Technologia quattroClean snow jet do czyszczenia elektrod po strukturyzacji laserowej

Zautomatyzowany proces czyszczenia drukowanych modułów fotowoltaicznych wyprodukowanych w technologii roll-to-roll

Linie produkcyjne roll-to-roll umożliwiają produkcję drukowanych modułów fotowoltaicznych w sposób szczególnie ekonomiczny. Aby uniknąć zwarć, przewodzące zadziory powstające podczas strukturyzacji laserowej przedniej elektrody musiały być wcześniej usuwane ręcznie w sposób niezgodny z procesem przemysłowym. W ramach wspólnego projektu opracowano w pełni zautomatyzowane rozwiązanie do czyszczenia strumieniem śniegu CO2, które można zintegrować z linią produkcyjną w celu wyeliminowania tego problemu.

Kompaktowy moduł czyszczący można dostosować do szerokości odpowiedniej wstęgi i łatwo zintegrować z liniami produkcyjnymi typu roll-to-roll. Źródło: Zespół badawczy projektu PV-CO2

Dzięki grubości warstwy od 0,5 do jednego mikrometra i wysokiej wydajności nawet przy niskim poziomie promieniowania słonecznego, elastyczne, drukowane ogniwa fotowoltaiczne otwierają szeroki zakres zastosowań, jeśli chodzi o dostarczanie energii słonecznej. W dziedzinie drukowanych ogniw fotowoltaicznych proces roll-to-roll oferuje duże korzyści pod względem szybkości produkcji, objętości i kosztów. Pięć warstw modułów, które są oparte na półprzewodnikach organicznych i perowskitowych, można przetwarzać indywidualnie. Dolna warstwa – przezroczysta elektroda IMI (struktura: tlenek indu i cyny, srebro, tlenek indu i cyny) – jest strukturowana laserowo. Zadziory powstają wzdłuż ustrukturyzowanych krawędzi, które są przewodzące i wystają na kilka mikrometrów z powierzchni. Jeśli nie zostaną usunięte, spowodują uszkodzenia i zwarcia z powodu cienkości modułów. Obecną praktyką jest usuwanie zadziorów mechanicznie przy bardzo niskich prędkościach wstęgi. Istnieje jednak ryzyko, że ustrukturyzowane warstwy ulegną uszkodzeniu z powodu uderzenia mechanicznego.

Zautomatyzowany system czyszczenia strumieniem śniegu CO2 zapewnia niezawodne usuwanie zadziorów w procesie odpowiednim do zastosowań przemysłowych. Efekt czyszczenia opiera się na połączeniu efektów termicznych, mechanicznych, rozpuszczalnikowych i sublimacyjnych. Źródło: zespół badawczy projektu PV-CO2

Opracowanie zautomatyzowanego rozwiązania do czyszczenia na linii produkcyjnej

Aby rozwiązać ten problem podczas produkcji drukowanych modułów fotowoltaicznych na liniach produkcyjnych typu roll-to-roll, Instytut Materiałów Elektroniki i Technologii Energetycznych (I-MEET) wspólnie z Solar Factory of the Future na Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Norymberdze, Sciprios GmbH i acp systems AG zainicjował projekt badawczy „PV-CO2” finansowany przez Federalne Ministerstwo Gospodarki i Działań na rzecz Klimatu (BMWK). Celem było opracowanie w pełni zautomatyzowanego systemu czyszczenia strumieniem śniegu CO2 do zastosowań przemysłowych w oparciu o technologię strumienia śniegu quattroClean firmy acp. Jest to proces suchy, który jest stosowany w aplikacjach czyszczenia całej powierzchni i czyszczenia selektywnego. Medium czyszczącym jest ciekły dwutlenek węgla odzyskany z procesów produkcji chemicznej i wytwarzania energii z biomasy. Dwutlenek węgla jest kierowany przez bezzużyciową dyszę pierścieniową z dwoma substancjami i rozszerza się po wyjściu, tworząc drobne kryształki śniegu. Są one łączone przez oddzielny strumień płaszcza sprężonego powietrza i przyspieszane do prędkości naddźwiękowej. Kiedy łatwo skupiony strumień śniegu i sprężonego powietrza uderza w czyszczoną powierzchnię, następuje połączenie efektów termicznych, mechanicznych, rozpuszczalnikowych i sublimacyjnych, co stanowi podstawę działania czyszczącego. Krystaliczny dwutlenek węgla sublimuje całkowicie podczas procesu, pozostawiając czyszczone powierzchnie całkowicie suche.

