de.wedoany.com-Bericht: Das Institut für neue Energietechnologien und Nanomaterialien (Liten) der französischen Kommission für alternative Energien und Atomenergie (CEA) hat ein neues Verfahren entwickelt, um Indium aus ausgedienten Solarzellen vom Heterojunction-Typ (HJT) zurückzugewinnen.
Indium ist ein Schlüsselmaterial für die transparente, leitfähige Oxidschicht in Heterojunction-Solarzellen, und seine Rückgewinnung ist für eine nachhaltige Fertigung und das künftige Abfallmanagement von großer Bedeutung. Der Korrespondenzautor Romain Duwald erläutert, dass die Studie Indium direkt aus Solarzellen durch schonende Säurelaugung zurückgewinnt. Die Methode verwendet verdünnte Oxalsäure zur Laugung der Indiumzinnoxid-Schicht (ITO), ist weniger gefährlich als herkömmliche anorganische Säuren und ermöglicht die Rückgewinnung von Indium mit einer Reinheit von 4N in einem einzigen Schritt. Das Verfahren trennt zudem Silber von den Siliziumwafern und ebnet den Weg für die Rückgewinnung dieses wertvollen Metalls.
Herkömmliche hydrometallurgische Rückgewinnungsverfahren stützen sich oft auf Salzsäure, Schwefelsäure oder Salpetersäure zur Säurelaugung, häufig ergänzt durch Oxidationsmittel wie Wasserstoffperoxid. Die effiziente Trennung von Indium und Zinn bleibt jedoch eine große Herausforderung. Die Forscher schlagen eine auf schonender Oxalsäure basierende Eintopf-Zweischritt-Methode vor, die Indiumzinnoxid laugt, die Silbergitter freisetzt und schließlich Indium in Oxidform zur Wiederverwendung zurückgewinnt.
Im Experiment verwendete das Team hochreines Indiumzinnoxid-Pulver, Oxalsäure, Schwefelsäure und Wasserstoffperoxid sowie Heterojunction-Solarzellen des CEA INES. Diese Zellen bestehen aus Siliziumwafern, die auf beiden Seiten mit Indiumzinnoxid- und Silberschichten beschichtet sind. Das Indiumzinnoxid-Pulver wurde in saurer Lösung dispergiert und bei 40 °C bis 70 °C bis zu 48 Stunden lang erhitzt. Nach dem Abkühlen wurde die Laugungslösung durch Filtration gesammelt. Die Solarzellen wurden nach dem Zerkleinern unter kontrollierten Fest-Flüssig-Verhältnissen mit Oxalsäure behandelt, um die Indiumzinnoxid-Laugung zu fördern. Die Metallauslaugungsrate wurde aus den gemessenen Indium- und Zinnkonzentrationen in der Lösung im Verhältnis zur Zusammensetzung des Ausgangsmaterials berechnet.
Zur Quantifizierung der gelösten Metalle wurden chemische Analysen mittels optischer Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma durchgeführt. Die feste Phase wurde mittels Pulver-Röntgenbeugung (unter Verwendung von Kupfer-Kα-Strahlung) charakterisiert, um die Kristallstrukturen und Reaktionsprodukte zu identifizieren. Die erhaltenen Spektren wurden mit Referenzdatenbanken und Analysesoftware ausgewertet. Die Rasterelektronenmikroskopie diente der Beobachtung mikrostruktureller Veränderungen, und die energiedispersive Röntgenspektroskopie lieferte Elementverteilungskarten und Zusammensetzungsanalysen. Diese Techniken ermöglichten gemeinsam die Bewertung der Auflösungseffizienz, der Phasenentwicklung und der Metallrückgewinnung.
Die Ergebnisse zeigen, dass Schwefelsäure bei Raumtemperatur zu einer langsamen Indiumauflösung führt, während Wasserstoffperoxid die Auflösung durch verstärkte Redoxreaktionen, die den Oxidabbau fördern, deutlich verbessert. Auch Oxalsäure ermöglicht eine mäßige Indiumlaugung und zeigt unter milden Reduktionsbedingungen eine mit Schwefelsäure vergleichbare Leistung. Eine Temperaturerhöhung auf 70 °C beschleunigte alle Systeme erheblich, wobei in schwefelsäurebasierten Medien eine nahezu vollständige Indiumrückgewinnung erreicht wurde, während Oxalsäure aufgrund von Fällungseffekten eine hohe, aber instabile Ausbeute aufwies. In Oxalsäure bildet Indium schnell unlösliches Indiumoxalat, was durch Röntgenbeugung und thermische Analyse bestätigt wurde und den zeitlichen Rückgang des gelösten Indiums erklärt.
Kinetische Studien zeigten ferner, dass höhere Temperaturen die Laugungseffizienz deutlich steigern, wobei Oxalsäure in frühen Phasen besser abschneidet, während Schwefelsäure stabilere Endextraktionsraten liefert. Berechnungen der Aktivierungsenergie deuten darauf hin, dass der Prozess chemisch kontrolliert und nicht diffusionsbegrenzt ist; die Auflösung von Indium und Zinn wird durch Grenzflächenreaktionen bestimmt. Oxalsäure fungiert zudem gleichzeitig als Reduktions- und Komplexierungsmittel und beeinflusst das Auflösungsverhalten von Indium und Zinn je nach Bedingungen. Ein Proof-of-Concept-Experiment an Silizium-Heterojunction-Solarzellen bestätigte die effektive Entfernung der Indiumzinnoxid-Schicht, die selektive Freisetzung der Silbergitter sowie die erfolgreiche Fällung und Kalzinierung von hochreinem Indiumoxid.
Die Forscher geben an, dass nach Optimierung der Indiumlaugungsparameter die besten Bedingungen mit einer 0,2 M Oxalsäurelösung bei 70 °C über 4 Stunden ermittelt wurden, was eine Indiumausbeute von 97 % in der Lösung ergab. Die Auflösung der Indiumzinnoxid-Schicht führte zur Ablösung der Silbergitter vom Siliziumwafer. Unter diesen milden Bedingungen wurden Indium und Zinn selektiv gelaugt, anschließend wurden die Indiumkationen von Oxalatanionen komplexiert, was zur Fällung von Indiumoxalat führte und eine Trennung von Indium und Zinn in einem einzigen Filtrationsschritt ermöglichte.
Das Team strebt an, diese Rückgewinnungsmethode auf andere Materialien auf Indiumoxid-Basis (In₂O₃) auszuweiten. Die Rückgewinnungstechnologie wurde in der Zeitschrift „Solar Energy Materials and Solar Cells“ unter dem Titel „Effiziente Rückgewinnung von Indium aus Heterojunction-Solarzellen mit direkter Extraktion von Silbergittern“ veröffentlicht.
