Apparaat gooit onbruikbare PV-wafels weg

Apparaat gooit onbruikbare PV-wafels weg

Anonim

door Bill Scanlon, National Renewable Energy Laboratory

Image

Siliciumwafels die bestemd zijn om fotovoltaïsche (PV) cellen te worden, kunnen blauwe plekken oplopen door assemblagelijnen, omdat ze worden geoxideerd, gegloeid, gezuiverd, diffuus, geëtst en gelaagd om hun bestemming te bereiken als efficiënte converters van de zonnestralen in nuttige elektriciteit.

Al die verfijningen zijn teveel voor 5% tot 10% van de kostbare wafels. Ze hebben microscheuren die overblijven van onvolledige wafelvoorbereiding, waardoor ze op de transportbanden of tijdens celfabricage breken.

Wetenschappers van het National Renewable Energy Laboratory (NREL) van het Amerikaanse ministerie van Energie hebben een instrument ontwikkeld dat druk uitoefent op de wafels om te vinden welke te kwetsbaar zijn om het productieproces te doorstaan ​​- en schopt die zwakke wafels vervolgens weg voordat ze doorgaan hun kostbare verbetering. NREL's Silicium Fotovoltaïsche Wafer Screening System (SPWSS) is een kubusvormige oven van ongeveer 15 inch aan elke kant en kan achteraf worden ingebouwd in een assemblagelijn.

De PV-industrie genereerde in 2010 $ 82 miljard aan wereldwijde inkomsten en produceerde 20, 5 gigawatt elektriciteit uit zonlicht. Het verwerken van zonnecellen kost ongeveer 15 cent voor elke watt potentiële energie, en de cellen omvatten ongeveer de helft van de kosten van een geïnstalleerde zonnepaneel. Als een manier wordt gevonden om de kosten te elimineren van de 5% tot 10% van de cellen die voorbestemd zijn om te falen voordat ze klaar zijn, lopen potentiële jaarlijkse besparingen op tot miljarden dollars.

Het is het soort besparingen dat het verschil kan maken tussen een Amerikaanse fabrikant die wint of verliest.

Wafer screening systeem simuleert productiestress

NREL's silicium fotovoltaïsche wafer screening systeem, ontwikkeld door NREL wetenschapper Bhushan Sopori met collega's Prakash Basnyat en Peter Rupnowski, stelt een siliciumwafel bloot aan thermische stress in de vorm van zorgvuldig gekalibreerde hoge temperaturen.

Het proces lijkt veel op de roosterende riem die een koude subsandwich in een warme verandert. Terwijl elke wafer door een smalle - 15 millimeter - hoge intensiteit verlichtingszone gaat, worden verschillende strips van de wafer blootgesteld aan de hitte. Op die manier reist de stress door de wafer.

"We creëren een piek bij zeer hoge temperaturen", zegt Sopori, hoofdonderzoeker van de SPWSS. "Het idee is om thermische stress te creëren, zoals heel heet water in een glas doen."

De temperatuur kan nauwkeurig worden gekalibreerd - het meest nuttig door deze te correleren met de dikte van de wafel, want hoe dunner de wafel, hoe minder stress deze kan weerstaan. Elke fabrikant heeft verschillende niveaus waarop hun wafels kunnen breken van stress, zodat de SPWSS nauwkeurig via een computer kan worden gekalibreerd om aan de behoeften van elke zonnecelmaker te voldoen.

Image

De SPWSS is in wezen een oven in de vorm van een trapeziumvormig prisma om de focus van het licht te verkleinen en de intensiteit ervan te verhogen. De keramische zijkanten van de oven reflecteren het licht naar de intensiteitszone en zorgen ervoor dat bijna geen energie wordt verspild.

De lampen kunnen zo heet zijn als 1.800 graden Celsius, maar het heetste deel van de wafer voelt ongeveer 500 graden Celsius op het oppervlak.

