Солнечная энергетика набирает темпы во всем мире, но ограниченный срок службы солнечных панелей (иногда по 25-30 лет) грозит серьезными проблемами. По прогнозам, к 2050 году до 78 миллионов тонн солнечных панелей выйдут из эксплуатации — притом что они сделаны из практически неразлагающихся материалов. Исследователи из Сингапура предложили выход — новый способ переработки отслуживших панелей, который позволит закольцевать их жизненный цикл и направить на производство другой важной продукции.
В основе большинства выпускаемых солнечных панелей — высокочистый кремний. Но отделить его от других компонентов, таких как алюминий, медь, серебро, свинец и пластик, довольно сложно. К тому же полученный после подобной переработки кремний часто содержит примеси и дефекты, что делает его непригодным для использования в другой кремнесодержащей продукции.
Современные методы извлечения высокочистого кремния энергозатратны и связаны с ядовитыми химикатами. Поэтому такая переработка обходится дорого и не слишком распространена. Группа ученых из Наньянского технологического университета разработала более эффективный способ с использованием ортофосфорной кислоты (H3PO4), которую применяют в пищевой промышленности и производстве напитков.
«Наш подход к восстановлению кремния одновременно эффективен и результативен. Мы не используем несколько реагентов, что сокращает последующий процесс очистки химических отходов. В то же время мы добились высокой степени извлечения чистого кремния — сопоставимой с той, что достигается с помощью энергоемких методов экстракции», — заявил ведущий автор исследования Нрипан Мэтьюз (Nripan Mathews).
Чтобы удалить металлы (алюминий и серебро) с поверхности отработавших солнечных элементов, новая методика предполагает обработку панелей горячим раствором ортофосфорной кислоты (H3PO4) в течение 30 минут. Для полного удаления металлов процесс повторяется с использованием свежей ортофосфорной кислоты. В результате на выходе получаются высокочистые кремниевые пластины.
Оценка образцов с помощью рентгенофлуоресцентного анализа и оптико-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой показала, что они имеют впечатляющую степень восстановления 98,9% и чистоту 99,2%. Это сопоставимо с показателями восстановленного кремния, полученного применяемыми сегодня методами.
Кремний с этими характеристиками можно пустить на производство анодов для литийионных аккумуляторов. Когда ученые протестировали изготовленные таким способом батареи, их эффективность оказалась на том же уровне, как если бы аноды изготовили из купленного, а не восстановленного кремния.
По мнению исследователей, этот более дешевый и быстрый метод восстановления кремния послужит импульсом для дальнейшей разработки аккумуляторов для электромобилей. Поэтому они уже планируют коммерческое использование технологии, подыскивая для этого промышленных партнеров.
Проблема отработанных солнечных батарей существует из-за того, что при обычной эксплуатации они теряют мощность примерно на 1% в год. И хотя за 25-30 лет их выработка падает даже не наполовину, с коммерческой точки зрения выгоднее заменить фотоэлементы на новые и снова вернуть выработку на максимум.
Однако старые фотоэлементы состоят из стекла, алюминия, серебра и кремния — ничего из этого само по себе активно не корродирует. Перерабатывать их можно, но при сегодняшней дороговизне энергии в странах, где особенно высока доля солнечной генерации, цена таких материалов выходит выше, чем у полученных не с помощью переработки. Изобретение сингапурских ученых может, наконец, изменить это положение вещей.