jedoch wesentlich schneller als Silizium. Aus diesem Grund werden Perowskit- und kristalline Silizium-Hybridtechnologien (Mehrfachtechnologien) immer beliebter, da sie die Energieausbeute erhöhen und trotzdem erschwinglich sind.
Diese Mehrfachzellen können typischerweise den Wirkungsgrad in den ersten 10 bis 15 Jahren erhöhen und bieten dann den normalen Wirkungsgrad einer herkömmlichen Siliziumzelle. Dank der kombinierten Materialien absorbieren die Mehrfachzellen einen viel größeren Bereich des Lichtspektrums.
Eine wachsende Zahl von Herstellern hat umweltfreundliche Lösungsmittel oder lösungsmittelfreie Materialbehandlungsverfahren eingeführt. Die Integration von Lasertechnologie in Produktionslinien trägt auch dazu bei, Abfall, Materialverbrauch und Zykluszeiten erheblich zu reduzieren.
Die verbesserte Effizienz und Lebensdauer von Solarzellen trägt außerdem zur Reduzierung von Abfall und Rohstoffverbrauch bei. Unternehmen wie First Solar haben Recyclingprogramme eingeführt, die bis zu 95 % der Halbleitermaterialien und 90 % des Glases aus stillgelegten Modulen zurückgewinnen.
Die Einführung von Kreislaufwasserstrategien in Solarzellenproduktionsanlagen kann den Wasserverbrauch um bis zu 79 % senken.
Die Lasertechnologie kann eine wichtige Rolle bei der Verbesserung der Effizienz und der Nachhaltigkeit des Herstellungsprozesses von Solarzellen, Solarmodulen und Solarkollektoren spielen.
Hier ist ein kurzer Überblick über Laseranwendungen für die Lieferkette der Solar - und Photovoltaikindustrie:
Dieses Verfahren entfernt leitende Beschichtungen von Dünnschicht-Solarzellen, um Kurzschlüsse zu verhindern und die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit der Module zu gewährleisten, indem eine saubere Glasoberfläche erzeugt wird.
Diese von Laserax angebotene nachhaltige Methode gewährleistet eine minimale Beschädigung des Substrats und eine hohe Durchsatzkonsistenz.
Durch die Bereitstellung einer präzisen und berührungslosen Methode zur Reinigung von Oberflächen verbessern Laserreinigungssysteme die Haftqualität von Beschichtungen und Verkapselungen und damit die Leistung von Solarmodulen.
Das laserbasierte Materialabtragsverfahren von Laserax ermöglicht es Herstellern von Solarmodulen, die Beschichtungen zu trennen und wertvolle Materialien mit hoher Präzision zurückzugewinnen.
Ein berührungsloses Hochgeschwindigkeits-Laserschweißsystem kann präzise Schweißnähte zwischen Solarzellenkomponenten (z. B. Klemmen, Busbars) erzeugen und die Produktionseffizienz steigern. Das Laserschweißen ist in der Regel 10-mal schneller als das herkömmliche Ultraschallschweißen, wodurch der Prozess besser skalierbar ist.
Beim Wafer-Dicing werden die einzelnen Chips in einem Halbleiterwafer getrennt. Die Laserbeschriftung kann eine ideale Option für das Wafer-Dicing sein, da sie sehr schnell und ohne Beschädigungen und Verbrauchsgüter erfolgt.
Die Siliziumblöcke, die zur Herstellung von Wafern verwendet werden, müssen geätzt werden, um ein optimales Schneiden und die Rückverfolgbarkeit der Wafer zu gewährleisten. Die Sicherstellung der Rückverfolgbarkeit von Solarzellenkomponenten ist für die Qualitätskontrolle und die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften unerlässlich.
Laserbeschriftungssysteme, die die Leistung der Zellen nicht beeinträchtigen, ermöglichen eine präzise, berührungsfreie und behandlungsresistente Markierung von Solarzellenkomponenten.
Laserax spielt eine entscheidende Rolle bei der Weiterentwicklung der Solarzellenherstellung, indem wir spezialisierte Laserlösungen anbieten, die die Effizienz, Qualität und Nachhaltigkeit verbessern.
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Dr. Annick Anctil ist außerordentliche Professorin am College of Engineering der Michigan State University, wo sie die Forschung zur vorausschauenden Nachhaltigkeitsbewertung leitet. Sie nutzt die proaktive Nachhaltigkeitsbewertung, um die Umwelt- und Kostenbelastung neuer Technologien zu reduzieren. Ihre Forschung konzentriert sich auf die Bewertung der Umweltbelastung von Photovoltaik- und Batterietechnologien, insbesondere der Auswirkungen des Abbaus und der Wiederverwertung von Materialien für Energieanwendungen.
Die Solarenergie boomt, und die Herstellung von Solarmodulen steht im Mittelpunkt dieser Revolution. In diesem Artikel erfahren Sie, wie Solarmodule hergestellt werden und was die größten Herausforderungen in der Lieferkette der Solarenergie sind. Wir betrachten zudem aktuelle Verbesserungen und Möglichkeiten zur Überwindung dieser Herausforderungen, einschließlich der Lasertechnologie.
