Die Zusammensetzung von Pasten für die Metallisierung von Solarzellen kann sehr verschieden sein. Dies betrifft nicht den eigentlichen Metallgehalt (Silber- oder Aluminiumpulver) sondern die anderen Zusatzstoffe, die für die Druckeigenschaften der Paste und deren Einbrenn- und Sintercharakteristik entscheidend sind. Der Anteil dieser Stoffe kann ca. 25 Gewichtsprozente betragen, wovon den größten Anteil das organische Medium beansprucht, in dem die Feststoffe (Metallpulver, Metalloxide, anorganisches Bindemittel z.B. Glasfritte) dispergiert sind.

Metallisierungspasten

Üblicherweise werden die Pasten nach dem Druck auf die Solarzelle bei Temperaturen von 200 bis 350° C getrocknet und in einem nachfolgenden Feuerprozess bei Temperaturen von 800 bis 1000° C in die Solarzelle eingebrannt. Beim Trocknen und Feuern der Pasten entstehen Dämpfe/Rauche, die sicher aus dem Prozessraum abgeführt werden müssen, um Kontaminationen der Anlage weitgehend zu vermeiden. Die Dämpfe/Rauche entstehen aus den flüchtigen Bestandteilen des organischen Mediums, welches aus verschiedenen organischen Flüssigkeiten bestehen kann, die zusätzlich Verdickungsmittel und Stabilisatoren enthalten können. Beispiele organischer Flüssigkeiten sind Alkohole (Texanol) oder Alkoholester (Essigsäure und Propionat), Terpene (Kiefernöl, Terpineol), Lösungen von Harzen (Polymethacrylat), Lösungen von Ethylcellulose in einem Lösungsmittel (z.B. Terpineol) und der Monobuthylether von Ethylenglycolmonoacetat. Ein bevorzugtes organisches Medium ist Ethylcellulose in Terpineol in Kombination mit einem Verdickungsmittel vermischt mit Buthylcarbitolacetat. In einer Studienarbeit hat Vogg [1] die Gewichtsverluste von verschiedenen Metallisierungspasten ermittelt. Der Betreiber einer Trocknungsanlage kennt in der Regel nicht die genaue Zusammensetzung der verwendeten Metallisierungspaste und deren flüchtigen Bestandteile. So kann eine Filter-/Abscheideeinheit für die Dämpfe/Rauche nicht maßgeschneidert sein, sondern sie muss breitbandig für die Abscheidung verschiedener Inhaltsstoffe geeignet sein. Gleichzeitig darf erwartet werden, dass die Emissionen nach der Filter-/Abscheideeinheit weitgehend die Limitationen der Gesetzgebung, wie beispielsweise die TA-Luft (siehe [2]) unterschreiten. Häufig sind in der Fertigungspraxis sogenannte Kondensatabscheider im Einsatz. Deren Abscheidegrad ist einerseits begrenzt, andererseits müssen die angefallenen Kondensate aufwendig entsorgt werden.

Umwandlung der Moleküle

Rehm hat aus diesen Gründen die bekannte Methode der thermischen Oxidation für Solarsysteme innovativ umgesetzt. Die thermische Oxidation ist ein Verfahren, bei dem sich die flüchtigen organischen Bestandteile und Kohlenwasserstoffe aus den Metallisierungspasten mit Sauerstoff verbinden und im Wesentlichen als Wasserdampf und Kohlendioxid abgebaut werden. Ziel ist es, die langkettigen Moleküle in den Dämpfen/Rauchen zu verbrennen und in leicht flüchtige, kaum kondensierbare Stoffe umzuwandeln. Diese können dann problemlos aus der Anlage abgeführt werden. Dadurch ist das Potential für die Kondensatbildung in der Trocknungsanlage drastisch reduziert. Die thermische Oxidation wird durch die Erhitzung des Abgases auf eine Temperatur >750° C eingeleitet. Bei den hohen Temperaturen zersetzen sich die Moleküle und gehen eine Verbindung mit dem in der Anlage vorhandenen Luftsauerstoff ein. Zur Erreichung der hohen Temperaturen verwendet man ausschließlich elektrische Heizsysteme; auf die Verwendung von offenen Flammen wurde bewusst verzichtet. Dadurch ist das Risiko der Bildung von NOx weitgehend ausgeschlossen. Messungen des ILK Dresden [3] belegen einen Abscheidegrad für den Schadstoff Toluol, der bei den hohen Oxidizer-Temperaturen 99,5 % erreicht. Mit der thermischen Oxidation werden die gesetzlichen Grenzwerte für Emissionen (wie z.B. nach TA-Luft) weitgehend unterschritten. Nicht nur für leicht flüchtige organische Kohlenwasserstoffe (VOCs) sondern auch für die Partikelverteilung wurde ein gutes Abscheideverhalten erreicht. Gravimetrisch wurde vom Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden [3] ein Reingaswert von Partikeln unter 0,2 μm von rund 2 mg/m³ bestimmt. Sehr gut kommt der Oxidizer auch mit unterschiedlichen Schadstoffkonzentrationen zurecht, wie weitere Messungen vom ILK belegen [4]. Der Abscheidegrad blieb auch bei fünffacher Konzentration des Modellschadstoffs Toluol bei >99,5 %.

Wartungsaufwand reduziert

Der Oxidizer trägt zur Minimierung des Kondensationspotentials bei, wodurch sich der Wartungsaufwand für Trocknersysteme minimiert. Da auf der Reingasseite kein Kondensat mehr gebildet wird, bleiben die Hausabsaugungssysteme der Fertigungsstätten sauberer. Ein positiver Nebeneffekt ist die merklich gesunkene Geruchsbelästigung an Solartrocknern mit integriertem Oxidizer. Die horizontale Integration gestattet eine kompakte Bauweise der gesamten Trocknungsanlage und sichert durch lange Gaswege die für einen exzellenten Abscheidegrad notwendige Kontaktzeit des Gases auf hoher Temperatur. Durch eine Gebläses wird das verunreinigte heiße Rohgas aus der Prozesskammer des Solartrockners abgesaugt und sofort durch die elektrische Heizvorrichtung des Oxidizers geleitet, um es auf die notwendige hohe Temperatur von 750° C zu erwärmen. Der Volumenstrom ist hierbei so eingestellt, dass eine genügend lange Verweilzeit des Rohgases von >1 s bei dieser hohen Temperatur gewährleistet wird. Der energieoptimierte Oxidizer weist eine Betriebsleistung von <18 kW auf. Allgemein sind thermische Oxidationsanlagen bei nahezu allen organischen Schadstoffen einsetzbar, somit eine sehr gute Alternative zur Kondensatabscheidung. Der wesentliche Vorteil gegenüber der Kondensatabscheidung ist der deutlich reduzierte Wartungsaufwand bei Solartrocknern und Firingsystemen.

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Dr. Hans Bell, Manuel Schwarzenbolz, Rehm Thermal Systems, Blaubeuren-Seissen