Инженеры Университета штата Юта разработали новый способ нарезки тонких пластин из химического элемента германия для использования в наиболее эффективных типах солнечных батарей. Они говорят, что новый метод должен снизить стоимость таких элементов за счет сокращения отходов и поломки хрупкого полупроводника.
Дорогие солнечные элементы в настоящее время используются в основном на космических кораблях, но с усовершенствованным методом нарезки пластин «идея состоит в том, чтобы сделать высокоэффективные солнечные элементы на основе германия для использования там, где стоимость является важным фактором». особенно для солнечной энергии на Земле, говорит Эберхард «Эббе» Бамберг, доцент кафедры машиностроения.«Вы хотите сделать это на своей крыше».
Динеш Раквал, докторант в области машиностроения, добавляет: «Мы придумываем более эффективный способ изготовления германиевых пластин для солнечных элементов - чтобы снизить стоимость и вес этих солнечных элементов и сделать их бракованными. -бесплатно."
Бамберг и Раквал публикуют свои выводы в Journal of Materials Processing Technology. Их исследование было принято, и окончательная версия будет опубликована в Интернете в конце этого месяца или в начале октября, а в печатной версии - в 2009 году.
Пилы из стальной проволоки с латунным покрытием в настоящее время используются для нарезки круглых пластин германия из цилиндрических монокристаллических слитков. Но хрупкий химический элемент легко трескается, что требует переработки отломков, а ширина пил означает, что в процессе резки теряется значительное количество германия. Метод распиловки был разработан для кремниевых пластин, которые примерно в 100 раз прочнее.
Новый метод нарезки пластин солнечных элементов, известный как проволочная электроэрозионная обработка (WEDM), дает меньше отходов германия и производит больше пластин за счет резки еще более тонких пластин с меньшим количеством отходов и растрескивания. В этом методе используется очень тонкая молибденовая проволока, по которой проходит электрический ток. Ранее он использовался для обработки металлов при изготовлении инструментов.
Германий служит нижним слоем самого эффективного из существующих типов солнечных элементов, но используется в основном в НАСА, военных и коммерческих спутниках из-за высокой стоимости - необработанный германий стоит около 680 долларов за фунт. Пластины шириной четыре дюйма, используемые в солнечных элементах, стоят от 80 до 100 долларов каждая, а новый метод резки может снизить стоимость более чем на 10 процентов, говорит Грант Файнс, главный технический директор производителя германиевых пластин Sylarus Technologies в Сент-Джордже. Юта.
«Все, что можно сделать для снижения этой стоимости, в конечном итоге снизит стоимость солнечной энергии за киловатт-час, что выгодно», и будет способствовать более широкому использованию солнечной энергии, добавляет он. «Вот почему эта технология, которую придумал Эббе, очень интригует».
Sylarus рассматривает возможность использования нового метода, но должна определить, можно ли масштабировать его, чтобы вафли можно было производить серийно коммерчески жизнеспособным способом, говорит Файнс.
Метод Бамберга «уменьшит количество отходов, которые мы должны переработать, и повысит выход», добавляет он. «У него есть потенциал для хорошей экономии, что помогает использовать эту технологию здесь, на Земле».
Ожидается получение патента на способ использования нового метода, при котором несколько параллельных электрически заряженных проводов используются для резки германиевых пластин - метод массового производства, который Бамберг сравнивает с яйцерезкой.
Спуск высокоэффективных солнечных батарей на Землю
Германий - это полупроводник, лежащий в основе «многопереходных» солнечных элементов. Над ним находятся слои арсенида галлия-индия и фосфида галлия-индия. Слои работают вместе, улавливая разные длины волн солнечного света, а германий также служит субстратом, на котором «выращивается» солнечный элемент.
Когда солнечный свет попадает на солнечный элемент, энергия преобразуется в поток электронов в элементе, а именно в электричество.
