Silizium-Recycling: Aus Altmodulen werden neue Solarzellen
Auf dem Weg zu einem geschlossenen Rohstoffkreislauf: Fraunhofer-Forschende haben gemeinsam mit einem Industriepartner eine Lösung fürs Silizium-Recycling gefunden. Das Ergebnis sind PERC-Solarzellen, die erneut zur Stromgewinnung genutzt werden könnten.
Sie sieht aus wie neu und ist es auch: eine Solarzelle aus recyceltem Silizium.
Foto: Fraunhofer ISE
Zur Energiewende gehört mehr als ein Ausbau von erneuerbaren Energien. Auf der anderen Seite ist es wichtig, den CO2-Ausstoß zu senken – unter anderem bei der Produktion von Photovoltaik-Modulen. Das sollte schon beim Materialabbau beginnen. Nur so ist Nachhaltigkeit auf Dauer möglich. Recycling von Solarmodulen ist zwar bereits Routine, das betrifft aber nur die Materialien Aluminium, Kupfer und Glas. Die Silizium-Solarzellen waren davon bislang weitestgehend ausgenommen. Forschende des Fraunhofer-Centers für Silizium-Photovoltaik CSP in Halle (Saale) und des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE haben dafür jetzt gemeinsam mit der Reiling GmbH & Co. KG eine Lösung entwickelt. Reiling ist bekannt für das Recycling von PV-Modulen im industriellen Maßstab. Genau das ist nun auch mit dem Silizium möglich – aus ihm werden PERC-Solarzellen hergestellt.
Der massive Ausbau von Solar- und Windenergie allein bringt gar nichts
Große Mengen auf dem Markt für Silizium-Recycling erwartet
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler schätzen, dass aktuell jedes Jahr etwa zehntausend Tonnen Silizium in der Wiederverwertung landen. Ab dem Jahr 2029 könnten es nach ihrer Meinung mehrere hunderttausend Tonnen sein. Das hängt mit der Historie des Solarausbaus in Deutschland zusammen, genauer mit der ersten Ausbauwelle, die zwischen 2009 und 2011 stattfand. „Auf diese wird nach Ende der zwanzig Jahre dauernden Einspeisevergütung ab 2029 absehbar eine erste Entsorgungswelle folgen“, sagtAndreas Bett, Institutsleiter des Fraunhofer ISE. „Es müssen daher im Vorfeld vernünftige Prozesse und Verfahren zur Rückgewinnung des Siliziums aus ausgedienten Modulen aufgebaut werden.“
Gebraucht wird das Silizium dringend. Schließlich ist es als Halbleitermaterial einer der wichtigsten Bestandteile der Solarzellen. Das Projektteam hat daher nach einer Möglichkeit zum Silizium-Recycling gesucht – und sie gefunden. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klima BMWK hat die Entwicklung gefördert.
Silizium-Recycling lässt sich im industriellen Maßstab umsetzen
Das Verfahren ist so aufgebaut, dass ein Unternehmen wie Reiling es wirtschaftlich betreiben kann. Das heißt, es kann in voller Bandbreite erfolgen, unabhängig von den jeweiligen Herstellern und der Herkunft der Solarzellen. „Sonst wäre das für die Recyclingunternehmen ein viel zu großer Aufwand. Es war uns wichtig, einen skalierbaren Prozess zu entwickeln, der auch wirtschaftlich Sinn macht. Im Labor ist vieles möglich, aber unser neues Verfahren sollte sich für die Recyclingindustrie in der Praxis bewähren“, sagt Peter Dold, Projektleiter am Fraunhofer CSP.
So funktioniert es: Das Silizium-Recycling beginnt mit der herkömmlichen Aufbereitung der Photovoltaik-Module. Entlang der Kette entstehen Solarbruchstücke, die eingesammelt werden. Die Zellbruchstücke im Größenbereich von 0,1 bis 1 Millimeter befreien die Expertinnen und Experten vom Fraunhofer CSP zunächst von Glas und Kunststoff. Im nächsten Schritt setzen sie nasschemisches Ätzen ein, um Rückseitenkontakte, Silberkontakte, Antireflexschichten und Emitter zu entfernen. Im Anschluss ist es möglich, das Silizium in Standardprozesse zu überführen, mit denen es zu monokristallinen oder quasi-monokristallinen Silizium-Blöcken (Ingots) weiterverarbeitet wird. Am Ende des Silizium-Recyclings stehen die Wafer.
Wirkungsgrad der neuen Siliziumzellen übertrifft die Leistung der Altmodule
Für die Wafer haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sich ausschließlich auf das Silizium-Recycling als Ausgangsbasis beschränkt und und kein neues Silizium hinzugefügt. Die Wafer haben sie für PERC-Solarzellen genutzt (PERC = Passivated Emitter and Rear Cell). Der Wirkungsgrad war im ersten Anlauf mit 19,7% zwar nicht prominent – neue PERC-Solarzellen schaffen nach Angaben der Fraunhofer-Forschenden etwa 22,2% – zufrieden ist das Team mit der Entwicklung trotzdem. „Das liegt mit Sicherheit über dem Wirkungsgrad der Solarzellen in den alten, ausgemusterten Modulen“, sagt Dold.
PERC-Solarzellen sind besonders effizient, weil sie einen Teil der nicht genutzten Sonnenstrahlen reflektieren. Für ein Silizium-Recycling bieten sie sich daher an.
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