Ťažký chlapec na fotovoltaickej diéte
Triple Green, časť 4: Tellurid kademnatý je kontroverzný, pretože obsahuje ťažký kov. Pre fotovoltaiku je to stále výhra. Moduly sú bezkonkurenčne lacné a výroba takmer nevyužíva žiadne kyseliny ani toxíny.
Pokojný, nehlučný a takmer úplne automatizovaný: výrobné linky vo First Solar vo Frankfurte nad Odrou fungujú synchronizovane s optimalizovanou výrobnou linkou. Neodovzdáva sa tu ani gram materiálu. Podlaha v priestrannej hale vyzerá deravo, vzduch vo vnútri je rovnako čistý ako mimo továrne. Musí to tak byť, pretože First Solar pracuje s teluridom kademnatým. Tento polovodič, ktorý obsahuje kadmium z ťažkých kovov, je ideálne vhodný pre tenkovrstvové moduly. Prach, ktorý vzniká pri spracovaní modulov, je pri výrobe obzvlášť dôležitý, pretože ťažké kovy majú škodlivé účinky predovšetkým v pľúcach. Pri vdýchnutí je podozrenie, že kadmium spôsobuje rakovinu - podobne ako kremíkový prach, ktorý spôsobuje obávanú silikózu.
Odborníci polemizujú o tom, či a aký je toxický telurid kademnatý. Pretože tu sa kadmium neobjavuje v elementárnej forme, je udržiavaný vo veľmi stabilnom spojení. Pretože chýbajú spoľahlivé štúdie, zúri vojna viery. Je telurid kademnatý rovnako nebezpečný ako kadmium? To je možné. Alebo možno to nie je pravda. Aby sa zabránilo akýmkoľvek pochybnostiam, v továrni vo Frankfurte platí zákon o čistote, vďaka ktorému je výroba niektorých článkov pre kremík dosť stará.
Spoločnosť First Solar vyvinula svoje vlastné výrobné zariadenia. Na začiatku je sklo. Po umytí je sklenená doska potiahnutá priehľadným predným kontaktom (TCO) vyrobeným z oxidu cínu dopovaného fluórom. V separačných komorách dostávajú moduly takzvaný povlak, bariérovú vrstvu zo sulfidu kademnatého (CdS), takže sodík zo skla nekontaminuje polovodičovú vrstvu. TCO a CdS buffer tvoria vrstvu typu n. CdTe vrstva je typu p. Je vyrobený z CdTe granulátu, ktorý sa odparí vo vákuu a usadzuje sa na skle. Kontajner na granulát privádza dodávateľ na výrobnú linku a je vzduchotesne pripojený. Systém ho nasaje, aby zakryl okuliare.
„Separačné komory a para sa čistia automaticky,“ vysvetľuje Burghard von Westerholt, vedúci závodu vo Frankfurte nad Odrou. „Aby sme mohli filtre vymeniť včas, nepretržite monitorujeme tlakové podmienky.“ Pokles tlaku na filtri ukazuje, koľko teluridu kademnatého a sulfidu kademnatého v jeho póroch je upchaných. Filtre sa menia ručne, dodávateľ granulátu ich tiež berie späť na správnu likvidáciu.
Po potiahnutí sa na podporu kryštalizácie a vytvrdenia polovodiča v peci použije kvapalný chlorid kademnatý. Lasery spaľujú štruktúru buniek do vrstvy. Výsledný prach sa tiež okamžite odsaje. Laser vyrezá 116 jednotlivých buniek z platne, aby ich elektricky spojil. Potom nasleduje zadný koniec: kovový kontakt na zadnej strane modulu vyrobený z molybdénu, fólie EVA a zadného skla. Modul sklo-sklo zostáva v laminátore štvrť hodiny na zváranie solárneho panelu. Na konci výrobnej linky je test modulu, spojovacia skrinka a obal na predaj.
