Obserwowany obecnie rozwoj technologii PV oraz coraz większe zainteresowanie instalacją systemow fotowoltaicznych przez przedsiębiorstwa i osoby prywatne, oprocz wzrostu rynku PV, niesie także pewne problemy. Kwestią problematyczną staje się pytanie – co z instalacją, kiedy minie czas jej eksploatacji? Jako że średnia trwałość ogniw to 20–30 lat, pierwsze instalacje krzemowe przechodzą dziś w stan wyeksploatowania.

Zagrożeniem dla środowiska naturalnego stają się zatem odpady powstałe z wyeksploatowanych instalacji. Szybkie tempo wzrostu produkcji ogniw PV powoduje, że w 2010 roku liczba zużytych elementów wyniosła 290 t. Szacuje się, że w 2040 ilość ta może się zwiększyć do 33 500 ton. W związku z tym pojawia się potrzeba możliwie najefektywniejszego odzyskania materiałów do ponownego użycia z elementów wyeksploatowanych. Obecnie zużyte oraz uszkodzone instalacje trafiają na składowiska komunalne (brak jest szczegółowych danych dotyczących ich ilości). Co najistotniejsze, do dziś nie opracowano skutecznej i uniwersalnej metody recyklingu ogniw PV. Potrzeba recyklingu systemów fotowoltaicznych staje się tym bardziej wyraźna, iż wraz z konserwatywnym założeniem wzrostu zapotrzebowania na poziomie 25% rocznie, w 2030 roku wartość przemysłu półprzewodnikowego związanego z sektorem PV wyniesie ponad 175 bilionów euro. Kolejna istotna kwestia to dominacja krystalicznego krzemu (c-Si) w produkcji ogniw PV, z uwagi na wysoką cenę rynkową krzemu oraz jego ograniczoną podaż – czysty krzem jest najcenniejszym materiałem, który może być odzyskany z ogniw
PV. Jak podają statystyki, rocznie na potrzeby elektroniki i fotowoltaiki produkowane jest przeszło 40 tysięcy ton krzemu, a tendencja jest wzrostowa. Wraz z rozwojem technologii fotowoltaicznej produkowane są ogniwa o coraz większych wymiarach. Obecnie standardem są ogniwa 150 x 150 mm, podczas gdy jeszcze kilka lat temu typowe ogniwo było płytką o rozmiarze 50 x 50 mm. Choć sam krzem jest nietoksyczny, to proces jego produkcji jest bardzo energochłonny, a w wielu przypadkach wymaga użycia dodatków chemicznych. Znaczny udział kosztowy krzemu w produkcji ogniw fotowoltaicznych niesie potrzebę jego recyrkulacji. Obecnie udział w rynku ogniw krzemowych (c-Si) w rożnych odmianach (monokrystaliczne, multikrystaliczne, taśmowe) przekracza 90%. Pozostała część przypada na technologie cienkowarstwowe (TF) (amorficzne ogniwa Si, CI(G)S, CdTe).

PV wykres

Recykling czy utylizacja?
Mówiąc o usuwaniu odpadów sektora fotowoltaicznego, należy rozpatrzyć problemy utylizacji i recyklingu. Utylizacja wiąże się ze zniszczeniem i unieszkodliwieniem danych substancji. Popularnym sposobem utylizacji jest spalanie. Ma to jednak negatywny wpływ na środowisko naturalne. Do atmosfery lub wód gruntowych mogą bowiem przedostać się pierwiastki szkodliwe. Dotyczy to zwłaszcza modułów zawierających kadm (CdTe). W przypadku modułow zbudowanych na bazie krystalicznego krzemu ryzyko uwolnienia uciążliwych substancji jest mniejsze, gdyż sam krzem nie jest trujący. Mimo to, nawet moduły krzemowe mogą zawierać pewne ilości substancji toksycznych, na przykład ołowiu. Recykling natomiast to sposób odzysku materiału bez jego zniszczenia. Polega na przetworzeniu substancji zawartej w danej materii w celu uzyskania produktu o tym samym lub podobnym przeznaczeniu. Biorąc pod uwagę jak kosztowny jest wysoko oczyszczony krzem do zastosowań fotowoltaicznych, jego utylizacja byłaby bezcelowa. Jedynym racjonalnym rozwiązaniem jest recykling.

