TNO, Dr. Laure Plasmatechnologie, Damo-Aldel en E-magy ontvangen met dit project subsidie vanuit de regeling TSE Industrie 2021: Circulaire Economie van de KIA CE en RVO.
ENGLISH BELOW
Volgens de huidige groeiscenario’s voor fotovoltaïsche energieopwekking zal in 2050 wereldwijd meer dan 60 terawattpiek (TWp) aan zonne-energie worden geïnstalleerd. Dat is 100 keer meer dan de hoeveelheid die eind 2019 was geïnstalleerd. Een belangrijke verbinding die betrokken is bij de productie van zonnecellen is silicium, geproduceerd door reductie van het mineraal kwartsiet. Deze verbinding is in principe in voldoende hoeveelheden beschikbaar, maar het hele proces van kwartsiet tot silicium van zonnekwaliteit omvat verschillende zeer energie-intensieve zuiveringsstappen.
Tegelijkertijd zal een exponentieel toenemend aantal afgedankte PV-panelen een probleem gaan vormen gezien de enorme hoeveelheid afval die ermee gepaard gaat. Momenteel wordt dit afval verwerkt tot bouwgrondstoffen voor b.v. isolatie (glaswol) en metallurgisch silicium met een lage zuiverheid en lage economische waarde, waarbij de hoeveelheid energie die wordt besteed aan de productie van de originele zonnecellen niet wordt gerespecteerd. Gezien het voornemen om om te schakelen naar een circulaire en werkelijk duurzame economie is dit een ongewenste situatie.
Doel van het project
Dit project richt zich op silicium, een waardevol materiaal gezien zijn zuiverheid en de hoeveelheid energie die erin wordt gestoken bij de productie. Het doel is om dit materiaal op een hoger niveau te hergebruiken dan de huidige praktijk en uiteindelijk weer in zonnecellen. Momenteel is de PV-siliciumindustrie nogal conservatief en het aanbrengen van wijzigingen in de bestaande productiematerialen en -processen stuit op ernstige barrières. Dat is niet voor niets en gekoppeld aan productkwaliteit. Hierdoor is het moeilijk om gerecycleerd silicium van onbekende herkomst en zuiverheid in het productieproces te introduceren. Gezien de relatief kleine volumes van het tegenwoordig beschikbare recyclebare PV-silicium is het moeilijk om te investeren in de zuivering van dit materiaal tot silicium van zonnekwaliteit. Hierdoor is de drempel voor hergebruik in de PV-productie op dit moment te hoog, waardoor het moeilijk is om een businesscase te vinden. Om deze barrière te overwinnen, zijn twee toepassingen van hoogwaardig silicium (anders dan zonnecellen) geïdentificeerd als potentiële marktintroductiemogelijkheden: silicium-aluminiumlegering en verbeterde lithiumbatterijanoden. Het zorgt voor een geleidelijke groei en verbetering van de recyclingprocessen om het uiteindelijk geschikt te maken voor de productie van zonnecellen.
Korte omschrijving van de activiteiten
Het siliciumschroot dat wordt geoogst van zonnepanelen aan het einde van hun levensduur, bevat verschillende onzuiverheden afkomstig van de celmetallisatie en doteermiddelen. Om het silicium geschikt te maken voor de toepassingen voorzien in dit project is een zuiveringsstap nodig. Zuivering zal plaatsvinden door middel van een nieuwe technologie, een bestaande technologie die in dit geval voor nieuwe doeleinden zal worden toegepast. Met behulp van zowel afgedankte zonnecellen als afgekeurde zonnecellen zal het proces worden geoptimaliseerd om silicium te produceren met de vereiste zuiverheidsniveaus. Het materiaal zal worden gekarakteriseerd door verschillende analytische technieken om de instellingen voor het nieuwe proces te evalueren en te verfijnen in een aantal feedbackloops. Experimentele batches gezuiverd silicium zullen worden gebruikt om een silicium-aluminium (Silumin) legering te produceren en de eigenschappen ervan te evalueren. Gezien de toepassing van de batterijanode zal het gezuiverde siliciumrecyclaat worden omgezet in siliciumdeeltjes ter grootte van een micron met een poreuze siliciumstructuur op nanoschaal. Testbatterijen op laboratoriumschaal zullen worden geproduceerd en de prestaties worden geëvalueerd.