Efekty gratowania zostały zademonstrowane poprzez pomiar krzywej IV modułów wyprodukowanych na podłożach, które nie były poddane obróbce (d), były czyszczone ręcznie (e) i czyszczone przy użyciu technologii strumienia śniegu CO2 (f). b i c pokazują jasne i ciemne krzywe trzech różnie poddanych obróbce modułów. Na obrazach DLIT modułów (d, e, f) jasne obszary wskazują na gorące, zlokalizowane punkty, które są szczególnie widoczne w strefach połączeń nieoczyszczonych modułów. Źródło: Zespół badawczy projektu PV-CO2

Udowodniona skuteczność usuwania zadziorów i zwiększona wydajność

Linia pilotażowa typu roll-to-roll została ustawiona do czyszczenia laserowo ustrukturyzowanych podłoży elektrod i wyposażona w kilka dysz quattroClean snow jet rozmieszczonych nad wstęgą elektrody. Pierwszym krokiem była optymalizacja parametrów strumienia, aby znacznie zmniejszyć wysokość zadziorów bez uszkadzania elektrody. Oprócz średnicy kapilary, która określa natężenie przepływu ciekłego dwutlenku węgla i ciśnienie płaszcza sprężonego powietrza, konieczne było dostosowanie odległości między dyszą a podłożem, a także prędkości wstęgi i nachylenia dysz względem podłoża. Po każdym procesie czyszczenia mierzono maksymalną wysokość zadziorów za pomocą mikroskopii konfokalnej. Tę procedurę powtarzano dla dużej liczby kombinacji parametrów, aż do uzyskania optymalnego wyniku czyszczenia.

Aby ocenić, jak gratowanie wpływa na wydajność fotowoltaiczną, wyprodukowano organiczne moduły fotowoltaiczne o szerokości ośmiu centymetrów na podłożach oczyszczonych metodą strumienia śniegu z CO2. Porównano je z modułami wyprodukowanymi na nieobrobionych podłożach i ręcznie czyszczonych podłożach o tej samej wielkości. Zgodnie z oczekiwaniami moduły na nieoczyszczonym podłożu miały wysoki prąd upływu, co zmniejszyło wydajność ogniwa fotowoltaicznego (PCE) do 2,3%. W przypadku ręcznie czyszczonych modułów PCE wynosiło 4,8%, a w przypadku modułów czyszczonych metodą strumienia śniegu z CO2 wynosiło aż 5,3%. Różnica w wydajności wynika z faktu, że ręczne czyszczenie powoduje powstawanie zarysowań na elektrodzie, co może znacznie zmniejszyć powierzchnię aktywną. Dzieje się tak, ponieważ zarysowany obszar nie generuje żadnego prądu, a także dlatego, że obszary mogą zostać odcięte od ekstrakcji ładunku przez zarysowanie.

Za pomocą termografii Dark Lock-In (DLIT) potwierdzono, że gratowanie jest odpowiedzialne za różnicę w wydajności inaczej obrobionych podłoży.

Grubość stosu warstw (bez warstwy PET, która służy jako materiał nośny dla stosu warstw) drukowanego ogniwa słonecznego (warstwa transportu elektronów ETL, warstwa aktywna AL, warstwa transportu dziur HTL, elektroda z nanodrutu srebra AgNW, elektroda IMI jest strukturowana laserowo) jest znacznie poniżej jednego mikrometra. Źródło: Zespół badawczy projektu PV-CO2

Gotowe do produkcji seryjnej do różnych zastosowań

W pełni zautomatyzowane rozwiązanie czyszczące zostało teraz zintegrowane ze standardowym procesem produkcyjnym drukowanych ogniw fotowoltaicznych w Instytucie Materiałów Elektroniki i Technologii Energetycznych. Tutaj układ z siedmioma dyszami jest używany do niezawodnego usuwania zadziorów wywołanych laserowo na wstędze o szerokości 25 cm. Również w Sciprios proces czyszczenia CO2 jest teraz jedną z opcji wyposażenia dla linii produkcyjnych typu roll-to-roll dla drukowanych modułów fotowoltaicznych.

Platforma badawczo-rozwojowa 300R2RCompact, w której można łatwo zintegrować roztwór czyszczący, umożliwia przeprowadzenie szerokiego zakresu eksperymentów powlekania i drukowania typu roll-to-roll. Można go również wykorzystać do rozbudowy testów laboratoryjnych do małych serii produkcyjnych. Źródło: Sciprios GmbH

Rozwiązanie czyszczące, które można łatwo zintegrować z liniami produkcyjnymi typu roll-to-roll, sprawia, że produkcja dowolnego typu drukowanej elektroniki z wykorzystaniem strukturyzacji laserowej jest bardziej ekonomiczna, wydajniejsza i bardziej zrównoważona. Innym zastosowaniem jest produkcja elektrod w produkcji baterii.

Więcej na: www.acp-systems.com, www.sciprios.de