Wie niedrig (und wie umweltfreundlich) Solarzellen sein können

Jun 07, 2023

Beim Siliziumwafer NexWafe heißt es adieu Schnittfuge, hallo kostengünstige, leichte, flexible Solarzellen.

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Die wirtschaftlichen Argumente für fossile Energie stehen kurz vor dem Zusammenbruch, und das deutsche Unternehmen NexWafe GmbH steht kurz davor, ihr einen letzten Schubs in den Abgrund zu geben. NexWafe baut eine neue Fabrik, die neue kostengünstige Siliziumwafer auf den Solarzellenmarkt bringen wird. Um die grüne Lilie zu vergolden, ist ein Teil der Kosteneinsparungen eine Schnittfuge, ein lustiges Wort für das ernste Problem der Materialverschwendung.

Siliziumwafer bilden das Herzstück von Siliziumsolarzellen, und die Hersteller sind auf der Suche nach effizienteren Möglichkeiten zur Herstellung von Wafern. Die derzeit bevorzugte Herstellungsmethode besteht darin, Silizium zu einer Masse aus polykristallinem Silizium (auch Polysilizium genannt) zu schmelzen und Verunreinigungen auszusortieren. Anschließend wird ein Impfkristall-Züchtungsprozess namens Czochralski-Methode verwendet, um monokristalline Siliziumbarren aus der Masse zu „ziehen“. Abschließend werden die Barren in Scheiben geschnitten.

Siliziumwafer können auch aus polykristallinen Ingots hergestellt werden. Mit polykristallinen Wafern hergestellte Solarzellen weisen tendenziell eine geringere Solarumwandlungseffizienz auf. Der Vorteil besteht darin, dass sie tendenziell günstiger sind und für einige Anwendungsfälle als sinnvolle Option gelten.

In jedem Fall kostet der gesamte Wafer-Herstellungsprozess Zeit, Energie und Geld. Ein Teil des Geldes betrifft die Schnittfuge, also den Siliziumabfall, der beim Schneiden von Barren entsteht. Es ist wie Sägemehl, aber für Silizium. Der Anlagenhersteller Meyer Burger hat bereits 2014 einen neuen schnittfugenreduzierenden Diamantschneider für Siliziumbarren auf den Markt gebracht, doch es gibt noch Raum für Verbesserungen.

Übrigens geht die Czochralski-Methode auf das Jahr 1915 zurück und ist nach ihrem Erfinder, dem polnischen Wissenschaftler Jan Czochralski, benannt, der das Verfahren erfand, als er seine Feder in ein Tintenfass tauchte und stattdessen auf geschmolzenes Zinn traf (so heißt es bei Wikipedia). . Offensichtlich ist die Zeit reif für eine Veränderung.

Das bringt uns zu NexWafe. Das Unternehmen hat gerade eine Finanzspritze von 30 Millionen Euro (etwas mehr als 32 Millionen US-Dollar) erhalten, um die Arbeiten an einer großtechnischen Produktionsanlage in Bitterfeld, einer Stadt im südöstlichen Teil des deutschen Bundeslandes Sachsen, zu beschleunigen. Anhalt. Wenn alles nach Plan verläuft, soll eine weitere Fabrik in Saudi-Arabien folgen.

Das Bitterfeld-Projekt ist der jüngste Schritt auf einer langen Forschungs- und Entwicklungsreise. NexWafe ist 2015 mit Unterstützung von Franhofer Venture aus dem Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hervorgegangen. Das Startup hatte die Aufgabe, eine neue, fugenfreie Produktionsmethode einzusetzen, die das Forschungsteam von Stefan Rebar in den letzten 15 Jahren entwickelt hatte.

Rebar ist Mitbegründer von NexWafe und all die harte Arbeit wird sich bald auszahlen. Der neue fugenlose Wafer „EpiNex“ basiert auf Epitaxie, einer Methode zum Züchten von Kristallen auf einem Substrat. Wenn das Substrat abnehmbar ist, erhalten Sie am Ende eine ultradünne Kristallschicht in der gewünschten Form und Größe, ohne dass ein Schnittschritt zur Erzeugung einer Schnittfuge erforderlich ist.

„Der Prozessschwerpunkt liegt auf der chemischen Gasphasenabscheidung bei Atmosphärendruck (APCVD) bei Temperaturen bis zu 1300 °C. „Dieses Verfahren ist aus der Mikroelektronik bekannt, musste für Photovoltaik-Anwendungen jedoch hinsichtlich des Durchsatzes der Geräte grundlegend angepasst werden“, erklärte Fraunhofer in einer Pressemitteilung aus dem Jahr 2015.

„Stefan Reber und sein 30-köpfiges Team haben unterschiedliche Generationen von Abscheidungsreaktoren entwickelt, von sehr flexiblen Batch-Laboraufbauten bis hin zu großen Mehrkammer-Inline-Systemen mit der Möglichkeit, kontinuierlich p- und n-dotierte Epitaxieschichten abzuscheiden. „Fraunhofer fuhr fort, wobei sich p- und n- auf zwei verschiedene Solarzellenvarianten beziehen.

