Proceedings of the European Summer School of Photovoltaics 4 â 7 ...

More documents

Recommendations

Info

Recycling of silicon solar cells Piotr Ostrowski Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Krośnie, Instytut Politechniczny, Zakład Energetyki, Krosno W odpowiednio długiej perspektywie czasowej, wynoszącej średnio 25 lat, krzemowe moduły PV podobnie jak inne przedmioty użytkowe stają się odpadem. Globalna tendencja zmierzająca do wykorzystania materiałów odpadowych, skłania do zagospodarowania materiałów odpadowych komercyjnych modułów PV. Efektywną metodą gospodarowania odpadami jest odzysk. Dotychczasowa praktyka polegająca na składowaniu zużytych modułów PV na składowiskach odpadów, w odniesieniu do modułów PV, na dłuższą metę nie jest do zaakceptowania. Eksperyment Strumień odpadów w sektorze fotowoltaicznym można podzielić na dwie grupy: odpady generowane na etapie produkcji oraz wynikające z procesów starzeniowych (odpad poeksploatacyjny). Na 1000 wytworzonych krzemowych ogniw PV, średnio 50 sztuk nie spełnia stawianych im wymagań, zatem do produkcji modułów PV można wykorzystać 950 szt. pojedynczych ogniw, których parametry są zgodne z oczekiwanymi. Natomiast na 1000 wytworzonych modułów PV, średnio 10 sztuk nie spełni wymagań. Do eksploatacji trafi zatem 990 modułów PV. Dodatkowo ilość zużytych modułów PV zwiększa się w wyniku ich naturalnego starzenia podczas, którego zmianie ulęgają właściwości fizyko-chemiczne poszczególnych materiałów składowych. Na rys. 1 przedstawiono widok zużytych komercyjnych modułów PV. Rys. 1. Zużyte komercyjne moduły PV [1] Straty powstające na etapie produkcji w postaci uszkodzonych ogniw i modułów PV nie spełniających parametrów należy ograniczać poprzez stosowanie odzysku materiałowego. Z kolei odpad powstający w wyniku uzyskania przez moduły PV tzw. kresu eksploatacji, będącego następstwem procesów starzeniowych, należy odzyskiwać i ponownie wykorzystać. Recykling to forma odzysku polegająca na ponownym przetworzeniu materiałów w celu uzyskania materiału o przeznaczeniu pierwotnym lub przeznaczeniu alternatywnym. Rezultaty badań opisane w pracach [2, 3] wskazują iż recykling krzemowych ogniw PV jest możliwy. Poziom wykorzystania surowców wtórnych ogniw/modułów PV, można określać za pomocą wskaźników recyklingu. Wyniki Poniżej podano sposób określania wskaźników recyklingu komercyjnych ogniw i modułów PV w oparciu o zastosowanie metody masowej oraz metody strukturalnej. Podatność komercyjnego krzemowego ogniwa/modułu PV na recykling można wyznaczyć posługując się względnym udziałem 92 masowym poszczególnych elementów podatnych na recykling w odniesieniu do jego całkowitej masy (1). (1) gdzie: M ws – masowy wskaźnik podatności ogniwa/modułu PV na recykling, m ri – masa części podatnych na recykling, m – ogólna masa modułu PV. Rozdział wycofanego z dalszej eksploatacji modułu PV na poszczególne grupy materiałowe polega głównie na demontażu jego elementów składowych. Rozdział ten do pewnego stopnia może być realizowany ręcznie lub mechanicznie. Natomiast separacja pojedynczych ogniw z modułu PV wymaga zastosowania obróbki termicznej lub chemicznej [4]. Metoda masowa nie uwzględnia trudności związanych z koniecznością separacji (rozdzielenia) poszczególnych elementów wchodzących w skład modułu PV. Problemy złożoności demontażu modułów PV można ocenić wykorzystując do tego celu strukturalną metodę podatności na recycling. Metoda ta polega na dodatkowym wprowadzeniu do równania (1) współczynnik fs, odniesionego do struktury krzemowego modułu PV, jak w równaniu (2). (2) gdzie: S wr – strukturalny wskaźnik podatności ogniwa/modułu PV na recykling, fs – współczynnik struktury ogniwa/modułu PV. Równanie (2) uwzględnia wpływ struktury, sposób rozmieszczenia oraz typ powiązań standardowych krzemowych modułów PV, na podatność tych urządzeń na recykling. W przypadku uszkodzenia, zużycia czy osiągnięcia kresu eksploatacji krzemowego modułu PV należy wydzielić z niego poszczególne grupy materiałowe. Z tego względu ważnym zagadnieniem staje się proces demontażu zużytych modułów PV. Dopiero po tym etapie odzyskane poszczególne materiały składowe można kierować do procesu