От пясък до соларен панел: Разкриване на пътя на производството на соларни панели

Светът се стреми да премине към по-устойчиви източници на енергия и да намали зависимостта си от изкопаемите горива. В резултат на това възобновяемата енергия става все по-популярна. Всъщност международната счетоводна компания BDO Global прогнозира, че до 2024 година почти 33% от електроенергията в света ще се произвежда от възобновяеми източници.

Слънчевата енергия, по-специално е една от най-обещаващите възможности за чиста енергия и нейното използване нараства бързо в световен мащаб. Някои източници съобщават, че слънчевата енергия вече представлява повече от половината от новите производствени мощности в САЩ.

В този контекст е важно да се запознаете по-добре със слънчевите панели. Един от най-изненадващите факти за тях е, че те всъщност са направени от пясък, но как пясъкът се превръща в соларни панели?

Ето всичко, което трябва да знаете за техниката, която стои зад фотоволтаичната индустрия.

Ролята на пясъка в процеса на производството на соларни панели

Пясъкът е една от основните суровини при производството на соларни панели. За разлика от други суровини, пясъкът е съвсем обикновен и широко достъпен в повечето части на света. Той обаче не е безкраен. Според CNBC, пясъкът е най-използваният природен ресурс след водата и скоро може да се стигне до недостиг на пясък.

Това не се дължи на производството на соларни панели, а на факта, че в строителният сектор има голямо търсене на пясък. В крайна сметка пясъкът се използва при производството на бетон.

Пясъкът е и една от основните суровини за производството на стъклото за прозорците на къщите ни и екраните на смартфоните ни, както и една от суровините за производството на чипове в смартфоните, компютрите и други електронни устройства.

За производството на соларни панели обаче не е подходящ всеки пясък. Използваният пясък трябва да е с високо съдържание на силициев диоксид. Това е важно, тъй като силициевият диоксид е основният източник на силиций и е от съществено значение за производството на пластини и т.нар. силициеви слитъци, повече за които ще научите по-долу.

1. Извличане и рафиниране на силициев диоксид

За изграждането на соларни панели трябва да се добива пясък, богат на силициев диоксид от естествени находища, като пясъчни мини или кариери, където пясъкът често е съставен от кварц – форма на кристален силициев диоксид.

Пясъкът се промива, за да се отстранят примесите като глина, органични вещества и други минерали. След това се рафинира с помощта на химически методи за обработка. Един от разпространените методи е киселинното излугване, при което пясъкът се смесва с киселинен разтвор – например сярна киселина за разтваряне на примесите и отделяне на силициевия диоксид.

След това силициевият диоксид се нагрява при високи температури, обикновено в пещ, за да се отстранят всички остатъчни органични материали и да се превърне в силициев диоксид с висока чистота.

2. Производство на полисилиций

Висококачественият силициев диоксид е от ключово значение за производството на поликристален силиций. Тази форма на силиций с висока чистота се използва като суровина за слънчеви клетки.

За да се получи, пречистеният кварцов пясък се смесва с богати на въглерод материали, като въглища или петролен кокс. След това сместа се излага на поток от хлор при високи температури, при което се образува трихлорсилан (SiHCl3). Този процес се нарича хлориране.

Полученият в резултат на хлорирането трихлорсилан се обработва допълнително с помощта на техники за дестилация и пречистване. В процеса на дестилация трихлоросиланът се нагрява, за да се раздели на своите компоненти. Пречистеният трихлоросилан се превръща отново в силиций с много висока чистота чрез реакция с водороден газ (H2). Резултатът от този процес е полисилиций.

Производството на полисилиций изисква строги мерки за осигуряване на качеството, за да се гарантират високите нива на чистота, които са необходими за постигане на оптимални характеристики на слънчевите клетки.

3. Производство на силициеви слитъци и пластини

Поликристалният силиций се разтопява в пещ при контролирани условия. Разтопеният полисилиций се поддържа внимателно при високи температури, за да се осигури равномерност и последователност.

След това разтопеният полисилиций се втвърдява чрез процес на кристален растеж, известен като метода на Чохралски (CZ). Семенният кристал, обикновено изработен от единичен кристал на високочист силиций се потапя в разтопения полисилиций и бавно се изважда, като се върти. Когато се повдига, той образува цилиндрична форма и изтегля разтопения полисилиций. Тази течна маса се охлажда в процеса на насочено втвърдяване, докато се образува едрозърнест многокристален силициев слитък.

Понякога се използва по-рядко срещан процес, включващ използването на газообразни силициеви съединения за отлагане на тънък слой силициеви атоми върху кристален шаблон във формата на пластинка.

След това силициевите слитъци се нарязват на тънки кръгли пластини с помощта на прецизни техники за рязане. Дебелината на тези пластини обикновено е около 200-300 микрометра, а диаметърът им е 150-200 милиметра. По-големите пластини с диаметър 300 милиметра или повече са още по-ефективни. Нарязаните пластини трябва да преминат през няколко процеса на обработка на повърхността, за да се отстранят всякакви примеси, грапавини или дефекти.

След това почистените и проверени пластини се съединяват със специфични материали, като фосфор или бор, за да се създадат различни области с различни електрически свойства.

Пластините, произведени от силициевите слитъци служат като градивен елемент за отделните слънчеви клетки. Тези пластини се подлагат на по-нататъшна обработка, включително нанасяне на контактни, антирефлекторни покрития и други важни слоеве, капсулиране със стъкло и полимерни капсули и ламиниране, за да се превърнат в напълно функционални слънчеви клетки.

Готовият панел има рамка, уплътнител по ръбовете и съединителна кутия. Прокарват се и електрически кабели, които пренасят тока от един панел към следващия.

Тези взаимосвързани, капсулирани и сглобени соларни клетки образуват завършени соларни модули или панели, които след това се монтират в домове и други сгради.