Resultaat
Het project resulteert in een proces voor hoogwaardige circulair vervaardigde siliciumproducten op basis van afgedankte PV-panelen, in de categorie R7 en R8 (hergebruiken en recyclen) van de circulariteitsladder van het Planbureau voor de Leefomgeving (PBL). Het gerecyclede silicium zal eerst worden toegepast in siliciumaluminiumlegering en batterijen voor e-auto’s met als uiteindelijke doel een volledig cirkelvormige siliciumwafel van zonnekwaliteit te leveren voor gebruik in zonnepanelen. Het toepassen van gerecycled silicium in plaats van nieuw gewonnen en verwerkt materiaal resulteert in een veel lagere CO2-voetafdruk van de betrokken eindproducten, door sterk verminderde CO2-uitstoot. Op basis van de projectresultaten wordt een aanzet gegeven om de Nederlandse recyclingindustrie te activeren richting circulair produceren.
—-
According to the current growth scenarios for photovoltaic energy generation, by 2050 more than 60 terawatt peak (TWp) of solar power will be installed worldwide. That is 100 times more than the amount installed at the end of 2019. A key compound involved in solar cell production is silicon,
produced by reduction of the mineral quartzite. This compound is in principle available in sufficient quantities, however, the entire process from quartzite to solar grade silicon involves several very energy intensive purification steps. At the same time an exponentially increasing number of discarded PV panels is going to pose a problem considering the vast amount of waste associated. Currently this waste is processed into raw building materials for e.g. isolation (glass wool) and metallurgical silicon with a low purity and low economic value, not respecting the amount of energy spent to manufacture the original solar cells. In view of the intention to convert to a circular and truly sustainable economy this is an undesired situation.
Goal of the project
This project focuses on silicon, representing a valuable material given its purity and the amount of energy put into it with its manufacturing. The aim is to reuse this material at a higher level than today’s common practice and ultimately again into solar cells. Presently the PV silicon industry is rather conservative and making any changes to the existing production materials and processes meets serious barriers. That is for good reasons and linked to product quality. Because of this it is difficult to introduce recyclate silicon of unknown source and purity in the production process. Given the relatively small volumes of today’s available recycle PV silicon it is difficult to invest in purification of this material up to solar grade silicon. This makes the barrier for reuse in PV production currently too high, rendering it difficult to find a business case. To overcome this barrier, two applications of high grade silicon (other than solar cells) have been identified as potential market launching opportunities: silicon-aluminum alloy and improved lithium battery anodes. It allows for a gradual growth and improvement of the recycling processes to ultimately render it suitable for solar cell production.
Activities
The silicon scrap harvested from end of life solar panels contains several impurities originating from the cell metallization and dopants. To render the silicon suitable for the applications foreseen in this project a purification step is required. Purification will be conducted by means of a novel technology, an existing technology that will be applied for new purposes in this case. Using both end of life solar cells and rejected solar cells the process will be optimized to produce silicon with the required purity levels. The material will be characterized by several analytical techniques to evaluate and fine-tune the settings for the novel process in a number of feedback loops. Experimental batches of purified silicon will be used to produce silicon-aluminum (Silumin) alloy and evaluate its properties. Considering the battery anode application the purified silicon recyclate will be transformed into micron sized silicon particles with a nano-scale porous silicon structure. Laboratory scale test batteries will be produced and the performance evaluated.
Result
The project will result in a process for high value circular manufactured silicon products based on waste PV panels, in the category R7 and R8 (repurpose and recycle) of the ‘Planbureau voor de Leefomgeving (PBL)’ circularity ladder. The recycled silicon will be first applied in silicon aluminum alloy and batteries for e-cars with the final goal to provide a fully circular solar grade silicon wafer for use in solar panels. Applying recycled silicon instead of newly mined and processed material results in a much lower carbon footprint of the final products involved, due to strongly reduced CO2 emissions. Based on the project results an impetus is given to activate the Dutch recycling industry towards a circular production.