Корейская исследовательская группа разработала технологию переработки кремния из отслуживших фотоэлектрических модулей в керамику из нитрида кремния

Репортаж от Wedoany，Корейская исследовательская группа разработала технологию преобразования кремния, извлечённого из отслуживших фотоэлектрических модулей, в керамику из нитрида кремния (Si₃N₄). Этот материал благодаря высокой прочности, термической стабильности, износостойкости и электроизоляционным свойствам применяется в автомобильной, аэрокосмической, электронной, медицинской, энергетической и других отраслях промышленности.

По словам исследовательской группы, насколько им известно, это первая демонстрация получения нитрида кремния из кремния, извлечённого из реально отслуживших (EoL) фотоэлектрических модулей. Автор-корреспондент Чин Сок Ли заявил журналу pv magazine, что цель работы заключалась не в переработке кремния как обычного вторичного сырья, а в демонстрации практического пути придания восстановленному кремнию более высокой ценности. Ли отметил, что на следующем этапе группа перейдёт от концептуальных исследований к практическому, масштабируемому процессу переработки и апсайклинга.

Группа сотрудничает с корейской компанией по переработке фотоэлектрических отходов Wonkwang S&T для разработки мобильной технологии переработки фотоэлектрических модулей, позволяющей осуществлять обработку вблизи места образования отслуживших модулей. По словам Ли, по сравнению с традиционными централизованными маршрутами переработки, этот подход направлен на снижение транспортных расходов примерно на 30% и сокращение выбросов углерода более чем на 10%.

В ходе эксперимента использовался отслуживший фотоэлектрический модуль Suntech STP200-18/Ub, содержащий 54 поликремниевых элемента на основе структуры с алюминиевым тыльным полем (Al-BSF). После снятия распределительной коробки и алюминиевой рамы исследователи с помощью термоножа отделили стеклянный слой от композитного слоя этиленвинилацетат (EVA)/элемент/EVA/задняя плёнка, затем разрезали композитный слой на образцы размером с элемент и измельчили их при скоростях 400, 600 и 800 об/мин соответственно, чтобы изучить влияние скорости измельчения на агломерацию частиц и удаление примесей. Затем с помощью сит с ячейками 3 мм и 0,5 мм удалили более крупные фрагменты задней плёнки и остатки EVA, а затем сжигали образцы на воздухе при 600°C в течение 1 часа для удаления оставшихся органических веществ.

Затем с помощью гранулометрического анализа и растровой электронной микроскопии (РЭМ) оценили состояние агломерации частиц. Восстановленный кремний подвергли двухстадийной кислотной промывке: сначала обработке в 36 мас.% соляной кислоте (HCl) в течение 20 минут для удаления алюминия, меди, олова и свинца; затем обработке в 36 мас.% азотной кислоте (HNO₃) в течение 30 минут для растворения серебра. Оба процесса проводились в условиях перемешивания и ультразвуковой обработки.

Для удаления кислотостойкого диоксида титана (TiO₂) из задней плёнки исследователи диспергировали 10 г порошка в 1 литре воды в течение 20 минут, затем давали осадку осесть в течение 5–20 минут, после чего удаляли 800 мл надосадочной жидкости и определили 5 минут как оптимальное время осаждения. После завершения характеризации группа выбрала порошок наивысшей чистоты, полученный при 400 об/мин, в качестве сырья для нитридизации; очищенный и неочищенный порошки подвергались шаровому измельчению в этаноле в течение 20 часов, средний размер частиц составил около 1 микрона. Затем проводилась нитридизация в проточной атмосфере 95% азота и 5% водорода: сначала при 1350°C в течение 1 часа, затем при 1450°C в течение 10 минут.

Исследователи использовали рентгеновскую дифрактометрию (XRD) для расчёта степени превращения кремния и определения фазового соотношения α-Si₃N₄ и β-Si₃N₄ в нитриде кремния; с помощью РЭМ сравнивали морфологию частиц; методом оптико-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ИСП-ОЭС) измеряли чистоту конечной керамики. Результаты показали, что агломерация частиц, вызванная измельчением на высоких скоростях, существенно затрудняла последующую очистку: в образце, измельчённом при 800 об/мин, после травления соляной кислотой остаточная концентрация алюминия составляла 4290 ppm, тогда как в образце, измельчённом при 400 об/мин, соответствующая остаточная концентрация алюминия составляла лишь 189 ppm. Ли считает, что это указывает на то, что оптимизация процесса переработки не может просто полагаться на более интенсивное измельчение.

Отстаивание оказалось весьма эффективным для удаления примесей: всего за 5 минут удалялось 71,4% TiO₂ при сохранении 92,3% выхода кремния. После эффективного контроля металлических и керамических примесей чистота восстановленного кремния достигла 99,95%, а полученный из него нитрид кремния содержал 93,1% α-Si₃N₄; в нитриде кремния, синтезированном из восстановленного кремния без этой технологии очистки, содержание α-Si₃N₄ составляло лишь 54,7%. Этот результат согласуется с выводом о том, что примеси в отслуживших фотоэлектрических модулях напрямую влияют на свойства продуктов высокоценной переработки.

Соответствующая статья под названием «Upcycling silicon recovered from photovoltaic waste into silicon nitride via the field-applicable control of metal and ceramic impurities» опубликована в журнале Materials Today Sustainability. В работе приняли участие исследователи Корейского института энергетических исследований (Korea Institute of Energy Research) и Университета Чунгнам (Chungnam National University).