Südkoreanisches Forschungsteam entwickelt Verfahren zur Umwandlung von recyceltem Silizium aus Photovoltaikmodulen in Siliziumnitrid-Keramik

de.wedoany.com-Bericht: Ein südkoreanisches Forschungsteam hat ein Verfahren entwickelt, um aus ausgedienten Photovoltaikmodulen zurückgewonnenes Silizium in Siliziumnitrid-Keramik (Si₃N₄) umzuwandeln. Dieses Material wird aufgrund seiner hohen Festigkeit, thermischen Stabilität, Verschleißfestigkeit und elektrischen Isolationsfähigkeit in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt-, Elektronik-, Medizin-, Energie- und Fertigungsindustrie eingesetzt.

Nach Angaben des Forschungsteams ist dies nach ihrem Kenntnisstand die erste Demonstration der Herstellung von Siliziumnitrid aus Silizium, das aus tatsächlich ausgedienten (EoL) Photovoltaikmodulen zurückgewonnen wurde. Der korrespondierende Autor Jin-Seok Lee erklärte gegenüber dem pv magazine, dass das Ziel dieser Arbeit nicht darin bestehe, recyceltes Silizium als gewöhnlichen Sekundärrohstoff zurückzugewinnen, sondern einen praktischen Weg aufzuzeigen, wie recyceltes Silizium einer höherwertigen Anwendung zugeführt werden kann. Lee sagte, das Team werde als Nächstes von der Machbarkeitsstudie zu einem praktischen, skalierbaren Recycling- und Upcycling-Verfahren übergehen.

Das Team arbeitet mit dem südkoreanischen Photovoltaik-Recyclingunternehmen Wonkwang S&T zusammen, um eine mobile Photovoltaik-Recyclingtechnologie zu entwickeln, die es ermöglicht, den Verarbeitungsprozess in der Nähe des Entstehungsorts der ausgedienten Module durchzuführen. Lee erklärte, dass dieser Ansatz im Vergleich zu herkömmlichen zentralisierten Recyclingwegen darauf abziele, die Transportkosten um etwa 30 % zu senken und die Kohlenstoffemissionen um mehr als 10 % zu reduzieren.

Für den Versuch wurde ein ausgedientes Photovoltaikmodul des Typs STP200-18/Ub von Suntech verwendet, das 54 multikristalline Siliziumzellen auf Basis der Aluminium-Rückseitenfeldstruktur (Al-BSF) enthielt. Nach dem Entfernen der Anschlussdose und des Aluminiumrahmens trennten die Forscher die Glasschicht mit einem Heißmesser von der Verbundschicht aus Ethylen-Vinylacetat (EVA)/Zelle/EVA/Rückseitenfolie. Anschließend wurden Proben in Zellgröße aus der Verbundschicht geschnitten und mit Drehzahlen von 400 U/min, 600 U/min bzw. 800 U/min gemahlen, um den Einfluss der Mahlgeschwindigkeit auf Partikelagglomeration und Verunreinigungsentfernung zu untersuchen. Danach wurden mit Sieben von 3 mm und 0,5 mm größere Rückseitenfolienfragmente und restliches EVA entfernt und bei 600 °C in Luft 1 Stunde lang verbrannt, um verbleibende organische Substanzen zu beseitigen.

Anschließend wurde der Partikelagglomerationszustand mittels Partikelgrößenanalyse und Rasterelektronenmikroskopie (REM) bewertet. Das recycelte Silizium wurde einer zweistufigen Säurewäsche unterzogen: Zuerst wurde es 20 Minuten in 36 Gew.-%iger Salzsäure (HCl) behandelt, um Aluminium, Kupfer, Zinn und Blei zu entfernen; danach wurde es 30 Minuten in 36 Gew.-%iger Salpetersäure (HNO₃) behandelt, um Silber aufzulösen. Beide Prozesse wurden unter Rühren und Ultraschallbedingungen durchgeführt.

Um das säurebeständige Titandioxid (TiO₂) aus der Rückseitenfolie zu entfernen, dispergierten die Forscher 10 g Pulver in 1 Liter Wasser für 20 Minuten, ließen es dann 5 bis 20 Minuten lang sedimentieren und entfernten anschließend 800 ml des Überstands. Dabei wurde eine Sedimentationszeit von 5 Minuten als optimal bestimmt. Nach Abschluss der Charakterisierung wählte das Team das Pulver mit der höchsten Reinheit, das bei 400 U/min gewonnen wurde, als Ausgangsmaterial für die Nitridierung; das gereinigte und das ungereinigte Pulver wurden jeweils 20 Stunden lang in Ethanol kugelmahlen, wobei die mittlere Partikelgröße etwa 1 Mikrometer betrug. Anschließend wurde in einer strömenden Atmosphäre aus 95 % Stickstoff und 5 % Wasserstoff nitridiert, zunächst 1 Stunde bei 1350 °C und dann 10 Minuten bei 1450 °C.

Die Forscher verwendeten Röntgenbeugung (XRD), um die Siliziumumwandlungsrate zu berechnen und das Phasenverhältnis von α-Si₃N₄ und β-Si₃N₄ im Siliziumnitrid zu bestimmen; die Partikelmorphologie wurde mittels REM verglichen; die Reinheit der endgültigen Keramik wurde mittels optischer Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES) gemessen. Die Ergebnisse zeigten, dass die durch Mahlen mit hoher Drehzahl verursachte Partikelagglomeration die anschließende Verunreinigungsentfernung deutlich störte: Die bei 800 U/min gemahlene Probe wies nach dem Ätzen mit Salzsäure eine Restaluminiumkonzentration von immer noch 4290 ppm auf, während die bei 400 U/min gemahlene Probe nur eine entsprechende Restaluminiumkonzentration von 189 ppm aufwies. Lee ist der Ansicht, dass dies zeigt, dass die Optimierung des Recyclingprozesses nicht einfach auf intensiverem Mahlen beruhen kann.

Die Sedimentation zeigte eine deutliche Wirkung bei der Entfernung von Verunreinigungen: Bereits nach 5 Minuten konnten 71,4 % des TiO₂ entfernt werden, während gleichzeitig eine Siliziumrückgewinnungsrate von 92,3 % erhalten blieb. Nach der wirksamen Kontrolle von Metall- und Keramikverunreinigungen erreichte das recycelte Silizium eine Reinheit von 99,95 %, und das daraus hergestellte Siliziumnitrid enthielt 93,1 % α-Si₃N₄; das aus recyceltem Silizium ohne dieses Reinigungsverfahren synthetisierte Siliziumnitrid enthielt dagegen nur 54,7 % α-Si₃N₄. Dieses Ergebnis steht im Einklang mit der Annahme, dass Verunreinigungen in ausgedienten Photovoltaikmodulen die Eigenschaften der hochwertig aufbereiteten Produkte direkt beeinflussen.

Die entsprechende Studie wurde unter dem Titel „Upcycling silicon recovered from photovoltaic waste into silicon nitride via the field-applicable control of metal and ceramic impurities" in der Fachzeitschrift Materials Today Sustainability veröffentlicht. Forscher des Korea Institute of Energy Research und der Chungnam National University waren an dieser Arbeit beteiligt.