Pyrolyse für Recycling von Photovoltaik-Modulen

Im Bereich der erneuerbaren Energien zählen Photovoltaikanlagen zu den vielversprechenden Technologien. Noch stellen die traditionellen Zelltypen aus Silizium etwa 85 Prozent der weltweiten Photovoltaikmarktes dar. Diese Zelltypen basieren auf einer Dickschichttechnologie und sind relativ kosten- und energieintensiv.

In der Vergangenheit wurden deshalb Dünnschichtzellen entwickelt, die kein Silizium benötigen und generell weniger Produktionskosten verursachen. Auch der Material- und Energieaufwand ist geringer. Marktkenner gehen davon aus, dass sich die Dünnschichtzellen-Technologie in der Zukunft durchsetzen wird, auch wenn ihr Wirkungsgrad noch vergleichsweise gering ist und der Marktanteil derzeit nur etwa 7 Prozent ausmacht.

Generell haben Dünnschichtzellen eine Lebensdauer von 25 bis 35 Jahren. Danach steht die Entsorgung an. Doch bislang gebe es für das Recycling von Dünnschicht-Photovoltaik-Modulen nur zwei marktfähige Technologien, erklärte Laura Benedek vom Lehrstuhl für Nichteisenmetallurgie an der Montanuniversität Leoben auf der Berliner Recycling- und Rohstoffkonferenz. Möglich sei zum einen die Behandlung von kristallinen Silizium-Zellen, zum anderen könnten die CdTe-Zellen mit mechanischen und chemischen Prozessen aufbereitet werden. Für alle anderen Dünnschichtzellen seien die Recyclingtechnologien noch in Entwicklung oder würden bislang im Labormaßstab getestet.

Wie Benedek erklärte, sind bei Dünnschichtzellen die Zellen aus einem Halbleitermaterial aufgebaut. Das Halbleitermaterial werde beispielsweise aus einem Gasgemisch auf Trägermaterialien wie Glas, Polymere oder Aluminium aufgetragen. Bei CIGS-Zellen wird Silizium durch Kupfer (G), Indium (I), Gallium (G) und Selenid (S) ersetzt.

Im Wesentlichen würden bei Photovoltaikzellen drei unterschiedliche Abfallgruppen anfallen, sagte sie. Zum einen defekte Photovoltaikmodule, EoL-Module und Produktionsabfälle wie Module und Laminate. Zum anderen Produktionsabfälle aus dem Abscheidungsprozess wie beispielsweise Filterstaub, wobei es sich in der Regel um eine Mischung aus Dünnfilmmaterialien, Schleifmitteln und Oberflächenmaterialien von Anlagenkomponenten handele. Außerdem fielen auch vollständig genutztes reines Rohmaterial wie beispielsweise Sputter-Targets an.

Pyrolyse trennt Glasschichten voneinander

Für das Recycling von Dünnschicht-Zellen gebe es drei wesentliche Schritte: (1) die Teilablösung der Folie oder Umhüllung durch physikalische, chemische oder thermische Zersetzung, (2) die Entfernung der Glasbeschichtung und Trennung der metallischen Fraktion (Halbleiter, Metalle) von der nichtmetallischen Fraktion (Glas, Folie) sowie (3) die Extraktion und Raffination von Elementen. Am Lehrstuhl für Nichteisenmetallurgie hat man nun für den ersten Schritt die Pyrolyse getestet. Damit sollen CIGS-Module für die weitere Behandlung vorzubereitet werden.

Das Ergebnis der Testreihen klingt vielversprechend: Die Pyrolyse ermöglich es, die Glasschichten durch Entfernung der EVA-Folie voneinander zu trennen und dadurch die CIGS-Schicht freizulegen, erklärte Benedek. Im nächsten Schritt könnten die enthaltenen Metalle gewonnen werden, beispielsweise durch einen hydrometallurgischen Prozess.

Am Lehrstuhl für Nichteisenmetallurgie soll nun weiter geforscht werden. Das Ziel sei die Erprobung und Eignungsfestellung diverser Laugungsmittel hinsichtlich qiualitativen und quantitativen Parametern, Kosten, Aufwand, so Benedek. Damit sollen die in der CIGS-Schicht vorliegenden Metalle in Lösung gebracht, angereichert und zurückgewonnen werden.