Солнечные элементы на основе кремния на Земле имеют максимальную эффективность 20 процентов, говорит Файнс. В космосе германиевые солнечные элементы обычно преобразуют 28 процентов солнечного света в электричество, но на Земле, где используются солнечные концентраторы, они могут преобразовать более 40 процентов солнечного света в электричество, а их эффективность теоретически превышает 50 процентов, добавляет он.
Несмотря на более высокую эффективность солнечных элементов на основе германия, исследование 2005 года показало, что 94 процента солнечных элементов, предназначенных для некосмического использования, были основаны на кремнии, потому что кремний намного дешевле и менее хрупок, чем германий, исследователи из Юты скажем.
Бамберг говорит, что солнечные элементы на основе германия используются на большинстве космических кораблей, потому что они более эффективны и легче, чем солнечные элементы на основе кремния. Делая использование эффективных германиевых солнечных элементов на крышах более привлекательным с экономической точки зрения, вес и размер солнечных панелей можно уменьшить, «чтобы они не беспокоили вас с эстетической точки зрения», - добавляет он.
Новый метод может сделать солнечные элементы на основе германия конкурентоспособными с менее эффективными, но менее дорогими солнечными элементами на основе кремния для использования на Земле, говорит Бамберг.
Меньше отходов, больше вафель
В новом методе молибденовая проволока по сути является электродом, и она подключена к импульсному источнику питания, который заряжает проволоку в процессе резки.
Цилиндрический слиток германия опирается на горизонтальную опору, и проволока опускается в слиток по мере того, как новая проволока постоянно вытягивается из катушки подачи, чтобы заменить режущую проволоку по мере ее износа. Жидкое синтетическое масло впрыскивается вдоль проволоки, чтобы увеличить электрический заряд проволоки и смыть материал, который плавится в процессе резки.
Процесс идет медленно. Электроэрозионная обработка проволоки занимает 14 часов, чтобы разрезать одну пластину. Бамберг говорит, что метод с электрифицированной проволокой должен выполняться осторожно, чтобы избежать растрескивания германия, но он надеется увеличить скорость до шести часов, которые сейчас требуются для резки пластины с помощью проволочной пилы.
Проволочные пилы из стали с латунным покрытием имеют толщину около 170 или 180 микрон (миллионных долей метра). Исследователи из Юты использовали молибденовую проволоку толщиной от 75 до 100 микрон, что немного толще человеческого волоса. Меньше германия тратится впустую в процессе нарезки, потому что наэлектризованная режущая проволока тоньше.
Исследование показало, что электрифицированная проволока толщиной 100 микрон значительно уменьшила отходы и увеличила количество пластин, которые можно было изготовить из слитка германия, но более тонкая проволока шириной 75 микрон показала еще лучшие результаты.
«При текущей стандартной толщине пластин в 300 микрон вы можете производить на 30 процентов больше пластин, используя наш метод» с проволокой шириной 75 микрон, - говорит Бамберг. «Поскольку мы производим их без трещин, мы также можем сделать их тоньше, чем стандартные технологии. Поэтому, если вы перейдете к пластине толщиной 100 микрон, вы можете сделать до 57 процентов больше пластин [из того же слитка германия]. Это огромное количество."
Уменьшение толщины пластин снизит их стоимость, поскольку из того же слитка можно сделать больше, добавляет он.
Новое исследование показало, что «пропил», то есть количество германия, теряемого впустую в процессе нарезки, был на 22% меньше, когда для резки пластин использовалась электрифицированная проволока диаметром 75 микрон, по сравнению с обычным метод канатной пилы. Исследователи разрезали пластины диаметром 2,6 дюйма и толщиной 350 микрон.
Исследование также показало, что меньше германия тратится впустую не только при меньшем размере провода, но и при меньшем заряде электрифицированного провода.
Исследование финансировалось Национальным научным фондом, Исследовательским фондом Университета Юты и Sylarus Technologies.