[논문 리뷰] Towards long term sustainability of c-Si solar panels: the environmental benefits of glass sheet recovery

Marcos Paulo Belançon, Marcelo Sandrini외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 18.

Photovoltaic Systems and Sustainability참고 문헌 37인용 수 17

한 줄 요약

이 연구는 폐결정질Silicon(c-Si) 태양전지에서 유리 시트를 회수하기 위해 열보조 기계적 방법을 제안하며, 회수된 유리가 재사용을 위해 구조적 및 화학적 안정성을 유지함을 입증한다. 이 과정은 재융해 없이 재사용을 가능하게 하여 연간 200만 톤 이상의 에너지 소비와 이산화탄소 배출을 감소시킨다. 이는 태양광 산업의 장기적 지속 가능성 향상에 기여하는 확장 가능한 저영향도의 길을 제시한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 폐결정질Si(c-Si) 태양전지에서 유리 시트를 재사용함으로써 환경적 영향을 줄이기 위한 가능성 평가
• 저에너지, 비화학적 분리 공정을 개발하고 시험하여 유리 회수
• 새로운 태양전지나 건축 분야에서 재사용 가능한 회수 유리의 화학적 및 기계적 안정성 평가
• 태양광 산업에서 대규모 유리 재사용으로 인한 탄소 배출 감소량 정량화
• 태양광 산업이 테라와트 수준으로 확대됨에 따라 증가하는 폐결정질Si 패널 폐기물 문제 해결

제안 방법

• 5년간 운용된 0.18 m²의 Kyocera KS20T c-Si 태양전지를 시험 대상으로 선정
• 알루미늄 프레임을 수작업으로 제거한 후, EVA 캡슐레이션 재료를 연화시키기 위해 85 °C에서 30분 동안 예열
• 기계적 분리 공정을 통해 유리 표면에서 라미네이트된 층(뒷면 보호재, 세포, 인터컨넥터)를 수작업으로 벗기기
• FTIR-ATR, 라만 분광법, SEM/EDS를 사용하여 재료 조성 확인 및 노화 영향 탐지
• 재가공이나 재융해 없이도 유리의 정합성을 유지하는 데 중점을 두어 재사용 가능하도록 설계
• 유해 화학물질이나 고에너지 입력 없이도 확장 가능하고 환경에 친화적인 방법으로 설계

실험 결과

연구 질문

• RQ1 재융해 없이 열보조 기계적 공정을 통해 폐결정질Si 태양전지의 유리 시트를 손상 없이 회수할 수 있는가?
• RQ2 수십 년간 현장에서 노출된 후에도 회수된 유리의 화학적 및 기계적 안정성은 어느 정도인가?
• RQ3 회수된 유리는 신규 태양광 모듈이나 건축 응용 분야에서 직접적으로 어느 정도 재사용 가능한가?
• RQ4 신규 유리 생산 대비 유리 재사용으로 인한 에너지 소비 및 탄소 배출 감소 가능성은 무엇인가?
• RQ5 이 회수 방법은 대규모 c-Si 태양광 산업 배치에 대해 얼마나 확장 가능하고 환경적으로 지속 가능한가?

주요 결과

• FTIR, 라만 분광법, EDS 분석 결과, 회수된 유리 시트는 구조적 및 화학적 안정성을 유지하며 심각한 열화 없이 확인됨
• 재가공 없이도 새로운 태양전지나 건축 자재로 재사용 가능한 것으로 확인됨
• 열과 기계적 힘만을 사용하여 EVA 및 기타 라미네이트 층과의 분리가 성공적으로 수행됨
• 재융해가 필요 없어 에너지 소비를 2–3 kWh/kg 절감하고, 유리 1kg 생산 시 탄소 배출량을 0.2 kg 감소시킴
• 이 유리 회수 방법의 광범위한 도입으로 태양광 산업의 연간 탄소 배출량이 200만 톤 이상 감소할 것으로 추정됨
• 이 방법은 확장 가능하고 환경에 해를 끼치지 않으며, c-Si 태양전지의 수명주기 지속 가능성 향상에 실현 가능한 길을 제공함