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Reciclaje de paneles solares CIGS + Implicaciones para la industria y los clientes

1954 es el año más comúnmente reconocido como el comienzo de la industria solar moderna. Fue entonces cuando los Laboratorios Bell de Estados Unidos inventaron la primera célula solar de silicio práctica.

Desde entonces, la industria solar ha florecido y han surgido muchas tecnologías nuevas de células solares, entre las que se encuentra la célula solar CIGS. Es un tipo dominante de células solares de película delgada que ofrecen alta eficiencia, costos de producto competitivos, una baja huella de carbono y más.

Como las células solares CIGS están hechas de varios elementos que no son tan abundantes como el silicio, el reciclaje de estas células y paneles ha captado cada vez más atención dentro de la industria.

En las siguientes secciones, exploraremos el reciclaje de paneles solares CIGS, junto con algunos conocimientos y predicciones para este segmento de mercado en particular.

Reciclaje de paneles solares CIGS
"Instalación de paneles solares CIGS" (modificado) por Ken Fields, con licencia CC BY-SA 2.0 DEED.

Sentando las bases: reciclaje de paneles solares c-Si

Si bien la industria en sí existe desde hace unos 70 años, el tema del "reciclaje" sólo adquirió una conciencia significativa a partir de la década de 2000.

la materia prima Para las células convencionales de silicio cristalino (c-Si) es el silicio, que es el segundo material más abundante en la Tierra, justo después del oxígeno. Estas células están formadas por átomos de silicio conectados entre sí para formar una red cristalina, proporcionando una estructura organizada que facilita el proceso fotovoltaico.

Más allá del silicio que forma las células, un panel solar c-Si completo también incluye varios componentes clave: revestimiento antirreflectante, encapsulante, vidrio templado, contactos metálicos, lámina posterior y marco metálico. 

En todo el segmento del reciclaje de paneles c-Si, existen dos métodos principales. Uno de ellos es para quitar la caja de conexiones y el marco de aluminio, luego triture el módulo y utilícelo como vidrio mezclado.

Por el contrario, el otro es un método refinado y sistemático que implica una serie de separaciones mecánicas y procesos 'termo-mecánicos-químicos'. 

Al llegar a la instalación de reciclaje, se retiran el marco de aluminio y la caja de conexiones para segregar los diferentes materiales para su posterior reciclaje. Una vez despegado el vidrio templado, se utiliza una combinación de técnicas térmicas, químicas y mecánicas para eliminar la capa encapsulante. Este paso expone las células subyacentes para una mayor separación de materiales, incluida la extracción de valiosos materiales semiconductores y metales mediante grabado químico o fusión. Luego, los materiales separados se procesan y purifican para su reutilización.

Es inspirador que algunas tecnologías avanzadas ahora puedan retener alrededor del 95% del valor de los materiales en los paneles. Muchos otros mejorados métodos se están estudiando para impulsar el segmento del reciclaje.

Reciclaje de paneles solares CIGS: estado y obstáculos

Una cantidad significativa de esfuerzos de investigación y desarrollo a finales de los años 20th y principios del siglo 21st siglos ha llevado a Células solares CIGS alcanzando eficiencias competitivas con las células solares convencionales de c-Si.

Además de su creciente participación de mercado, el hecho de que los primeros paneles CIGS se acerquen al final de su vida útil (EoL) también llama la atención sobre el reciclaje de estos paneles.

Recapitulando los materiales y la estructura.

