シリコンソーラーパネルは3分でリサイクルできますか？

制作：中国科学普及協会

著者: Shi Chang (物理化学博士)

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：中国科学普及の最先端科学技術プロジェクトは、最先端科学技術の最新動向を理解するために、「トップ科学ジャーナルの理解を助ける」と題する一連の記事を開始しました。これは、権威あるジャーナルから優れた論文を選び、できるだけ早く平易な言葉で解釈するものです。トップジャーナルを通して科学の視野を広げ、科学の楽しさを味わいましょう。

科学技術の急速な発展に伴い、太陽光発電技術は徐々に数千世帯に導入され、私たちがグリーンでクリーンな生活を追求するための重要な選択肢となっています。この波に後押しされて、シリコン太陽電池パネルの生産と使用は前例のない速度で急増しており、これは間違いなく世界的なエネルギー変換と環境保護に大きく貢献しています。

しかし、太陽光発電の普及により、廃棄された太陽光パネルの処分に対する深い懸念も生じています。そこで、この課題に直面して、私たちは「太陽光パネルはリサイクルできるのか？」と問わずにはいられません。

太陽光発電

（写真提供：veerフォトギャラリー）

ハイテク製品である太陽光パネルには、リサイクルや再利用が可能なさまざまな貴重な資源が含まれています。シリコン、銀、アルミニウムなどの金属材料や特殊な半導体材料はすべて、太陽光パネルに不可欠な構成要素です。

これらの材料は、専門的なリサイクルを経て、新たな資源採掘の需要を効果的に減らし、生産コストを削減できるだけでなく、環境汚染を大幅に減らし、資源のリサイクルを実現できます。

ソーラーパネル

（写真提供：veerフォトギャラリー）

太陽光パネルのリサイクルプロセスは、いくつかの重要なステップを経ます。まず、廃棄パネルを最初に識別して分類し、その材質とモデルに基づいて適切なリサイクル方法を選択できるようにする必要があります。その後、専門的な分解・分離技術により、太陽光パネルの各部品が慎重に分離されます。最後に、貴重な材料を抽出し、その後の再利用のために準備します。

現在、廃棄太陽光パネルのリサイクル技術には、主に物理的リサイクルと化学的リサイクルがあります。

物理的なリサイクル方法

太陽光パネルの解体・分離には主に機械的な力が利用され、ガラス、シリコンウエハー、銀など様々な材料が分類されリサイクルされます。この方法は操作が簡単で、コストが比較的低く、回収された材料の再利用価値が高くなります。

ただし、物理的なリサイクル方法にもいくつかの欠点があります。まず、太陽光パネルの構造が複雑なため、解体の過程で一部の材料が損傷し、再利用価値が低下する可能性があります。第二に、物理的なリサイクル方法では、太陽光パネルに含まれる鉛やカドミウムなどの有害物質を効果的に除去することができず、環境に二次的な汚染を引き起こす可能性があります。

化学回収方法

太陽光パネルの有用な元素は主に化学反応によって抽出されます。この方法は、高いリサイクル効率で太陽光パネルから貴重な金属を抽出することができます。

しかし、化学回収法では無機酸などの化学試薬を大量に使用する必要があり、処理プロセスで有害なガスや廃液が発生する可能性があり、環境や作業者の健康に潜在的な脅威をもたらします。さらに、化学的回収方法はコストがかかり、回収サイクルが長く、回収プロセス中に有用な要素が失われる可能性があります。

廃棄太陽光パネル

（写真提供：veerフォトギャラリー）

2024年6月3日、中国の科学者らは、Nature Sustainability誌に、シリコン太陽電池パネルをリサイクルするための塩エッチング法に関する論文を発表した。この方法では、有毒な無機酸を使用せず、二次汚染を引き起こすことなく、廃棄されたシリコン太陽電池パネルに含まれる銀とシリコンをリサイクルできると期待されている。

研究結果はネイチャー・サステナビリティ誌に掲載された。

（画像出典：Nature Sustainability誌）

研究者らは、溶融した水酸化ナトリウム・水酸化カリウムが窒素シリコン化合物、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、シリコンと反応するという事実を利用して、塩エッチング法を使用し、シリコン太陽電池パネルの表面のコーティングと上から下まで反応させ、シリコンパネルと窒素シリコン化合物の間に埋め込まれた銀線を剥ぎ取った。エッチング処理にはわずか 180 秒しかかからず、銀とシリコンの回収率はそれぞれ最大 99.0% と 98.0% に達します。

さらに、リサイクルプロセスでは、「選択酸化-アルカリ浸出-電着」法によって、はんだストリップから銅、鉛、スズなどの他の貴重な金属も回収されます。従来のシリコン太陽電池パネルのリサイクルプロセスとは異なり、この研究で提案されたリサイクル方法では腐食性の無機酸を使用する必要がないため、化学廃棄物の発生と環境への汚染が削減されます。さらに、このリサイクルプロセスでは銀の溶解や沈殿を回避して銀線を直接得ることができるため、他のリサイクル方法よりも効率的です。

太陽光パネルリサイクル図

a.太陽光パネルのリサイクルプロセス。 b.溶融塩エッチングの概略図。紀元前はんだリサイクル概略図

（画像出典：参考1）

この研究では、塩エッチング回収法も使用して、さまざまな種類の太陽電池のリサイクル実験を実施しました。結果は、本研究のリサイクル方法がさまざまなバッテリーアーキテクチャに適用可能であり、銀とシリコンの回収率と純度が高いことを示しています。シリコンソーラーパネルの普遍的なリサイクル方法です。

さまざまなタイプの太陽電池におけるシリコンと銀のリサイクル率

（画像出典：参考1）

太陽光発電の環境への影響は複雑かつ広範囲に及ぶため、太陽光パネルのライフサイクルの完全性は広く注目されています。我々は太陽光発電を積極的に推進し、環境保護とエネルギー安全保障におけるその利点を十分に発揮させるべきである。同時に、潜在的な環境課題にも注意を払い、対応し、グリーンで持続可能なエネルギー開発を共同で推進する必要があります。

参考文献:

1. Gao、S.、Chen、X.、Qu、J. 他。塩エッチング法によるシリコン太陽電池パネルのリサイクル[J]。ネイチャーサステナビリティ、2024年。

2. フィアンドラ、V.、サンニーノ、L.、アンドレオッツィ、C.、他。シリコンPVパネルの寿命：持続可能な材料回収プロセス[J]。廃棄物管理、2018年。

3. Huang Qing、Deng Yi、Yu Fengshan、他。廃棄太陽光パネルから銀を回収する[J]。非鉄金属：冶金学、2022年。

4. Long Z.J.、Wang Q.、Xie G.J.、他シリコン太陽電池の電気的特性と太陽光発電[J]。機械電気工学技術、2010年。