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Hallo Welt!

Recycling von CIGS-Solarmodulen + Auswirkungen auf Industrie und Kunden

1954 wird allgemein als Beginn der modernen Solarindustrie angesehen. Zu diesem Zeitpunkt erfanden die Bell Labs in den USA die erste praktische Silizium-Solarzelle.

Seitdem floriert die Solarindustrie und viele neue Solarzellentechnologien sind entstanden, darunter die CIGS-Solarzelle. Dabei handelt es sich um eine vorherrschende Art von Dünnschichtsolarzellen, die einen hohen Wirkungsgrad, wettbewerbsfähige Produktkosten, einen geringen CO2-Fußabdruck und mehr bieten.

Da CIGS-Solarzellen aus mehreren Elementen bestehen, die nicht so häufig vorkommen wie Silizium, hat das Recycling dieser Zellen und Module in der Branche zunehmend Aufmerksamkeit erregt.

In den folgenden Abschnitten werden wir uns mit dem Recycling von CIGS-Solarmodulen befassen und einige Einblicke und Prognosen für dieses spezielle Marktsegment geben.

Recycling von CIGS-Solarmodulen
„CIGS Solar Panel Installation“ (modifiziert) von Ken Fields, lizenziert unter CC BY-SA 2.0 DEED.

Den Grundstein legen: Recycling von c-Si-Solarmodulen

Während es die Branche selbst schon seit rund 70 Jahren gibt, erlangte das Thema „Recycling“ erst in den 2000er-Jahren große Aufmerksamkeit.

Das Primärmaterial Bei herkömmlichen Zellen aus kristallinem Silizium (c-Si) handelt es sich um Silizium, das nach Sauerstoff das zweithäufigste Material auf der Erde ist. Diese Zellen bestehen aus Siliziumatomen, die miteinander verbunden sind, um ein Kristallgitter zu bilden. Dadurch entsteht eine organisierte Struktur, die den Photovoltaikprozess erleichtert.

Neben Silizium, das die Zellen bildet, umfasst ein komplettes c-Si-Solarmodul auch mehrere Schlüsselkomponenten: Antireflexbeschichtung, Einkapselung, gehärtetes Glas, Metallkontakte, Rückseitenfolie und Metallrahmen. 

Im Segment des c-Si-Panel-Recyclings gibt es zwei Hauptmethoden. Einer ist Entfernen Sie die Anschlussdose und den Aluminiumrahmen, zerkleinern Sie das Modul und verwenden Sie es als gemischten Glasscherben.

Im Gegenteil, die andere Methode ist eine verfeinerte und systematische Methode, die eine Reihe mechanischer Trennungs- und „thermisch-mechanisch-chemischer“ Prozesse umfasst. 

Bei der Ankunft in der Recyclinganlage werden der Aluminiumrahmen und die Anschlussdose entfernt, um verschiedene Materialien für das anschließende Recycling zu trennen. Nachdem das gehärtete Glas abgelöst wurde, wird eine Kombination aus thermischen, chemischen und mechanischen Techniken verwendet, um die Einkapselungsschicht zu entfernen. Dieser Schritt legt die darunter liegenden Zellen für eine weitere Materialtrennung frei, einschließlich der Extraktion wertvoller Halbleitermaterialien und Metalle durch chemisches Ätzen oder Schmelzen. Anschließend werden die abgetrennten Materialien zur Wiederverwendung weiterverarbeitet und gereinigt.

Es ist inspirierend, dass einige fortschrittliche Technologien mittlerweile rund 95 % des Werts der Materialien in den Paneelen bewahren können. Viele andere wurden verbessert Methoden werden untersucht, um das Recyclingsegment voranzutreiben.

Recycling von CIGS-Solarmodulen: Stand und Hürden

Ein erheblicher Forschungs- und Entwicklungsaufwand Ende der 20er Jahreth und frühen 21st Jahrhunderte hat dazu geführt CIGS-Solarzellen Erreichen von Wirkungsgraden, die mit herkömmlichen c-Si-Solarzellen konkurrenzfähig sind.

Neben ihrem steigenden Marktanteil lenkt das nahende Ende ihrer Lebensdauer (End-of-Life, EoL) früher CIGS-Module auch die Aufmerksamkeit auf das Recycling dieser Panels.

