Trasformare gli scarti... in oro Un'azienda norvegese ... - PHOTON

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Ricerca e tecnologia Riciclaggio
Nessuna impresa può permettersi
di produrre grandi quantità di scarti
che non generano guadagno agli
stessi costi della merce destinata
alla vendita. Ecco perché i sistemi
che consentono di ridurli valgono
sempre oro. L’azienda norvegese ITS
Innotech Solar si è posta l’obiettivo
di riparare le celle scartate, in modo
da poterle impiegare in moduli di
buona qualità.
Shunt» è una parola che non piace ai
produttori di celle fotovoltaiche, che
non parlano volentieri del difetto che si
presenta nei loro prodotti; esso, infatti,
riduce l’efficienza di una certa quota di
celle a tal punto da renderle inutilizzabili
per il produttore. Spesso le scarse prestazioni
delle celle con shunt sono dovute
ad aree in cui si forma accidentalmente
un contatto tra l’emettitore e la base,
provocando un cortocircuito. La corrente
generata scorre così direttamente da
una parte all’altra della cella, invece di
passare per il circuito elettrico in cui è
installato l’inverter. Le celle di qualità inferiore
sono state finora vendute perlopiù
per pochi soldi in Asia, e rientravano sul
mercato sotto forma di lampade solari,
giocattoli a energia solare o moduli per
sistemi a isola.
Ora però c’è un altro acquirente per
questi prodotti di scarto: dall’autunno
scorso la norvegese ITS Innotech Solar
AS impiega un processo che trasforma la
merce di seconda scelta in celle potenti di
prima categoria, che possono comunque
essere impiegate nella produzione di moduli
di alta qualità. L’azienda prima indi-
ITS Innotech Solar
Trasformare gli
scarti... in oro
Un’azienda norvegese ripara celle di scarto
con un trattamento laser
A volte, meno è meglio: ITS Innotech Solar separa un’area in cortocircuito dal resto della cella tramite «laser scri-
bing». In questo modo la sua potenza aumenta drasticamente.
vidua gli shunt e poi li ripara con un laser
(si veda il grafico). La società, fondata
solo nel 2008 da operatori di capitali di
rischio, ha lavorato a questo metodo per
due anni. L’amministratore delegato Thor
Christian Tuv intende sfruttare così l’ultima
nicchia di mercato della filiera del fotovoltaico:
«Il nostro obiettivo è sfruttare
il 100 per cento del materiale, in modo
che l’industria fotovoltaica possa mantenere
le proprie promesse e rappresentare
veramente una soluzione sostenibile per
il futuro». L’azienda punta a diventare addirittura
leader di mercato nel segmento
del riciclaggio degli scarti, aggiunge Robert
Händel, il direttore dei settori Vendite
e Marketing di Innotech.
La sicurezza dei norvegesi si basa su
un principio che a prima vista sembra
molto semplice: alla cella difettosa viene
applicata una certa tensione. In corrispondenza
degli shunt, la tensione determina
un riscaldamento locale della
superficie della cella. Una fotocamera a
infrarossi localizza gli shunt e trasmette
l’immagine a un sistema informatico che
individua la posizione esatta del punto
difettoso. In base a questa informazione,
il sistema attiva un potente laser che incide
un solco intorno all’area dello shunt.
In questo modo il difetto viene isolato
elettricamente dalla parte «sana» della
cella e si trasforma in un’isola sulla superficie
della cella.
Il procedimento somiglia a quello già
collaudato per isolare i bordi delle celle
cristalline. Non per niente, però, gli sviluppatori
hanno dovuto investire due
anni per avere il controllo del processo.
«Ci sono molte difficoltà nei dettagli e
bisogna prestare molta attenzione a non
provocare altri danni tramite il laser scribing.
Ad esempio, applichiamo il laser a
materiali differenti e le celle possono avere
spessori diversi», spiega Händel. Perciò,
per gli scarti di produttori diversi sono stati
sviluppati programmi che permettono
un adattamento relativamente rapido
dell’impianto di Innotech ai diversi tipi
di celle. Né Händel né Tuv, però, hanno
voluto fornire altri dettagli a riguardo.
Thorsten Trupke, dell’azienda australiana
BT Imaging Pty Ltd., conferma che
il principio alla base del processo funziona.
All’Università del Nuovo Galles
del Sud a Sydney il ricercatore si è anche
PHOTON Agosto 2010

Il funzionamento dell’isolamento degli shunt di ITS Innotech Solar AS
Preselezione delle celle
Al momento vengono trattati
solo gli shunt puntiformi, quelli
estesi vengono scartati.
