Hoe worden zonnepanelen gemaakt?

Ik was op bezoek bij de fabrieken van SolarWorld in het Duitse Freiberg. SolarWorld is een van de weinige zonnepanelen fabrikanten in de wereld die het volledige proces zelf in handen hebben. Letterlijk van zand tot zonnepaneel. Interessant om eens een kijkje in de keuken te krijgen.

Het proces bestaat uit 4 stappen in 4 verschillende fabrieken. In elke stap wordt een belangrijke stap gezet naar het eindresultaat. Maar niet zonder te meten, te checken alles nog een keer te controleren en ja als het dan echt goed is dan heb je een zonnepaneel.

Stap 1 Van zand naar Silicium

Het maken van zonnepanelen bestaat uit 4 stappen. De eerste stap is om zeer puur silicium te maken. En met puur bedoelen ze echt puur. Standaard is dit tot 99,9999999% puur. Dit wordt gemaakt van Silane. Een mix van silicium en waterstof. Dit proces is super energie zuinig en vraagt 90% minder energie dan het standaard proces. Na deze stap heb je brokken silicium. Maar daar heb je natuurlijk niets aan.

Stap 2 Van Silicium naar Wafer

Bij deze stap worden van de brokken silicium bruikbare kolommen silicium gemaakt. Dit is voor Poly cellen een vrij eenvoudig proces. Men neemt een bak en gooit er puur solar silicium in. Dit gaat vervolgens 20 uur lang in een oven en wordt verwarmd tot 1400! Graden. Het grote blok uit de over wordt gezaagd in 25 kolommen van 15 bij 15 cm en 50 cm lang.

De kolommen worden geïnspecteerd met uv licht. Dit werkt net als röntgen bij mensen. Het wordt gecontroleerd op oneffenheden in de kolom en de elektronen worden getest. Zo’n 50 % van de kolommen voldoet niet aan de eisen en wordt gerecycled. De goede kolommen zijn nu klaar om in Wafers gezaagd te worden. Hiervoor worden ze eerst op een glazen plaat geplakt. Deze glazen plaat zorgt ervoor dat de Wafers eraan blijven plakken.

Uit een kolom van 50 cm worden 1500 Wafers gezaagd. Dit gebeurt dus met 1500 zaagdraden.  Hierna hangen de Wafers aan de glasplaat. Hier worden ze van los gemaakt en schoon gemaakt zodat ze klaar zijn om zonnecel te worden. Een soort broodsnijmachine maar dan met 1500 zaag draden en 8 uur lang.

Een Wafer is in feite een dun plakje (0,18 mm) silicium. Klaar om een echte zonnecel te worden.

Mono zonnecellen

Voor mono zonnecellen ziet het proces er iets anders uit. Er wordt is een cilinder getrokken uit het vloeibare silicium. Hier wordt ook een blok uit gezaagd en vanaf dan is het proces weer hetzelfde. Hoe ze de mono cilinders maken zie je in dit mooie filmpje:

Stap 3. Van Wafer naar cel

De grijze Wafers hebben de vorm van een zonnecel maar dat is ook alles. Ze kunnen nog geen energie opwekken. Hiervoor worden ze chemisch behandeld. De Wafers gaan in verschillende baden. Zo worden ze in een bad opgeruwd. Zodat de cel meer oppervlak krijgt en dus meer energie kan opvangen.

Vervolgens krijgt de cel een positieve en negatieve lading. Dit gebeurt aan de positieve kant met fosfor en aan de negatieve kant met boron. Silicium heeft 4 elektronen, Fosfor heeft er 5 en dus 1 over en Boron heeft er 3 en komt er een tekort. Een elektron is negatief geladen dus de fosfor kant is negatief geladen. Het elektron wil heel graag naar een plek zodat de lading weer neutraal is.

De Boron kant heeft een elektron te weinig en is dus positief geladen. Dit wordt een gat genoemd. De elektron en het gat zoeken elkaar op en gaan in het midden zitten. Nu is de cel neutraal geladen. Onder invloed van de zon onstaat het fotovoltaisch effect en kan de stroom gaan lopen.

