Fotowoltaika to nie magia…
19 stycznia, 2021
Certyfikat GoodWe Plus dla ZENE Grupa Deltacom Service
12 lutego, 2021
W naszym poprzednim artykule wyjaśniliśmy na czym polega zjawisko fotowoltaiczne i wspomnieliśmy, o niezbędnym elemencie, zwanym ogniwem monokrystalicznym, które powstaje, z monokryształu krzemu. Skład monokrystaliczny, umożliwia elektronom swobodniejszy ruch, niż w konfiguracji polikrystalicznej.
W konsekwencji monokrystaliczne panele słoneczne zapewniają wyższą wydajność, niż ich wielokrystaliczne odpowiedniki. Rogi komórek wyglądają jak przycięte, jak ośmiokąt, ponieważ materiał wafla jest wycinany z cylindrycznych wlewków, które są typowo hodowane w procesie Czochralskiego. Metoda pochodzi od nazwiska polskiego chemika - Jana Czochralskiego, o którym również już pisaliśmy.
Produkcja krzemu Czochralskiego
Jak często bywa, naukowcy dokonują swoich odkryć przez przypadek, ważna jest również umiejętność ich interpretacji. Profesor Czochralski zamiast zanurzyć pióro w kałamarzu, zanurzył je w stopionej cynie i narysował cynowe włókno, które później okazało się być…pojedynczym kryształem. W produkcji bądź też hodowli, proces polega zatem na bardzo ostrożnym „wyciąganiu” monokryształów z roztopionej substancji za pomocą pręta dotykającego jej powierzchni. Ze wszystkich materiałów, których cząsteczki nie rozpadają się podczas podgrzewania i topnienia można w ten sposób uzyskać monokryształy o wysokiej czystości i jednorodności.
Do wytwarzania monokryształów, wykorzystuje się piece do monokrystalizacji. Wewnątrz pieca, w atmosferze chemicznie obojętnego argonu, umieszcza się tygiel wykonany z krzemionki. Dzięki wykorzystaniu krzemionki do roztopionego krzemu (Si) w tyglu nie przenikają atomy obcych pierwiastków (tlen zawarty w krzemionce wiąże zanieczyszczenia i przyczynia się do zwiększenia wytrzymałości mechanicznej monokryształu). Gdy polikrystaliczny krzem zmieni się w ciecz – w temperaturze 1400 stopni Celsjusza – z jej powierzchnią styka się cienki pręt z monokryształu krzemu. Pełni on rolę zarodka, wokół którego stopniowo osadzają się atomy cieczy. Procesem wzrostu kryształu można sterować dobierając odpowiednio szybkość wyciągania zarodka z wnętrza tygla, prędkość obracania pręta, temperaturę czy skład i ciśnienie atmosfery wewnątrz pieca.
Jak twierdzą eksperci, odpowiedni dobór tych parametrów to prawdziwa sztuka.
Im większy jest powstający monokryształ, tym wyższa koncentracja zanieczyszczeń w pozostałym ciekłym krzemie i tym wolniej postępuje proces chłodzenia. Rosnący kryształ jest stale ważony za pomocą czułych wag elektronicznych, a specjalne oprogramowanie monitoruje tempo wzrostu. Jeśli przyrasta zbyt szybko, można podwyższyć temperaturę pieca, co zmniejsza lepkość cieczy i obniża tempo przyrostu. Układ chłodzenia zapewnia, że temperatura nie będzie też zbyt wysoka. Właściwą prędkość wysuwania pręta z tygla gwarantują sterowane komputerowo silniki krokowe, co wpływa na średnicę powstającego kryształu.Jeśli zarodek jest wyciągany zbyt szybko, struktura krystaliczna ma liczne defekty, a nawet może się wcale nie wytworzyć. Atomy płynnej substancji w tyglu muszą mieć czas, by trafić we właściwe miejsce w sieci krystalicznej. 1 m kryształu powstaje w ciągu około 30 godzin. Piece z rosnącymi kryształami są zabezpieczane przed drganiami podłoża i wyposażane w zasilacze, pozwalające zachować ciągłość procesu nawet podczas przerw w dopływie prądu z elektrowni. Pierwsze kryształy wytworzone przez prof. Czochralskiego przypominały metalowe druty: miały milimetr średnicy i długość do półtora metra. Dziś metodą Czochralskiego produkuje się kryształy z krzemu, które mogą mieć ponad dwa metry długości, średnicę zbliżoną do pół metra i masę kilkuset kilogramów! Wyhodowany kryształ krzemu jest poddawany obróbce. Nadaje mu się postać walca o dopasowanej do wymogów linii przemysłowych średnicy, po czym tnie na płytki. W przypadku kryształów krzemu płytki mają zazwyczaj średnice 20-30 cm. By uzyskać jak najwyższą jakość, specjaliści postępują jak hodowcy zwierząt - wybierają najczystsze chemicznie fragmenty kryształów, o najdoskonalszej strukturze, aby użyć ich jako zarodków przy wytwarzaniu kolejnych kryształów.
Metoda Czochralskiego stała się fundamentem współczesnego przemysłu elektronicznego – aż 90 proc. urządzeń półprzewodnikowych powstaje właśnie dzięki niej. W Polsce na największą skalę, metodę wykorzystuje Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych w Warszawie, jednak nie produkuje się w Polsce wafli krzemowych, choć były takie zapowiedzi w 2015 roku. Piątka największych światowych producentów płytek krzemowych, pochodzi z państw azjatyckich oraz USA, dysponują mocami produkcyjnymi przekraczającymi milion płytek miesięcznie. Szacuje się, że w 2022 roku dostawy wafli krzemowych przekroczą 13 mld cali kwadratowych.
Przy projekcie ZENE pracują również chemicy, którzy śledzą na bieżąco najnowsze osiągnięcia technologiczne, dlatego dobierając panele fotowoltaiczne, dla naszych Klientów, zawsze kierujemy się najwyższą ich wydajnością, którą gwarantują producenci z klasyfikatorem Tier1.
Opublikowany 02.02.2021
Autorka: Magdalena Glanowska
