Produkcja ogniw słonecznych jest bardzo precyzyjnym i wymagającym technologicznie procesem, który składa się z dużej liczby chemicznych, fizycznych i termicznych etapów. Ogniwa słoneczne, będące podstawą systemów fotowoltaicznych, przekształcają energię słoneczną bezpośrednio w energię elektryczną i odgrywają kluczową rolę w zrównoważonym wytwarzaniu energii. Przemysłowa produkcja ogniw słonecznych wymaga rozbudowanych systemów uzdatniania wody i oczyszczania ścieków, ponieważ istnieją wysokie wymagania dotyczące czystości wody procesowej i wytwarzane są ścieki o określonych ładunkach zanieczyszczeń.
Spis treści
Przegląd produkcji ogniw słonecznych
Ogniwa słoneczne składają się głównie z materiałów półprzewodnikowych, w szczególności krzemu, i są produkowane w kilku kolejnych etapach. Rozróżnia się produkcję monokrystalicznych, polikrystalicznych i cienkowarstwowych ogniw słone cznych.
1. produkcja płytek krzemowych
Surowcem do produkcji ogniw słonecznych jest krzem o wysokiej czystości, który uzyskuje się w energochłonnych procesach:
- Proces topienia:
- Czysty krzem jest topiony i krystalizowany w wysokich temperaturach (proces Czochralskiego dla krzemu monokrystalicznego, proces odlewania wlewków dla krzemu polikrystalicznego).
- Piłowanie i cięcie:
- Bloki krzemowe są cięte na cienkie płytki (zazwyczaj 150-200 µm).
2. przygotowanie powierzchni
Powierzchnie płytek są poddawane obróbce chemicznej w celu optymalizacji tekstury i usunięcia defektów:
- Trawienie:
- Usuwanie śladów cięcia i zanieczyszczeń poprzez chemiczne lub alkaliczne trawienie na mokro.
- Typowe chemikalia: kwas fluorowodorowy (HF), wodorotlenek potasu (KOH).
- Czyszczenie:
- Stosowanie wody ultraczystej (UPW), która jest wolna od cząstek, jonów i związków organicznych.
3. domieszkowanie i tworzenie warstw
Na przewodność elektryczną ogniw słonecznych szczególny wpływ ma domieszkowanie obcymi atomami, takimi jak fosfor lub bor:
- Dyfuzja:
- Wytwarzanie warstwy przejściowej pn poprzez wysokotemperaturową obróbkę gazami domieszkującymi (np. trójchlorek fosforu, trójtlenek boru).
- Powłoka antyrefleksyjna:
- Zastosowanie azotku krzemu (Si₃N₄) lub innych materiałów w celu zminimalizowania odbicia światła.
4. metalizacja
- Struktura kontaktu:
- Drukowanie i spiekanie metalicznych ścieżek przewodzących (np. past srebrnych) z przodu i z tyłu płytek.
5. montaż i zapewnienie jakości
- Laminowanie:
- Ogniwa słoneczne są laminowane warstwami ochronnymi i szybami.
- Testy elektryczne:
- Testowanie ogniw pod kątem wydajności, prądu zwarciowego i napięcia w obwodzie otwartym.
Zapotrzebowanie na wodę i wymagania w produkcji ogniw słonecznych
Produkcja ogniw słonecznych wymaga dużych ilości wody procesowej, w szczególności wody ultraczystej (UPW), która musi być prawie całkowicie wolna od zanieczyszczeń. Jakość wody ma kluczowe znaczenie, ponieważ nawet najmniejsze cząsteczki lub pozostałości chemiczne mogą pogorszyć wydajność i jakość ogniw słonecznych.
Zastosowania wody w produkcji
- Czyszczenie i płukanie:
- Usuwanie chemikaliów i cząstek po procesach trawienia, dyfuzji lub powlekania.
- Wanny do procesów chemicznych:
- Zastosowanie ultraczystej wody jako rozpuszczalnika w mokrych kąpielach trawiących i czyszczących.
- Chłodzenie:
- Wykorzystanie wody w systemach chłodzenia w procesach termicznych (np. dyfuzji lub spiekania).
