Bardziej ekologiczny łańcuch wartości ogniw fotowoltaicznych w Europie
Unia Europejska dąży do uczynienia produkcji energii bardziej zrównoważoną poprzez wykorzystanie bardziej ekologicznych i odnawialnych źródeł energii. Pomimo tego, że ogniwa fotowoltaiczne i systemy pozyskiwania energii słonecznej cały czas zyskują na popularności, sposób ich produkcji nadal opiera się na zasadzie „wydobądź, przetwórz, wyrzuć”. Wydobywanie zasobów naturalnych, przetwarzanie ich i wykorzystywanie w produktach, a następnie wyrzucanie ich na śmietnik po zakończeniu okresu eksploatacji jest niezwykle kosztowne i powoduje marnotrawienie cennych materiałów. Biorąc pod uwagę te kwestie, finansowany przez Unię Europejską projekt Eco-Solar obrał za cel maksymalizację efektywności wykorzystania zasobów oraz wdrożenie podejścia opartego na gospodarce o obiegu zamkniętym. Kierownik projektu Martin Bellmann podsumowuje projekt w następujący sposób: „Projekt Eco-Solar przyjmuje holistyczne podejście, skupiając się na pełnym łańcuchu wartości – od krystalizacji krzemu przez cięcie go na wafle krzemowe, wytwarzanie ogniw oraz montaż modułów”. Ulepszenia procesu krystalizacji W ramach projektu Eco-Solar zaprezentowano prostą i tanią technikę odzyskiwania ponad 95 % argonu wykorzystywanego w celu krystalizacji krzemu, opartą na metodzie spalania w pętli chemicznej, która pozwala na przetwarzanie substancji palnych w strumieniu spalin w dwutlenek węgla i wodę, dzięki czemu pozostaje w nim sam argon charakteryzujący się wysoką czystością, który można następnie bezpośrednio wykorzystać ponownie. Badacze zaproponowali także wykorzystanie ceramicznych tygli na bazie azotku krzemu w celu wytwarzania wlewek krzemowych, co pozwoli na ich wielokrotne wykorzystanie. Tego rodzaju tygle pozwalają nie tylko na proste usuwanie wlewek krzemowych po zakończeniu cyklu produkcyjnego, lecz dodatkowo zapobiegają przedostawaniu się zanieczyszczeń do krzemu i zmniejszają naprężenia powstające w czasie procesu krystalizacji. Ulepszenia dotyczące cięcia i tworzenia wafli krzemowych Wafle krzemowe powstają w wyniku przecinania dużych bloków krzemu. Badacze zrzeszeni w ramach projektu Eco-Solar byli w stanie usprawnić również ten proces poprzez zastosowanie w tym celu cieńszych drutów diamentowych o grubości wynoszącej około 60 μm. Zbadano także możliwości związane z ponownym wykorzystaniem pyłu krzemowego powstającego podczas wytwarzania wafli krzemowych. „Przemysłowy proces cięcia krzemu stanowi źródło dużych strat materiałowych, ponieważ w jego wyniku następuje utrata nawet do 45 % cennego surowca, który w formie bardzo drobnego proszku krzemowego trafia na wysypiska”, zauważa Bellmann. Nowa technika opracowana w ramach projektu Eco-Solar umożliwia przetwarzanie tych odpadów w taki sposób, aby mogły stanowić dodatkowy surowiec w procesie krystalizacji wlewek krzemowych, w wytwarzaniu tygli z azotku krzemu oraz w produkcji akumulatorów litowo-jonowych. Zmniejszanie zawartości srebra i zużycia wody Napylanie wafla silikonowego fosforem stanowi jeden z najważniejszych etapów w produkcji ogniw fotowoltaicznych. Partnerzy współpracujący w ramach projektu skutecznie połączyli kilka etapów procesu wytrawiania chemicznego na mokro i czyszczenia po napylaniu fosforem w jeden proces, który pozwala na ograniczenie ilości odpadów oraz śladu węglowego produkcji ogniw słonecznych. Co więcej, badacze zajęli się także sprawdzeniem potencjału systemów przemysłowych pozwalających na odzyskanie nawet ponad 90 % wody wykorzystywanej w procesie przetwarzania wafli krzemowych. Partnerzy zrzeszeni w ramach projektu eksperymentowali również z wykorzystaniem różnych architektur ogniw fotowoltaicznych w celu zmniejszenia zużycia srebra. Ulepszony układ połączeń, który eliminuje konieczność lutowania taśmy łączącej do tylnej części srebrnych pól kontaktowych oraz przedniej części szyn zbiorczych pozwala na zmniejszenie zawartości srebra o 35 %. Naprawa oraz recykling ogniw fotowoltaicznych Kolejnym osiągnięciem projektu było opracowanie zautomatyzowanego systemu pozwalającego na wykrywanie niewielkich usterek w ogniwach słonecznych. Urządzenie naprawiające ogniwa poprzez izolowanie lub odcinanie nieuszkodzonych obszarów ogniw fotowoltaicznych przy pomocy laserów może pozwolić na zmniejszenie liczby wyrzucanych ogniw nawet o 50 %. Partnerzy zrzeszeni w ramach projektu zaprezentowali również możliwości ponownego otwierania modułów po zakończeniu okresu eksploatacji i demontażu podstawowych elementów składowych. Aby umożliwić takie działanie, badacze opracowali automatyczne urządzenia demontujące moduły, a także narzędzia diagnostyczne pozwalające na sprawdzanie jakości modułów. Przyszłościowe koncepcje zrealizowane w ramach projektu Eco-Solar pozwalają na efektywniejsze wykorzystanie zasobów, a także na ich ponowne wykorzystanie i recykling w całym łańcuchu wartości. Tego rodzaju działania będą miały kluczowe znaczenie dla zbudowania zrównoważonego systemu pozyskiwania energii słonecznej w Europie.
Słowa kluczowe
Eco-Solar, ogniwo fotowoltaiczne, krystalizacja, moduł, łańcuch wartości, recykling, efektywne gospodarowanie zasobami, argon, fosfor, fotowoltaiczne, ceramika zawierająca azotek krzemu
