Hållbara energilösningar Ny öppen energi –projektet 2016

Solcellsteknik Marko Kukka, Satakunnan ammattikorkeakoulu Kim Skön, Arcada Välkomna att studera hållbara energilösningar och solenergi. I den här videon behandlas olika typer av solcellsteknik som användas för tillverkning av solpaneler.

Solcellstekniker Photovoltaics Silicon (bulk) Monocrystalline Multicrystalline Thin film Amorphous silicon (a-Si) Micro-crystallinen silicon (µc-Si) C (IG) S CdTe III-V coumpound Dye-sensitized Consentrating PV Låt oss starta i schemats vänstra del med de vanligaste tekniska lösningarna för solceller som används idag och använts under de senaste åren, dvs kiselbaserade solceller som i praktiken är mono- och polykristallina solceller.

Mono- och polykristallina celler

Mono- och polykristallina Si-celler De två typerna kan lätt identifieras visuellt. Polykristallint kisel består av flera små kristaller. Kristallstrukturen är oregelbunden och bildar en slags mosaik på ytan av cellen Monokristallint kisel är däremot mycket jämnfärgat. polykristallin - Si monokristallin - Si Klaus Mueller - This image is a cutout of an image by Klaus Mueller, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=34948067

Fördelar och nackdelar Stor material- och energiförbrukning​ Många steg i produktionsprocessen → automatiserad produktion Fördelar Stor marknadsandel (kristallin Si-panel 75 % marknadsandel) Obegränsad råvarukälla Stabil → lång livslängd Hög verkningsgrad Lägre prisnivå Kisel är ett mycket vanligt grundämne i jordskorpan men det måste separeras och renas vilket är arbetskrävande och dyrt. Kisel som används i solceller måste vara tillräckligt rent eftersom föroreningar i kiselråvaran minskar solcellens verkningsgrad. Den kristallina Si-panelen har en stor marknadsandel , av storleken 75 %. Kristallin Si är kemiskt mycket stabilt, vilket ger en lång livslängd. Kommersiella tillämpningar har relativt hög verkningsgrad som är 5-20 % i genomsnitt. I laboratorieförhållanden har man uppnått verkningsgraderna 25,6 % för monokristallina och 21,3 % för polykristallina celler. Verkningsgraden minskar när omgivningens temperaturen stiger över 25 grader. Minskningen är 0,5 % / grad. Prisutvecklingen på dessa har varit gynnsam ur konsumentens synvinkel, prisnivån på kristallina-Si solceller har varit fallande de senaste åren. Bakgrundsbild: Elvis untot. (Own work.) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons

Tillverkning av solceller: Monokristallin-Si Monokristallin silikonskiva Monokristallint kisel. En ympkristall doppas i smält kisel, när kristallen lyfts långsamt kristalliseras det smälta kislet runt ympkristallen. Med den här metoden tillverkas ett block eller en stång av högkvalitativt rent eller dopat kisel som består av en enda kristall. I samband med lyftet roteras kristallen sakta, så att kristallisationen blir jämn. På grund av detta blir stången cirkulär. Den färdiga staven skärs i tunna (150-300 mikrometer) skivor med en diameter på 100-300 mm. Materialförlusterna är betydande vid tillverkning av skivor. Tillverkningen är en långsam process som kräver stor precision och mycket energi. Därför är monokristallina celler relativt dyra. Även cellernas runda form gör att ytan i rektangulära paneler inte helt kan fyllas av celler vilket minskar panelens verkningsgrad. Alternativt kan den cirkulära plattan skäras i fyrkantiga celler, som emellertid ger mer materialförluster. Monokristallina celler är emellertid mycket tillförlitliga och de har hög verkningsgrad. Polykristallint kisel framställs genom att smälta kisel i ett kärl vid cirka 1500 °C. Som råmaterial duger också rester från skivans skärningsprocess. Därefter kyls kärlet långsamt med början från kiselytan. Nedkylt kisel stelnar och bildar kristaller. Med hjälp av kemiska och termodynamiska processer försöker man styra föroreningar till kärlets kanter och påverka storleken på kristallerna. Ju större de individuella kristallerna är, desto bättre lämpar sig materialet som råvara för solpaneler Ur blocket som erhålls i processen skärs rektangulära skivor på samma sätt som vid tillverkning av monokristallint kisel. Fördelar med polykristallina celler är den fyrkantiga formen av cellen och lägre tillverkningskostnader jämfört med den monokristallina. Men uppdelningen av kristallerna försämrar emellertid materialets egenskaper och därmed verkningsgraden. Yksikiteistäpiitä sulaan piihin kastetaan siemenkide, kidettä nostetaan hitaasti ja sula pii kiteytyy siemenkiteeseen. Prosessilla saadaan yhdestä kiteestä muodostunut harkko tai tanko korkealaatuista puhdasta tai doupattua piitä. Noston yhteydessä kidettä pyöritetään hiljaa, jotta kiteytyminen olisi tasaista. Tästä johtuen tangosta tulee pyöreä. Valmiista tangosta leikataan ohuita (150–300mikrometriä) halkaisijaltaan 100–300mm kiekkoja. Levyjä leikattaessa materiaalihäviöt ovat huomattavat. Valmistus on tarkkaa ja hidas prosessi, joka vaatii paljon energiaa. Tästä johtuen yksikiteiset kennot ovat melko kalliita. Myös harkosta leikattavien levyjen pyöreä muoto vaikeuttaa kennojen sijoittelua nelikulmaisissa paneeleissa ja väliin jätetäänkin usein tyhjää, mikä laskee paneelin hyötysuhdetta. Vaihtoehtoisesti voidaanpyöreästä levystä leikata nelikulmaisia kennoja, mikä kuitenkin lisää materiaalihäviöitä. Yksikiteiset kennot ovat kuitenkin toimintavarmimpia ja hyötysuhteeltaan hyviä. Monikiteistä piitä valmistetaan sulattamalla raaka-ainepiitä astiassa noin1500 °Clämpötilassa. Raaka-aineeksi käyvät myös jäämät levyn leikkausprosessista. Tämän jälkeen astiaa ja piitä jäähdytetään hiljalleen pinnalta alkaen. Jäähtyvä pii kiinteytyy muodostaen kiteitä. Mitä suurempia yksittäiset kiteet ovat, sitä paremmin materiaali soveltuu käytettäväksi aurinkopaneeleiden raaka-aineeksi. Prosessista saadusta nelikulmaisesta harkosta leikataan levyjä samaan tapaan kuin yksikiteisestä harkosta. Monikiteisillä kennoilla on etuna kennon nelikulmainen muoto sekä yksikiteistä halvemmat valmistuskustannnukset. Kiteiden hajanaisuus kuitenkin huonontaa materiaalin ominaisuuksia ja hyötysuhdetta. Wafer manufacturing process: https://youtu.be/3TOpg1niATg Polykristallin-Si Multikristallin silikonskiva Bild: Miia Törmänen, 2016, CC BY-SA. Ritad på basis av: http://www.sunedisonsemi.com/index.php?view=Manufacturing-Process

