De stijgende prijs en de lage beschikbaarheid van grondstoffen, vooral zilver, leiden tot hogere kosten bij de productie van fotovoltaïsche modules. Fraunhofer-onderzoekers hebben een galvaniseerproces ontwikkeld waarbij zilver, een duur edelmetaal, wordt vervangen door koper, dat gemakkelijker verkrijgbaar is. Ze zijn er ook in geslaagd om de polymeren die gewoonlijk overblijven na galvanisatieprocessen en die duur zijn om te verwijderen, te vervangen door in plaats daarvan gemakkelijk recyclebaar aluminium te gebruiken voor het maskeren. Om de technologie sneller naar de markt te brengen, werd de spin-off PV2+ gelanceerd.

Als het gaat om het opwekken van elektriciteit uit hernieuwbare energiebronnen, zijn fotovoltaïsche cellen een steunpilaar. Moderne heterojunctie zonnecellen hebben een bijzonder lage CO₂ voetafdruk vanwege de lage hoeveelheden silicium die worden gebruikt om ze te produceren, en als het gaat om industriële productie, bereiken ze de hoogste niveaus van efficiëntie. Hierdoor is de kans groot dat deze technologie de standaard gaat worden in de productie. Er zijn cijfers om het groeiende belang van fotovoltaïsche energie aan te tonen. Volgens het International Renewable Energy Agency (IRENA) werd in 2012 wereldwijd meer dan 96 TWh energie geproduceerd door fotovoltaïsche systemen, wat in 2020 was gestegen tot bijna 831 TWh. Duitsland steeg in dezelfde periode van bijna 27 TWh naar bijna 50 TWh.

Dit is geenszins de limiet van wat fotovoltaïsche energie kan bieden. Bij de productie van zonnecellen wordt echter waardevol zilver gebruikt voor rails en contacten, die de elektriciteit geleiden die in de siliciumlaag wordt opgewekt door middel van zonnestraling. De kosten van dit edelmetaal stijgen - zelfs vandaag de dag is zilver goed voor ongeveer 10% van de productieprijs van een fotovoltaïsche module. Bovendien zijn er slechts beperkte hoeveelheden van het metaal op aarde beschikbaar. De zonne-industrie verwerkt 15% van het gewonnen zilver, maar door de hoge groei van de industrie zal dit aandeel sterk stijgen. Dit zal echter niet haalbaar zijn, aangezien andere sectoren zoals elektromobiliteit en 5G-technologie ook een verwachte toekomstige toename van hun gebruik van zilver melden. Daarom heeft de zonne-energiesector baanbrekende technologische innovaties nodig om zijn volledige potentieel te realiseren.

Koper voor zonnecelcontacten

Onderzoekers van het Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE zijn deze uitdaging aangegaan. Met ongeveer 1.400 medewerkers is dit in Freiburg gevestigde instituut het grootste zonneonderzoeksinstituut in Europa. Een team van onderzoekers onder leiding van Dr. Markus Glatthaar, een expert in metallisatie en structurering, heeft een galvanisatieproces ontwikkeld voor de veelbelovende heterojunctietechnologie om zilver te vervangen door koper. Koper is vele malen goedkoper en gemakkelijker verkrijgbaar dan zilver.

Om ervoor te zorgen dat het elektrisch geleidende oppervlak van de zonnecel niet volledig wordt gegalvaniseerd met koper, moeten eerst de delen van het oppervlak die niet gecoat moeten worden, worden gemaskeerd. Deze gebieden zijn bedekt met een coating die een elektrisch isolerend effect heeft, waardoor ze niet kunnen worden gegalvaniseerd. De koperlaag zal zich alleen ophopen in de gebieden die niet zijn bedekt met de isolatie.

