Тежко момче на фотоволтаична диета
Тройно зелено, част 4: Кадмиевият телурид е противоречив, тъй като съдържа тежък метал. И все пак това е победа за фотоволтаиците. Модулите са ненадмината евтина и производството почти не използва киселини или токсини.
Спокойно, с ниско ниво на шум и почти изцяло автоматизирано: производствените линии във First Solar във Франкфурт на Одер работят в синхрон с оптимизирана производствена линия. Тук не се раздава нито грам материал. Подът в просторната зала изглежда течащ, въздухът вътре е също толкова чист, колкото и извън завода. Това трябва да е така, защото First Solar работи с кадмиев телурид. Този полупроводник, който съдържа тежкия метал кадмий, е идеално подходящ за тънкослойни модули. Прахът, който се появява по време на обработката на модулите, е особено важен при производството, тъй като тежките метали развиват своите вредни ефекти предимно чрез белите дробове. При вдишване се подозира, че кадмият причинява рак - много прилича на силициев прах, който причинява страховитата силикоза.
Експертите спорят дали и колко токсичен е кадмиевият телурид. Тъй като тук кадмият не се появява в елементарна форма, той се поддържа в много стабилна връзка. При липса на надеждни изследвания бушува религиозна война. Опасен ли е кадмиевият телурид като кадмия? Това е възможно. Или може би не е вярно. За да се избегнат всякакви съмнения, във фабриката във Франкфурт се прилага закон за чистотата, който прави някои клетки за производство на силиций да изглеждат доста стари.
First Solar разработи собствени производствени мощности. В началото е чашата. След измиване стъклената плоча е покрита с прозрачен преден контакт (TCO), направен от допиран с флуор калаен оксид. В отделителните камери модулите получават това, което е известно като покритие, бариерен слой, направен от кадмиев сулфид (CdS), така че натрият от стъклото да не замърсява полупроводниковия слой. TCO и CdS буферът съставят слоя от тип n. Слоят CdTe е p-проводим. Той е направен от CdTe гранулат, който се изпарява във вакуум и се отлага върху стъклото. Контейнерът за гранулат се доставя на производствената линия от доставчика и свързва херметически. Системата го засмуква, за да покрие очилата.
„Камерите за разделяне и парата се почистват автоматично“, обяснява Бургард фон Вестерхолт, ръководител на централата във Франкфурт на Одер. „За да сменим филтрите навреме, ние непрекъснато наблюдаваме условията на налягането.“ Спадът на налягането във филтъра показва колко кадмиев телурид и кадмиев сулфид в неговите пори са запушени. Филтрите се сменят на ръка, доставчикът на гранулата също ги взема обратно за правилно изхвърляне.
След покритие се използва течен кадмиев хлорид за подпомагане на кристализацията и втвърдяването на полупроводника в пещта. Лазерите изгарят структурата на клетките в слоя. Полученият прах също се извлича незабавно. Лазер отрязва 116 отделни клетки от плочата, за да ги свърже електрически. Това е последвано от задния край: металния контакт на гърба на модула от молибден, EVA фолиото и задното стъкло. Модулът от стъкло-стъкло остава в ламинатора за четвърт час, за да завари слънчевия панел. В края на производствената линия има модулен тест, разпределителната кутия и опаковката за продажби.
Досада на индустрията
Кадмиевият телурид е страховитият враг на силициевата индустрия. First Solar успя да намали неимоверно разходите за модули, не на последно място чрез устойчиви концепции в производството. Това поставя производителите на силициеви модули под налягане. Затова Вестерхолт знае, че не трябва да допуска грешки. След като се превишат пределно допустимите стойности, се случва единичен инцидент и въпросът изпада в лоша репутация. Тъй като обикновено кадмият не е разрешен в електронните устройства. Това е предписано от европейската директива „Ограничаване на употребата на някои опасни вещества“ (накратко RoHs). Той регулира кои опасни вещества вече не могат да се използват в електронни устройства. Кадмият и неговите съединения са забранени, както и оловото и живакът. Досега обаче фотоволтаичните модули бяха изключени от RoHs.
Сертифициран, разбира се
First Solar беше и един от първите големи производители на слънчева енергия, който въведе система за управление на околната среда във Франкфурт. Това направи компанията един от пейсмейкърите във фотоволтаичната индустрия, която обича да се украсява с етикети като „чист“ и „зелен“. „Сертифицирането съгласно ISO 14001 беше нещо естествено“, казва Бургард фон Вестерхолт, ръководител на производството в First Solar. Този стандарт не разграничава екологично чисти продукти, а екологично съвместими производствени процеси. За разлика от силициевата индустрия, производителите на модули, изработени от кадмиев телурид, имат огромно предимство: „В модулната линия не се използват опасни киселини като флуороводородна киселина“, казва фон Вестерхолт. „Само в инсталацията за рециклиране използваме десет процента сярна киселина, за да разхлабим полупроводника от счупеното стъкло.“ Каустичната киселина циркулира, за да се използва оптимално. Водородният пероксид помага за отделянето на кадмиевия телурид от стъклото.
