Лазерная переработка солнечных панелей: извлечение серебра с меньшими энергозатратами

Защитная оболочка солнечных элементов рассчитана на десятилетия работы на открытом воздухе. При переработке эта прочность становится препятствием: чтобы добраться до ценных материалов, полимер EVA приходится нагревать до 450–600 °C или обрабатывать токсичными химическими реагентами.

Команда Университета Глазго предложила другой подход — отделять полимер лазером в виде цельной пленки. После этого серебро можно извлекать из оставшегося материала, не прибегая к традиционному выщелачиванию азотной кислотой. Результаты работы опубликованы в журнале Communications Materials.

Почему переработка солнечных панелей становится важнее

Снижение стоимости солнечных панелей ускорило их распространение: мировая установленная мощность солнечной генерации достигла 3 ТВт. Одновременно растет объем оборудования, которое выходит из эксплуатации. По приведенным в исходном материале прогнозам, к 2030 году объем отходов солнечных панелей превысит 1 млн тонн, а к 2050 году — 200 млн тонн.

Ценные металлы составляют лишь около 0,05% массы панелей, но обеспечивают примерно две трети их стоимости как вторсырья. Их извлечение требует разрушения прочной полимерной герметизации, что делает традиционную переработку энергоемкой.

Лазер отделяет пленку, не сжигая ее

Для экспериментов специалисты Центра кремниевой фотовольтаики Фраунгофера в Германии предоставили исследователям многослойные сборки элементов из выведенных из эксплуатации коммерческих панелей.

Команда сканировала их волоконным лазером с длиной волны 1064 нм. Излучение почти беспрепятственно проходило через прозрачный EVA и поглощалось кремнием, нагревая границу между материалами. При превышении определенного порога мощности полимер отделялся от элемента цельной пленкой.

После этого металлические токосборные шины можно отделить механически. Остается порошок, состоящий преимущественно из кремния, алюминия и серебра.

Серебро извлекают в два этапа

Сначала порошок обрабатывают разбавленным раствором гидроксида натрия для удаления алюминия. Затем серебро растворяют в солевом растворе, содержащем хлорид железа и хлорид холина. В испытаниях на одном типе панелей селективность извлечения серебра превысила 99%. Этот показатель характеризует избирательность процесса, а не долю извлечения всего серебра из панели.

По оценке авторов, предложенный подход сокращает энергопотребление переработки на 84% по сравнению с традиционными процессами. Он также позволяет отказаться от азотной кислоты при выщелачивании серебра. Кремний остается в твердом остатке для последующего извлечения.

Как пояснил доктор Джозеф Кэмерон из Инженерной школы Джеймса Уатта, отделение герметизирующей пленки без сжигания или растворения дает более чистый материал для дальнейшей переработки. Первым автором статьи стала Башайер Альсулами, продолжившая свои предыдущие исследования по извлечению металлов из отработавших солнечных панелей.

Следующий этап — обработка целых панелей

Университет сотрудничает с компанией Watt Laser Ltd. из Глазго, чтобы оценить возможность коммерческого применения метода. Его преимущество для масштабирования — использование стандартных промышленных волоконных лазеров, которые уже применяются для маркировки и резки.

По словам представителя Watt Laser Деклана Браннагана, следующая инженерная задача — перейти от одной лазерной головки к многоголовочным системам, способным обрабатывать целые панели с промышленной производительностью. Компания рассчитывает масштабировать технологию менее чем за год, однако для уточнения производительности на этом этапе необходим промышленный партнер.

Работа выполнена в рамках европейского проекта APOLLO с участием центра REACT — Responsible Electronics and Circular Technologies, возглавляемого Университетом Глазго. Сейчас исследователям и Watt Laser предстоит адаптировать лабораторный процесс к требованиям промышленной переработки. О готовности коммерческого оборудования пока не сообщается.