Rohstoffwende: Altes Silizium zu neuen Solarzellen

09.02.2022 – In Deutschland landen jährlich rund 10.000 Tonnen Silizium in alten Photovoltaik-Modulen auf dem Recyclingmarkt. Die Rückführung der Wertstoffe von Photovoltaik-Modulen nach Ablauf ihrer Lebensdauer ist daher ein relevanter Faktor einer ökologischen Energiewende mit nachhaltiger Ressourcenplanung.

Die meisten PV-Anlagen wurden in Deutschland in der ersten Ausbauwelle zwischen 2009 und 2011 installiert. „Auf diese wird nach Ende der zwanzig Jahre dauernden Einspeisevergütung ab 2029 absehbar eine erste Entsorgungswelle folgen“, sagt Prof. Andreas Bett, Institutsleiter des Fraunhofer ISE. Ab dann werden es sogar mehrere 100.000 Tonnen pro Jahr sein. „Es müssen daher im Vorfeld vernünftige Prozesse und Verfahren zur Rückgewinnung des Siliziums aus ausgedienten Modulen aufgebaut werden“, mahnt der Forscher.

Kostbares Silizium

Bereits 2021 betrug die insgesamt installierte Menge an PV-Modulen in Deutschland ungefähr fünf Millionen Tonnen, mit einem Siliziumanteil von 150.000 Tonnen. Silizium ist als Halbleiter-Material Hauptbestandteil der Solarzellen.

Recyclingprozesse gibt es, doch bislang werden von Altmodulen nur die Bestandteile aus Aluminium, Glas und Kupfer neu aufbereitet – nicht aber die Silizium-Solarzellen. Um auch dieses Material weiter nutzen zu können, hat ein Forscherteam des Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP in Halle (Saale) und des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE gemeinsam mit dem größten deutschen Recyclingunternehmen für PV-Module, der Reiling GmbH & Co. KG ein Verfahren entwickelt, mit dem das Silizium zurückgewonnen werden kann.

Möglich ist damit das Recycling sämtlicher kristalliner Silizium-PV-Module, unabhängig von Hersteller und Herkunft. Ein wichtiger Wirtschaftsfaktor, der in der Forschung berücksichtigt wurde. Denn sonst wäre das für die Recyclingunternehmen ein viel zu großer Aufwand, erläutert Prof. Peter Dold, Projektleiter am Fraunhofer CSP, die Vorgehensweise „Es war uns wichtig, einen skalierbaren Prozess zu entwickeln, der auch wirtschaftlich Sinn macht.“ Im Labor sei ja vieles möglich – doch das neue Verfahren sollte sich nun für die Recyclingindustrie in der Praxis bewähren.

Ein aufwändiges, aber lohnendes Verfahren

Das Forscherteam erläutert das Verfahren. Aus Nebenprodukten des bereits etablierten mechanischen Aufbereitungsprozesses werden die Solarzellenbruchstücke abgetrennt und gesammelt. Die Zellbruchstücke im Größenbereich von 0,1 bis 1 Millimeter werden am Fraunhofer CSP im ersten Schritt durch verschiedene Sortierverfahren von Glas und Kunststoff befreit. Anschließend erfolgt durch nasschemisches Ätzen die schrittweise Entfernung des Rückseitenkontaktes, der Silberkontakte, der Antireflexschicht und letztendlich des Emitters. Das derart aufgereinigte Silizium wird in Standardprozessen zu monokristallinen oder quasi-monokristallinen Ingots verarbeitet und anschließend zu Wafern weiterprozessiert.

100 Prozent Wiederverwertung erreichbar

Die Kristallisation erfolge mit 100 Prozent Recycling-Silizium ohne Zusatz von kommerziellem Reinstsilizium, berichtet das Forscherteam. Die Wafer wurden am Fraunhofer ISE im PV-TEC zu PERC-Solarzellen (PERC – Passivated Emitter and Rear Cell) verarbeitet, deren Zellwirkungsgrad im ersten Versuch bei 19,7 Prozent lag. „Das liegt unter dem Wirkungsgrad heutiger Premium PERC-Solarzellen mit circa 22,2 Prozent Wirkungsgrad, aber mit Sicherheit über dem der Solarzellen in den alten, ausgemusterten Modulen“, erläutert Dold die ersten erfreulichen Ergebnisse der Forschung. Hinsichtlich der Zukunft einer solaren Energie- und gleichzeitigen Rohstoffwende ist damit ein entscheidender Schritt gelungen. na