Доставчикът на гранулат от кадмиев телурид е компанията 5Nplus, германското дъщерно дружество на канадската група със същото име. 5Nplus също така доставя Calyxo, фабриката на Thalheimer за кадмиеви телуридни модули от групата Q-Cells, вторият голям производител на модули CdTe в Германия. Calyxo стартира през 2005 г. с 25 мегавата и стартира нов завод с 60 мегавата през лятото на 2009 г. Според Андреас Уейд, експерт по околната среда в Calyxo, базираната в Талхайм компания използва между 15 и 25 грама CdTe на модул. Това съответства на седем до дванадесет грама чист кадмий, разпределени върху 1,2 на 0,6 метра площ от модула.
Оптимизиране на процесите
Roth & Rau възнамерява да предлага фабрики до ключ за модули CdTe чрез CTF в бъдеще. От гледна точка на екологичното производство, две точки са от решаващо значение: от една страна, разделителните камери, в които се изпаряват CdS и CdTe. Важно е нито една унция да не попадне в околната среда. Втора точка: отпадъчните води от хлоридния процес. За да се почисти, той се събира в партидни резервоари и се неутрализира. Само след многобройни измервания водата се изпуска в канализационната система. Освен кадмий, това е нормална неутрализация, която оставя някои соли. Основното тук е да свържете свободния кадмий от лугата и да го филтрирате навреме. За да бъде в крак с First Solar в надпреварата за най-ниски разходи, Dieter Bonnet иска да замести отлагането на пари на кадмиев телурид с разпрашване.
Разпръскването също е големият коз в покритието на CIS и CIGS модули, тъй като процесът е сравнително евтин и не изисква никакви мокри химикали. В своите патенти Bonnet предлага блокови цели, които могат да бъдат изтеглени от CdS или CdTe стопилки. Това се разбира като обемисти плочи, които служат като доставчик на кадмиевите слоеве. Това би бил алтернативен начин за ниво на гранули и хлориди. И това би бил проблемът със съмнителните изпарения от света. По принцип процесът също трябва да консумира по-малко енергия, тъй като разпрашването изисква по-ниски температури от отлагането на пари. Има обаче и улов: блоковите мишени са създадени от стопилка, в която течният кадмиев сулфид или кадмиев телурид кипи. Подобно на силиция, този металургичен процес консумира много енергия. Според патента на Bonnet, например, CdS гранулатът може да се нагрее до 1800 градуса по Целзий в графитен резервоар с борен оксид. Борният оксид защитава стопилката, която бавно се охлажда и втвърдява като блок. За самото разпрашаване вакуум от 200 до 300 градуса по Целзий е достатъчен, за да нанесе кадмиевия сулфид върху стъклото.
След това слоят трябва да се втвърди точно под температурата на омекване на флоат стъклото при около 500 градуса по Целзий. Ако се използва боросиликатно стъкло, то може да стане малко по-горещо. Което от своя страна повишава консумацията на енергия. Това специално стъкло обаче е по-скъпо от обикновеното бяло флоат стъкло за слънчеви модули. Кадмиевият телурид кипи при 1200 градуса по Целзий. За да пръска CdS и CdTe върху предното стъкло на модула, Bonnet предлага сублимация в близко пространство (CSS), специално приложение на технологията за разпрашаване. Позволява на слоевете да растат бързо: четири микрометра в минута.
Пилотният проект е отложен
Пилотната линия в Apfelstädt близо до Ерфурт все още не работи. Първоначално 400-метровата производствена линия трябваше да започне производство в края на 2010 г. и да доставя 50 мегавата годишно. „Може да е в началото на 2011 г.“, казва Карл-Хайнц Фишер от CTF. „Добре сме по график.“ До лятото CTF иска да посочи първия клиент в индустрията, който ще се осмели да се състезава срещу First Solar и Calyxo. С модули, които са с 1,2 на 1,6 метра по-големи от тези на First Solar и Calyxo. Остава да видим дали те могат да подбият разходите на First Solar. Тъй като първоначално кадмиевите телуридни слоеве се отлагат в новата фабрика по традиционния начин. CTF Solar се стреми към разходи от едно евро за ват, First Solar вече е доста под тази от 0,70 евроцента и може да се възползва от гигантските планове за разширяване. Ефективността е сравнима, поне на хартия: First Solar в момента е почти 11% извън линията. CTF обещава подобни стойности, но доказателствата все още се очакват.
Въпреки това, всеки, който иска да изгради слънчеви модули с кадмиев телурид, има проблем, който е може би дори по-голям от проблема с тежките метали: Първата соларна водеща позиция на пазара. Досега общността на CdTe следователно беше управляема. В допълнение към First Solar и Calyxo, Abound Solar, AVA-Solar и Primostar Solar са на пазара. Реално масово производство с мощности от 800 мегавата, както в Малайзия, досега е постигнато само от First Solar. Abound Solar може да се превърне в сериозен конкурент. Американската компания построи 130 мегаватна централа в края на 2009 г. Очаква се скоро производствените разходи да бъдат под един долар на ват.