ThermischeTrennung

ChemischeBehandlung

Entwicklung eines Verfahrens zum Recycling

von Solarzellen und SolarmodulenTU Bergakademie FreibergInstitut für Anorganische Chemie (IAC)Institut für Energieverfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen (IEC)Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik (IWTT)

Projektübersicht

Pyrolyse

Nachverbrennungund Gasreinigung

Rückgewonnene Solarzellen

Pyrolyse-Gas Wertstoffe:

Metall Glas

Abgas

Defekte Solarmodule

Chemische Behandlung

Solarwafer

Pyrolyseofen

Aufbau Pilot-

anlage

Thermisches Abtrennender Solarzellen aus der Kunststoffeinbettung

Solarmodule(447 x 645) mm²mit Hilfsmaterial(Faser, Stahlblech)

Luft

Erdgas

Luft

N2

indirekte Beheizungdes Ofens mitStrahlrohrbrennern

Geregelte Begasungs-einrichtung:

Wärmestrom

RührerProdukt-abgas Verbr.-

abgas

O2 –Sonde

CO, NOX –Sonde

Ofen-temperatur

Proben-temperatur

Aufzeich-nung

IEC IWTT

Abgasproblematik:Konzipierung einerNachverbrennung

Miniaturofen +DTA / TG

Arbeitsinhalte

IEC IWTT

- Thermoanalytische Untersuch-

ungen (Thermowaage)

- Einfluss von Aufheizgeschwin-

digkeiten

- Einfluss der Sauerstoffkonzen-

tration

Aufheizbedingungen im

Technikumsofen

- Erarbeitung kinetischer Kenndaten

- Pyrolyse und Reaktionsverhalten

an Ausschnitten von PV-Modulen

Informationen zur Maßstabs-

übertragung

- Abgaszusammensetzung

- Anforderungen an den ther-

mischen Prozess

- Definition einer vorläufigen Pro-

zesshypothese

- Layout eines Technikumofens

- Umrüsten des vorhandenen

Labor-Schutzgasofens

- Versuche im Laborofen an

Modulteilen

- Erarbeitung von technologischen

Vorschriften für erste Versuche

in der Technikumanlage bei

Deutsche Solar

- Explosionsschutz

Abgasverbrennung (ITUA)

- Modellierung der thermischen Nachverbrennung

- Aufbau und Inbetriebnahme des Nachverbrennungs-

systems (Schnittstellenabgleich zum Pyrolyseofen)

- Spurenstoffanalyse bei der Nachverbrennung

- Werkstoffauswahl

Chemische Behandlung (IAC)

- Erfassung und Sondierung von Ausgangsmaterialien

- Ätztests im Kleinmaßstab, Einzelbäder

- Versuche zur separaten Metallablösung: Variation von verschiedenen Ätzsäuren

- Versuche zur Kombination von Metallablösung und Siliciumätzung

- Konzipierung einer Ätzlinie

- Erfassung und Sondierung von Ausgangsmaterialien

- Ätztests im Kleinmaßstab, Einzelbäder

- Versuche zur separaten Metallablösung: Variation von verschiedenen Ätzsäuren

- Versuche zur Kombination von Metallablösung und Siliciumätzung

- Konzipierung einer Ätzlinie

Zusammensetzungen vom Kondensat aus EVA-Pyrolyse in Ma.-%

Element C H O N S

Zusammensetzung 81,2 12,2 5,9 0,5 0,2

Davon ca. 2 Ma.-% Wasser ca. 12 Ma.-% Essigsäure, (berechnet 20 Ma.-%) ca. 80 Ma.-% Kohlenwasserstoffe

Untersuchung der Pyrolyse von EVA (IEC)

250 300 350 400 450 500-40-35-30-25-20-15-10

-50250 300 350 400 450 500

0102030405060708090

100

455,9°C

330,3°C

466,4°C

340,4 °C

472,4 °C

351,2 °C 5 °C/min 10 °C/min 20 °C/mind

/dt

(%/m

in)

Temperature (°C)

TG / DTG von EVA (33% VA; Modul)

5 °C/min 10 °C/min 20 °C/min

(M

ass.%

)

Sicherheitstechnik:obere und untere Explosionsgrenze

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

100

200

300

400

500

600

steigenderO

2-Gehalt

ExothermeReaktion

: Luft: 85 vol.% N

2 + 15 vol.% O

2

: 90 vol.% N2 + 10 vol.% O

2

: 95 vol.% N2 + 5 vol.% O

2

: 100 vol.% N2

Mo

du

le t

em

pe

ratu

r (°

C)

Zeit (min)

100 200 300 400 500 6000

20

40

60

80

100

0,0

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0

en

do

Exo

DT

A (V

/mg

): N2

: 0.5 vol.% O2 + 99.5 vol.% N

2

: 5 vol.% O2 + 95 vol.% N

2

: 10 vol.% O2 + 90 vol.% N

2

: 15 vol.% O2 + 85 vol.% N

2

: Luft

TG

(M

ass.%

)

Temperature (°C)

Einfluss von O2-Gehalten im Spülgas sowie Modultemperatur (IEC)

Randbedingungen:

-Sauerstoffgehalt: 5 %

-Temperaturkurve vom IEC übernommen

Ergebnis: fünf Zellen von 12 sind noch intakt

Randbedingungen:

-Sauerstoffgehalt: 1.2 %

-bei einer Modulhälfte Glas angeritzt (Sollbruchstellen)

Ergebnis:

-elf von 24 Zellen sind intakt

-Glas teilweise an Sollbruchstellengebrochen

-Einfluss der Sollbruchstellen aufVersuchsergebnis war nicht erkennbar

eingestelltes Temperaturprofil Abbildung Bemerkungen

0

100

200

300

400

500

0 100 200 300 400Zeit in min

Pro

be

nte

mp

era

tur

in °

C

0

100

200

300

400

500

600

0 90 180 270 360 450

Zeit in min

Pro

bente

mpera

tur

in °

C

Maßstabsübertragung auf Pyrolyseofen (IWTT)

Temperaturverteilung im Modul (IWTT)

T [°C]

Problem: Auftreten thermischer Spannungen

Problemlösungen: - Einstellung eines optimierten Temperaturgradienten - Steuerung von Aufheizregime und lokal kontrollierter Ablauf der Pyrolyse

Erhöhung der Ausbeute

Analyse Pyrolysegas

Werkstoffauswahl

Pyrolyseprodukte von PVF

Gleichgewichtsmodellierungfür Verwendung von Al2O3

Materialauswahl für Nachverbrennungsofen (ITUA)

Schichtabtrag (IAC)

FT-IR

XRDAl, Ag

+

Pb-Borosilikat

RFA HF oder KOH

HF

HNO3; HF

KOH

TiOx

oder

Si3N4

KOH/H2O2

-CHx

-CHx

Si Si Si Si

HNO3 (65%)0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

HF (40%)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

H2O

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1

2

3

4

5

6

1 – schwache Politur 2 - Politur

3 – Übergang 4 – Struktur Politur-Struktur (Gräben, Löcher)

5 – Struktur (Mattbeize)

6 - neutral

Oberflächenqualitäten (IAC)

IEC DS

IWTT IAC„heile“ Wafer mit

Zusammenarbeit

Abgaszusammensetzung

Up-Scalingder Bäder

Gasanalysen

konstanter, nivellierter Oberflächensituation

Prozessbe-dingungen

Prozess-hypothese

variable Waferoberfläche Ätzprozess-Steuerung

und Kontrolle

Ofenregime; A

bgas