recyklingu dla danej grupy materiałowej (tworzywa sztuczne, aluminium, miedź, stal, szkło, krzem). Relacje zachodzące między elementami składowymi komercyjnych ogniw i modułu PV można opisano za pomocą grafu skierowany rys. 2. Określenie relacji połączeń elementów składowych krzemowych modułów PV jest pomocne przy określeniu współczynnika struktury fs. W tabeli 1 przedstawiono poszczególne elementy składowe komercyjnego modułu PV. Natomiast w tabeli 2 przedstawiono elementy wchodzące w skład budowy komercyjnego krzemowego ogniwa PV. Tabela 3 przedstawia szacunkowe wskaźniki recyklingu uzyskiwane dla krzemowych ogniw i modułów PV. Rys. 2. Model zachodzących relacji między elementami składowymi ogniw/modułów PV Elektronika 6/2012
Tab. 1. Elementy składowe komercyjnego modułu PV Moduł PV Tab. 2. Elementy składowe komercyjnego ogniwa PV Ogniwo PV 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 Rama Al 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 Łącznik Cu Metalizacja tylna Ag/Al Metalizacja przednia Ag Warstwa ARC Złącze p- n Podłoże bazowe Si Tab. 3. Szacunkowe wskaźniki recyklingu dla krzemowych ogniw i modułów PV Szacunkowy wskaźniki recyklingu krzemowego ogniwa PV krzemowego modułu PV Wartości w% ≈ 95 ≈ 80 Zużyte ogniwo PV Śruby, Fe Krzemowe podłoże bazowe odzyskane ze zużytego ogniwa PV Kierunek procesu Rys. 3. Recykling polikrystalicznego ogniw PV Tworzywa Szkło EVA Tedlar ® sztuczne Przewody Cu Diody zabezp. Ogniwa PV Ogniwo PV wytworzone na bazie odzyskanego podłoża krzemowego Z uzyskanych wyników w tabeli 3 wynika że możliwe jest odzyskanie około 95% materiału z krzemowego ogniwa PV oraz niemalże 80% z krzemowego modułu PV. Odzyskane polikrystalicznego krzemowego podłoża bazowego wymaga zastosowania obróbki chemicznej umożliwiającej usuniecie z jego powierzchni metalizacji przedniej i tylnej, warstwy antyrefleksyjnej ARC oraz złącza półprzewodnikowego p- n. Rozdział zaś modułu PV na poszczególne grupy materiałowe najefektywniej zachodzi w procesach wysokotemperaturowych tj. w temperaturze około 500 o C. W celu odzyskania krzemowego podłoża bazowego ze zużytych ogniw PV należy usunąć z jego powierzchni wszystkie uprzednio nałożone substancje. W tym celu stosuje się sekwencyjną obróbkę chemiczną z wykorzystaniem takich substancji jak: wodorotlenek potasu KOH, kwas fluorowo-wodorowy HF, kwas azotowy HNO 3 , kwas octowy CH 3 COOH bądź nadtlenek wodoru H 2 O 2 [5]. Na rys. 3b przedstawiono widok podłoża krzemowego odzyskanego ze zużytego polikrystalicznego ogniwa PV. Ponowne wykorzystanie tak odzyskanego podłoża Si wymaga powtórnego wytworzenia na nim wszystkich wcześniejszych warstw. Technologia produkcji krzemowych ogniwa PV, na odzyskanym krzemowym podłożu bazowym, składają się m. in. z takich etapów jak: – kontrola jakości odzyskanego podłoża bazowego; – odtłuszczenie i oczyszczenie odzyskanej płytki Si; – przeprowadzenie procesu dyfuzji; – usunięcie szkliwa fosforowo-krzemowego; – osadzenie warstwy Al na tylnej powierzchni płytki; – osadzenie warstw Ti, Ag; – wypalenie kontaktów elektrycznych. Na rysunku 3c zaprezentowana widok ogniwa PV wytworzonego w Laboratorium Fotowoltaicznego w Kozach na odzyskanym krzemowym podłożu bazowym. Na rys. 3c widoczna jest powierzchnia przednia ogniwa PV z wytworzoną warstwą antyrefleksyjną ARC (kolor niebieski) oraz elektrodą przednią wykonana przy użyciu pasty srebrowej Ag. Powierzchnia wytworzonego ogniwa wynosi 25,00 cm 2 . Odzyskane podłoże krzemowe posiadało rezystywność 1,45 ∙ 10 -2 Ω·m, a jego grubość wyniosła 300 μm. Odzyskane podłoże krzemowe charakteryzowało się przewodnictwem dziurowym (typu- p) z tego względu, podczas etapu produkcyjnego domieszkowane było fosforem. Na powierzchni tylnej odzyskanego podłoża wykonano metalizację Al/Ag stanowiącą elektrodę tylną tak wytworzonego ogniwa. Podsumowanie Na rysunku 4 zaprezentowano podstawowe parametry eksploatacyjne wytworzonego polikrystalicznego ogniwa PV na odzyskanym podłożu bazowym. Wyniki uzyskano na stanowisku do wyznaczania charakterystyk I- U ogniw PV, zlokalizowanym w Laboratorium Fotowoltaicznym w Kozach. Pomiary ogniwa PV realizowano w warunkach testu standardowego STC tj.: E= 1000 W/m 