Det stigande priset och låga tillgången på råvaror, särskilt silver, leder till högre kostnader för att producera solcellsmoduler. Fraunhofer-forskare har utvecklat en galvaniseringsprocess som innebär att silver, en dyr ädelmetall, ersätts med koppar, som är mer lättillgänglig. Man har också lyckats ersätta de polymerer som vanligtvis blir över efter galvaniseringsprocesser, och är dyra att kassera, genom att istället använda lätt återvinningsbart aluminium för maskering. För att snabbare få ut tekniken på marknaden lanserades spin-off PV2+.

När det gäller att generera el från förnybar energi är solceller en stöttepelare. Moderna heterojunction solceller har en särskilt låg CO₂ fotavtryck på grund av de låga mängder kisel som används för att producera dem, och när det kommer till industriell produktion uppnår de högsta effektivitetsnivåer. Som ett resultat är chansen stor att denna teknik blir standard i produktionen. Det finns siffror som visar solcellernas växande betydelse. Enligt International Renewable Energy Agency (IRENA) producerades mer än 96 TWh energi av solcellssystem över hela världen 2012, vilket steg till nästan 831 TWh år 2020. Enligt den tyska miljöbyrån genererade mängden el från solceller i Tyskland steg från nästan 27 TWh till nästan 50 TWh under samma period.

Detta är inte på något sätt gränsen för vad solceller kan erbjuda. Men vid tillverkning av solceller används värdefullt silver till samlingsskenor och kontakter som leder den elektricitet som alstras i kiselskiktet med hjälp av solstrålning. Kostnaden för denna ädla metall stiger – även idag står silver för cirka 10 % av tillverkningspriset för en solcellsmodul. Dessutom finns det bara begränsade mängder av metallen tillgängliga på jorden. Solindustrin bearbetar 15 % av det silver som bryts, men på grund av industrins höga tillväxttakt kommer denna andel att öka kraftigt. Detta kommer dock inte att vara lönsamt, eftersom andra sektorer som elektromobilitet och 5G-teknik också rapporterar en förväntad framtida ökning av deras användning av silver. Det är därför solenergiindustrin kräver banbrytande tekniska innovationer för att realisera sin fulla potential.

Koppar för solcellskontakter

Forskare vid Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE har antagit denna utmaning. Med cirka 1 400 anställda är detta Freiburg-baserade institut det största solforskningsinstitutet i Europa. Ett team av forskare under ledning av Dr Markus Glatthaar, expert på metallisering och strukturering, har utvecklat en galvaniseringsprocess för den lovande heterojunction-teknologin för att ersätta silver med koppar. Koppar är många gånger billigare och mer lättillgängligt än silver.

För att säkerställa att solcellens elektriskt ledande yta inte är helt galvaniserad med koppar måste de områden på ytan som inte bör beläggas först maskeras. Dessa områden är täckta av en beläggning som har en elektriskt isolerande effekt, vilket förhindrar att de elektropläteras. Kopparskiktet kommer bara att byggas upp i de områden som inte är belagda med isoleringen.

Forskarna har gjort ytterligare ett betydande framsteg här:Hittills har dyra polymerbaserade lacker eller laminerade folier använts i denna industri för att maskera kiselskivan i elektrolytbadet. Att kassera polymererna på rätt sätt är en dyr process som genererar mycket avfall. Dr Glatthaar och hans team har kunnat ersätta polymererna med aluminium. Precis som koppar är aluminium helt återvinningsbart. Att byta material två gånger, från silver till koppar och från polymer till aluminium, ger också dubbelt så mycket fördel:Att producera solceller är inte bara mer hållbart, utan också betydligt billigare.

Ett vetenskapligt genombrott:Innovativ galvanisering och förbättrade elektrolyter

Men hur lyckades forskarna ersätta silver, en dyr ädelmetall? "Vi utvecklade en speciell galvaniseringsprocess som gör det möjligt att använda koppar istället för silver för samlingsskenorna", förklarar Dr Glatthaar. Detta förbättrar till och med ledningsförmågan - kopparkontaktlinjerna är särskilt smala på grund av deras laserstruktur. På grund av kopparlinjens extremt lilla bredd på endast 19 μm (mikrometer) upplever det ljusabsorberande kiselskiktet mindre skuggning än med silverlinjerna. Detta och den höga ledningsförmågan hos elektropläterad koppar förbättrar elutbytet.

Fraunhofer-teamet har också gjort en andra teknisk prestation genom att använda aluminium som ett maskeringsskikt. Svårigheten här är den elektriskt ledande naturen hos aluminium, vilket gör det vid första anblicken olämpligt att använda som mask. Fraunhofer-forskarna utnyttjade det faktum att aluminium kan bilda ett isolerande oxidskikt på sin yta. Detta lager är dock bara några nanometer tjockt. "Vi kunde anpassa processparametrarna och utveckla en speciell typ av elektrolyt som säkerställer att aluminiumets extremt tunna, naturliga oxidskikt på ett tillförlitligt sätt kan fylla sin isolerande funktion. Detta var en viktig milstolpe för vårt forskningsprojekts framgång", säger Dr. Glatthaar är glad att rapportera.

Som återvinningsbara material kan både koppar och aluminium föra solcellsproduktionen mycket närmare den cirkulära ekonomin, vilket förbättrar miljömässiga och sociala standarder i processen. "Med tanke på att vi har tillräckligt med koppar i Tyskland är leveranskedjorna mycket kortare och priset är mindre beroende av internationella råvarumarknader eller utländska leverantörer", tillägger Dr Glatthaar.

Spin-off PV2+ ger solenergiteknik till marknaden

För att snabbare få ut den lovande tekniken på marknaden lanserade Fraunhofer ISE avknoppningen PV2+. Bokstäverna "P" och "V" står för solceller, med "2+" som indikerar den dubbla positiva laddningen av kopparjoner i galvaniseringsbadet. Företaget är också baserat i Freiburg, med Fraunhofer-forskaren Dr Glatthaar som VD. Han siktar på att etablera en pilotproduktionsanläggning tillsammans med industriella partners redan i början av 2023.

Som prof. Andreas Bett, institutsdirektör för Fraunhofer ISE, förklarar:"Dessa innovativa solceller är en viktig språngbräda på vägen mot en framtida strömförsörjning baserad på förnybar energi. De kommer att ge solcellsindustrin ett välbehövligt lyft. spin-off har enorm potential att snabbt och framgångsrikt etablera sig på marknaden. Och naturligtvis är vi särskilt glada över att dessa teknologier utvecklades på vårt institut." + Utforska vidare

Ny satsning syftar till att bryta silver från gamla solpaneler med laserablation