Het fosfor wordt aangebracht in een speciale oven. Deze is 800 graden en in de oven wordt fosfor gas op de wafers gespoten. Hierdoor wordt de wafer positief geladen. Hierna gaat de cel in een Boron bad waarbij alleen de achterkant wordt behandeld.

Hierna krijgt de zonnecel een antireflectie coating. Het grappige is dat de zonnecel dus in principe grijs is. De antireflectie coating zorgt ervoor dat de cel weinig licht reflecteert en dus een andere kleur krijgt. Na veel onderzoek is gebleken dat blauw/paars het beste werkt en dus niet zwart. De behandeling van de cell is een natuurlijk proces en er is niet te voorspellen welke kleur de cel exact krijgt. Daarom worden de cellen achteraf op 4 tinten blauw gesorteerd.

De cel kan nu energie opwekken maar heeft nog geen mogelijkheid deze energie af te geven want er is nog geen verbinding. Daarom wordt de cel bedrukt met zilverpasta. De zilverpasta wordt in hele dunne lijntjes op de voorkant aangebracht. Deze lopen naar 3 dikkere lijnen waar de busbars op gesoldeerd worden. Op de achterkant komt geen zonlicht dus deze smeren ze volledig in met de zilver pasta. Zo wordt de stroom optimaal geleid.

De cel is nu klaar maar niet voordat deze getest is. Er is namelijk niet bekend hoeveel vermogen de cel heeft. Uit 1 en dezelfde batch kunnen redelijk verschillen in vermogens zitten. Zo kan er 4,1 tot 4,5 wattpiek zonnecellen uit de fabriek komen. Voor een 250 wattpiek paneel zijn 60 cellen van 4,16 wattpiek nodig. Voor een 270 wattpiek paneel 4,5 wattpiek cellen. Een verschil van bijna 10%.

De cellen worden in vrijwel elke stap gecontroleerd met speciale meet apparatuur. Op zowel breuk (ook onzichtbaar) kleur en andere oneffenheden. En als laatste worden ze ook nog 2 keer met de hand gecheckt. Hier staan 4 mensen de hele dag door elke cel met hun ogen te checken als een kaartenbak. Je moet er maar zin in hebben. Maar uit onderzoek blijkt dat het menselijk oog zo scherp is dat ze deze stap niet willen overslaan.

De zonnecel is nu helemaal klaar en kan in het zonnepaneel geplaatst worden. Dit gebeurt in een andere fabriek en vormt de laatste stap in het productie proces.

Automatisering vs. handwerk

De fabriek van SolarWorld is vrijwel geheel geautomatiseerd. Toch zijn er nog een hoop mensen op de werkvloer te vinden. Deze hebben eigenlijk 2 functies. Een deel controleert continu het productie proces en zorgt dat dit soepel verloopt. Er staan een hoop machines en die kunnen ook problemen hebben. Zij zijn continu bezig met het bijstellen en in bedrijf houden van de machines. De andere helft van het personeel doet de visuele inspecties. Hartstikke leuk al die robots maar doen ze ook wat je van ze verwacht. Ze controleren dus continu de kwaliteit met de ogen en handen.

Stap 4. Van zonnecel naar module

Nu begint het er echt op te lijken. Het zonnepaneel begint zijn vorm te krijgen. Direct bij binnenkomst is het duidelijk. Overal rollen glasplaten van 1 bij 1,65 over banden. Door machines om schoon te maken, door machines om om te keren. Enzovoort.

Zoals ik al eerder schreef is een zonnepaneel eigenlijk een soort tosti. (Een tosti in een frame).

Na de glasplaat volgt de kaas. Het spul waardoor alles aan elkaar blijft zitten. Deze lijmfolie noemen ze EVA folie. En dan komen eindelijk de zonnecellen. De zonnecellen worden door robots in lijnen van 10 aan elkaar gesoldeerd. 6 Van deze rijen vormen 60 zonnecellen en dat is het meest standaard zonnepaneel. Weer een EVA folie en vervolgens een backsheet of tegenwoordig nogmaals glas voor de zogenaamde glas glas panelen.