Image

Het is de snelle toename van thermische energie - mogelijk gemaakt door de geometrie van de oven en zijn sterk reflecterende oppervlakken - die de stress veroorzaakt. Terwijl een strook van 15 millimeter van de wafel 500 graden Celsius van spanning voelt, voelt de strook ernaast veel koeler aan. De hot strip wil uitbreiden, maar de coole strip wil daar geen deel van uitmaken. Het zijn deze concurrerende krachten die de stress veroorzaken. "Elke micron van de wafer ziet deze thermische stress, " zei Sopori.

De microscheuren of -breuken die zich af en toe ontwikkelen vanuit de thermische spanningsspiegel, de spanning die zal optreden met zwakke wafels tijdens het assemblageproces. Het verschil is dat het thermische testen eerst plaatsvindt, voordat de dure coatings en lagen aan de wafels worden toegevoegd.

Image

Binnen in de SPWSS bevindt zich een reflecterende holte die bijna 100% van de energie uit de stroombron gebruikt en bijna niets verspilt. Dat houdt de energiekosten laag, waardoor de totale gebruikskosten van het systeem op "een fractie van een cent per wafer komen", zei Sopori.

Low-sost instrument kan het concurrentievermogen van de VS vergroten

In de afgelopen jaren hebben de Verenigde Staten een groot deel van hun wereldwijde marktaandeel in PV-productie verloren, van 42% in 1997 tot slechts 4% in 2011. Vanwege deze trend zeggen analisten die de zonne-industrie bestuderen dat het dramatische veranderingen zal ondergaan in zonnecelmaterialen en productie om ervoor te zorgen dat de meest innovatieve en goedkoopste PV-technologieën in de Verenigde Staten worden vervaardigd.

Het omzetverlies als gevolg van kapotte wafels - die dramatisch toeneemt naarmate de wafels dichter bij voltooiing komen - vormt een belangrijke barrière voor het concurreren van zonne-energie met andere energietechnologieën. Fabrikanten hebben betere, goedkopere manieren nodig om de cellen te maken.

In een typische productiefaciliteit breken of breken ongeveer 5 tot 10 van elke 100 wafels met een dikte van 180 micron. Met het toegenomen gebruik van nog dunnere cellen zal de breukfrequentie waarschijnlijk toenemen. De PV-industrie bereidt typisch geen wafels op een manier die hun hoge mechanische sterkte kan behouden. Zelfs een zuignap die de wafels van het ene proces naar het andere verplaatst, kan ervoor zorgen dat de microscheuren die doomwafers doen bezwijken.

Systeem kan tot 1.200 wafels per uur testen

Een systeem dat slechts een steekproef van wafels kan screenen, vertelt fabrikanten niet welke wafels moeten worden gebruikt en welke moeten worden weggegooid.

De handmatige versie van SPWSS schermen 1.200 wafels per uur en kost $ 60.000. Dat is snel genoeg voor de meeste fabrikanten om elke wafer te screenen zonder hun transportbanden te vertragen. De geüpgradede SPWSS-A scheidt automatisch kapotte wafels en kost $ 100.000. De defecte wafels worden weggevaagd en gesmolten om opnieuw te worden verwerkt tot boules van silicium van zonnekwaliteit.

Voortbouwend op het succes van de optische spouwoven van NREL

Met de SPWSS bouwde Sopori voort op het succes van zijn Optical Cavity Furnace, die optica gebruikt om zonnecellen met ongeëvenaarde precisie te verwarmen en te zuiveren, terwijl de efficiëntie van de cellen sterk wordt verbeterd. Sopori heeft in 2011 een R&D 100 award gewonnen voor de oven, die een reeks lampen in een sterk reflecterende kamer omsluit om een ​​ongekend niveau van temperatuuruniformiteit te bereiken.

Net als de SPWSS, vermindert het energieverlies door de spouwmuren te bekleden met superisolerend en sterk reflecterend keramiek, en door een complex optimaal geometrisch ontwerp te gebruiken. De wafel zelf absorbeert wat anders energieverlies zou zijn. Net als een magnetron, verspreidt elke oven energie alleen op het doel, niet op de container. "De meest efficiënte manier om licht te genereren voor het Silicium Fotovoltaïsche Wafer Screening Systeem is het te gebruiken in combinatie met de Optical Cavity Furnace, " zei Sopori.

Meer informatie over het werk van NREL met siliconenmaterialen.