«Verdens gjerrigste solcellepanel»

Saken er hentet fra Gemini, som utgis av Sintef og NTNU.

Forsker og prosjektleder Martin Bellman i SINTEF viser fornøyd fram panelet som har blitt til gjennom et omfattende utviklingssamarbeid med ti partnere fra industri og forskning i hele Europa.

Panelet er resultatet fra det tre år lange prosjektet ECO Solar, og fortjener statusen som gjerrigknark.

Består av mange ulike materialer

Ideen til forskerne i prosjektet var å gå systematisk til verks for å se om de kunne redusere forbruket av de ulike ressursene i hvert trinn av produksjonen, uten at det reduserte effekten på sluttproduktet.

Grunnen til det er at et solcellepanel blir til ved hjelp av sju ulike materialer, mange er dyre: Argon, keramikk, sølv, silisium, aluminium, de-ionisert (superrent) vann og et organisk polymer.

– Nå kan vi konstatere at vi har redusert det økologiske fotavtrykket fra produksjonen med hele 45 prosent, sier SINTEF-forsker Bellmann. Lager vi en fabrikk der vi tar alle våre innovasjoner med i produksjonslinja vil også kostnaden bli ni prosent lavere.

I tillegg har forskerne utviklet et modulkonsept som gjør det mulig å demontere og gjenbruke hovedkomponentene i solcellepanelet. Som en del av det arbeidet har teamet utviklet et spesialdesignet og automatisert verktøy.

Totalt har alle innovasjonene langs verdikjeden redusert det økologiske fotavtrykket (total miljømessige påvirkning) fra solcelleproduksjon med hele 45 prosent. Samtidig er kostnadene redusert med ni prosent, uten at det har gått ut over solcellenes produktivitet, mens karbon-fotavtrykket ble redusert med omtrent 20 prosent.

Gjenbrukte edelgass

En sentral del av selve solcelleproduksjonen består av å framstille silisiumkrystaller, enten ved hjelp av såkalt krystalltrekking for å lage monokrystallinsk silisium, eller ved hjelp av størkning for å lage multikrystallinsk silisium. Silisiumet er råstoffet til såkalte wafere; solcellens effektive kjerne.

Felles for begge prosessene er at edelgassen Argon brukes som rensemiddel for å fjerne forurensinger som oppstår i de svært varme produksjonsprosessene.  Når den jobben er gjort, blir gassen til industriavfall. Men det har forskerne i prosjektet gjort noe med:

– Det vi klarte var å lage en prosess som ved hjelp av kjemisk forbrenning renser den brukte Argongassen slik at den kan brukes på nytt.  

Utviklet en «Solcelledoktor»

I produksjon er den en del solceller som inneholder elektriske defekter eller som rett og slett ikke kvalifiserer seg til å bli innebygget i panelene. Forskerne har utviklet en robot «solcelledoktor» som bruker AI (maskinlæring, maskinsyn) til å detektere defekter å reparere dem. I følge av det var det mulig å halvere mengden av ødelagte celler.

De norske forskerne har altså hatt stor fokus på gjenbruk av materialer. En relativt stor kostnad i solcelleproduksjonen er selve smeltedigelen. (Se bilde) Den har i SINTEFs laboratorier fått helt nye materialtekniske egenskaper, og har derfor fått økt levetid: I stedet for at den gjør jobben sin en gang, kan den nå gjenbrukes.

– Sammen med de norske ingeniørene hos diegel-produsenten Steuler Solar har vi testet et nytt material som erstatter kvarts (SiO2) med silisiumnitrid (Si3N4). Det har gjort at dieglene nå kan brukes flere ganger, i motsetning til før som kun brukes en gang. Hvor mange ganger den kan brukes vet vi ikke enda, men gjenbruk av en så viktig ressurs er et stort bidrag til en sirkulær økonomi i denne sammenhengen, sier forsker Martin Bellmann, som har ledet dette arbeidet.

Sager vekk 45 prosent

Som tidligere nevnt er de såkalte waterne solcellens kjerne og «strømfabrikk».

Imidlertid er det stort svinn av materialet: Når waferne skal sages ut som tynne skiver av det ferdige  silisiumet, går hele 45 prosent til spille – det ender som silisiumstøv som går i søpla. I prosjektet har derimot forskerne utviklet en metode som gjør det mulig å bruke støvet til nytt råmateriale.

– Først renser vi «sagflisa», og deretter smeltes den til et nyttsilisium-råstoff. I tillegg kan dette verdifulle støvet brukes som råstoff når vi lager gjenbrukbare digeler av silisiumnitritt. Materialet kan også brukes i anoder i litium-batterier på grunn av sine egenskaper (liten kornstørrelse og høy renhet) forklarer Martin Bellmann i SINTEF.

Gjenbruk, økt levetid og mer gjenbruk

Med en forventet og formidabel økning i bruk av solceller på verdensbasis, blant annet på grunn av lavere priser og økt befolkning i verdens byer, er det også økt bevissthet på gjenbruk av gamle og utdaterte solcellepaneler.

– I 2050 er det forventet at 25 prosent av verdens energibehov er dekket av solenergi, sier Bellmann.

