Срок жизни промышленных фотоэлектрических модулей составляет 30−40 лет. Как показывает практика, по истечении этого времени оборудование быстро деградирует и зря занимает место под Солнцем. