Können Silizium-Solarmodule in 3 Minuten recycelt werden?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Shi Chang (PhD in Physikalischer Chemie)

Hersteller: China Science Expo

Anmerkung des Herausgebers: Um die neuesten Entwicklungen in Spitzenwissenschaft und -technologie zu verstehen, hat das Spitzenwissenschafts- und -technologieprojekt von China Science Popularization eine Artikelserie mit dem Titel „Hilfe beim Verstehen führender wissenschaftlicher Zeitschriften“ veröffentlicht, in der herausragende Artikel aus maßgeblichen Zeitschriften ausgewählt und so schnell wie möglich in einfacher Sprache interpretiert werden. Erweitern wir unseren wissenschaftlichen Horizont und genießen wir den Spaß an der Wissenschaft durch das Fenster der Top-Zeitschriften.

Mit der rasanten Entwicklung von Wissenschaft und Technologie hat die Technologie zur Stromerzeugung durch Solarenergie nach und nach Einzug in Tausende von Haushalten gehalten und ist für uns zu einer wichtigen Möglichkeit geworden, ein grünes und sauberes Leben zu führen. Angetrieben von dieser Welle steigen Produktion und Einsatz von Silizium-Solarmodulen rasant an, was zweifellos einen großen Beitrag zur globalen Energiewende und zum Umweltschutz leistet.

Allerdings hat die Popularität der Solarstromerzeugung auch zu großen Bedenken hinsichtlich der Entsorgung von Alt-Solarmodulen geführt. Angesichts dieser Herausforderung können wir nicht anders, als zu fragen: Können Solarmodule recycelt werden?

Solarenergie

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Als Hightech-Produkt enthalten Solarmodule eine Vielzahl wertvoller Ressourcen, die recycelt und wiederverwendet werden können. Metallische Materialien wie Silizium, Silber, Aluminium und spezielle Halbleitermaterialien sind wesentliche Bestandteile von Solarmodulen.

Nach fachgerechtem Recycling können diese Materialien nicht nur den Bedarf an neuen Rohstoffen effektiv reduzieren und die Produktionskosten senken, sondern auch die Umweltverschmutzung deutlich verringern und ein Ressourcenrecycling erreichen.

Solarmodule

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Der Recyclingprozess von Solarmodulen umfasst mehrere wichtige Schritte. Zunächst müssen Altplatten identifiziert und klassifiziert werden, um auf Basis ihrer Materialien und Modelle geeignete Recyclingmethoden auswählen zu können. Anschließend werden durch professionelle Demontage- und Trenntechnik die einzelnen Teile des Solarmoduls sorgfältig voneinander getrennt. Abschließend werden die Wertstoffe extrahiert und für die spätere Wiederverwendung vorbereitet.

Derzeit umfassen die Recyclingtechnologien für alte Solarmodule hauptsächlich das physikalische und das chemische Recycling.

Physikalische Recyclingmethoden

Bei der Demontage und Trennung der Solarmodule kommt vor allem mechanische Kraft zum Einsatz und es werden verschiedene Materialien wie Glas, Silizium-Wafer, Silber etc. klassifiziert und recycelt. Diese Methode ist einfach durchzuführen, relativ kostengünstig und die zurückgewonnenen Materialien haben einen hohen Wiederverwendungswert.

Allerdings haben physikalische Recyclingmethoden auch einige Nachteile. Erstens können aufgrund der komplexen Struktur von Solarmodulen einige Materialien während des Demontageprozesses beschädigt werden, was ihren Wiederverwendungswert mindert. Zweitens können physikalische Recyclingmethoden schädliche Substanzen wie Blei und Cadmium in Solarmodulen nicht wirksam entfernen, was zu einer sekundären Umweltverschmutzung führen kann.

Chemische Rückgewinnungsmethoden

Die nützlichen Elemente in Solarmodulen werden hauptsächlich durch chemische Reaktionen gewonnen. Mit dieser Methode können wertvolle Metalle mit hoher Recyclingeffizienz aus Solarmodulen extrahiert werden.

Allerdings erfordern chemische Rückgewinnungsverfahren den Einsatz großer Mengen chemischer Reagenzien, beispielsweise anorganischer Säuren, und der Aufbereitungsprozess kann zur Entstehung schädlicher Gase und Abfallflüssigkeiten führen, die eine potenzielle Gefahr für die Umwelt und die Gesundheit der Anwender darstellen. Darüber hinaus ist die chemische Rückgewinnungsmethode kostspielig, hat einen langen Rückgewinnungszyklus und einige nützliche Elemente können während des Rückgewinnungsprozesses verloren gehen.

