Sintef-forsker Martin Bellmann med det nye solcellepanelet. I hånda har han en bit av de nye materialet, som er laget av flis fra silisiumwafere. (Foto: Thor Nielsen)
Sintef-forsker Martin Bellmann med det nye solcellepanelet. I hånda har han en bit av de nye materialet, som er laget av flis fra silisiumwafere. (Foto: Thor Nielsen)

Dette er verdens gjerrigste solcellepanel

Det ambisiøse målet til forskerne var å redusere det økologiske fotavtrykket til solcellepanel med 40 prosent. Nå har de overgått sine egne ambisjoner.

Publisert

Forsker 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.

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

For forskerne gikk systematisk til verks for å redusere forbruket av de ulike ressursene i hvert trinn av produksjonen, uten at det har redusert effekten på sluttproduktet.

Består av mange ulike materialer

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.

– Vi har redusert det økologiske fotavtrykket fra produksjonen med hele 45 prosent. Lager vi en fabrikk der vi tar alle våre nyvinninger med i produksjonslinjen, vil også kostnaden bli ni prosent lavere, sier Bellmann.

De har også utviklet et modul-konsept som gjør at de kan demontere og gjenbruke hovedkomponentene i solcellepanelet. De har nådd målet om å redusere det økologiske fotavtrykket fra solcelleproduksjon uten at det har gått ut over produktiviteten til solcellene .

Slik produseres silisumkrystaller og 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 lang form.

Denne deles i tynne skiver, wafere, som er basisen for høyeffektive solceller.

Den andre metoden er å lage multikrystallinsk silisium ved å smelte silisium i en digel for å lage et tilsvarende råstoff.

Det monokrystallinske silisiumet er imidlertid mer effektivt.

(Kilde: Sintef og Wikipedia)

Gjenbrukte edelgass

For å lage solceller, trengs det silisiumkrystaller. Silisiumet er råstoffet til såkalte wafere: solcellens effektive kjerne.

Det finnes to prosesser for å lage silisium, og i begge prosessene brukes edelgassen Argon som rensemiddel for å fjerne forurensninger som oppstår i den svært varme produksjonen. Når den jobben er gjort, blir gassen til industriavfall. Men det har forskerne i prosjektet gjort noe med.

– Vi klarte å lage en prosess som ved hjelp av kjemisk forbrenning renser den brukte Argon-gassen slik at den kan brukes på nytt, sier Bellmann.

Utviklet en «Solcelledoktor»

En del av solcellene har elektriske skader eller andre feil som gjør at de ikke er bra nok for panelene. De norske forskerne har utviklet en robot som bruker kunstig intelligens til å oppdage og reparere omtrent halvparten av slike feil.

De har altså hatt stor fokus på gjenbruk av materialer. En relativt stor kostnad i solcelleproduksjonen er selve smeltedigelen i laboratoriet. Den har fått helt nye materialtekniske egenskaper og økt levetid.

Sammen med de norske ingeniørene hos Steuler Solar som lager digler, har forskerne testet et nytt material som erstatter kvarts med silisiumnitrid.

– Til nå har diglene vært til engangsbruk, mens vi nå kan bruke de flere ganger. Hvor mange ganger de 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 Martin Bellmann.

Sager vekk 45 prosent

Mye materiale går tapt når waferne skal sages ut som tynne skiver av det ferdige silisiumet. Nesten halvparten ender som silisiumstøv og -flis i søpla. Men forskerne har utviklet en metode som gjør det mulig å bruke dette til nytt råmateriale.

– Vi renset og smelter om til et nytt silisium-råstoff. Dette verdifulle støvet kan også brukes som råstoff når vi lager gjenbrukbare digler av silisiumnitritt. Materialet kan også brukes i anoder i litium-batterier fordi de har liten kornstørrelse og høy renhet, forklarer Bellmann.

Forsker Birgit Ryningen viser fram en blokk av silisium som snart skal deles opp i skiver som blir waferne – selve strømfabrikken i en solcelle. (Foto: Sintef)
Forsker Birgit Ryningen viser fram en blokk av silisium som snart skal deles opp i skiver som blir waferne – selve strømfabrikken i en solcelle. (Foto: Sintef)

Økt levetid og gjenbruk

Prisene på solceller synker og rundt om i verden øker etterspørselen. Mange er mer bevisste på gjenbruk av gamle solcellepaneler.

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

Det tilsvarer 30 milliarder installerte solcellepaneler på jorda. 600 millioner 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 gjenbruk av de verdifulle materialene i et solcellepanel ganske vanskelig. 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.

De har løst dette ved å legge solcellene inn mellom to glassplater for deretter å suge ut luft, slik at begge glassplatene holdes sammen ved hjelp av undertrykk. Deretter forsegles panelet i kantene med et organisk polymer.

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

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

Vekker oppsikt i USA

De gode resultatene får internasjonal oppsikt. Forskerne bak prosjektet er derfor invitert til å delta i en innovasjonskonkurranse av 1000 Solutions, en stiftelse som jobber for å fremme og sertifisere nye og bærekraftige energiløsninger.

Om forskerne kommer gjennom nåløyet, blir det tur til USA for å presentere teknologien for mulige investorer.

Resultatene er også relevante for EU-satsingen «Eco-label initiative».

– Sol-paneler som er produsert med lavest mulig miljøavtrykk 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 våre paneler. Vi tror derfor at løsningene vi har utviklet blir viktige bidrag til en bærekraftig og framtidsrettet solkraft-industri i Europa, sier Martin Bellmann.

Disse miljøutfordringene har forskerene sett på

  • Under fremstillingen av silisiumkrystaller brukes argon av høy renhetsgrad som spylegass for å fjerne urenheter i smelteovnen. I produksjonen av silisiumkrystaller tilsvarende 1 GWp, en million kilowattimer produsert fra sol, forbrukes mellom 3 og 5 million m³ argon. Selv om urenhetsgraden er lav, slippes argon ut i luften etter å ha passert gjennom smelteovnen.
  • Silisiumbaserte smeltedigler som brukes til å smelte og størkne silisium sprekker under nedkjølingen, noe som fordyrer engangsbruk. Gamle smeltedigler sendes for tiden til avfallsdeponi.
  • 90 prosent av polysilisium som produseres på verdensbasis er brukt i solcelle industri, men kun omlag 45 prosent av dette konverteres til solcellepaneler. Resten går til svinn under skjæring av blokker og skiver.
  • Under fremstillingen av solceller skjer det flere våte kjemiske etsnings- og renseprosesser som gir stort utslag i miljø-fotavtrykket.
  • 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.
  • 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.
  • 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 paneler inneholder også store mengder organiske materialer, samt aluminium i rammer.

(Artikkelen er oppdatert kl. 12:37 02.05.19)