Obťažovanie priemyslu
Tellurid kademnatý je obávaným nepriateľom kremíkového priemyslu. Spoločnosti First Solar sa podarilo enormne znížiť náklady na moduly, v neposlednom rade prostredníctvom udržateľných koncepcií vo výrobe. Toto tlačí na výrobcov kremíkových modulov. Westerholt preto vie, že nesmie robiť chyby. Po prekročení limitných hodnôt dôjde k jednej nehode a k dobrej povesti veci. Pretože zvyčajne kadmium nie je povolené v elektronických zariadeniach. Toto je predpísané európskou smernicou „Obmedzenie používania určitých nebezpečných látok“ (v skratke RoHs). Reguluje, ktoré nebezpečné látky sa už nemôžu používať v elektronických zariadeniach. Kadmium a jeho zlúčeniny sú postavené mimo zákon, rovnako ako olovo a ortuť. Doteraz však boli fotovoltaické moduly z RoH vylúčené.
Samozrejme certifikované
Spoločnosť First Solar bola tiež jedným z prvých veľkých výrobcov solárnych článkov, ktorý vo Frankfurte zaviedol systém environmentálneho manažérstva. Vďaka tomu sa spoločnosť stala jedným z kardiostimulátorov v PV priemysle, ktorý sa rád zdobí štítkami ako „čisté“ a „zelené“. „Certifikácia podľa ISO 14001 bola samozrejmosťou,“ hovorí Burghard von Westerholt, vedúci výroby spoločnosti First Solar. Táto norma nerozlišuje výrobky šetrné k životnému prostrediu, ale ekologické výrobné procesy. Na rozdiel od kremíkového priemyslu majú výrobcovia modulov vyrobených z teluridu kademnatého obrovskú výhodu: „V rade modulov sa nepoužívajú žiadne nebezpečné kyseliny, ako je kyselina fluorovodíková,“ hovorí von Westerholt. „Iba v recyklačnom závode používame desať percent kyseliny sírovej na uvoľnenie polovodiča z rozbitého skla.“ Kyselina žieravá cirkuluje, aby sme ju optimálne využili. Peroxid vodíka pomáha oddeliť telurid kademnatý od skla.
Dodávateľom granulátu z teluridu kademnatého je spoločnosť 5Nplus, nemecká dcérska spoločnosť rovnomennej kanadskej skupiny. 5Nplus dodáva aj spoločnosť Calyxo, závod Thalheimer pre moduly teluridu kadmia v skupine Q-Cells, druhého veľkého výrobcu modulov CdTe v Nemecku. Spoločnosť Calyxo bola uvedená do prevádzky v roku 2005 s výkonom 25 megawattov a v lete 2009 spustila nový závod so 60 megawattmi. Podľa Andreasa Wadea, experta na životné prostredie v spoločnosti Calyxo, používa spoločnosť so sídlom v Thalheime medzi 15 až 25 gramami CdTe na modul. To zodpovedá siedmim až dvanástim gramom čistého kadmia, distribuovaného na 1,2 a 0,6 metra plochy modulu.
Optimalizujte procesy
Roth & Rau má v úmysle v budúcnosti ponúknuť továrne na kľúč pre CdTe moduly prostredníctvom CTF. Z hľadiska výroby, ktorá je šetrná k životnému prostrediu, sú rozhodujúce dva body: na jednej strane separačné komory, v ktorých sa odparujú CdS a CdTe. Je dôležité, aby sa do životného prostredia nedostala ani jedna unca. Druhý bod: odpadová voda z chloridového procesu. Za účelom jeho vyčistenia sa zhromažďuje v dávkových nádržiach a neutralizuje sa. Až po mnohých meraniach sa voda dostane do kanalizácie. Okrem kadmia zanecháva niektoré soli aj normálna neutralizácia. Tu ide hlavne o to, aby ste z lúhu naviazali voľné kadmium a včas ho odfiltrovali. V snahe udržať krok s firmou First Solar v boji o najnižšie náklady chce Dieter Bonnet nahradiť parné ukladanie teluridu kademnatého rozprašovaním.