2 , t= 25 o C przy optycznej masie powietrza AM= 1,5. Z otrzymanej charakterystyki prądowo-napięciowej dla wytworzonego polikrystalicznego ogniwa PV wynika iż posiada ono bardzo dobre parametry nie odbiegające od tych uzyskiwanych dla ogniw wytwarzanych z materiałów pierwotnych. Polikrystaliczne ogniwo PV wytworzone z materiału wtórnego uzyskało sprawność konwersji fotowoltaicznej E ff = 13% oraz współczynnik wypełnienia charakterystyki FF= 0,74, co można uznać za poziom zadowalający. Rys. 4. Parametry polikrystalicznego ogniwa PV wytworzonego na krzemowym podłożu bazowym pochodzącym z odzysku gdzie: I sc –prąd zwarcia, V oc – napięcie obwodu otwartego, P m – wartość mocy maksymalnej, FF – współczynnik wypełnienia, E ff – sprawność konwersji. Wartości otrzymanych wyników pomiarowych potwierdzają, iż recykling krzemowych ogniw PV jest możliwy, a parametry uzyskiwane przez ogniwa wytworzone na odzyskanych krzemowych podłożach bazowych są nie gorsze jak te, które osiągają ogniwa PV wytwarzane na podłożach pierwszego użycia. Ponadto uzyskiwane wysokie wskaźniku recyklingu krzemowych ogniw i modułów fotowoltaicznych przemawiają za powszechnym wykorzystaniem tego typu możliwości. Serdeczne podziękowania składam kierownikowi oraz pracownikom Laboratorium Fotowoltaicznego w Kozach, a także Pani E. Klugmann-Radziemskiej prof. nadzw. Politechniki Gdańskiej za owocną współpracę i życzliwość. Literatura [1] Flynn H., Bradford T.: Silicon Shortage: Supply Constrains Limit PV Growth Until 2008, Renewable Energy World, July 2006. [2] Klugmann-Radziemska E., P. Ostrowski, K. Drabczyk, P, Panek, M. Szkodo: Experimental Validation of the Chemical Recycling of Crystalline Silicon Solar Cells, Solar Energy Materials & Solar Cells 94 (2010). [3] Radziemska E., P. Ostrowski, F. Kozera: Sposób i urządzenie do kontrolowanego i automatycznego odzysku materiałów z krzemowych ogniw fotowoltaicznych. Zgłoszenie patentowe z dnia 10.11.2009. [4] Radziemska E., P. Ostrowski, A. Cenian, M. Sawczak: Chemical Thermal and Laser Processes in Recycling of Photovoltaic Solar Cells and Modules. Ecological Chemistry and Engineering S 2010, Vol 17, No.3, 385–391. [5] Klugmann –Radziemska E., Ostrowski P.: Chemical Treatment of Crystalline Silicon Solar Cells as a Method of Recovering Pure Silicon From Photovoltaic Modules. Renewable Energy 2010, Vol. 35/8 pp. 1751–1759, A.A.M. Saigh – USA: Elsevier, ISSN 0960-1481. Elektronika 6/2012 93
Page 1 and 2: Proceedings of the European Summer
Page 3 and 4: Spis treści str. 1. Analysis of se
Page 5 and 6: Fig. 4. Spectral reflectance depend
Page 7 and 8: tures in comparison to so far used
Page 9 and 10: Summary The silver nanopowder paste
Page 11 and 12: B A Rys. 5. Modele cząsteczek stos
Page 13 and 14: Laser texturing and microtreatment
Page 15: Tab. 2. Wyniki średnie, odchylenia
Page 19 and 20: Rys. 2. Analizowane kształty tekst
Page 21 and 22: Podsumowanie W wyniku badań doświ
Page 23 and 24: a) b) Fig. 4. ITME image: a) graphe
Page 25 and 26: To obtain the total thickness of th
Page 27 and 28: Optical and electrical parameters o
Page 29 and 30: Antireflection coating with plasmon
Page 31 and 32: Technological issues and optimizati
Page 33 and 34: GaAsN as a photovoltaic material -
Page 35 and 36: AP-MOVPE technology of AIIIBV-N het
Page 37 and 38: optical and structural features wer
Page 39 and 40: chanism, as it provides alternative
Page 41 and 42: The experimental results showed in
Page 43 and 44: de are believed to change the ioniz
Page 45 and 46: pyrrolidone). To 0.04 g of polymer
Page 47 and 48: Fig. 2. Structure of a) Poly(3-hexy
Page 49 and 50: 0,03 0,02 10 Current density (mA/cm
Page 51 and 52: Fig. 1. (A) Schematic representatio
Page 53 and 54: Azaheterocyclic materials for organ
Page 55 and 56: The influence of inclination and az
Page 57 and 58: Fig. 6. Hourly distribution of radi
Page 59 and 60: Fig. 2. CNT layer resistivity chang
Page 62: IV Elektronika 6/2012

Proceedings of the European Summer School of Photovoltaics 4 â 7 ...

You also want an ePaper? Increase the reach of your titles

Delete template?

Save as template?

Proceedings of the European Summer School of Photovoltaics 4 â 7 ...