Det tilsvarer en strømproduksjon på 7200 GW –  eller 24 000- millioner installerte solcellepaneler på jorda. 400 million tonn materialer vil være lagret i solcellepaneler, noe som igjen tilsvarer 1500 mrd. dollar i materialverdi. Derfor er det nye solcellepanelet spesialdesignet for resirkulering av de ulike materialene.

– I dag er det ganske vanskelig å gjenbruke de verdifulle materialene i et solcellepanel. En utfordring er særlig å skille glass, organisk polymer, silisium og sølv fra solcellepaneler. Vi har derfor utviklet et nytt design som gjør det mulig å demontere panelet uten å ødelegge de enkelte komponentene, forklarer forskeren.

Dette har ECO-solar-teamet løst med å legge solcellene inn mellom to glassplater for deretter å suge ut luft, slik at begge glass platene holdes sammen ved hjelp av et undertrykk. Deretter forsegles panelet i kantene med et organisk polymer.

– Gjør ikke dette at solcellepanelet blir mer sårbart for vind og vær og får kortere levetid?

Nei, metoden er sertifisert og solpanelene er like og kanskje mer robuste som tradisjonelle paneler, svarer Bellmann.

Har vakt oppsikt i USA

De gode resultatene har nå vakt internasjonal oppsikt, og forskerne bak prosjektet er derfor invitert til å delta i en innovasjonskonkurranse av stiftelsen 1000 Solutions.

Stiftelsen jobber for å fremme nye og bærekraftige energiløsninger. Løsninger som fremmes gjennom dem får sitt eget «øko-label». Kommer forskerne gjennom nåløyet til 100 Solutions, blir det tur til USA for å presentere teknologien for mulige investorer.

–  Resultatene våre er også veldig relevante for EU-satsingen «Eco-label initiative«. Den betyr i praksis at sol-paneler som er produsert med  lavest mulig miljø-avtrykk vil bli foretrukket av europeiske produsenter av solstrøm. Produkter som er laget med prinsipper fra sirkulær økonomi skal kunne gjenbrukes, repareres, og resirkuleres, og det kan panelene fra ECO-Solar. Vi tror derfor at løsningene vi har utviklet blir viktige bidrag til en bærekraftig og framtidsrettet solkraft-industri i Europa, sier Bellmann.

Disse miljøutfordringene har forskerne sett på i prosjektet:

(a) Under fremstillingen av silisiumkrystaller brukes argon av høy renhetsgrad som spylegass for å fjerne urenheter i smelteovnen. I produksjonen av silisiumkrystaller tilsvarende 1 GWp (GWp= En million kilowattimer produsert fra sol, red adm.), forbrukes mellom 3 og 5 million m³ argon. Selv om urenhetsgraden er lav, slippes argon ut i luften etter å ha passert gjennom smelteovnen.

(b) Silisiumbaserte smeltedigler som brukes til å smelte og størkne silisium sprekker under nedkjølingen, noe som fordyrer engangsbruk.  Gamle smeltedigler sendes for tiden til avfallsdeponi.

(c) 90 prosent av polysilisium som produseres på verdensbasis er brukt i solcelle industri (fotovoltaisk industri), men kun omlag 45 prosent av dette konverteres til solcellepaneler. Resten går til svinn under skjæring av blokker og skiver.

(d) Under fremstillingen av solceller skjer det flere våte kjemiske etsnings- og renseprosesser som gir stort utslag på det miljømessige fotavtrykket.

(e) Sølv, som brukes til å lage kontakter og på loddeflater i solceller, er den dyreste forbruksvaren i fremstillingen av solceller.  Solcelleprodusentene har derfor lagt ned enormt mye arbeid i å redusere den totale sølvmengden. Andelen sølv anvendt i fotovoltaisk utstyr utgjør 10 prosent av markedet for metallet.

(f) En mindre andel ferdige solceller (2 prosent) inneholder elektriske defekter, og ytterligere 4 prosent, som i utgangspunktet er produsert som førsteklasses vare, inneholder mindre fabrikasjonsfeil og kan følgelig ikke brukes i sammenstilling av moduler.

(g) I solcellepaneler er alle bestanddelene sammensatt ved hjelp av laminering og lodding. Gjenbruk er ( i dag) kun mulig gjennom destruktive prosesser som resulterer i materialer av lavere kvalitet i form av små partikler. Eksisterende fotovoltaiske moduler inneholder også store mengder organiske materialer (EVA til innkapsling, PVF i bakplater) samt aluminium i rammer. 

Fakta om produksjon av wafere:

Krystalltrekking er en industriprosess der et lite krystall; monokrystallinsk silisium, settes inn i en smelteovn.  I ovnen, ved hjelp av varme, tid og trykk utvides krystallet i det som kalles en trekkeprosess, til å bli en flere meter langt ingot. Denne deles i tynne skiver, wafere, som er basisen for høyeffektive solceller. Kilde: SINTEF

Den andre metoden er å lage såkalt multikrystallinsk  silisium gjennom å smelte silisium i en såkalt diegel for å lage et tilsvarende råstoff. Det monokrystallinske silisiumet er imidlertid mer effektivt. » Se https://no.wikipedia.org/wiki/Wafer