Rozprašovanie je tiež skvelým tromfom pri povrchovej úprave modulov CIS a CIGS, pretože tento proces je pomerne lacný a nevyžaduje žiadne mokré chemikálie. Bonnet vo svojich patentoch navrhuje blokové ciele, ktoré je možné čerpať z tavenín CdS alebo CdTe. Rozumejú sa tým objemné platne, ktoré slúžia ako dodávateľ vrstiev kadmia. To by bol alternatívny spôsob granulácie a obsahu chloridov. A to by bol problém pochybných výparov zo sveta. V zásade by mal proces tiež spotrebovať menej energie, pretože naprašovanie vyžaduje nižšie teploty ako nanášanie pár. Má to však aj jeden háčik: blokové terče sú vyrobené z taveniny, v ktorej vrie tekutý sulfid kademnatý alebo telurid kademnatý. Podobne ako v prípade kremíka, aj tento metalurgický proces spotrebúva veľa energie. Podľa Bonnetovho patentu sa napríklad granule CdS mohli v grafitovej nádrži s oxidom bóru zahriať na 1 800 stupňov Celzia. Oxid boritý chráni taveninu, ktorá sa pomaly ochladzuje a tuhne ako blok. Pre samotné rozprašovanie stačí na aplikáciu sulfidu kademnatého na sklo vákuum od 200 do 300 stupňov Celzia.
Potom musí vrstva vytvrdnúť tesne pod teplotou mäknutia plaveného skla pri teplote okolo 500 stupňov Celzia. Ak sa použije borosilikátové sklo, môže sa trochu zahriať. To zase zvyšuje spotrebu energie. Toto špeciálne sklo je však drahšie ako bežné biele plavené sklo pre solárne moduly. Tellurid kademnatý varí pri 1 200 stupňoch Celzia. Za účelom rozprašovania CdS a CdTe na predné sklo modulu navrhuje Bonnet sublimáciu v úzkom priestore (CSS), čo je špeciálna aplikácia technológie rozprašovania. Umožňuje rýchly rast vrstiev: štyri mikrometre za minútu.
Pilotný projekt bol odložený
Pilotná linka v Apfelstädte pri Erfurte ešte nepremáva. 400 metrov dlhá výrobná linka mala pôvodne začať výrobu na konci roku 2010 a mala dodávať 50 megawattov ročne. „Môže to byť začiatkom roku 2011,“ hovorí Karl-Heinz Fischer z CTF. „Máme dobrý čas.“ Do leta chce CTF vymenovať prvého priemyselného zákazníka, ktorý si trúfa proti spoločnostiam First Solar a Calyxo. S modulmi, ktoré sú o 1,2 x 1,6 metra väčšie ako moduly od spoločností First Solar a Calyxo. Uvidí sa, či môžu znížiť náklady spoločnosti First Solar. Pretože vrstvy teluridu kademnatého sa spočiatku v novej továrni ukladajú parami tradičným spôsobom. Spoločnosť CTF Solar sa zameriava na náklady vo výške jedného eura na watt. First Solar je už hlboko pod úrovňou 0,70 eurocenta a môže využívať výhody gigantických plánov rozširovania. Účinnosť je minimálne na papieri porovnateľná: First Solar je v súčasnosti takmer 11 percent mimo linku. CTF sľubuje podobné hodnoty, ale dôkazy stále čakajú.
Avšak každý, kto chce vyrábať solárne moduly z teluridu kademnatého, má problém, ktorý je možno ešte väčší ako problém s ťažkým kovom: prvenstvo spoločnosti First Solar na trhu. Komunita CdTe bola teda doteraz zvládnuteľná. Okrem spoločností First Solar a Calyxo sú na trhu spoločnosti Abound Solar, AVA-Solar a Primostar Solar. Skutočnú masovú výrobu s kapacitami 800 megawattov, podobne ako v Malajzii, zatiaľ dosiahla iba spoločnosť First Solar. Spoločnosť Abound Solar sa mohla stať vážnym konkurentom. Americká spoločnosť postavila na konci roku 2009 závod s výkonom 130 megawattov. Výrobné náklady by čoskoro mali byť nižšie ako dolár na watt.