De onderzoekers hebben hier nog een belangrijke vooruitgang geboekt:tot nu toe werden in deze industrie dure lakken of gelamineerde folies op polymeerbasis gebruikt om de siliciumwafel in het elektrolytbad te maskeren. Het op de juiste manier afvoeren van de polymeren is een kostbaar proces waarbij veel afval ontstaat. Dr. Glatthaar en zijn team hebben de polymeren kunnen vervangen door aluminium. Net als koper is aluminium volledig recyclebaar. Twee keer van materiaal wisselen, van zilver naar koper en van polymeer naar aluminium, levert ook twee keer zoveel voordeel op:het produceren van zonnecellen is niet alleen duurzamer, maar ook aanzienlijk goedkoper.

Een wetenschappelijke doorbraak:innovatief galvaniseren en verbeterde elektrolyten

Maar hoe slaagden de onderzoekers erin om zilver, een duur edelmetaal, te vervangen? "We hebben een speciaal galvaniseerproces ontwikkeld dat het mogelijk maakt om koper in plaats van zilver te gebruiken voor de rails", legt Dr. Glatthaar uit. Dit verbetert zelfs de geleidbaarheid - de koperen contactlijnen zijn door hun laserstructurering bijzonder smal. Door de extreem kleine breedte van de koperlijnen van slechts 19 m (micrometer), ervaart de lichtabsorberende siliciumlaag minder schaduw dan bij de zilveren lijnen. Dit en de hoge geleidbaarheid van gegalvaniseerd koper verbeteren de elektriciteitsopbrengst.

Het Fraunhofer-team heeft ook een tweede technologische prestatie geleverd door aluminium als maskeringslaag te gebruiken. De moeilijkheid hierbij is het elektrisch geleidende karakter van aluminium, waardoor het op het eerste gezicht ongeschikt is om als masker te gebruiken. De Fraunhofer-onderzoekers maakten gebruik van het feit dat aluminium een ​​isolerende oxidelaag op het oppervlak kan vormen. Deze laag is echter slechts enkele nanometers dik. "We waren in staat om de procesparameters aan te passen en een speciaal type elektrolyt te ontwikkelen dat ervoor zorgt dat de extreem dunne, natuurlijke oxidelaag van het aluminium betrouwbaar zijn isolerende functie kan vervullen. Dit was een belangrijke mijlpaal voor het succes van ons onderzoeksproject", zegt Dr. Glatthaar is verheugd te kunnen melden.

Als recyclebare materialen kunnen zowel koper als aluminium fotovoltaïsche productie veel dichter bij de circulaire economie brengen, waardoor de milieu- en sociale normen worden verbeterd. "Gezien het feit dat we in Duitsland voldoende koper hebben, zijn de toeleveringsketens veel korter en is de prijs minder afhankelijk van internationale grondstoffenmarkten of buitenlandse leveranciers", voegt Dr. Glatthaar toe.

Spin-off PV2+ brengt zonnetechnologie op de markt

Om de veelbelovende technologie sneller op de markt te brengen, lanceerde Fraunhofer ISE de spin-off PV2+. De letters "P" en "V" staan ​​voor fotovoltaïsche energie, waarbij "2+" de dubbele positieve lading van koperionen in het galvaniseerbad aangeeft. Het bedrijf is ook gevestigd in Freiburg, met Fraunhofer-onderzoeker Dr. Glatthaar als CEO. Hij streeft ernaar om samen met industriële partners al begin 2023 een proeffabriek op te zetten.

Zoals prof. Andreas Bett, instituutsdirecteur van Fraunhofer ISE, uitlegt:"Deze innovatieve zonnecellen zijn een belangrijke opstap naar een toekomstige stroomvoorziening op basis van hernieuwbare energiebronnen. Ze zullen de fotovoltaïsche industrie een broodnodige boost geven. spin-off heeft een enorm potentieel om zich snel en succesvol op de markt te vestigen. En natuurlijk zijn we bijzonder verheugd dat deze technologieën op ons instituut zijn ontwikkeld." + Verder verkennen

Nieuwe poging is gericht op het delven van zilver uit oude zonnepanelen met behulp van laserablatie