Wafel krzemowy to cienki plaster monokrystalicznego krzemu, używany do wytwarzania czipów krzemowych oraz mikrourządzeń. Są one również sercem ogniw fotowoltaicznych. Jednak ich produkcja nie jest tania. Dodatkowo ponad 50 proc. czystego krzemu, który jest surowcem dla wafli, podczas produkcji zamieniana jest w pył. Nowa technika produkcji opracowana przez naukowców z Fraunhofer kładzie kres tym istotnym stratom drogiego surowca, jednocześnie zapewniając redukcję kosztów energii w wysokości 80 proc.

Reklama

Kluczowym składnikiem ogniw słonecznych, które coraz częściej stają się źródłem prądu dla gospodarstw domowych, są właśnie wafle krzemowe. Jednak produkcja tych płytek jest bardzo czasochłonna, zużywa ogromne ilości energii oraz jest droga. Co więcej, około połowa krzemu tracona jest w procesie produkcji wafli. Obecna cena krzemu polikrystalicznego wynosi około 15 euro za kilogram, co oznacza, że ​​ każdy użyty w procesie produkcji kilogram krzemu polikrystalicznego generuje straty w wysokości około 7,5 euro i dodatkowe zanieczyszczenie w postaci pyłu krzemowego, który jest zagrożeniem dla zdrowia pracowników.

Tradycyjny proces produkcji wafli krzemowych rozpoczyna się od dostarczenia zanieczyszczonego kawałka krzemu. Następnie się go upłynnia i oczyszcza przez dodawanie chloru. Tak utworzony materiał nazywany jest chlorosilanem. Aby z powrotem uzyskać postać krystaliczną, należy do powstałego tworu dodać wodór. Jednak nie jest to forma wyjściowa do produkcji ogniw słonecznych. Kolejnym krokiem jest ponowne podzielenie krzemu na kawałki i roztopienie ich w temperaturze 1450 stopni Celsjusza. Następnie tak stopiony materiał przelewa się do form o wadze od 200 do 1000 kg, po zastygnięciu uzyskiwane są bloki, z których tnie się odpowiedniej grubości małe wafle.

Naukowcy z Fraunhofer opracowali zupełnie nowy proces produkcyjny, który, ich zdaniem, pozwala uniknąć niemal wszystkich strat , które występują podczas tradycyjnego procesu wytwarzania wafli. Jest to jednoczesne ograniczenie strat materiału o 50 proc., a w związku z tym również redukcja niezbędnej energii o 80 proc. Podobnie jak w procesie tradycyjnym, do produkcji został użyty chlorosilan, który po podgrzaniu do ponad 1000 stopni Celsjusza mieszany jest z wodorem. Jednak na tym etapie następują zmiany. Naukowcy nie pozwalają mu zastygnąć do postaci krzemowej o nieregularnym kształcie, ale od razu wymuszają pożądaną formę kryształów. Odbywa się to przez osadzanie par chemicznych. Gazowy krzem przepływa obok substratu – samej płytki krzemowej – i pokrywa jego powierzchnię. W ten sposób płytka rośnie warstwa po warstwie (o grubości atomu).

W celu łatwiejszego oddzielenia poszczególnych wafli, naukowcy zastosowali specjalne podłoża w formie porowatego krzemu, które mogą być wielokrotnie używane. Zastosowane substraty służą nie tylko jako płytka nośna, ale w pewien sposób informują poszczególne atomy o ich miejscu położenia, które zapewni, że powstający blok krzemu będzie miał budowę regularną.  W ten sposób uzyskiwane są bardzo dobrej jakości monokryształy, z których uzyskuje się wafle o tych samych parametrach jak te produkowane w konwencjonalny sposób.

W nowej technologii produkcji krzem od razu osadza się w wymaganej formie, dzięki czemu można wyeliminować etap ciecia, który jest procesem produkującym odpady w formie pyłu stanowiącego blisko 50 proc. materiału krzemowego o wysokiej czystości. Kolejną zaletą nowego sposobu jest to, że pozwala on na uzyskanie wafli o pożądanej grubości. W procesie tradycyjnym, wafle krzemowe muszą mieć grubość co najmniej 150 do 200 mikrometrów – inaczej straty materiału podczas cięcia byłyby zbyt wysokie. Ale ogniwa słoneczne można produkować z cieńszych płytek, a im mniejsza grubość, tym niżesz koszty pojedynczego ogniwa. Tak więc nowy sposób pozwala zaoszczędzić materiał na dwa sposoby: przez uniknięcie marnowania dużych ilości materiału podczas wytwarzania wafla oraz pozwalając na zmniejszenie grubości płytki. W czerwcu 2015 roku, spółka spin-off, NexWafe, przejęła odpowiedzialność za wprowadzenie tej nowej techniki produkcji wafli na rynek. Oddanie powstającej fabryki i rozpoczęcie masowej produkcji dla tańszych płytek jest planowane na koniec 2017 roku.

Artykuł stanowi utwór w rozumieniu Ustawy 4 lutego 1994 r. o prawie autorskim i prawach pokrewnych. Wszelkie prawa autorskie przysługują swiatoze.pl. Dalsze rozpowszechnianie utworu możliwe tylko za zgodą redakcji.