Zusammenfassung der Materialien und Struktur

CIGS-Solarzellenstruktur
Quelle: Researchgate

Der vollständige Name von CIGS ist Copper Indium Gallium Selenide. Das Herzstück einer CIGS-Zelle ist die CIGS-Absorberschicht, bestehend aus Kupfer (Cu), Indium (In), Gallium (Ga) und Selen (Se). Zu den weiteren Schichten innerhalb der Struktur gehören außerdem:

  • Substrat: Je nach gewünschten Konfigurationen hinsichtlich Flexibilität, Stabilität und Wirtschaftlichkeit kann es aus Polymer, Glas oder Metall bestehen.
  • Rückkontakt: Es wird auch leitfähige Folie genannt, die direkt auf das Substrat gelegt wird, bevor das Absorbermaterial platziert wird. Molybdän (Mo) wird aufgrund seiner guten elektrischen Leitfähigkeit und seiner Kompatibilität mit der CIGS-Schicht ausgewählt.
  • Pufferschicht: Auf dem CIGS wird eine dünne Schicht Cadmiumsulfid (CdS) abgeschieden, die als Pufferschicht zwischen der CIGS-Schicht und dem Frontkontakt dient und einen pn-Übergang bildet.
  • Fenster/Schutzschicht: Diese Schicht wird auch als TCO-Schicht (Transparent Conductive Oxide) bezeichnet und besteht aus einem hochtransparenten Material wie Zinkoxid (ZnO), das den Puffer vor äußeren Schäden schützt.
  • Frontkontakt: Für diesen Kontakt werden im Allgemeinen Materialien wie Indiumzinnoxid (ITO) oder aluminiumdotiertes Zinkoxid (AZO) verwendet, die sich durch Transparenz und elektrische Leitfähigkeit auszeichnen.

Insgesamt sind alle diese Materialien zwar ungewöhnlich, aber nicht besonders selten. Allerdings sind sie haben einen viel höheren Recyclingwert als das allgegenwärtige Silizium, nicht nur aus wirtschaftlichen Gründen, sondern auch wegen des gefährlichen Potenzials einiger Elemente, wenn sie nicht richtig gehandhabt werden.

Aktuelle Recyclingmethoden für CIGS-Panels

Bei CIGS-Dünnschicht-Solarmodulen stehen Recycling und Materialwiederverwendung noch am Anfang. Die meisten aktuellen Praktiken werden in Laboratorien durchgeführt.

Die Methoden unterscheiden sich von denen für das Recycling von c-Si-Panels, obwohl beide mechanische, thermische und chemische Prozesse umfassen. Ein herausragendes Merkmal des CIGS-Panel-Recyclings ist jedoch, dass es häufig vorkommt setzt mehr auf die Chemikalie. 

Ein Team der in Schweden ansässigen Chalmers University of Technology trennte zunächst Selen in der Zelle durch Oxidation des CIGS-Materials bei erhöhten Temperaturen. Erzielung einer Wiederherstellung von über 99 %. Anschließend wurde die selektive galvanische Abscheidung zur Abtrennung der verbleibenden Elemente eingesetzt. Insbesondere führte die galvanische Abscheidung von Kupfer und Indium unter Verwendung unterschiedlicher Potentiale zu einer nahezu vollständigen Trennung der Elemente.

Das Team probierte zur Trennung auch Hochtemperaturchlorierung und Lösungsmittelextraktion aus. Letztendlich kam man jedoch zu dem Schluss, dass die elektrochemische Trennung mit der geringsten Anzahl von Schritten die besten Ergebnisse liefern kann.

In 2022, ein Forschungsprojekt Das von der schwedischen Energieagentur finanzierte Projekt untersuchte das Recycling von CIGS-Solarzellen und konzentrierte sich dabei auf die Auslaugung wertvoller Metalle wie Silber und Indium unter milden Bedingungen. Das Forschungsteam erreichte mit 85 M HNO erfolgreich eine vollständige Rückgewinnung von Silber und eine Rückgewinnung von 2 % von Indium3 mit spezifischem Oberflächen-zu-Flüssigkeits-Verhältnis (A:L) nach 24 Stunden bei Raumtemperatur. 

Die Forscher wiesen außerdem darauf hin, dass ihre Methode im Vergleich zu anderen Methoden Umweltrisiken reduziert und die Kosten senkt. Das Team betont außerdem die Wirksamkeit der selektiven Auslaugung und die Notwendigkeit einer weiteren Optimierung dieser Technik.

Zusammenfassung

Obwohl erhebliche Fortschritte erzielt wurden, ist es noch ein erheblicher Weg bis zur breiten Einführung dieser Recyclingtechnologien.

Dennoch weisen CIGS-Solarmodule eine vielversprechende Zukunft auf.

Neben den eingangs dargelegten Vorzügen bieten CIGS-Panels noch weitere Vorteile einzigartige Stärken gegenüber C-Si-PanelsB. große Flexibilität, geringes Gewicht, hervorragende Optik und unter bestimmten Umständen bessere Leistung.

Mit zunehmenden Impulsen zur Erreichung dreier Hauptziele: 1) Förderung nachhaltiger Solaranwendungen, 2) Verbesserung der wirtschaftlichen Nutzung dieser Technologie und 3) Stärkung der regulatorischen Rahmenbedingungen, sind umweltfreundlichere und effizientere Recyclingmethoden für CIGS-Solarmodule zu erwarten in naher Zukunft.

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