Alt-Solarmodule

(Bildquelle: Veer-Fotogalerie)

Am 3. Juni 2024 veröffentlichten chinesische Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Nature Sustainability einen Artikel über das Salzätzverfahren zum Recycling von Silizium-Solarmodulen. Dabei wird erwartet, dass Silber und Silizium in ausrangierten Silizium-Solarmodulen ohne den Einsatz giftiger anorganischer Säuren und ohne Sekundärverschmutzung recycelt werden.

Die Forschungsergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Sustainability veröffentlicht

(Bildquelle: Nature Sustainability Magazin)

Die Forscher verwendeten ein Salzätzverfahren und machten sich dabei die Tatsache zunutze, dass geschmolzenes Natriumhydroxid-Kaliumhydroxid mit Stickstoff-Silizium-Verbindungen, Siliziumdioxid, Aluminiumoxid und Silizium reagieren kann. So reagierte es von oben nach unten mit der Beschichtung auf der Oberfläche des Silizium-Solarmoduls und löste so den zwischen dem Siliziummodul und der Stickstoff-Silizium-Verbindung eingebetteten Silberdraht heraus. Der Ätzvorgang dauert nur 180 Sekunden und erreicht Rückgewinnungsraten von bis zu 99,0 % bzw. 98,0 % bei Silber und Silizium.

Darüber hinaus werden im Recyclingprozess durch das Verfahren „Selektive Oxidation-Alkalische Laugung-Elektrolyse“ auch andere wertvolle Metalle wie Kupfer, Blei und Zinn aus Lötstreifen zurückgewonnen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Recyclingverfahren für Silizium-Solarmodule erfordert die in dieser Studie vorgeschlagene Recyclingmethode keine Verwendung ätzender anorganischer Säuren, wodurch die Entstehung chemischer Abfälle und die Umweltverschmutzung reduziert werden. Darüber hinaus kann bei diesem Recyclingverfahren Silberdraht direkt gewonnen werden, wodurch die Auflösung und Ablagerung von Silber vermieden wird. Dies ist effizienter als bei anderen Recyclingmethoden.

Diagramm zum Recycling von Solarmodulen

A. Recyclingprozess für Solarmodule; B. Schematische Darstellung des Ätzens mit geschmolzenem Salz; C. Schematische Darstellung des Lötrecyclings

(Bildquelle: Referenz 1)

In dieser Studie wurden auch Rückgewinnungsmethoden durch Salzätzen verwendet, um Recyclingexperimente an verschiedenen Arten von Solarzellen durchzuführen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Recyclingmethode dieser Studie auf verschiedene Batteriearchitekturen anwendbar ist und die Rückgewinnungsrate und Reinheit von Silber und Silizium hoch sind. Es handelt sich um eine universelle Recyclingmethode für Silizium-Solarmodule.

Recyclingraten von Silizium und Silber in verschiedenen Solarzellentypen

(Bildquelle: Referenz 1)

Die Umweltauswirkungen der Solarstromerzeugung sind komplex und weitreichend, und die Integrität des Lebenszyklus von Solarmodulen hat große Aufmerksamkeit erhalten. Wir sollten die Stromerzeugung durch Solarenergie aktiv fördern und ihre Vorteile hinsichtlich Umweltschutz und Energiesicherheit voll ausschöpfen. Gleichzeitig sollten wir auch die potenziellen Umweltprobleme im Auge behalten und darauf reagieren und gemeinsam die Entwicklung grüner und nachhaltiger Energien fördern.

Quellen:

1. Gao, S., Chen, X., Qu, J. et al. Recycling von Silizium-Solarmodulen durch ein Salzätzverfahren[J]. Natur Nachhaltigkeit, 2024.

2. Fiandra, V., Sannino, L., Andreozzi, C., et al. Ende der Lebensdauer von Silizium-PV-Modulen: Ein nachhaltiger Prozess zur Materialrückgewinnung[J]. Abfallwirtschaft, 2018.

3. Huang Qing, Deng Yi, Yu Fengshan et al. Rückgewinnung von Silber aus Alt-Solarmodulen[J]. Nichteisenmetalle: Metallurgie, 2022.

4. Long Z.J., Wang Q., Xie G.J., et al. Elektrische Eigenschaften von Silizium-Photovoltaikzellen und Solarstromerzeugung[J]. Maschinenbau und Elektrotechnik, 2010.