Procedimento termico
Per individuare il punto di origine
dei difetti, viene applicata una tensione
per un breve periodo. In questo modo in
corrispondenza degli shunt aumenta il flusso
di corrente e si genera calore, che può quindi
essere rilevato tramite una fotocamera a infrarossi.
Shunt
Taglio laser
Piste conduttrici
Laser scribing
In questa fase centrale del processo, un
laser incide un solco intorno agli shunt e li
separa così elettricamente dal resto della cella.
Misurazioni finali
Sulle celle trattate vengono
eseguite di nuovo le misurazioni.
Una seconda immagine termica
permette di confrontare la cella prima
e dopo il trattamento. Infine i prodotti sono
classificati per tensione e qualità ottica.
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Grafica: Udo Rohnke / PHOTON
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dedicato in modo intensivo all’isolamento
degli shunt. In laboratorio con il suo
team è riuscito a portare l’efficienza di
una cella industriale fortemente compromessa
da shunt dal 9,6 per cento al 13,3
per cento. Per ottenere questo vantaggio,
circa il 3,5 per cento della superficie della
cella è stato disattivato tramite laser.
Come sottolineato dai ricercatori, la perdita
di superficie però è accompagnata da
una corrente di cortocircuito complessivamente
più bassa. «Tutto ciò funziona
molto bene nelle celle fotovoltaiche che
presentano due o tre singoli shunt molto
forti», afferma Trupke. Questo, a suo avviso,
è anche il limite di questo metodo.
Infatti, è difficile pronosticare quale sia
normalmente la percentuale delle celle
adatte negli scarti di produzione. Tutto
dipende dai wafer impiegati e dal processo
di produzione. Esperti di mercato stimano
che in una produzione moderna
meno dell’uno per cento delle celle rientrino
nella categoria dei tre shunt.
Avviata produzione da 35 megawatt
Innotech invece è più ottimista. Secondo
il direttore del settore Vendite Händel,
dal tre al cinque per cento delle celle
prodotte sono di seconda categoria, la
maggior parte a causa degli shunt. Considerando
il mercato mondiale di circa dodici
gigawatt di potenza di celle nel 2009,
esistono potenzialmente dai 360 ai 600
megawatt di celle che vale la pena salvare.
Dalla fine dell’anno scorso nella cittadina
norvegese di Narvik, a nord del circolo
polare artico, l’azienda gestisce con 30
dipendenti una linea completamente automatica
da 35 megawatt. L’impianto è in
grado di trattare 1.200 celle all’ora. Nella
maggior parte dei casi il problema è costituito
da shunt puntiformi, afferma Händel.
Diversamente dalle prove in laboratorio
di Trupke, dopo il trattamento non
è rilevabile nessuna perdita della potenza
rispetto alle celle convenzionali. Sembra
quindi che Innotech riesca a circoscrivere
in modo molto preciso gli shunt.
Un’altra possibilità è che Innotech si
limiti fin dall’inizio a lavorare esclusivamente
le celle con un solo shunt. L’area
isolata con il laser, secondo le indicazioni
dell’azienda, rappresenta meno dello 0,05
per cento della superficie delle celle ed è
quasi impercettibile a occhio nudo. Innotech
conferma che questo criterio limita
la quantità delle celle utilizzabili nel procedimento.
Evidentemente, però, le celle
sono più che sufficienti; secondo Händel,
l’azienda produce al limite delle sue ca-

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Ricerca e tecnologia ıı
La misurazione delle celle lavorate. L’impianto da 35 megawatt a Narvik funziona in modo completamente auto-
matizzato.
pacità. Quest’estate, inoltre, nella seconda
fase di sviluppo a Narvik sarà aggiunta
una capacità di oltre 60 megawatt. Oltre a
questo è prevista la realizzazione di uno
stabilimento produttivo a Halle (Germania).
In futuro vi dovrebbero essere occupati
160 dipendenti ed essere impiegate
anche procedure per la riparazione di
shunt estesi e di altri difetti. Tali procedure
attualmente vengono testate a Narvik.