Estructura de células solares CIGS
Fuente: ResearchGate

El nombre completo de CIGS es Selenuro de cobre, indio y galio. En el corazón de una celda CIGS se encuentra la capa absorbente de CIGS, compuesta de cobre (Cu), indio (In), galio (Ga) y selenio (Se). Otras capas dentro de la estructura también incluyen:

  • sustrato: Puede estar fabricado en polímero, vidrio o metal, según las configuraciones deseadas en relación a flexibilidad, estabilidad y rentabilidad.
  • Volver Contacto: También se llama lámina conductora, la cual se coloca directamente encima del sustrato, antes de colocar el material absorbente. El molibdeno (Mo) se elige por su buena conductividad eléctrica y su compatibilidad con la capa CIGS.
  • Capa de búfer: Se deposita una fina capa de sulfuro de cadmio (CdS) encima del CIGS, que se utiliza como capa amortiguadora entre la capa CIGS y el contacto frontal y forma una unión pn.
  • Ventana/capa protectora: También llamada capa de Óxido Conductivo Transparente (TCO), esta capa está hecha de un material altamente transparente como el óxido de zinc (ZnO) que protege el amortiguador de daños externos.
  • Contacto frontal: Para este contacto generalmente se utilizan materiales como el óxido de indio y estaño (ITO) o el óxido de zinc dopado con aluminio (AZO), que destacan por su transparencia y conductividad eléctrica.

En conjunto, todos estos materiales, aunque poco comunes, no lo son especialmente. Sin embargo, ellos tienen un valor de reciclaje mucho mayor que el omnipresente silicio, no sólo por razones económicas sino también por el potencial peligroso de algunos elementos si no se manejan adecuadamente.

Métodos de reciclaje actuales para paneles CIGS

En el caso de los paneles solares de película fina CIGS, el reciclaje y la reutilización de materiales aún se encuentran en sus primeras etapas. La mayoría de las prácticas actuales se llevan a cabo dentro de los laboratorios.

Los métodos difieren de los utilizados para el reciclaje de paneles de c-Si, aunque ambos implican procesos mecánicos, térmicos y químicos. Pero una característica destacada del reciclaje de paneles CIGS es que a menudo depende más de la sustancia química. 

Un equipo de la Universidad Tecnológica de Chalmers, con sede en Suecia, separó por primera vez el selenio en la célula mediante la oxidación del material CIGS a temperaturas elevadas. logrando más del 99% de recuperación. Posteriormente se adoptó la electrodeposición selectiva para la separación de los elementos restantes. En particular, la electrodeposición de cobre e indio, utilizando diferentes potenciales, condujo a una separación casi completa de los elementos.

El equipo también probó la cloración a alta temperatura y la extracción con solventes para la separación. Pero finalmente se llegó a la conclusión de que la separación electroquímica puede producir los mejores resultados en el menor número de pasos.

En 2022, un proyecto de investigación financiado por la Agencia Sueca de Energía investigó el reciclaje de células solares CIGS centrándose en la lixiviación de metales valiosos como la plata y el indio en condiciones suaves. El equipo de investigación logró con éxito una recuperación completa de plata y una recuperación del 85 % de indio utilizando HNO 2 M.3 con relación específica superficie-líquido (A:L) después de 24 horas a temperatura ambiente. 

Los investigadores también señalaron que su método reduce los riesgos ambientales y reduce los costos en comparación con otros métodos. El equipo también destaca la eficacia de la lixiviación selectiva y la necesidad de una mayor optimización de esta técnica.

Conclusión

Si bien se han logrado avances sustanciales, aún queda un camino considerable por recorrer antes de la adopción generalizada de estas tecnologías de reciclaje.

No obstante, los paneles solares CIGS están demostrando un futuro prometedor.

Aparte de los méritos esbozados al principio, los paneles del CIGS también tienen otros Fortalezas únicas sobre los paneles c-Si, como una gran flexibilidad, ligereza, atractivo visual superior y mejor rendimiento en determinadas circunstancias.

Con un mayor impulso hacia el logro de tres objetivos clave: 1) promover aplicaciones solares sostenibles, 2) mejorar la utilización económica de esta tecnología y 3) fortalecer los marcos regulatorios, se pueden esperar métodos de reciclaje más eficientes y ecológicos para los paneles solares CIGS. en el futuro cercano.

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