Ważne parametry jakościowe
Przewodność:
- Reinstwasser weist eine extrem niedrige Leitfähigkeit auf (< 0,1 µS/cm). Idealerweise liegt die Leitfähigkeit bei 0,055 µS/cm (theoretischer Wert für vollständig deionisiertes Wasser bei 25 °C).
- Niska przewodność jest wskaźnikiem minimalnej zawartości rozpuszczonych soli i jonów.
Całkowity węgiel organiczny (TOC):
- Wartości TOC muszą być niższe niż 5 ppb, aby zminimalizować obecność związków organicznych.
- Substancje organiczne mogą osadzać się na płytkach krzemowych i zmniejszać wydajność ogniw słonecznych.
Cząsteczki:
- Partikelfreiheit ist entscheidend, da schon mikroskopische Partikel (< 0,1 µm) die Struktur der Wafer beschädigen können.
- Stężenie cząstek musi być bliskie zeru.
Bakterie i pirogeny:
- Bakterien müssen vollständig entfernt werden (< 1 KBE/mL).
- Pirogeny (pozostałości bakterii) nie mogą być obecne.
Bez jonów:
- Kationy (np. sód, potas) i aniony (np. chlorek, siarczan) muszą być prawie całkowicie usunięte, aby uniknąć korozji i reakcji chemicznych.
Krzemionka (SiO₂):
- Siliziumdioxid ist ein natürlicher Bestandteil vieler Wässer und muss vollständig entfernt werden (< 1 ppb), um Ablagerungen auf den Wafern zu vermeiden.
Zdjęcie: Nasz system odwróconej osmozy ALMA OSMO do produkcji wody demineralizowanej
Proces produkcji wody ultraczystej
Ultraczysta woda jest produkowana przy użyciu kombinacji fizycznych i chemicznych procesów uzdatniania. Osiągnięcie pożądanych standardów czystości wymaga kilku etapów.
1. obróbka wstępna
Oczyszczanie wstępne przygotowuje wodę surową (np. wodę pitną lub wodę powierzchniową) poprzez usunięcie gruboziarnistych zanieczyszczeń.
Filtr z piaskiem i węglem aktywnym:
- Usuwanie zawiesiny ciał stałych, osadów i materii organicznej.
- Redukcja chloru i innych środków utleniających, które mogłyby uszkodzić membrany.
System wody miękkiej (wymiana jonowa):
- Redukuje substancje tworzące twardość, takie jak wapń (Ca²⁺) i magnez (Mg²⁺), aby zapobiec osadzaniu się kamienia na membranach i w wymiennikach ciepła.
2. odwrócona osmoza (RO)
Odwrócona osmoza odgrywa kluczową rolę w usuwaniu rozpuszczonych substancji i cząstek.
- Usuwa do 99% rozpuszczonych soli, substancji organicznych i cząstek stałych.
- Zmniejszenie przewodności do 1-10 µS/cm.
- Zdolność zatrzymywania również mikroorganizmów i koloidów.
3. elektrodejonizacja (EDI)
EDI łączy żywice jonowymienne z napięciem elektrycznym w celu usunięcia pozostałych jonów.
- Całkowita demineralizacja wody.
- Senkung der Leitfähigkeit auf < 0,1 µS/cm.
4. dokładna filtracja i polerowanie
Na ostatnim etapie woda jest doprowadzana do wymaganej czystości poprzez dalsze etapy filtracji i oczyszczania.
Wymieniacze jonowe (żywice ze złożem mieszanym):
- Selektywne usuwanie pozostałości kationów i anionów.
- Precyzyjna regulacja przewodności.
- Wykorzystanie światła UV (185 nm i 254 nm) do niszczenia substancji organicznych i mikroorganizmów.
- Podział TOC na CO₂, który można łatwo usunąć.