Insediandosi nella Germania orientale,
Innotech intende avvicinarsi ai produttori
di celle che mostrano interesse
nell’offerta della possibilità di riciclag-
Shunt nelle celle fotovoltaiche
Nel settore fotovoltaico, con «shunt» – in italiano
«deviazione» o «derivazione» – s’intende un punto
o un’area di una cella che presenta una resistenza
elettrica notevolmente inferiore tra gli strati conduttori
rispetto al resto della cella. Nella maggior parte
dei casi la dimensione di questi punti è nell’ordine
di micrometri ma, a causa delle caratteristiche conduttive
dell’emettitore e dei contatti metallici, essi
possono sviluppare un notevole effetto laterale. Le
conseguenze di questi cortocircuiti sono perdite di
efficienza e un rischio maggiore che si formino
«hot spot». Gli shunt possono essere conseguenza
del processo, ad esempio per il surriscaldamento
nell’applicazione dei contatti metallici, oppure del
materiale, quando sono presenti impurità già nella
massa fusa di silicio. Spesso queste si accumulano
lungo la superficie del lingotto formando inclusioni
ad alta conducibilità, che poi attraversano il futuro
wafer per l’intera lunghezza. Questo fenomeno
si verifica più spesso nel silicio policristallino rispetto
a quello monocristallino. Anche il silicio di
gio. Con Bosch Solar Energy AG è già stato
siglato un contratto di fornitura pluriennale
per le celle di scarto. Tuttavia,
come fanno sapere da Bosch, Innotech
non è l’unica azienda a cui verrà venduta
la merce di scarto. Anche Q-Cells SE
riferisce di un forte interesse per le celle
di seconda scelta. Non tutti i produttori
di celle, però, vendono i prodotti di
scarsa qualità. Deutsche Cell GmbH, ad
esempio, si occupa essa stessa della loro
trasformazione, tagliando completamente
le aree danneggiate. Anche la società
affiliata di Solarworld si è occupata
Una termografia di una cella con shunt prima e dopo
la riparazione. Gli shunt sono una delle principali
causa degli hot spot.
grado metallurgico UMG è piuttosto soggetto agli
shunt. Rilevare la presenza di shunt nelle celle è
relativamente semplice osservando la forma della
curva caratteristica e il comportamento a bassa
intensità. In linea di principio, però, tutte le celle
hanno aree con resistenze di shunt differenti. La
questione è dove i produttori decidono di porre il
limite di rischio, il che si ripercuote soprattutto sul
comportamento delle celle in condizioni di basso
irraggiamento. ab
ITS Innotech Solar
ITS Innotech Solar
dell’isolamento degli shunt, ma ha deciso
di abbandonare l’intento per motivi
economici, come fanno sapere dal reparto
Controllo della Qualità. Da un lato le
quantità prodotte internamente sarebbero
insufficienti, dall’altro, a seconda
del prezzo del silicio o dei wafer, sarebbe
in alcuni casi più vantaggioso separare i
materiali e venderli, oppure reintrodurli
nel proprio processo produttivo. Infine,
portando il processo di isolamento
a livello industriale, c’è il rischio che in
futuro nei moduli realizzati con celle riparate
emergano difetti dovuti a shunt
non rilevati o non sufficientemente isolati,
fanno sapere da Deutsche Cell.
Nicchia di mercato a prezzi cinesi
Händel risponde in modo deciso ai
dubbi avanzati sulla stabilità a lungo termine.
Il controllo della qualità eseguito
sui moduli prodotti dai partner OEM
con le celle di Innotech supera gli standard
TÜV e CEI. Ormai la serie di moduli
policristallini di Innotech dispone delle
certificazioni CEI 61215 e 61730. Stando
alle indicazioni dell’azienda, ne sono stati
venduti già 18 megawatt. La società di
progettazione di Monaco di Baviera Green
City Energy GmbH, ad esempio, ha realizzato
con questi prodotti un impianto sul
tetto dello stabilimento Audi a Ingolstadt.
Oltre alla produzione sostenibile per le risorse,
i moduli sono interessanti anche per
l’«ottimo rapporto qualità/prezzo», fanno
sapere. Stando a quanto dichiarato da
Händel, l’azienda occupa «il fondo della
classifica dei prezzi» sia in Europa sia rispetto
ai maggiori produttori asiatici. Il direttore
Marketing, però, non rivela alcuna
cifra. Tuttavia, se le sue affermazioni sono
corrette, i prezzi dei suoi moduli fabbricati
in Asia dovrebbero attestarsi intorno a
1,20 euro per watt, circa il 30 per cento in
meno di un modulo europeo.
Probabilmente questo prezzo permette
a Innotech anche di avere un buon
margine di profitto: secondo gli esperti
del settore, i produttori di celle vendono
i loro prodotti di scarto a un prezzo più
o meno equivalente al costo del silicio
che contengono. Al momento, questo si
attesta a circa 30 centesimi di euro per
watt. Sottraendo agli 1,20 euro anche 50
centesimi per la produzione dei moduli
(una cifra sufficiente anche per parecchi
produttori tedeschi), a Innotech rimangono
40 centesimi per watt da spendere
per il riciclaggio. Si tratta del doppio o
del triplo di quanto necessario per il laser
scribing. Andreas Beneking
PHOTON Agosto 2010