Zużyte moduły fotowoltaiczne mogą stać się źródłem cennego materiału przemysłowego. Zespół badaczy z Rosji opracował dwuetapową metodę przetwarzania wyeksploatowanych paneli w węglik krzemu (SiC) — związek ceniony za twardość, przewodność cieplną oraz odporność na wysokie temperatury i korozję.
Od panelu do węglika krzemu
W eksperymencie wykorzystano zdemontowany panel z krzemu polikrystalicznego. Materiał rozdrobniono, a następnie poddano pirolizie w temperaturze 500°C w ciągłym przepływie azotu. Ten etap rozkładał składniki polimerowe i pozwalał uzyskać stałą pozostałość zawierającą węgiel.
Kolejny krok to obróbka porcji około 2 g materiału w tyglu grafitowym, w reaktorze łuku elektrycznego pracującym bez próżni. Urządzenie działało przy natężeniu 200 A przez 60 sekund, osiągając temperatury przekraczające 1800°C. Naukowcy testowali różne dodatki węgla — stosowali sadzę, aby wspomóc przemianę związków krzemu w SiC — i porównywali efekty z materiałem przetwarzanym bezpośrednio w reaktorze, z pominięciem pirolizy.
Co pokazały analizy
Do oceny morfologii, składu krystalicznego i zachowania przy utlenianiu posłużyły mikroskopia elektronowa, dyfrakcja rentgenowska oraz analiza termiczna. Jak wskazała jedna z badaczek, Zhanar Bolatova, piroliza spełniła kilka zadań jednocześnie: usunęła polimery utrudniające dalszą obróbkę, dostarczyła stałą pozostałość węglową i pozwoliła zebrać produkty gazowe. Według obliczeń średni uzysk pozostałości węglowej wyniósł 45,8% masy przetwarzanego materiału.
Maksymalne stężenie metanu w mieszaninie gazowej sięgnęło 5% objętościowo, a tlenku i dwutlenku węgla — około 0,6%. Analiza składu potwierdziła przewagę wstępnej pirolizy: po tym etapie z produktu końcowego zniknęła faza krzemku żelaza, co ograniczyło niepożądane zanieczyszczenia i zwiększyło udział docelowego węglika krzemu.
Więcej węgla, więcej SiC
Wyniki pokazały też wyraźną zależność od zawartości węgla w mieszaninie wyjściowej. Gdy wzrosła ona z 0% do 30%, udział SiC w produkcie stałym podniósł się z 46% do 61%. Jednocześnie udział wolnego krzemu spadł z 19,7% do 8,3%, a dwutlenku krzemu — z 3% do poziomu śladowego. Zdaniem badaczy dodatkowy węgiel sprzyjał przemianie krzemu w węglik krzemu.
Wyniki opisano w pracy „Stage Recycling of Solar Panels by Pyrolysis and Vacuum-free Electric Arc Conversion to Produce SiC”, opublikowanej w czasopiśmie „Silicon”. W skład zespołu weszli naukowcy z Narodowego Badawczego Uniwersytetu Politechnicznego w Tomsku oraz Państwowego Uniwersytetu w Sewastopolu.
„Szybki wzrost liczby paneli słonecznych na świecie sprawia, że kwestia ich utylizacji staje się coraz pilniejsza” — podkreślili badacze.
Węglik krzemu znajduje zastosowanie m.in. w elektronice mocy i ceramice ogniotrwałej. To właśnie ten kierunek zagospodarowania zużytych modułów może w przyszłości ograniczyć skalę problemu, jakim staje się rosnąca liczba wycofywanych z eksploatacji instalacji PV.
Źródło: pv magazine AU