Metody recyklingu
Metody recyklingu możemy dzielić:
•    ze względu na rodzaj odzysku,
•    ze względu na stosowaną technologię.
Separacja ogniw PV. Polega na rozdzieleniu poszczególnych ogniw, z których składa się moduł przy wykorzystaniu metod termicznych lub chemicznych. Na typowy moduł składają się: szkło, aluminiowa rama, przezroczysta warstwa hermetyzująca z kopolimeru EVA (Ethylene Vinyl Acetate), ogniwa fotowoltaiczne, puszka przyłączeniowa, warstwa folii ochronnej (Tedlar) i śruby. Chemiczna separacja ogniwa z modułu polega na dobraniu odpowiedniego roztworu zdolnego usunąć warstwę kopolimeru pokrywającą ogniwo. Obecnie popularną i efektywną metodą chemiczną jest zanurzanie modułu w trójchloroetylenie o temperaturze 80°C. Metoda ta jest jednak czasochłonna, czas separacji to około 10 dni. Kolejny sposób to metoda termiczna. W tym przypadku należy określić temperaturę topnienia warstwy pokrywającej ogniwo. Dla kopolimeru EVA zmiana struktury pojawia się w temperaturze 80°C.

Oczyszczenie powierzchni ogniw
Na tym etapie z oddzielonych już ogniw zostają usunięte wszelkie zbędne warstwy, by odzyskać samo podłoże krzemowe. Oczyszczenie powierzchni ogniwa może odbyć się z zastosowaniem metody laserowej. Dzięki promieniowaniu laserowemu usuwane są pokrycia i warstwy zewnętrzne. W tym przypadku wyróżnić można kilka mechanizmów: drgania powierzchni, drgania cząsteczki, rozszerzalność termiczną nawarstwienia czy ablację laserową, czyli odparowanie warstwy materiałów, takich jak metale czy ceramika. Metoda laserowa jest jednak nieekonomicznym sposobem oczyszczania powierzchni ogniw PV. Sposób ten okazuje się być kosztowny i o niskiej wydajności (duży szacunkowy czas czyszczenia). Inna metoda oczyszczania powierzchni ogniwa to metoda chemiczna. Sposób ten obejmuje różnorodne operacje, na przykład: odtłuszczanie, trawienie czy płukanie. Proces chemiczny zaczyna się od rozmontowania modułu PV. Następnie dokonuje się pomiaru grubości poszczególnych ogniw i poddaje je odtłuszczaniu. Odtłuszczone ogniwa są wytrawiane, płukane w wodzie dejonizowanej i suszone strumieniem podgrzanego powietrza. Dokonuje się kolejnych pomiarów ostrzowych. Ogniwa mieszczące się w danym zakresie bada się pod kątem pocienienia warstwy i ubytku masy, a także struktury. Te z ogniw, które okazały się niezgodne z ostrzowym wymiarem, są dotrawiane, następnie opłukane i osuszone trafiają pod kolejny pomiar ostrzowy. W zależności od wyniku procedura może być powtarzana. Obróbkę chemiczną prowadzi się w temperaturze rzędu 80°C. Należy wspomnieć, że na etapie chemicznego oczyszczania powierzchni ogniwa uwalniane są jako produkt reakcji szkodliwe gazy. Podsumowując, podstawowe metody recyklingu ogniw i modułów PV to obróbka chemiczna, laserowa oraz termiczna. Opłacalność i skuteczność poszczególnych metod na kolejnych etapach przetwarzania instalacji pozostaje wciąż sprawą dyskusyjną. Obecnie uznaje się, że metoda termiczna jest optymalnym rozwiązaniem na etapie separacji ogniw PV, natomiast chemiczna – do usuwania kontaktów, złączy p-n, metalizacji czy warstwy antyrefleksyjnej (ARC) z powierzchni modułu.

Literatura:
1. Ostrowski Piotr, Procesy termiczne i chemiczne w recyklingu ogniw i modułów fotowoltaicznych z krystalicznego
krzemu, Gdańsk 2010.
2. www.poradnik.sunage.pl
3. Vasilis Fthenakis. Photovoltaics Recycling and Sustainability. Recycling Scoping Workshop. IEEEPVSC, Kwiecień 11, 2009
4. Vasilis Fthenakis. End-of-life management and recycling of PV modules. Energy Policy. Maj 25, 2000

M. Krzywda, J. Jurasz
Akademia Gorniczo-Hutnicza w Krakowie
Wydział Zarządzania

Cały artykuł w numerze 3/2014
2014 03 GLOBEnergia