Исследователи оптимизировали процесс извлечения высокочистого серебра и кремния, что облегчает его промышленное масштабирование. Это позволит сократить потребление сырья и энергии, способствуя переработке солнечных модулей, которые необходимы для устойчивой энергетической системы.
До недавнего времени переработка фотоэлектрических модулей представляла собой незначительную проблему в этом секторе, учитывая все еще ограниченное распространение солнечной энергии во всем мире. Однако впечатляющий рост установленных мощностей в последние годы, наряду с прогнозами роста на ближайшие десятилетия, предполагает сценарий, при котором все большее количество модулей, отслуживших свой срок, будет выведено из эксплуатации примерно через 25 лет после установки. Самые консервативные оценки показывают, что к 2030 году будет выведено из эксплуатации около 400 миллионов модулей, а к 2050 году эта цифра превысит 10 миллиардов.
Фотоэлектрический модуль состоит из цепочки взаимосвязанных солнечных элементов, встроенных в полимерные листы и приклеенных к стеклу для защиты от внешних воздействий (влажности, ультрафиолетового излучения). Стекло, наряду с алюминиевой рамой, также обеспечивает жесткость, облегчающую установку, и устойчивость к ударам, ветровым нагрузкам и т. д. В некотором смысле, проектирование модуля таким образом, чтобы он был устойчив к деградации и старению и гарантировал его работу в течение десятилетий, затрудняет разделение и извлечение материалов после окончания срока его службы.
Ведущий исследователь держит свернутый лист инкапсулированных солнечных элементов после отделения их от переднего стекла. Автор: Давид Фуэртес Маррон.
В настоящее время предлагается множество методов переработки солнечных модулей с использованием механических, термических или химических подходов. Некоторые из них достигли высокого уровня развития, например, методы, направленные на переработку более тяжелых компонентов модулей, таких как стекло и алюминиевая рама. Однако такого уровня развития еще не достигнуто для металлических контактов и кремния, из которых состоят солнечные элементы, являющиеся наиболее энергоемкими элементами с точки зрения энергопотребления и воздействия на окружающую среду. Кроме того, качество переработанных материалов часто недостаточно для их повторного использования в цепочке создания стоимости фотоэлектрических элементов.
В рамках проекта RESILIENS, финансируемого Испанским государственным агентством по исследованиям (AERIS) в рамках конкурса заявок на проекты в области экологической и цифровой трансформации (TED), четыре учреждения сотрудничают для создания осуществимой, экономически эффективной и устойчивой технологии, которая позволит извлекать кремний и металлы из отработанных фотоэлектрических устройств и повторно использовать их в производстве новых солнечных элементов. Координаторами проекта являются исследователи из Института солнечной энергии Мадридского политехнического университета (UPM), а также исследователи из Департамента химической инженерии Мадридского университета Комплутенсе (UCM), факультета естественных наук Автономного университета Мадрида (UAM и IMDEA Nanociencia.
«Результаты проекта на сегодняшний день подтверждают правильность нашей стратегии», — говорит Карлос дель Канизо, научный сотрудник IES-UPM, возглавляющий проект. «Мы оптимизировали процесс деметаллизации, который извлекает серебро в твердом состоянии и обеспечивает оптимальное соотношение между извлечением металла и сохранением кремниевой подложки. Мы также продемонстрировали, что повторное введение кремния на стадии кристаллизации гарантирует получение кремния достаточной чистоты для производства высокоэффективных солнечных элементов, в процессе, который адаптирует свойства получаемого кремния к современным требованиям промышленности, преобразуя, например, поликристаллический кремний в монокристаллический», — поясняет исследователь. В процессах используются методы и компоненты, хорошо известные в фотоэлектрической промышленности (щелочное травление для извлечения металла, рост по Чохральскому для рекристаллизации кремния), поэтому масштабирование результатов и их внедрение в промышленность не представляет сложности. «Предстоит еще много работы, чтобы продемонстрировать применимость предложенных методов к широкому спектру клеточных технологий, доступных на рынке, а также проанализировать их совместимость с инкапсулянтами, используемыми в промышленности», — заключает Карлос дель Канизо, руководитель проекта.
Проект RESILIENS окажет непосредственное влияние на сокращение объемов переработки сырья и энергопотребления, а также будет способствовать переработке коммерческого продукта — солнечных модулей, которые вскоре станут повсеместным основным источником экологически чистой энергии.
Маркос Тьерно, Хулия Эрнандес Руис, Серхио Табоада, Эдуардо Диес, Арасели Родригес, Луис Хайме Кабальеро, Нерея Дасильва Вильянуэва, Давид Фуэртес Маррон, Николай В. Абросимов, Карлос дель Каньизо. Валидация процессов переработки для деметаллизации и рекристаллизации кремниевых солнечных элементов. Солнечная энергия, Том 274, 2024, 112533, ISSN 0038-092X, https://doi.org/10.1016/j.solener.2024.112533 .
