Репортаж от Wedoany，Институт новых энергетических технологий и наноматериалов (Liten) при Французском комитете по атомной и альтернативной энергии (CEA) разработал новую технологию извлечения индия из отработанных гетеропереходных (HJT) солнечных элементов.
Индий является ключевым материалом для прозрачного проводящего оксидного слоя в гетеропереходных солнечных элементах, и его извлечение имеет важное значение для устойчивого производства и управления отходами в будущем. Как сообщает автор-корреспондент Ромен Дюваль, в данном исследовании индий извлекается непосредственно из солнечных элементов с помощью кислотного выщелачивания в мягких условиях. Метод использует разбавленную щавелевую кислоту для выщелачивания слоя оксида индия-олова (ITO), что менее опасно по сравнению с традиционными неорганическими кислотами, и позволяет извлекать индий чистотой 4N за один этап. Этот процесс также позволяет отделить серебро от кремниевой пластины, открывая путь к извлечению этого ценного металла.
Традиционные гидрометаллургические методы извлечения обычно основаны на кислотном выщелачивании с использованием соляной, серной или азотной кислоты, часто в сочетании с окислителями, такими как пероксид водорода, однако эффективное разделение индия и олова остается серьезной проблемой. Исследователи предложили однореакторный двухэтапный метод на основе мягкой щавелевой кислоты, который позволяет выщелачивать оксид индия-олова, высвобождать серебряные контакты и в конечном итоге извлекать индий в форме оксида для повторного использования.
В ходе эксперимента команда использовала высокочистый порошок оксида индия-олова, щавелевую кислоту, серную кислоту и пероксид водорода, а также гетеропереходные солнечные элементы, предоставленные CEA INES. Эти элементы состоят из кремниевых пластин, покрытых с обеих сторон слоями оксида индия-олова и серебра. Порошок оксида индия-олова диспергировали в кислом растворе и нагревали при температуре от 40°C до 70°C в течение 48 часов, после охлаждения фильтровали и собирали выщелачивающий раствор. Солнечные элементы после дробления обрабатывали щавелевой кислотой в контролируемых условиях соотношения твердой и жидкой фаз для стимулирования выщелачивания оксида индия-олова. Степень извлечения металлов рассчитывали на основе концентраций индия и олова, определенных в растворе, относительно состава исходного материала.
Для количественного определения растворенных металлов использовали атомно-эмиссионную спектрометрию с индуктивно связанной плазмой. Твердую фазу характеризовали с помощью порошковой рентгеновской дифракции (с использованием Cu Kα-излучения) для идентификации кристаллических структур и продуктов реакции. Полученные дифрактограммы анализировали с помощью справочных баз данных и программного обеспечения. Сканирующую электронную микроскопию использовали для наблюдения микроструктурных изменений, а энергодисперсионную рентгеновскую спектроскопию — для получения карт распределения элементов и элементного анализа. Эти методы в совокупности позволили оценить эффективность растворения, фазовые превращения и извлечение металлов.
Результаты показали, что при комнатной температуре серная кислота приводит к медленному растворению индия, в то время как пероксид водорода, усиливая окислительно-восстановительные реакции и способствуя разложению оксида, значительно улучшает выщелачивание. Щавелевая кислота также обеспечивает умеренное выщелачивание индия, по эффективности сопоставимое с серной кислотой в мягких восстановительных условиях. Повышение температуры до 70°C значительно ускорило все системы, обеспечив почти полное извлечение индия в среде на основе серной кислоты, в то время как щавелевая кислота из-за эффекта осаждения показала высокий, но нестабильный выход. В щавелевой кислоте индий быстро образует нерастворимый оксалат индия, что подтверждено рентгеновской дифракцией и термическим анализом, объясняя снижение концентрации растворенного индия со временем.
Кинетические исследования дополнительно показали, что более высокая температура значительно повышает эффективность выщелачивания; щавелевая кислота демонстрирует лучшие результаты на ранних стадиях, в то время как серная кислота обеспечивает более стабильное конечное извлечение. Расчеты энергии активации показали, что процесс контролируется химической реакцией, а не диффузией, и растворение как индия, так и олова определяется поверхностными реакциями. Щавелевая кислота одновременно выступает в роли восстановителя и комплексообразователя, влияя на поведение растворения индия и олова в зависимости от условий. Эксперименты по проверке концепции на кремниевых гетеропереходных солнечных элементах подтвердили эффективное удаление слоя оксида индия-олова, селективное высвобождение серебряных контактов и успешное осаждение и прокаливание высокочистого оксида индия.
Исследователи сообщили, что после оптимизации параметров выщелачивания индия оптимальные условия были определены как обработка 0,2 М раствором щавелевой кислоты при 70°C в течение 4 часов, что обеспечило выход индия 97% в растворе. Растворение слоя оксида индия-олова привело к отделению серебряных контактов от кремниевой пластины. В этих мягких условиях индий и олово селективно выщелачиваются, после чего катионы индия комплексообразуются с оксалат-анионами, что приводит к осаждению оксалата индия, позволяя разделить индий и олово за один этап фильтрации.
Команда намерена распространить этот метод извлечения на другие материалы на основе оксида индия (In₂O₃). Технология извлечения опубликована в журнале Solar Energy Materials and Solar Cells под названием «Эффективное извлечение индия и прямое выделение серебряных контактов из гетеропереходных солнечных элементов».
