Изящное решение проблемы утилизации солнечных панелей представили ученые из Томского политехнического университета и Севастопольского государственного университета. Двухэтапная переработка позволяет получать из старых солнечных элементов карбид кремния — ценный материал, применяемый в изготовлении силовой электроники и огнеупорной керамики.
Вопрос переработки солнечных панелей очень актуален в свете развития «зеленой» энергетики. Срок их службы ограничен 20–30 годами, и это далеко не простые отходы с точки зрения утилизации, поскольку в них содержится множество разнообразных компонентов: от кремния и алюминия до стекла и полимеров. При этом все подходы к переработке солнечных панелей требуют дорогостоящих ядовитых реагентов, а получающиеся в результате продукты обладают столь низким качеством, что им сложно найти применение.
Подход, позволяющий извлечь пользу из старых солнечных панелей, предложила команда ученых из ТПУ и СевГУ. Разработанная ими технология позволяет превратить материалы солнечных элементов в карбид кремния (SiC), используемый в производстве огнеупорных изделий, нагревательных элементов, керамики, абразивов и деталей силовой электроники.
Технология, представленная учеными из ТПУ и СевГУ, решает проблему утилизации отслуживших солнечных панелей.
Фото: jollier / фотобанк 123RF
О проекте корреспонденту «Научной России» рассказали авторы исследования — доцент Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова ТПУ кандидат технических наук Кирилл Борисович Ларионов и научный сотрудник лаборатории перспективных материалов энергетической отрасли ТПУ кандидат технических наук Жанар Санатовна Болатова.
«К идее этого исследования мы пришли после того, как коллеги из СевГУ познакомили нас с масштабом проблемы. Проживая в Сибири, мы, конечно, имели представление о существующей проблематике возобновляемой энергетики, однако, когда мы произвели количественную оценку объемов образующихся отходов и “потрогали” данный материал, стало понятно, что этот вопрос не так прост, — поделился К.Б. Ларионов. — В первую очередь, это связано с тем, что солнечные панели — многослойные и многокомпонентные элементы, требующие сочетания различных подходов к предварительной обработке. Изначально мы пробовали измельчать их, но эффект был слабым из-за наличия полимерной прослойки. В результате, исходя из планов по вторичной переработке панелей, мы решили обратиться к термической обработке и поняли, что в этом случае материал в силу содержания в его составе углерода и доминирующей доли кремния превратится в карбид кремния. Так мы и пришли к концепции двухстадийной переработки отслуживших солнечных панелей. На первой стадии при термическом преобразовании полимерной прослойки формируется углерод, а на втором этапе, под воздействием высоких температур, — карбид кремния».
«Карбид кремния — твердый, термостойкий и коррозионностойкий материал, — сказала Ж.С. Болатова. — Наш материал потенциально подходит для изготовления абразивов, огнеупорных материалов, керамики, композитов, металлургических добавок. Сейчас перед нами стоит задача повысить чистоту получаемого продукта и обеспечить однородную морфологию частиц. Однако на текущий момент уже можно с уверенностью сказать, что наш материал точно подойдет для получения абразивов и огнеупоров».
Доцент Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова ТПУ кандидат технических наук Кирилл Борисович Ларионов.
Фото: Александр Волков / пресс-служба ТПУ
Новую технологию опробовали на реальной отработавшей поликристаллической солнечной панели. На первом этапе ученые использовали пиролиз (термическое разложение), нагрев изделие до 500 °С. В результате кремний отделился от полимерной прослойки, при этом сама она превратилась в технический углерод, выход которого составил около 45,8% от массы исходного материала, а также горючую газовую смесь, содержащую метан, угарный и углекислый газы.
«Поскольку данный процесс носит эндотермический характер (протекает с поглощением тепла. — Примеч. корр.), часть газа может быть задействована для компенсации энергозатрат, а образующийся углерод используется в качестве одного из ключевых компонентов для получения карбида кремния», — пояснил К.Б. Ларионов.
На втором этапе исследователи смешали выделенный кремнийсодержащий материал с полученным техническим углеродом и воздействовали на них безвакуумной электрической дугой при температуре 1800 °С для получения карбида кремния. Примечательно, что весь описанный двухэтапный технологический процесс занял буквально минуту.
Благодаря пиролизу ученым удалось повысить долю карбида кремния в готовом продукте, сократив присутствие нежелательных примесей. Исследователи также подтвердили, что увеличение количества углерода в смеси на втором этапе переработки помогает задействовать больше кремния в целевой реакции. Эксперименты показали, что при повышении доли углерода с 0% до 30% содержание карбида кремния в продукте возросло с 46% до 61%, при этом процент свободного кремния снизился с 19,7% до 8,3 %, а доля диоксида кремния сократилась с 3% до следовых количеств.
«В дальнейшем мы планируем провести инструментальное сравнение полученного карбида кремния с товарным продуктом и оценить его качество при использовании в производстве различных изделий, — сообщил К.Б. Ларионов. — Эти данные позволят более четко оценить коммерческий потенциал предлагаемого способа. В случае успеха мы будем продумывать технологическое оформление способа: сюда относятся как аппаратное исполнение, так и оценка материального и энергетического балансов».
Научный сотрудник лаборатории перспективных материалов энергетической отрасли ТПУ кандидат технических наук Жанар Санатовна Болатова.
Фото: Александр Волков / пресс-служба ТПУ
Ученые описали технологию в статье в журнале Silicon. Исследование проводилось при поддержке Минобрнауки России (№ FSWW-2025–0003). Со стороны Томского политеха в работе участвовали сотрудники лаборатории газификации твердых топлив, лаборатории перспективных материалов энергетической отрасли Инженерной школы энергетики, а также отделения материаловедения Инженерной школы новых производственных технологий университета.
«Зеленая» энергетика стремительно развивается, и в будущем технологию, предложенную российскими учеными, потенциально ожидают большие перспективы.
«Масштабы солнечной энергетики как отрасли довольно велики. Согласно прогнозам, к 2030 г. количество солнечных панелей в составе глобальных отходов будет составлять 1,7–8 млн. т, к 2050 г. — 60–78 млн. т, — подытожила Ж.С. Болатова. — Таким образом, ресурс для переработки огромен. На текущий момент мы используем для исследований установку лабораторных масштабов. Для масштабирования технологии до уровня реального производства потребуется разработать пилотные, а впоследствии и промышленные реакторы, а также оптимизировать загрузку и тепловой режим процесса».
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Фото на превью: Александр Волков / пресс-служба ТПУ.
Фото на странице: Александр Волков / пресс-служба ТПУ, jollier / фотобанк 123RF.
