Dai moduli fotovoltaici a fine vita nasce nitruro di silicio

Un gruppo di ricercatori sudcoreani ha sviluppato un processo sperimentale per recuperare il silicio dai moduli fotovoltaici a fine vita e convertirlo in nitruro di silicio (Si₃N₄). Questa ceramica è impiegata nei settori automotive, aerospaziale, elettronico, medicale, energetico e manifatturiero per caratteristiche quali resistenza meccanica, stabilità termica, resistenza all’usura e isolamento elettrico.

Secondo Jin-Seok Lee, autore corrispondente dello studio, si tratta della prima dimostrazione della conversione in Si₃N₄ di silicio recuperato da moduli fotovoltaici a fine vita reali. La ricerca resta tuttavia una prova di concetto: il passaggio a un processo pratico e scalabile deve ancora essere sviluppato.

Macinazione e purificazione delle impurità

La sperimentazione è stata condotta su un singolo modulo Suntech STP200-18/Ub con 54 celle policristalline e architettura Al-BSF. Dopo la rimozione della junction box, del telaio in alluminio e del vetro, il laminato contenente le celle è stato tagliato e macinato a 400, 600 e 800 rpm per valutare il rapporto tra velocità, agglomerazione delle particelle e rimozione delle impurità.

La polvere ottenuta a 400 rpm è risultata la più adatta alla purificazione. Il processo ha previsto un primo trattamento con acido cloridrico per rimuovere alluminio, rame, stagno e piombo, seguito da acido nitrico per dissolvere l’argento. Una successiva sedimentazione in acqua è stata utilizzata contro il biossido di titanio proveniente dal backsheet, resistente agli acidi.

In cinque minuti la sedimentazione ha eliminato il 71,4% del TiO₂, mantenendo un tasso di recupero del silicio del 92,3%. La velocità di macinazione si è rivelata determinante: dopo il trattamento con acido cloridrico, il materiale lavorato a 800 rpm conservava 4.290 ppm di alluminio, contro 189 ppm a 400 rpm.

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Dal silicio recuperato alla ceramica

Il silicio purificato ha raggiunto una purezza del 99,95%. Le polveri sono state poi macinate a sfere in etanolo per 20 ore, fino a una dimensione media di circa 1 µm, e sottoposte a nitrurazione sotto un flusso composto per il 95% da azoto e per il 5% da idrogeno: prima a 1.350 °C per un’ora, quindi a 1.450 °C per 10 minuti.

Il nitruro di silicio ottenuto dal materiale purificato conteneva il 93,1% di fase cristallina α-Si₃N₄, rispetto al 54,7% rilevato nel prodotto sintetizzato da silicio riciclato senza la fase aggiuntiva di purificazione. Il dato di purezza del 99,95% riguarda dunque il silicio recuperato, mentre il 93,1% indica la quota della fase alfa nel prodotto finale.

Il progetto per un impianto mobile

Il team, formato da ricercatori del Korea Institute of Energy Research e della Chungnam National University, collabora con Wonkwang S&T allo sviluppo di una tecnologia mobile per trattare i moduli vicino al luogo in cui diventano rifiuti. L’obiettivo dichiarato è ridurre i costi di trasporto di circa il 30% e le emissioni di carbonio di oltre il 10% rispetto al riciclo centralizzato. Si tratta di stime riferite alla futura soluzione mobile, non di risultati già verificati su scala commerciale.

Una domanda per voi

Quali aspetti del processo andrebbero verificati prima di trasferire il recupero del silicio fotovoltaico dalla prova di concetto alla scala industriale?

Nota sulla redazione: questo articolo è stato realizzato con il supporto di EVA AI.