DE102009022575A1 - Use of aluminosilicate glasses as substrate glasses for photovoltaics - 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.Use of an aluminosilicate glass as a substrate glass for photovoltaics with a glass composition which is boron-free or boron-poor and in which - based on the oxide base of the glass composition in mol% - the Al0 content is greater than the alkali content 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.The Invention relates to the use of aluminosilicate glasses, in particular based on mineral residues as substrate glasses for photovoltaics, in particular for thin-film technology or thin-film cells.
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.Crucial to the photovoltaic industry is the question of economics, as the price-performance ratio is better defined as the penetration and penetration rate of this new technology. Here, both the production costs and the yields play an essential role. Both problems can be significantly supported by the material glass. In previous projects (glassing, production and hot-edge finishing for the energy-efficient production of flat glass for the solar industry) work is underway to reduce the average production costs for a square meter of glass to a total of one-third. For this purpose different approaches are combined:
Production of significantly thinner, thermally tempered glass, replacement of the float glass technology by modified rolled glass technology and combination of shaping, glass fabrication and edge processing in the state above the transformation temperature and the subsequent surface finishing and combined thermal curing with significant manufacturing and logistics cost savings. Defined as up to more than 15% of the cost of refined glass in the thin-film sector of the PV industry today, this will increase to more than 50% of the glass cost share with unchanged technology today, with one-third module price reduction to achieve grid parity within a few years ,
Die
Die
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.It is therefore an object of the invention, substrate glasses for indicate the photovoltaic, which is essentially mineral Residues are produced and also the recycling spent Allow thin-film solar cell modules.
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.According to the invention, the object is achieved by using an aluminosilicate glass as the substrate glass for the photovoltaic, which is boron-free or boron-poor and in which, based on the oxide base of the glass composition in mol%, the Al 2 O 3 content is greater than the alkali content R 2 O.
Die erfindungsgemäßen Alumosilikatgläser haben eine Transformationstemperatur von 580°C–850°C, vorzugsweise zwischen 600°C–720°C.The aluminosilicate glasses according to the invention have a transformation temperature of 580 ° C-850 ° C, preferably between 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-%.The total alkali content of the aluminosilicate glasses according to the invention is 0.1-20 mol%, preferably 3-9 mol%. The Al 2 O 3 content of the alkali aluminosilicate glasses according to the invention is greater than 10 mol% and is at most 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.According to an advantageous embodiment of the invention, substrate glasses having the following composition (in% by weight based on oxide) are used:
SiO 2 30-80
Al 2 O 3 10-30
B 2 O 3 0-0.5
Fe 2 O 3 0-10
BaO 0-0.5
CaO 10-20
MgO 0-5
MnO 0-1
P 2 O 5 0-1
TiO 2 0-2
R 2 O 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.The glasses according to the invention can wholly or partly obtained from mineral residues, z. B. from the residues of waste incineration plants, Filter dusts, slags of metal production, being here an additional effect can be seen in that Also, the energy content can be used as the melting process liquid slags of well 1,300 ° C added can be.
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.Further are residues from glass recycling, caustic soda from chemical processes and crushed, reprocessed whole photovoltaic modules used. It is also possible to have complete modules or module parts supplied as a source of mineral residues of the molten glass. It is also possible, non-transparent aluminosilicate glasses to use. This can also be used with residual glasses or Residual glass waste can be used, the coloring Contain oxide.
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).According to the invention Alumosilikatgläser used, based on the oxide base the glass composition in mol%, have an aluminum content, which is above the alkali content. By the thus defined 4 and 6 coordination of oxygen to aluminum are combined defined with the solid incorporation of the alkalis properties, the semiconductor technology in the thin film area of the Can substantially influence photovoltaics. These include the significantly reduced alkalinity mobility and the possible significantly elevated transformation temperatures (eg 696 ° C compared to 560 ° C of standard float glass in the Compared to soda lime silicate glass).
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.Alumoalkali silicate glasses having a high transformation temperature in the range from 680 ° C. to 710 ° C. and a low alkali content R 2 O of from 3 to 5 mol%, based on the oxide base, are particularly preferably used.
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.For The PV thin film industry gives the properties of the aluminosilicate glasses according to the invention considerable optimization possibilities for her Processes. This can be at the now possible higher process temperatures increased sputtering rates with a higher electrical Realize the yield of the modules. Achieved is an increased Productivity in combination with higher efficiencies. In addition, there are additional cost savings realize in the field of glass production. Although the melting costs rise, but since the raw materials from industrial waste won not only are raw material costs completely eliminated away, there may even be disposal costs as more active Contribution be recorded.
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.There These glasses always have a higher iron content they are called black glasses. For cost optimization In addition, just for the thin-film technology a very cost-effective recycling path can be set up, because the modules are completely recycled as glass material and melted down can be, especially since also problematic semiconductor materials without risk in the glass matrix during the production of the substrate glasses can be installed. Also the possibility, partly liquid Slags with temperatures up to 1,300 ° C of the molten glass in the process reduces the very high energy costs, which can be up to 30% of the total costs in the flat glass sector.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher beschrieben.The Invention will be described below with reference to several embodiments described in more detail.
Ausführungsbeispiel 1:Embodiment 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% 
Ausführungsbeispiel 2:Embodiment 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.The Application of CIS thin-film technology is due the transformation temperature of the float glass used to about 550 ° C with the sputtering of the semiconductor materials limited, and thus also certain crystal sizes and thus yield electrical efficiencies.
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 ergebenThese Process temperatures can be with the invention Use of aluminosilicate glasses at 700 ° C and, depending on the glass composition, even increase it, bringing completely new process capabilities and Process window result
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