N-type layer on p-type silicon Från cell till modul N-type layer on p-type silicon Solar Cell Wired cells Large Ingot Ingot Wafer Module Göt = gjutblock  skärs i mindre delar av vilka man tillverkar kiselskivor  Pn-gränsskiktet åstadkoms med fosfordiffusion. Vid hög temperatur diffunderar fosfor in i den tunna kiselskivans ytskikt och bildar ett tunt n-typskikt  Elledare av metall (silver) appliceras på båda ytorna så att de skuggar cellen så lite som möjligt. Elledarna innehåller ofta silver pga dess lämpliga egenskaper  Cellmaterialet är skört och ömtåligt och för utomhusbruk. I panelen skyddas cellerna genom hermetisk inkapsling mellan glas- eller plastplattor . Den hermetiska inkapslingen skyddar också cellen från oxidation och föroreningar. På cellens främre ytan sprutas också ett reflektionsminskande skikt för att minska ytans brytningsindex  Det sista skedet i tilllverkningsprocessen är att man beroende på effekt monterar ihop ett antal solceller till en modul som kallas solpanel som man i sin tur kan sätta ihop till en rad av solpaneler. Ingot = valuharkko  leikataan pienemmiksi joista tehdään piikiekkoja  Pn-rajakerros saadaan aikaiseksi fosforidiffuusiolla. Korkeassa lämpötilassa fosfori diffusoituu piikiekon pintaan muodostaen ohuen n-tyypinkerroksen Metalliset johteet lisätään molemmille pinnoille, varjostaisivat kennoa mahdollisimman vähän. Johteet sisältävät usein hopeaa sen sopivien ominaisuuksien vuoksi Kennojen materiaali on haurasta ja herkkää luonnonolosuhteille. Paneelissa kennot suojataankin kapseloimalla ne ilmatiiviisti lasi-tai muovilevyjen väliin. Ilmatiiveydellä myös suojataan kennon materiaaleja hapettumiselta ja epäpuhtauksilta  Kennon etupinnallesuihkutetaan myös heijastumista vähentävä kerros, jolla pienennetään pinnan taitekerrointa  kennoista ja rungosta syntyy pv-moduuli (aurinkopaneeli) Cell Strenghtened Glass Protective Film Encapsulating Resin Photovoltaic Module (Solar Panel) Photovoltaic Array Bild Miia Törmänen, 2016, CC BY-SA. Bildens källa: http://sinovoltaics.com/learning-center/manufacturing/solar-panel-manufacturing-process-from-cell-to-module/

Detta kursmaterial av VirtualYH-nätverket Finland är licensierat under en Creative Commons Erkännande-DelaLika 4.0 Internationell-licens: https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/, om inte annat anges i materialet.