Forscher haben ein Verfahren zur Gewinnung von hochreinem Silber und Silizium optimiert und damit dessen industrielle Skalierung ermöglicht. Dies reduziert den Verbrauch von Rohstoffen und Energie und fördert das Recycling von Solarmodulen, die für ein nachhaltiges Energiesystem unerlässlich sind.
Bis vor Kurzem spielte das Recycling von Photovoltaikmodulen in der Branche aufgrund der weltweit noch geringen Verbreitung von Solarenergie eine untergeordnete Rolle. Der spektakuläre Anstieg der installierten Leistung in den letzten Jahren sowie die Wachstumsprognosen für die kommenden Jahrzehnte lassen jedoch vermuten, dass immer mehr ausgediente Module etwa 25 Jahre nach ihrer Installation außer Betrieb genommen werden. Konservative Schätzungen gehen davon aus, dass bis 2030 rund 400 Millionen Module stillgelegt sein werden, eine Zahl, die bis 2050 auf über 10 Milliarden ansteigen wird.
Ein Photovoltaikmodul besteht aus einer Reihe miteinander verbundener Solarzellen, die in Polymerfolien eingebettet und zum Schutz vor äußeren Einflüssen (Feuchtigkeit, UV-Strahlung) mit Glas verklebt sind. Das Glas sorgt zusammen mit einem Aluminiumrahmen für Stabilität, erleichtert die Installation und bietet Widerstandsfähigkeit gegen Stöße, Windlasten usw. Die Konstruktion des Moduls mit dem Ziel, es beständig gegen Degradation und Alterung zu machen und seinen Betrieb über Jahrzehnte zu gewährleisten, erschwert die Trennung und Rückgewinnung der Materialien nach Erreichen des Nutzungsendes.
Der leitende Forscher hält eine zusammengerollte Folie mit verkapselten Solarzellen in der Hand, nachdem er diese vom Frontglas getrennt hat. Autor: David Fuertes Marrón.
Derzeit werden zahlreiche Verfahren zur Wiederverwertung von Solarmodulen mittels mechanischer, thermischer oder chemischer Verfahren vorgeschlagen. Einige, beispielsweise solche für die schwereren Modulkomponenten wie Glas und Aluminiumrahmen, haben bereits einen hohen Entwicklungsstand erreicht. Dieser Stand ist jedoch für die Metallkontakte und das Silizium der Solarzellen, die hinsichtlich Energieverbrauch und Umweltbelastung die anspruchsvollsten Elemente darstellen, noch nicht erreicht. Darüber hinaus ist die Qualität der gewonnenen Materialien häufig unzureichend für eine Wiedereinführung in die Photovoltaik-Wertschöpfungskette.
Im Rahmen des von der spanischen staatlichen Forschungsagentur (AERIS) über deren Ausschreibung für Projekte zur ökologischen und digitalen Transformation (TED) geförderten Projekts RESILIENS arbeiten vier Institutionen zusammen, um eine praktikable, kostengünstige und nachhaltige Technologie zu entwickeln. Diese ermöglicht die Rückgewinnung von Silizium und Metallen aus ausrangierten Photovoltaik-Bauelementen und deren Wiederverwendung bei der Herstellung neuer Solarzellen. Das Projekt wird von Forschern des Instituts für Solarenergie der Polytechnischen Universität Madrid (UPM) koordiniert und umfasst außerdem Forscher des Fachbereichs Chemieingenieurwesen der Complutense-Universität Madrid (UCM), der Fakultät für Naturwissenschaften der Autonomen Universität Madrid (UAM und von IMDEA Nanociencia.
„Die bisherigen Projektergebnisse bestätigen unsere Strategie“, sagt Carlos del Cañizo, Forscher am IES-UPM und Projektleiter. „Wir haben ein Demetallisierungsverfahren optimiert, das Silber im festen Zustand zurückgewinnt und ein optimales Verhältnis zwischen Metallrückgewinnung und Erhaltung des Siliziumsubstrats erzielt. Wir haben außerdem gezeigt, dass die Rückführung des Siliziums während der Kristallisationsphase die Gewinnung von Silizium mit ausreichender Reinheit für die Herstellung hocheffizienter Solarzellen gewährleistet. Dieses Verfahren passt die Eigenschaften des resultierenden Siliziums an die aktuellen Industrieanforderungen an und wandelt beispielsweise multikristallines in monokristallines Silizium um“, erklärt der Forscher. Die Verfahren nutzen Methoden und Komponenten, die in der Photovoltaikindustrie etabliert sind (alkalisches Ätzen zur Metallrückgewinnung, Czochralski-Verfahren zur Siliziumrekristallisation), sodass die Ergebnisse problemlos skaliert und in die Industrie übertragen werden können. „Es bleibt noch Arbeit zu leisten, um die Gültigkeit der vorgeschlagenen Methoden für die große Vielfalt der auf dem Markt erhältlichen Zelltechnologien nachzuweisen und ihre Kompatibilität mit den in der Industrie verwendeten Verkapselungsmaterialien zu analysieren“, schließt Carlos del Cañizo, Hauptforscher des Projekts.
Das RESILIENS-Projekt wird einen direkten Einfluss auf die Reduzierung der Rohstoffverarbeitung und des Energieverbrauchs haben und das Recycling eines kommerziellen Produkts, des Solarmoduls, erleichtern, das schon bald als Hauptquelle nachhaltiger Energieerzeugung allgegenwärtig sein wird.
Marcos Tierno, Julia Hernández Ruiz, Sergio Taboada, Eduardo Díez, Araceli Rodríguez, Luis Jaime Caballero, Nerea Dasilva Villanueva, David Fuertes Marrón, Nikolay V. Abrosimov, Carlos del Cañizo. Validierung von Recyclingprozessen zur Demetallisierung und Rekristallisation von Silizium-Solarzellen. Solar Energy, Band 274, 2024, 112533, ISSN 0038-092X, https://doi.org/10.1016/j.solener.2024.112533 .
