DE102009022575A1 - Verwendung von Alumosilikatgläsern als Substratgläser für die Photovoltaik - Google Patents
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Abstract
Verwendung eines Alumosilikatglases als Substratglas für die Photovoltaik mit einer Glaszusammensetzung, die Bor-frei oder Bor-arm ist und bei der - bezogen auf die Oxidbasis der Glaszusammensetzung in Mol-% - der Al0-Gehalt größer ist als der Alkaligehalt R0.
Description
- Die Erfindung betrifft die Verwendung von Alumosilikatgläsern, insbesondere auf Basis von mineralischen Reststoffen als Substratgläser für die Photovoltaik, insbesondere für die Dünnschichttechnologie bzw. Dünnschichtzellen.
- Eine entscheidende Bedeutung für die Photovoltaikindustrie besitzt die Frage der Ökonomie, da mit einem verbesserten Preis-Leistungsverhältnis die Durchsetzungs- und Durchdringungsgeschwindigkeit dieser neuen Technologie definiert wird. Hierbei spielen sowohl die Herstellungskosten als auch die Ausbeuten eine wesentliche Rolle. An beiden Problemen kann von Seiten des Werkstoffs Glas eine wesentliche Unterstützung geleistet werden. In bisherigen Projekten (Glasing; Herstellung und Heiß-Kantenveredelung für die energieeffiziente Herstellung von Flachglas für die Solarindustrie) wird daran gearbeitet, die durchschnittlichen Herstellungskosten für einen Quadratmeter Glas auf insgesamt ein Drittel zu reduzieren. Hierzu werden verschiedene Ansätze kombiniert:
Herstellung von deutlich dünnerem, thermisch gehärteten Glas, Ersatz der Floatglastechnologie durch modifizierte Walzglastechnologie sowie Kombination der Formgebung, der Glaskonfektionierung und Kantenbearbeitung im Zustand oberhalb der Transformationstemperatur und die sich daran direkt anschließende Oberflächenveredelung und kombinierte thermische Härtung mit erheblichen Herstellungs- und Logistikkosteneinsparungen. Werden heute im Dünnschichtbereich der PV-Industrie noch bis zu über 15% der Kosten durch das veredelte Glas definiert, so wird dies bei einer Modulpreissenkung auf ein Drittel, um Netzparität in wenigen Jahren zu erreichen, auf über 50% Glaskostenanteil ansteigen bei unveränderter heutiger Technologie. - Die
WO 2008/028599 A1 - Die
DE 699 02 839 T2 (ASAHI) beschreibt ein Flach- und Substratglas für die Elektronik mit hoher thermischer Beständigkeit und einem gewöhnlichen Natronkalkglas vergleichbaren Ausdehnungskoeffizienten. Dieses Glas enthält 0,5–5 Mol-% B2O3, 50–75 Mol-% SiO2, 4–20 Mol-% Al2O3, 0–0,8 Mol-% BaO und 0–13 Mol-% Alkalien R2O. - Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, Substratgläser für die Photovoltaik anzugeben, die maßgeblich aus mineralischen Reststoffen herstellbar sind und auch die Wiederverwertung verbrauchter Dünnschichtsolarzellenmodule erlauben.
- Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Verwendung eines Alumosilikatglases als Substratglas für die Photovoltaik gelöst, das Bor-frei oder Bor-arm ist und bei dem, bezogen auf die Oxidbasis der Glaszusammensetzung in Mol-%, der Al2O3-Gehalt größer ist als der Alkaligehalt R2O.
- Die erfindungsgemäßen Alumosilikatgläser haben eine Transformationstemperatur von 580°C–850°C, vorzugsweise zwischen 600°C–720°C.
- Der Gesamtalkaliengehalt der erfindungsgemäßen Alumosilikatgläser beträgt 0,1–20 Mol-%, vorzugsweise 3–9 Mol-%. Der Al2O3-Gehalt der erfindungsgemäßen Alkalialumosilikatgläser ist größer 10 Mol-% und beträgt maximal 30 Mol-%.
- Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden Substratgläser mit folgender Zusammensetzung (in Gew.-% auf Oxidbasis) verwendet:
SiO2 30–80
Al2O3 10–30
B2O3 0–0,5
Fe2O3 0–10
BaO 0–0,5
CaO 10–20
MgO 0–5
MnO 0–1
P2O5 0–1
TiO2 0–2
R2O 3–9. - Die erfindungsgemäßen Gläser können ganz oder teilweise aus mineralischen Reststoffen gewonnen werden, z. B. aus den Rückständen von Müllverbrennungsanlagen, Filterstäuben, Schlacken der Metallherstellung, wobei hier ein zusätzlicher Effekt darin gesehen werden kann, dass auch der Energieinhalt verwendet werden kann, da dem Schmelzprozess flüssige Schlacken von gut 1.300°C zugefügt werden können.
- Weiter sind Reste aus dem Glasrecycling, Natronlauge aus chemischen Prozessen und zerkleinerte, wieder aufzubereitende ganze Photovoltaikmodule einsetzbar. Auch ist es möglich, komplette Module oder Modulteile als Quelle mineralischer Reststoffe der Glasschmelze zuzuführen. Möglich ist es auch, nichttransparente Alumosilikatgläser zu verwenden. Damit können auch Restgläser oder Restglasabfälle verwendet werden, die färbende Oxidanteile enthalten.
- Erfindungsgemäß werden Alumosilikatgläser verwendet, die, bezogen auf die Oxidbasis der Glaszusammensetzung in Mol-%, einen Aluminiumgehalt besitzen, der über dem Alkaliengehalt liegt. Durch die damit definierten 4er- und 6er-Koordination des Sauerstoffs zum Aluminium werden zusammen mit der festen Einbindung der Alkalien Eigenschaften definiert, die die Halbleitertechnologie im Dünnschichtbereich der Photovoltaik substantiell beeinflussen können. Hierzu gehören die deutlich reduzierte Alkalienmobilität und die möglichen erheblich erhöhten Transformationstemperaturen (z. B. 696°C gegenüber 560°C von üblichem Floatglas im Vergleich zu Kalk-Natron-Silikatglas).
- Besonders bevorzugt verwendet werden Alumoalkali-Silikatgläser mit einer hohen Transformationstemperatur im Bereich von 680°C bis 710°C und einem niedrigen Alkaligehalt R2O von 3–5 Mol-% bezogen auf die Oxidbasis.
- Für die PV-Dünnschichtindustrie ergeben die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Alumosilikatgläser erhebliche Optimierungsmöglichkeiten für ihre Prozesse. So lassen sich bei den nun möglichen höheren Prozesstemperaturen erhöhte Sputterraten mit einer höheren elektrischen Ausbeute der Module realisieren. Erreicht wird eine erhöhte Produktivität in Kombination mit höheren Wirkungsgraden. Auch lassen sich darüber hinaus noch weitere Kosteneinsparungen im Bereich der Glasherstellung realisieren. Zwar werden die Schmelzkosten ansteigen, da aber die Rohstoffe aus industriellen Reststoffen gewonnen werden können, fallen nicht nur die Rohstoffkosten komplett weg, es können sogar noch Entsorgungskosten als aktiver Beitrag eingespielt werden.
- Da diese Gläser immer einen höheren Eisengehalt haben werden, werden sie als Schwarzgläser bezeichnet. Zur Kostenoptimierung kann darüber hinaus gerade für die Dünnschichttechnologie ein sehr kostengünstiger Recyclingpfad aufgebaut werden, da die Module komplett als Glasmaterial wiederverwertet und eingeschmolzen werden können, zumal sich auch problematische Halbleitermaterialien risikolos in die Glasmatrix bei der Herstellung der Substratgläser einbauen lassen. Auch die Möglichkeit, teilweise flüssige Schlacken mit Temperaturen bis 1.300°C der Glasschmelze im Prozess zuzuführen, senkt die sehr hohen Energiekosten, die im Flachglasbereich bis zu 30% der Gesamtkosten betragen können.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher beschrieben.
