Innoregioprojekt

Thermische
Trennung
Entwicklung eines Verfahrens zum Recycling
von Solarzellen und Solarmodulen
TU Bergakademie Freiberg
Institut für Anorganische Chemie (IAC)
Institut für Energieverfahrenstechnik und Chemieingenieurwesen (IEC)
Institut für Wärmetechnik und Thermodynamik (IWTT)
Chemische
Behandlung
Projektübersicht
Defekte Solarmodule
Pyrolyse
Wertstoffe:
Metall
Glas
Pyrolyse-Gas
Nachverbrennung
und Gasreinigung
Pyrolyseofen
Rückgewonnene
Solarzellen
Chemische
Behandlung
Abgas
Solarwafer
Aufbau
Pilotanlage
Thermisches Abtrennen
der Solarzellen aus der Kunststoffeinbettung
IEC
IWTT
Geregelte Begasungseinrichtung:
N2
Luft
CO,
NOX –
Sonde
Produktabgas
Rührer
Verbr.abgas
Wärmestrom
indirekte Beheizung
des Ofens mit
Strahlrohrbrennern
Erdgas
Luft
Solarmodule
(447 x 645) mm²
mit Hilfsmaterial
(Faser, Stahlblech)
Aufzeichnung
O2 –
Sonde
Miniaturofen +
DTA / TG
Abgasproblematik:
Konzipierung einer
Nachverbrennung
Ofentemperatur
Probentemperatur
Arbeitsinhalte
IEC
IWTT
- Thermoanalytische Untersuch-
- Anforderungen an den ther-
ungen (Thermowaage)
- Einfluss von Aufheizgeschwindigkeiten
- Einfluss der Sauerstoffkonzentration
Aufheizbedingungen im
Technikumsofen
- Erarbeitung kinetischer Kenndaten
mischen Prozess
- Definition einer vorläufigen Pro-
zesshypothese
- Layout eines Technikumofens
- Umrüsten des vorhandenen
Labor-Schutzgasofens
- Versuche im Laborofen an
Modulteilen
- Pyrolyse und Reaktionsverhalten
- Erarbeitung von technologischen
an Ausschnitten von PV-Modulen
Vorschriften für erste Versuche
Informationen zur Maßstabs-
in der Technikumanlage bei
übertragung
Deutsche Solar
- Abgaszusammensetzung
- Explosionsschutz
Abgasverbrennung (ITUA)
- Modellierung der thermischen Nachverbrennung
- Aufbau und Inbetriebnahme des Nachverbrennungssystems (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
Untersuchung der Pyrolyse von EVA (IEC)
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
Sicherheitstechnik:
obere und untere
Explosionsgrenze
Davon ca. 2 Ma.-% Wasser
ca. 12 Ma.-% Essigsäure, (berechnet 20 Ma.-%)
ca. 80 Ma.-% Kohlenwasserstoffe
d/dt (%/min)
 (Mass.%)
TG / DTG von EVA (33% VA; Modul)
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
250
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
-40
250
5 °C/min
10 °C/min
20 °C/min
300
350
400
450
500
330,3°C
340,4 °C
455,9°C
351,2 °C
5 °C/min
10 °C/min
20 °C/min
300
466,4°C
472,4 °C
350
400
Temperature (°C)
450
500
80
1 ,6
:
:
:
:
:
:
60
40
N 2
0 .5 v
5
v
10 v
15 v
L u ft
o
o
o
o
l.%
l.%
l.%
l.%
O
O
O
O
2
2
2
2
+
+
+
+
9
9
9
8
9
5
0
5
.5 v o l.% N
v o l.% N 2
v o l.% N 2
v o l.% N 2
1 ,2
2
0 ,8
0 ,4
20
D T AV( / m g )
2 ,0
Exo
100
endo
T G (M a s s .% )
Einfluss von O2-Gehalten im Spülgas sowie Modultemperatur (IEC)
0 ,0
0
100
200
300
400
500
600
M o d u le t e m p e r a t u r ( ° C )
T e m p e ra tu re (° C )
E x o th e rm e
R e a k t io n
600
500
s t e ig e n d e r
O 2 - G e h a lt
400
300
:
:
:
:
:
200
100
0
1
2
3
L
8
9
9
1
4
u
5
0
5
0
ft
v
v
v
0
o
o
o
v
l.% N 2 + 1 5 v o l.%
l.% N 2 + 1 0 v o l.%
l.% N 2 +
5 v o l.%
o l.% N 2
5
Z e it ( m in )
6
7
O
O
O
2
2
2
8
9
Maßstabsübertragung auf Pyrolyseofen (IWTT)
Temperaturverteilung im Modul (IWTT)
Problem:
Auftreten thermischer Spannungen
Problemlösungen:
- Einstellung eines optimierten
Temperaturgradienten
- Steuerung von Aufheizregime
und lokal kontrollierter Ablauf
der Pyrolyse
T [°C]
Erhöhung der Ausbeute
Materialauswahl für Nachverbrennungsofen (ITUA)
Analyse Pyrolysegas
Werkstoffauswahl
Pyrolyseprodukte von PVF
Gleichgewichtsmodellierung
für Verwendung von Al2O3
Schichtabtrag (IAC)
FT-IR
-CHx
KOH/H2O2
-CHx
XRD
HNO3; HF
Al, Ag
+
KOH
Pb-Borosilikat
RFA
HF oder KOH
TiOx
oder
HF
Si3N4
Si
Si
Si
Si
Oberflächenqualitäten (IAC)
HF (40%)
0
100
10
1 – schwache Politur
2 - Politur
3 – Übergang
Politur-Struktur
4 – Struktur
(Gräben, Löcher)
90
20
80
30
5
70
40
60
4
50
50
3
60
40
6
70
2
30
5 – Struktur (Mattbeize)
80
20
90
1
10
100
H2O
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
HNO3 (65%)
6 - neutral
Zusammenarbeit
IEC
Prozessbedingungen
Abgaszusammensetzung
Prozesshypothese
DS
ÄtzprozessSteuerung
und
Kontrolle
Up-Scaling
der Bäder
„heile“ Wafer mit
IWTT
konstanter, nivellierter Oberflächensituation
IAC