Nueva tecnología de reciclaje de módulos FV logra una recuperación de silicio del 97,75% para la producción de electrodos

Un equipo de investigación en India ha desarrollado un novedoso proceso de reciclaje para recuperar silicio y sílice nativa (SiO₂) de células solares de silicio cristalino al final de su vida útil (EoL, por sus siglas en inglés) para su uso como materiales de electrodos en aplicaciones de almacenamiento de energía. Se evaluaron diferentes sustratos con el silicio recuperado para analizar su impacto en los mecanismos de almacenamiento de carga.

“El aumento significativo de la capacidad fotovoltaica instalada acumulada ha provocado un fuerte incremento de los módulos al final de su vida útil, creando una necesidad urgente de gestión sostenible de residuos”, dijeron los investigadores. “Este estudio presenta un enfoque ecológico mediante la integración de residuos fotovoltaicos reciclados en materiales de electrodos para sistemas electroquímicos de iones de litio (Li-ion), con énfasis en el comportamiento faradaico de almacenamiento de carga dependiente del sustrato”.

El proceso comienza con el desmontaje manual y la retirada de los marcos de aluminio de los módulos de desecho, seguido de un tratamiento térmico a 480 °C para descomponer y eliminar el encapsulante EVA, la lámina posterior y el vidrio residual. A continuación, los fragmentos de células de silicio recuperados fueron aislados y molidos en molino de bolas a 450 rpm durante 6 h para obtener un polvo de tamaño micrométrico, seguido de lixiviación alcalina y ácida secuencial utilizando hidróxido de sodio (NaOH) y ácido clorhídrico (HCl) para la purificación.

La optimización del proceso se llevó a cabo variando la relación molar NaOH:HCl, con una relación de 1:1,25 que entregó la mayor recuperación de silicio, de alrededor del 97,75%. Luego, el polvo purificado se mezcló con nanotubos de carbono (CNT) como aditivo conductor, fluoruro de polivinilideno (PVDF) como aglutinante y N-metil-2-pirrolidona (NMP) como solvente en una relación en peso de 80:10:10 para formar una suspensión. La suspensión se recubrió sobre lámina de cobre, vidrio recubierto con óxido de indio y estaño (ITO) y láminas de grafito como colectores de corriente, seguido de secado al vacío a 90–100 °C.

Resumen gráfico del proceso de reciclaje | Imagen: CSIR- National Physical Laboratory, RSC Sustainability, CC BY 4.0

El material recuperado fue caracterizado mediante espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS), difracción de rayos X (XRD), fluorescencia de rayos X (XRF) y espectroscopía Raman. El análisis morfológico se realizó mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM), microscopía electrónica de barrido (SEM), análisis de rayos X por dispersión de energía (EDX) y microscopía de fuerza atómica (AFM).

Se utilizó análisis termogravimétrico (TGA) para la caracterización térmica, mientras que el análisis Brunauer–Emmett–Teller (BET) se empleó para determinar el área superficial. El desempeño electroquímico se evaluó mediante voltametría cíclica (CV), espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS) y carga–descarga galvanostática (GCD).

“Los electrodos fabricados sobre lámina de cobre e ITO exhibieron un comportamiento de tipo batería controlado por difusión, mientras que los realizados sobre sustratos de grafito mostraron características capacitivas de almacenamiento de carga”, informaron los investigadores. “La voltametría cíclica y la espectroscopía de impedancia electroquímica confirmaron buenas propiedades interfaciales, mientras que las pruebas de carga–descarga galvanostática demostraron un desempeño estable durante 500 ciclos”.

Los valores de capacitancia específica para los electrodos sobre lámina de Cu, ITO y grafito se calcularon en 143,23 F g, 30,53 F g y 163,92 F g, respectivamente. “Por lo tanto, los electrodos fabricados sobre lámina de cobre e ITO son adecuados para electrodos basados en silicio en sistemas electroquímicos de Li-ion, mientras que los electrodos basados en grafito muestran potencial para aplicaciones de almacenamiento de energía impulsadas por la sostenibilidad”, concluyó el equipo.

El método fue presentado en “Recycling of solar cells recovered from waste panels into efficient silicon-based composite electrodes for energy-storage applications” (Reciclaje de células solares recuperadas de paneles de desecho para convertirlas en electrodos compuestos de silicio eficientes para aplicaciones de almacenamiento de energía), publicado en RSC Sustainability. Investigadores del National Physical Laboratory de India (CSIR) y de la Academy of Scientific and Innovative Research (AcSIR) de India participaron en la investigación.