Tecnología de reciclaje de módulos FV basada en separación con líquido pesado y grabado con cloruro metálico

Un grupo de investigación en China ha desarrollado un nuevo proceso de reciclaje para módulos fotovoltaicos de silicio cristalino (c-Si) al final de su vida útil, basado en tres etapas principales: separación con líquido pesado de materiales mezclados, grabado de células solares y grabado de tiras de soldadura. Los investigadores también realizaron una evaluación del ciclo de vida (LCA) y un análisis tecnoeconómico (TEA) para evaluar el proceso.

“A través de investigaciones experimentales sistemáticas, se dilucidaron los mecanismos centrales de reacción que involucran reacciones redox, equilibrio de complejación y precipitación por hidrólisis, proporcionando una base teórica para el desarrollo de procesos de reciclaje similares”, dijeron los investigadores. “La selección de reactivos químicos verdes, el rendimiento superior de recuperación y el potencial de reciclaje de reactivos en circuito cerrado reducen el impacto ambiental del proceso y sientan una base sólida para su aplicación industrial”.

El equipo utilizó una mezcla de partículas de vidrio, células solares y tiras de soldadura suministrada por una empresa de reciclaje. En la primera etapa, los materiales se separaron utilizando un líquido pesado de bromuro de zinc (ZnBr₂). Al ajustar la densidad del líquido, los investigadores hicieron que diferentes fracciones flotaran o se hundieran, permitiendo la separación de los flujos de materiales. El proceso recuperó más del 98% de las células solares y casi todas las tiras de soldadura antes del tratamiento posterior.

En la segunda etapa, las células solares separadas fueron tratadas con una solución de cloruro de aluminio hexahidratado (AlCl₃·6H₂O) y peróxido de hidrógeno (H₂O₂) bajo condiciones hidrotermales. El proceso eliminó los contactos de plata, la capa posterior de aluminio y el recubrimiento antirreflectante de nitruro de silicio (Si₃N₄), preservando al mismo tiempo la oblea de silicio subyacente.

Tras optimizar los parámetros del proceso, los investigadores identificaron las mejores condiciones operativas: una concentración de AlCl₃·6H₂O de 1,2 mol/L, una concentración de H₂O₂ de 2,0%, una temperatura de reacción de 200 °C y un tiempo de tratamiento de 120 minutos.

En la tercera etapa, las tiras de soldadura separadas se trataron con una solución de cloruro de cobre dihidratado (CuCl₂·2H₂O). Las tiras consistían en un núcleo de cobre recubierto con una aleación de plomo-estaño (Pb-Sn). El objetivo de este paso era eliminar el plomo y el estaño, preservando al mismo tiempo el núcleo de cobre.

El equipo optimizó la concentración de CuCl₂, la velocidad de agitación, el tiempo de reacción y la temperatura, e identificó 0,4 mol/L de CuCl₂·2H₂O, 600 rpm, 15 minutos y 60 °C como las condiciones óptimas.

El proceso produjo silicio con una pureza del 99,997%, cloruro de plata (AgCl) con una pureza del 99,64% y una eficiencia de recuperación de plata del 80,07%, recuperó aluminio en solución y tiras de cobre con una pureza del 99,99%. También generó óxido de estaño (SnO₂) y sulfato de plomo (PbSO₄) a partir de subproductos de las tiras de soldadura. Además, la solución de grabado de CuCl₂ fue regenerada y reutilizada con éxito, mejorando aún más la sostenibilidad del proceso.

Luego, los investigadores realizaron una LCA utilizando una unidad funcional de 1 kg de residuo de entrada para cada una de las tres etapas. Las etapas de separación con líquido pesado, grabado de células solares y grabado de tiras de soldadura mostraron contribuciones al potencial de calentamiento global (GWP) de 0,049 kg CO₂-eq, 3,522 kg CO₂-eq y 0,055 kg CO₂-eq, respectivamente. En comparación con los métodos de tratamiento convencionales, el proceso redujo las emisiones de carbono en un 80,42%, según el análisis.

“Los resultados de viabilidad económica muestran que las ganancias de reciclaje de las etapas de separación con líquido pesado, tratamiento de células solares y tratamiento de tiras de soldadura son de -0,04 dólares/kg, 7,76 dólares/kg y 4,81 dólares/kg, respectivamente”, dijeron los investigadores.

Atribuyeron la ganancia negativa en la etapa de separación con líquido pesado a la metodología contable utilizada en el análisis.

“Solo el valor de recuperación del vidrio se atribuyó a esta etapa en el cálculo, mientras que los valores económicos de las células solares y las tiras de soldadura separadas se asignaron a sus correspondientes etapas de tratamiento”, explicaron.

La novedosa técnica fue presentada en “Sustainable recycling of waste crystalline silicon photovoltaic modules based on heavy liquid separation and metal chloride etching” (Reciclaje sostenible de módulos fotovoltaicos de silicio cristalino de desecho basado en la separación por líquidos pesados ​​y el grabado con cloruro metálico), publicado en Journal of Cleaner Production. Investigadores de la Universidad Sun Yat-sen de China y de la Universidad de Minería y Tecnología de China contribuyeron al estudio.