Voordat het geheel het tosti ijzer in gaat wordt deze natuurlijk weer gecontroleerd. Wij hadden het “geluk” om mee te maken dat een zonnecel daadwerkelijk een microcrack had. Dit gebeurt bij nog geen 1% van de panelen en per productielijn waar iemand de eindcheck doet voor het laminatieproces ongeveer 1 keer per uur.

Een zonnepaneel wordt niet gelijk weg gegooid maar de kapotte cel wordt handmatig vervangen. De nieuwe cel is ook door de robot gesoldeerd en alleen de verbinding met de andere cel wordt handmatig gedaan. Natuurlijk wordt het zonnepaneel weer getest en indien goed gekeurd kan deze gelamineerd worden.

Het tosti ijzer

Het geheel is nu klaar om de oven in de gaan. Dit is een gigantische oven waar de zonnepanelen verwarmt worden tot 150 graden. Hierbij smelten de EVA folies en vormt alles een mooi geheel. De tijd in de oven is super belangrijk. Te kort in de oven geeft problemen dat de lagen los gaan laten. Te lang in de oven zorgt voor verbranding van de materialen.

Het zonnepanelen heeft nu zijn vorm en is bijna klaar. Maar niet voordat de Junction Box en het frame erop zijn geplaatst.

De Junction Box is het kastje achterop het zonnepaneel wat zorgt voor de verbinding van de draadjes op de cellen met de kabels in je meterkast. Dit is ook een kwetsbaar punt omdat alles hier samen komt en dit onder alle omstandigheden goed moet blijven. De Junction Box wordt er ook weer door een robot opgezet en de verbindingen worden niet gesoldeerd maar gelast.

En dan last but not least: het frame. Zonder frame is het geen echt zonnepaneel. Het frame bestaat uit 2 lange en 2 korte aluminium profielen. Deze worden met 4 hoekjes om het paneel geklemd. Belangrijk is hierbij dat exact de juiste druk wordt uitgevoerd. Om het geheel waterdicht te maken gebruiken ze industriële 2 componenten kit.

Het zonnepaneel is klaar. Maar niet voordat….

Het goed getest is. Dit gebeurt in een Flash tester. De naam zegt het al. Een flitser simuleert het zonlicht en speciale meetapparatuur meet de waardes van het zonnepaneel.

Bij een geheel geautomatiseerde fabriek zou je denken dat je precies weet hoeveel het zonnepaneel gaat opbrengen. Dat is dus niet zo. Het geheel van alle componenten maakt het zonnepaneel. Het is dus belangrijk deze goed te testen. Uit een zelfde batch kunnen makkelijk 3 verschillende vermogensklasses komen.

De zonnepanelen worden getest met een Pasan Flash tester. Dit staat in de markt bekend als de beste tester en kost maar liefst een miljoen per stuk. En dat is belangrijk want afhankelijk van deze meting ga jij een zonnepaneel kopen. En je wilt niet te weinig wattpieks voor je geld.

Conclusie

Een zonnepaneel maken is eigenlijk best makkelijk. Maar alles perfect uitvoeren is super moeilijk. De kleinste details zorgen uiteindelijk voor het resultaat. 30 jaar of meer zorgeloze zonne-energie. En 1 detail over het hoofd zien kan zorgen voor veel minder opbrengst. Op korte termijn maar zeker op lange termijn.

Bij een proces als dit wil je het liefst alles automatiseren maar toch blijkt het handwerk waar nodig van cruciaal belang. Eén van honderden zuignapjes in één van de machines kan micro cracks in een hele serie veroorzaken. Niet erg als je het maar op tijd door hebt en het probleem kan oplossen.

Solarworld bestaat dit jaar 40 jaar en kent de klappen van de zweep. En ze hebben onder andere de fabrieken over genomen van Siemens, Bosch en zelfs het Nederlandse Shell Solar. Elk paneel wat ooit terug komt gaat het laboratorium in, wordt uitgebreid geanalyseerd en zorgt weer voor verbetering. Met als resultaat een zo klein mogelijk foutpercentage en een zo hoog mogelijk resultaat. Deze ervaring zie je terug in elk hoekje van de fabriek.

Tjsa, je kan zeggen wat je wilt maar met die Duitse gründlichkeit zit het wel goed.

Foto’s en film: SolarWorld