Zdjęcie: Nasza odwrócona osmoza ALMA OSMO ze zmiękczaniem i EDI do produkcji ultraczystej wody (dla małych przepływów wody)
Oczyszczanie ścieków w produkcji ogniw słonecznych: neutralizacja, strącanie i flokulacja
Oczyszczanie ścieków w produkcji ogniw słonecznych jest niezbędnym procesem w celu zapewnienia zgodności z ograniczeniami prawnymi i usuwania zanieczyszczeń z silnie zanieczyszczonych ścieków. W szczególności, procesy neutralizacja neutralizacji i wytrącania i flokulacji w systemach CP ponieważ technologie te mogą skutecznie usuwać zanieczyszczenia nieorganiczne i organiczne, takie jak kwasy, zasady, metale ciężkie i zawieszone ciała stałe.
Główne zanieczyszczenia w ściekach
- Metale ciężkie:
- Pozostałości past metalicznych (np. srebro, aluminium).
- Kwasy i zasady:
- Wysokie stężenie fluorków, azotanów, fosforanów i wodorotlenków pochodzących z procesów trawienia i czyszczenia.
- Ciała stałe i osady:
- Cząsteczki z przetwarzania krzemu.
- Substancje organiczne:
- Pozostałości rozpuszczalników lub past.
1. neutralizacja
Funkcja i cel
Neutralizacja jest pierwszym etapem oczyszczania, w którym wartość pH ścieków jest dostosowywana do neutralnego zakresu (6,5-8,5). Jest to konieczne, ponieważ ścieki z produkcji ogniw słonecznych często mają bardzo zmienne wartości pH:
- Ścieki kwaśne: Generowane przez użycie kwasu siarkowego (H₂SO₄) lub kwasu solnego (HCl) w procesach czyszczenia i trawienia.
- Ścieki alkaliczne: powstają w wyniku procesów, w których stosowany jest wodorotlenek potasu (KOH) lub soda kaustyczna (NaOH).
Realizacja techniczna
Neutralizacja odbywa się w specjalnych systemach neutralizacji lub systemach sterowanych reaktorami, które są wyposażone w urządzenia do pomiaru pH. Proces składa się z następujących etapów:
Pomiar wartości pH:
- Ciągłe monitorowanie wartości pH za pomocą wbudowanych czujników w celu zapewnienia precyzyjnej kontroli dodawania chemikaliów.
Dodawanie substancji chemicznych:
- Kwaśne ścieki są neutralizowane alkaliami, takimi jak soda kaustyczna (NaOH) lub mleko wapienne (Ca(OH)₂).
- Ścieki alkaliczne są oczyszczane za pomocą kwasów, takich jak kwas siarkowy (H₂SO₄) lub dwutlenek węgla (CO₂).
Homogenizacja:
- Mieszadła lub pompy recyrkulacyjne zapewniają równomierne mieszanie chemikaliów i pełną reakcję w zbiorniku neutralizacyjnym.
Test końcowy:
- Po neutralizacji wartość pH jest mierzona ponownie, aby upewnić się, że woda osiągnęła wartość docelową.
Zalety neutralizacji
- Zgodność z wymogami prawnymi: Ścieki mogą być odprowadzane do zbiorników wodnych tylko w określonym zakresie pH.
2. wytrącanie i flokulacja w zakładach CP
Funkcja i cel
Wytrącanie i flokulacja w systemach CP to proces fizykochemiczny stosowany do usuwania rozpuszczonych substancji, w szczególności metali ciężkich, fluorków i fosforanów. Proces ten opiera się na dodawaniu środków strącających i flokulantów, które chemicznie wiążą niepożądane związki i powodują ich wytrącanie się w postaci ciał stałych (kłaczków).
Realizacja techniczna
Wytrącanie i flokulacja odbywają się w specjalnie zaprojektowanych zbiornikach reakcyjnych z kilkoma etapami w celu optymalizacji tworzenia i oddzielania kłaczków. Proces składa się z następujących etapów:
Dawkowanie środków strącających:
- Typowymi czynnikami wywołującymi są
- Chlorek żelaza(III) (FeCl₃) lub siarczan glinu (Al₂(SO₄)₃) do wytrącania fosforanów i fluorków.
- Mleko wapienne (Ca(OH)₂) do wytrącania metali ciężkich (np. niklu, miedzi, cynku) w postaci wodorotlenków.
