Europas umweltfreundlichere Wertschöpfungskette für Photovaltaik
Die Mission der EU ist es, die Energieerzeugung durch die Nutzung umweltfreundlicher und erneuerbarer Energiequellen nachhaltiger zu gestalten. Obwohl sich Solarenergiesysteme immer mehr durchsetzen, beruht der Modus Operandi immer noch auf einer Konsum-und Wegwerfmentalität. Die Gewinnung von Ressourcen, deren Umwandlung in Produkte und das simple Wegwerfen am Ende des Produktlebenszyklus ist äußerst ressourcenintensiv und stellt eine Verschwendung wertvoller Werkstoffe dar. Das EU-finanzierte Projekt Eco-Solar war darauf ausgerichtet, die Ressourceneffizienz zu maximieren und die Denkweise der Kreislaufwirtschaft zu integrieren. „Eco-Solar betrachtet die Gesamtbild der Wertschöpfungskette – Ingotkristallisation, Trennen der Wafer, Herstellung von Zellen und Modulmontage“, betont der Projektverantwortliche Martin Bellmann. Verbesserungen am Kristallisationsprozess Eco-Solar hat ein einfaches und kostenwirksames Verfahren zur Rückgewinnung von über 95 % des bei der Kristallisation von Siliziumingots eingesetzten Argongases eingeführt. Das Verfahren basiert auf dem CLC-Verfahren (chemische Verbrennung), bei dem die brennbaren Stoffe im Abgasstrom in Kohlendioxid und Wasser umwandelt werden und hochreines Argon zurückbleibt, das direkt wiederverwendet werden kann. Für die Kristallisation von Siliziumingots schlug das Forscherteam wiederverwendbare Tiegel auf Basis von Siliziumnitridkeramik vor. Diese Tiegel gestatten nicht nur eine einfache Entnahme der Ingots nach Abschluss des Fertigungszyklus, sondern verhindern außerdem das Eindringen von Verunreinigungen in das Silizium und reduzieren die während der Kristallisation entstehenden Spannungen. Verbesserungen beim Schneiden und Herstellen von Wafern Zur Herstellung von Siliziumwafern werden große Siliziumblöcke zerschnitten. Eco-Solar konnte den Sägeprozess unter Einsatz dünnerer Diamantdrähte von ungefähr 60 μm Dicke verbessern. Das Projekt erkundete außerdem das Recycling des bei der Herstellung von Siliziumwafern anfallenden Siliziumstaubs. „Der industrielle Sägeprozess hinterlässt sehr viel Abfall, denn bis zu 45 % des wertvollen Ausgangsmaterials gehen als feines Siliziumpulver verloren und landen dann auf den Deponien“, sagt Bellmann. Mit dem neuen Verfahren von Eco-Solar werden Abfälle zurückgewonnen, so dass sie als Sekundärrohstoff zur Siliziumingotkristallisation, zur Fertigung von Siliziumnitridtiegeln und von Lithium-Ionen-Batterien dienen können. Silbergehalt und Wasserverbrauch minimieren Die Diffusion von Phosphor in den Siliziumwafer ist einer der kritischsten Schritte der Solarzellenfertigung. Den Projektpartnern gelang es, mehrere nasschemische Ätz- und Reinigungsschritte nach der Phosphordiffusion zu einem einzigen Prozess zu kombinieren, bei dem weniger Abfall anfällt und der den CO2-Fußabdruck der Solarzellenherstellung reduziert. Überdies erforschten sie die Möglichkeiten bestimmter industrieller Systeme, die mehr als 90 % des nach der Waferbearbeitung verschwendeten Wassers einsparen können. Die Projektpartner experimentierten außerdem mit verschiedenen Solarzellarchitekturen, um den Silbereinsatz zu minimieren. Ein verbesserter Schaltplan, bei dem kein aufgelötetes Kontaktband auf der Rückseite der Silberpads und der Vorderseite von Sammelschienen erforderlich ist, reduziert den Silbergehalt um 35 %. Solarzellen reparieren und recyceln Als weiterer Projekterfolg gilt die Entwicklung eines automatisierten Systems zur Erkennung kleiner Defekte in den Solarzellen. Dieser „Zellendoktor“, der dank Laserbearbeitung fehlerfreie Zellenbereiche schneidet oder isoliert, kann die Menge der als Ausschuss verworfenen Solarzellen um 50 % reduzieren. Die Projektpartner führten außerdem vor, dass die Module am Ende der Lebensdauer wieder geöffnet und in ihre Hauptbestandteile zerlegt werden können. Automatisierte Moduldemontageanlagen wurden gemeinsam mit Diagnosewerkzeugen zur Prüfung der Modulkomponentenqualität konzipiert. Die zukunftsweisenden Konzepte von Eco-Solar fördern entlang der gesamten Wertschöpfungskette Ressourceneffizienz, Wiederverwertung und Recycling. Hier liegt der Schlüssel zur Erzeugung von nachhaltigem Solarstrom in Europa.
Schlüsselbegriffe
Eco-Solar, Solarzelle, Kristallisation, Modul, Wertschöpfungskette, Recycling, Ressourceneffizienz, Argon, Phosphor, Photovoltaik, Siliziumnitridkeramik
