[論文レビュー] Towards long term sustainability of c-Si solar panels: the environmental benefits of glass sheet recovery

Marcos Paulo Belançon, Marcelo Sandrini+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2021

Photovoltaic Systems and Sustainability参考文献 37被引用数 17

ひとこと要約

本研究では、廃棄予定の結晶シリコン（c-Si）太陽電池モジュールからガラスシートを回収するための熱支援機械的プロセスを提案しており、回収されたガラスが再利用に耐える構造的・化学的整合性を保持していることを実証している。このプロセスにより、再溶融を伴わず再利用が可能となり、年間200万トンを超えるエネルギー消費とCO2排出削減が見込まれる。これにより、太陽電池産業の長期的持続可能性を高めるスケーラブルで低インパクトな道筋が提供される。

ABSTRACT

The cover glass in a silicon solar panel accounts for about 2/3 of the device's weight. Recycling these devices at their end-of-life is fundamental to reducing the industry's environmental impact. Here we investigate the recovery of these glass sheets by a heat-assisted mechanical process. A panel was delaminated, and we have utilized Fourier-transform infrared, Raman, and energy-dispersive spectroscopies to confirm the composition of the remaining components and identify aging signals. The results demonstrate that the panel's design was similar to most Silicon solar panels in the market, and we concluded that it would be feasible to recover the glass in most of these devices. Due to its chemical and mechanical strength, this glass would be ready to be reused without the need to melt it again, bringing substantial savings in its energy content and carbon emission related to its production. The glass sheet would be ready to be used as cover glass in another solar panel or architecture material. Our estimates showed that this could be a pathway to reducing the photovoltaic industry's carbon emissions by more than 2 million tonnes per year.

研究の動機と目的

• 廃棄予定のc-Si太陽電池モジュールからのガラスシートの再利用可能性を評価し、環境への影響を低減すること。
• 低エネルギーで化学薬品を用いない剥離プロセスの開発と実験的検証。
• 再利用を想定した新規太陽電池モジュールや建築材料に適した、回収ガラスの化学的・機械的整合性の評価。
• 太陽電池産業における大規模なガラス再利用による二酸化炭素排出削減量の定量的評価。
• 太陽電池産業がテラワット規模に拡大する中で増加する廃棄c-Siモジュールの処理課題への対応。

提案手法

• テスト対象として、5年間運用された0.18 m²のキョーロクア KS20T c-Si太陽電池モジュールを選定。
• アルミフレームを手作業で取り除いた後、EVA封入材の軟化を目的に85 °Cで30分間予熱処理を実施。
• 手作業による剥離により、ガラス表面からラミネート層（バックシート、セル、インターリンク）を剥がし分離。
• FTIR-ATR、ラマン分光法、SEM/EDSを用いて材料組成の確認と老化効果の検出。
• 再処理や再溶融を伴わず、ガラスの整合性を保持するプロセスに焦点を当てた。
• 毒性化学薬品や高エネルギー入力を回避する設計であり、スケーラビリティと環境適合性を考慮した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 廃棄予定のc-Si太陽電池モジュールからのガラスシートを、再溶融を伴わず、熱支援機械的プロセスで完全に回収できるか？
• RQ2 数十年にわたる現場使用後の回収ガラスの化学的・機械的安定性はいかほどか？
• RQ3 回収ガラスを新規太陽電池モジュールや建築用途に直接再利用できる範囲はどの程度か？
• RQ4 新規ガラスの製造に代えてガラスを再利用することで、エネルギー消費と二酸化炭素排出がどの程度削減できるか？
• RQ5 この回収手法は、大規模なc-Si太陽電池の展開に耐えうるスケーラビリティと環境的持続可能性を備えているか？

主な発見

• FTIR、ラマン、EDS分析による検査で、回収ガラスに顕著な劣化は検出されず、構造的・化学的整合性が保持されていた。
• 再処理を要せず、新規太陽電池モジュールや建築資材としての再利用に適していることが確認された。
• 加熱と機械的力のみを用いることで、EVAおよび他のラミネート層とのガラスの剥離が成功裏に実現された。
• 再溶融を回避することで、推定2–3 kWh/kgのエネルギー節約が可能となり、ガラス1kgあたりのCO2排出量が0.2 kg削減された。
• 本研究では、このガラス回収手法の広範な導入により、太陽電池産業の年間二酸化炭素排出量が200万トン以上削減可能であると推定している。
• 本手法はスケーラブルであり、環境に優しい特性を有しており、c-Si太陽電池モジュールのライフサイクル持続可能性を高める実現可能な道筋を提供する。