Niedawno Krajowe Laboratorium Energii Odnawialnej (NREL), będące częścią Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, dokonało rewolucyjnego przełomu, opracowując metodologię weryfikacji koncepcji, mającą na celu całkowite usunięcie polimerów z produkcji paneli słonecznych, co skutkuje bardziej wydajnymi i recykling przyjazny dla środowiska.
Panele słoneczne od dawna chwalone są za możliwość recyklingu. Jednakże cienkie warstwy tworzyw sztucznych stosowane w procesie produkcyjnym stwarzają wyzwania, które utrudniają efektywny recykling cennych materiałów, takich jak krzem i srebro.
Aby sprostać temu wyzwaniu, zespół badawczy NREL przyjął inne podejście i zaproponował innowacyjne rozwiązanie polegające na zastosowaniu spawania szkło-szkło bezpośrednio w ogniwach słonecznych.
Istotą tego rozwiązania jest wykorzystanie technologii lasera femtosekundowego na podczerwień. Dzięki precyzyjnej kontroli impulsu lasera energia jest skupiana w określonym obszarze panelu słonecznego w bardzo krótkim czasie, tworząc solidną spoinę szkło-szkło. Warto wspomnieć, że technologia lasera femtosekundowego znalazła już szerokie zastosowanie w dziedzinie medycznej chirurgii oka, takiej jak chirurgia zaćmy, a jej bezpieczeństwo i niezawodność zostały w pełni zweryfikowane.
Dzięki spawaniu laserowemu całkowicie eliminuje się potrzebę stosowania laminatów z tworzyw sztucznych w panelach słonecznych, co znacznie upraszcza proces recyklingu. Pod koniec okresu użytkowania panelu moduły wykonane metodą spawania laserowego można łatwo rozbić, znajdujące się w nich druty szklane i metalowe można bez problemu poddać recyklingowi, a materiał silikonowy można ponownie wykorzystać.
David Young, starszy naukowiec w Grupie Efficient Crystalline Photovoltaics na Wydziale Chemii i Nanonauki NREL, powiedział: „Wśród większości podmiotów zajmujących się recyklingiem panuje ogólna zgoda co do tego, że polimery są głównym problemem utrudniającym proces recyklingu. Pojawienie się naszej technologii z pewnością otwiera nowe możliwości otwiera zupełnie nowy zestaw możliwości recyklingu paneli słonecznych.”
Wyniki badania opublikowano w czasopiśmie IEEE Journal of Photovoltaics. Zespół badawczy zwraca uwagę, że technologia spawania laserowego ma szerokie zastosowanie nie tylko w przypadku materiałów krzemowych, ale także w przypadku różnorodnych materiałów, takich jak kalcyt i tellurek kadmu. Ze względu na wysoce skupiony charakter lasera, generowane ciepło jest ograniczone do bardzo małego zakresu i nie powoduje uszkodzeń materiału akumulatora. Jednocześnie wytrzymałość spawów wewnątrz szkła jest porównywalna z wytrzymałością samego szkła, co zapewnia wieloletnią stabilność i trwałość modułu.
Young wyjaśnia dalej: „Dopóki samo szkło nie zostanie stłuczone, spawy nie będą powodować problemów. Co więcej, twardość spawanego modułu znacznie się poprawia ze względu na brak polimeru pomiędzy kawałkami szkła. Nasze badania pokazują, że przy odpowiednim montażu i modyfikacji wytłoczonych elementów szkła walcowanego, spawany moduł może stać się wystarczająco twardy, aby spełnić wymagania testów obciążenia statycznego.
W przeszłości badacze próbowali uszczelniać krawędzie za pomocą laserów nanosekundowych i wypełniaczy ze fryty szklanej, ale wyniki nie były korzystne. Kruchy charakter spoin sprawił, że nie nadawały się one do projektów modułów zewnętrznych. Natomiast technologia spawania laserem femtosekundowym opracowana przez NREL pozwala uzyskać doskonałą wytrzymałość uszczelnienia za ułamek kosztów, zapewniając solidną technologię recyklingu paneli słonecznych.
Badania te wspierane są przez stowarzyszenie Durable Module Materials Alliance, którego celem jest przedłużenie żywotności paneli słonecznych do 50 lat i dłużej. Dzięki innowacyjnej technologii laserowej NREL możemy spodziewać się w przyszłości bardziej wydajnego i przyjaznego dla środowiska recyklingu paneli słonecznych, przyczyniając się do zrównoważonego rozwoju energii odnawialnej.