- Ausführungsbeispiel 1:
- Aus Restglasabfällen, z. B. aus den Rückständen von Müllverbrennungsanlagen, Filterstäuben, Schlacken der Metallherstellung, Reste aus dem Glasrecycling, Natronlauge aus chemischen Prozessen und zerkleinerte wieder aufzubereitende ganze Photovoltaikmodule wurden in einem Kanthaloofen bei 1.500°C Gläser mit den in Tab. 1 aufgeführten Zusammensetzung geschmolzen. Tab. 2 zeigt ausgewählte Eigenschaften (Ausdehnungskoeffizient α, Transformationstemperatur Tg, Dichte ρ und Liquidustemperatur TLiq) weiterer Proben. Tabelle 1: Chemische Zusammensetzung der Proben in Masse%
Oxide/Probe 1 2 3 4 5 SiO2 52,36 44,41 41,22 38,16 34,85 Al2O3 13,95 15,15 15,67 16,46 16,07 Fe2O3 2,34 5,00 6,81 8,20 8,00 FeO 5,54 4,81 2,41 0,52 0,11 TiO2 1,14 1,29 1,38 1,21 1,10 CaO 14,61 17,88 16,63 15,44 14,09 MgO 2,11 2,63 2,37 2,34 2,15 K2O 0,91 1,11 0,99 0,92 0,87 Na2O 4,90 5,06 9,90 14,74 20,21 MnO 0,78 0,98 0,90 0,84 0,78 P2O5 0,14 0,19 0,25 0,13 0,13 SO3 n. n. b n. n. b. 0,022 0,065 0,093 CdO 0,33 0,30 0,22 0,09 0,03 PbO 0,45 0,43 0,41 0,37 0,33 Cr2O3 0,47 0,64 0,46 0,64 0,82 Summe 100,03 99,89 99,64 100,12 99,63 Tg 636 674 
- Ausführungsbeispiel 2:
- Die Anwendung der CIS-Dünnschichttechnologie ist auf Grund der Transformationstemperatur des verwendeten Floatglases gegenwärtig auf etwa 550°C mit dem Sputtern der Halbleitermaterialien begrenzt, wobei sich damit auch bestimmte Kristallgrößen und damit elektrische Wirkungsgrade ergeben.
- Diese Prozesstemperaturen lassen sich mit der erfindungsgemäßen Verwendung der Alumosilikatgläser auf 700°C und, je nach Glaszusammensetzung, sogar darüber erhöhen, womit sich völlig neue Prozessmöglichkeiten und Prozessfenster ergeben
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- - WO 2008/028599 A1 [0003]
- - DE 69902839 T2 [0004]
Claims (8)
- Verwendung eines Alumosilikatglases als Substratglas für die Photovoltaik, gekennzeichnet durch eine Glaszusammensetzung, die Bor-frei oder Bor-arm ist und bei der – bezogen auf die Oxidbasis der Glaszusammensetzung in Mol-% – der Al2O3-Gehalt größer ist als der Alkaligehalt R2O.
- Verwendung eines Alumosilikatglases nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Alumosilikatglas eine Transformationstemperatur von 580°C–850°C aufweist.
- Verwendung eines Alumosilikatglases nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Alumosilikatglas eine Transformationstemperatur von 600°C–720°C aufweist.
- Verwendung eines Alumosilikatglases nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Alkaliengehalt R2O 0,1–20 Mol-% beträgt.
- Verwendung eines Alumosilikatglases nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Alkaliengehalt 3–9 Mol-% beträgt.
- Verwendung eines Alumosilikatglases nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Alumosilikatglas folgende Zusammensetzung (in Gew.-%) aufweist: SiO2 30–80 Al2O3 10–30 B2O3 0–0,5 Fe2O3 0–10 BaO 0–0,5 CaO 10–20 MgO 0–5 MnO 0–1 P2O5 0–1 TiO2 0–2 R2O 3–9.
- Verwendung eines Alumosilikatglases nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Alumosilikatglas vollständig oder partiell aus mineralischen Reststoffen, insbesondere aus Rückständen von Müllverbrennungsanlagen, Filterstäuben oder Schlacken der Metallherstellung, gewonnen wird.
- Verwendung eines Alumosilikatglases nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Alumosilikatglas vollständig oder partiell aus recyceltem Glas, Natronlauge aus chemischen Prozessen oder zerkleinerten Photovoltaikmodulen gewonnen wird.
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2010
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