Laut NexWafe wird der neue kerfless-Siliziumwafer 30 % weniger kosten als herkömmliche Wafer. Wow, wenn das stimmt.

„NexWafe ist voll kompatibel mit der herkömmlichen Solarzellenfertigung und ermöglicht eine Reduzierung des Energieverbrauchs während der Herstellung um 70 %. „Der kontinuierliche, direkte Gas-zu-Wafer-Herstellungsprozess von NexWafe minimiert außerdem den Abfall, was zu Wafern führt, die 30 % günstiger sind als herkömmliche Wafer“, bekräftigt das Unternehmen.

NexWafe hat seinen Prozess bereits an EpiNex-Wafern demonstriert, deren Durchmesser nur 50 Mikrometer beträgt, was etwa dem Durchmesser eines menschlichen Haares entspricht. Außerdem sind sie weniger als ein Drittel so dick wie herkömmliche Waffeln. Dies eröffnet ein breiteres Spektrum an Solarzellenanwendungen, die ein geringeres Gewicht und eine höhere Flexibilität erfordern.

Sobald die Fabrik in Betrieb ist, geht NexWafe davon aus, das Ziel von 90 Mikrometern zu erreichen.

Da es kein kostenloses Mittagessen gibt, ist die Siliziumproduktion ein industrieller Prozess mit industriellen Auswirkungen. Dennoch ist eine geschätzte Reduzierung des Energieverbrauchs um 70 % kein Zuckerschlecken. Nach Berechnungen von NexWafe bedeuten diese Einsparungen eine Einsparung von mehr als 6 Millionen Tonnen Kohlendioxid pro 10 Gigawatt produzierter Wafer.

Das ist gut für den Planeten und auch für die Interessenvertreter der fossilen Energieträger, die auf der Suche nach Emissionszertifikaten sind.

„Der zukünftige Wert von CO2-Gutschriften wird voraussichtlich 60 US-Dollar pro Tonne vermiedener Emissionen erreichen. Mit Blick auf die Zukunft wäre eine große Produktionsanlage mit EpiNex™-Technologie in der Lage, mehr als 360 Millionen US-Dollar pro Jahr an Emissionsgutschriften zu generieren“, erklärt NexWafe.

Das könnte erklären, warum Aramco Ventures neben Reliance New Energy Limited und ATHOS Venture GmbH unter anderem hinter dem 30-Millionen-Euro-Aufbau für das Werk Bitterfeld steht. Die neue Investition schließt sich dem schwerkraftbasierten Energiespeicher-Startup Energy Vault an und ist neben anderen Teil des wachsenden Clean-Tech-Gürtels von Aramco Ventures.

Wenn alles andere gleich bleibt, könnte die Muttergesellschaft von Aramco Ventures, Aramco, in einem CO2-Marktszenario weiterhin Erdöl aus dem Boden drängen, indem sie CO2-Gutschriften für Investitionen in grüne Startups wie NexWafe einsetzt.

Das hängt zum Teil von den politischen Entscheidungsträgern und zum Teil von der Verbrauchernachfrage nach Erdölprodukten ab. Nach einigen ersten Anläufen in der Elektrofahrzeugtechnologie beginnt der Transportmarkt endlich, sich einem nachhaltigeren Modell zuzuwenden. Kunststoffe und andere synthetische Produkte zeigen ebenfalls Anzeichen dafür, dass sie das Erdölschiff verlassen, da neue Biomaterialien auftauchen.

Auf der Solarseite ist die Senkung der Kosten für Siliziumwafer nur ein Teil eines wachsenden Puzzles. Behalten Sie Perowskite, durchsichtige Photovoltaikfenster, grünen Wasserstoff und Agrarvoltaik im Auge, um weitere Anzeichen dafür zu finden, dass Solarenergie eine nachhaltigere Wirtschaft aus der Asche des Zeitalters der fossilen Energie erhebt.

Hier in den USA erliegen selbst sogenannte „rote“ Staaten dem Sirenenruf der Dekarbonisierung. Von besonderem Interesse ist das von Aramco Ventures unterstützte Energiespeicher-Startup Form Energy, das sich in West Virginia niederlässt (weitere CleanTechnica-Berichterstattung finden Sie hier).

Wenn alles nach Plan verläuft, wird die langlebige Eisen-Luft-Technologie von Form dazu beitragen, das Tempo der Entwicklung erneuerbarer Energien in den gesamten USA zu beschleunigen, unabhängig von der parteipolitischen Politik auf Landesebene.

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Foto: Neue Methode zur Kostenreduzierung von Siliziumwafern für Solarzellen (Foto mit freundlicher Genehmigung von NexWafe).

Tina ist spezialisiert auf militärische und unternehmerische Nachhaltigkeit, fortschrittliche Technologie, neue Materialien, Biokraftstoffe sowie Wasser- und Abwasserfragen. Die geäußerten Ansichten sind ihre eigenen. Folgen Sie ihr auf Twitter @TinaMCasey und Spoutible.

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