Solarmodule sind für eine Lebensdauer von 25 Jahren oder länger bei allen Wetterbedingungen ausgelegt. Der Schlüssel zu dieser Langlebigkeit liegt in der Wasserdichtigkeit von Photovoltaikmaterialien. Hersteller erreichen die Abdichtung, indem sie die Siliziumzellen eines Panels mit Polymerfolien zwischen den Scheiben laminieren. Am Ende der Lebensdauer eines Solarmoduls lässt sich das klebrige Polymer jedoch nur schwer von den Siliziumzellen trennen, was das Recycling der Materialien erschwert.
Forscher des US-amerikanischen National Renewable Energy Lab (NREL) in Golden, Colorado, sagen, sie hätten einen besseren Weg gefunden, Solarmodule abzudichten. Mithilfe eines Femtosekundenlasers schweißten die Forscher das Glas von Solarmodulen zusammen, ohne Polymere wie Ethylenvinylacetat zu verwenden. Diese präzisen Glas-Glas-Schweißnähte sind stark genug für Solarmodule im Freien und widerstehen korrosiver Feuchtigkeit besser, sagen Forscher.
Ein Femtosekundenlaser verschweißt ein kleines Stück Testglas.NREL
„Solarmodule lassen sich nicht einfach recyceln“, sagt David Young, leitender Wissenschaftler am NREL. „Es gibt Unternehmen, die das jetzt tun, aber es ist ein heikles Spiel zwischen Kosten und Nutzen, und das größte Problem liegt bei den Polymeren.“ Ohne Klebepolymere können Recyclinganlagen wertvolle Solarmodulmaterialien wie Silizium, Silber, Kupfer und Glas leichter trennen und wiederverwenden.
Aufgrund des Polymerproblems werfen viele Recyclinganlagen die mit Polymer beschichteten Siliziumzellen einfach weg und verwerten nur die Aluminiumrahmen und Glasgehäuse, sagt Silvana Ovaitt, Photovoltaik (PV)-Analystin bei NREL. Durch dieses teilweise Recycling werden die wertvollsten Materialien der Module verschwendet.
„Irgendwann wird es eine große Menge an gebrauchten Platten geben, und wir wollen es richtig machen und das Recycling erleichtern. » –David Young, NREL
Die Suche nach kostengünstigen Möglichkeiten zum Recycling aller Solarmodulmaterialien wird immer wichtiger. Hersteller auf der ganzen Welt setzen genügend Solarmodule ein, um jedes Jahr zusätzlich 240 Gigawatt zu produzieren. Laut Ovaitt soll dieser Wert bis 2030 auf 3 Terawatt steigen. Bis 2050 werden zwischen 54 und 160 Millionen Tonnen Photovoltaikmodule das Ende ihrer Lebensdauer erreicht haben, sagt sie.
„Irgendwann wird es eine große Menge an gebrauchten Platten geben, und wir wollen es richtig machen und das Recycling erleichtern. Es gibt keinen Grund, es nicht zu tun“, sagt Young. Eine Umstellung in der Fertigung könnte helfen, das Problem zu lindern, allerdings erst in den nächsten 25 Jahren, wenn mit der neuen Technik hergestellte Module ausgemustert werden müssten.
Bei der NREL-Technik wird das Glas, das die Solarzellen in einem Photovoltaikmodul umgibt, durch Präzisionsschmelzen zusammengeschweißt. Die Präzisionsfusion wird mit Femtosekundenlasern durchgeführt, die in sehr kurzer Zeit, etwa einem Millionstel einer Milliardstelsekunde, eine beträchtliche Anzahl von Photonen einfangen. Die Anzahl der vom Laser pro Sekunde emittierten Photonen ist so stark, dass sie den optischen Absorptionsprozess im Glas verändert, erklärt Young. Der Prozess geht von linear (normale Absorption) zu nichtlinear, was es dem Glas ermöglicht, Energie von Photonen zu absorbieren, die es normalerweise nicht absorbieren würde, sagt er.
Der intensive Strahl, der nahe der Grenzfläche der beiden Glasscheiben fokussiert wird, erzeugt ein kleines Plasma aus ionisierten Glasatomen. Dieses Plasma ermöglicht es dem Glas, die meisten Photonen des Lasers zu absorbieren und die beiden Glasscheiben lokal zu schmelzen, um eine Schweißnaht zu bilden. Da keine offene Oberfläche vorhanden ist, verdunstet die Glasschmelze während des Schweißvorgangs nicht. Da das Schweißbad nicht verdunstet, kann das Glas spannungsfrei abkühlen und hinterlässt eine sehr solide Schweißnaht.
Ein Femtosekundenlaser erzeugt Präzisionsschweißnähte zwischen zwei Glasplatten.David Young/NREL
In von der NREL-Gruppe durchgeführten Festigkeitstests wurde festgestellt, dass die Schweißnähte fast so stark sind wie das Glas selbst, als ob es überhaupt keine Schweißnähte gäbe. Young und seine Kollegen beschrieben ihre Proof-of-Concept-Technik in einem Artikel, der am 21. Februar im veröffentlicht wurde IEEE Journal of Photovoltaics.
Dies sei das erste Mal, dass ein Femtosekundenlaser zum Testen von Glas-Glas-Schweißnähten von Solarmodulen eingesetzt werde, sagen die Autoren. Die Kosten für diese Laser sind in den letzten Jahren gesunken, sodass Forscher sie in einem breiten Anwendungsspektrum einsetzen können. Beispielsweise wurden Femtosekundenlaser verwendet, um 3D-Plasmaanzeigen in der Luft zu erzeugen und Telluritglas in Halbleiterkristalle umzuwandeln. Sie wurden auch zum Löten von Glas in medizinischen Geräten verwendet.
Vor Femtosekundenlasern versuchten Forschungsgruppen, das Glas von Solarmodulen mit Nanosekundenlasern zu schweißen. Aber diese Laser, deren Pulse eine Million Mal länger sind als die eines Femtosekundenlasers, konnten keine Glas-zu-Glas-Schweißnaht erzeugen. Die Forscher versuchten, im Lot ein Füllmaterial namens Glasfritte zu verwenden, aber die Verbindungen der unterschiedlichen Materialien erwiesen sich als zu spröde und zu schwach für Solarpanel-Designs im Freien, sagt Young.
Das Design von NREL erleichtert nicht nur das Recycling, sondern könnte auch die Lebensdauer von Solarmodulen verlängern. Polymere bieten im Vergleich zu Glas eine schlechte Feuchtigkeitsbarriere und das Material zersetzt sich mit der Zeit. Dadurch gelangt Feuchtigkeit in die Solarzellen und führt letztlich zu Korrosion. „Aktuelle Solarmodule sind nicht wasserdicht“, sagt Young. Dies wird ein Problem für Perowskit-Zellen sein, eine hochmoderne Solartechnologie der nächsten Generation, die äußerst empfindlich auf Feuchtigkeit und Sauerstoff reagiert.
„Wenn wir eine andere Art von Dichtung entwickeln können, die auf Polymere verzichtet, erhalten wir nicht nur ein besseres Modul, das länger hält, sondern auch viel einfacher zu recyceln ist“, sagt Young.
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