- Typowymi czynnikami wywołującymi są
Dodanie flokulantów:
- Polimery lub flokulanty organiczne są dodawane w celu połączenia powstałych produktów strącania w większe, stabilne kłaczki.
- Poprawia to sedymentację i ułatwia mechaniczne oddzielanie kłaczków.
Czas reakcji:
- Mieszanina pozostaje w naczyniu reakcyjnym przez kilka minut, aby zapewnić całkowitą reakcję chemiczną i tworzenie się kłaczków.
Sedymentacja:
- Powstałe kłaczki osadzają się w zbiorniku sedymentacyjnym i są usuwane jako osad.
Traktowane substancje i reakcje
- Metale ciężkie:
- Przekształcony w nierozpuszczalne wodorotlenki przez wytrącanie wodorotlenku.
- Fluorki:
- Tworzenie trudno rozpuszczalnego fluorku wapnia (CaF₂) poprzez dodanie mleka wapiennego.
- Fosforany:
- Wytrącanie w postaci słabo rozpuszczalnego fosforanu glinu lub żelaza.
Optymalizacja poprzez kontrolę wartości pH
Skuteczność wytrącania zależy w dużej mierze od wartości pH:
- Wytrącanie wodorotlenku: Optymalne przy pH 8-10.
- Wytrącanie fluorków: Optymalne przy pH 6-7.
- Wytrącanie fosforanów: Optymalne przy pH 6,5-8.
Zalety wytrącania i flokulacji
- Skuteczne usuwanie zanieczyszczeń: Nadaje się do rozpuszczonych substancji, których nie można usunąć metodami czysto fizycznymi.
- Elastyczność: Możliwość dostosowania do różnych składów ścieków poprzez wybór chemikaliów.
- Możliwość łączenia: Procesy niższego szczebla, takie jak filtracja, mogą dodatkowo zwiększyć wydajność.
Zdjęcie: Nasz system CP ALMA CHEM MCW wraz z odwadnianiem osadu za pomocą komorowej prasy filtracyjnej
Wyzwania w technologii wodno-ściekowej
- Wysoka jakość wody:
- Produkcja UPW wymaga złożonych technologii, takich jak odwrócona osmoza i utlenianie UV.
- Zmienny skład ścieków:
- Mieszanie różnych ścieków procesowych stawia wysokie wymagania przed oczyszczalniami ścieków.
- Utylizacja przyjazna dla środowiska:
- Zapewnienie właściwej utylizacji pozostałości chemicznych i osadów.
Wnioski
Produkcja ogniw słonecznych stawia najwyższe wymagania w zakresie uzdatniania wody i oczyszczania ścieków, ponieważ procesy te wymagają zarówno wyjątkowo czystej wody, jak i generują złożone ścieki. Ultraczysta woda (UPW) jest niezbędna do zapewnienia precyzji i wydajności etapów produkcji. Jej produkcja wymaga połączenia najnowocześniejszych technologii, takich jak odwrócona osmoza, elektrodejonizacja i utlenianie UV w celu niemal całkowitego wyeliminowania zanieczyszczeń. Surowe wymagania jakościowe - w tym minimalna przewodność, brak cząstek i usuwanie pozostałości organicznych - zapewniają produkcję wysokowydajnych i trwałych ogniw słonecznych.
Z drugiej strony, podczas produkcji powstają silnie zanieczyszczone ścieki, które muszą być starannie oczyszczane w celu zapewnienia zgodności z przepisami dotyczącymi ochrony środowiska i optymalizacji wykorzystania zasobów. Procesy takie jak neutralizacja i wytrącanie/flokulacja odgrywają tutaj kluczową rolę, ponieważ skutecznie usuwają zanieczyszczenia, takie jak kwasy, zasady, metale ciężkie, fluorki i fosforany. Zharmonizowane połączenie tych procesów zapewnia spełnienie wszystkich wymogów środowiskowych dotyczących odprowadzania ścieków do publicznego systemu kanalizacyjnego.
Aby uzyskać więcej informacji na temat naszych produktów, prosimy skontaktować się z nami w dowolnym momencie!
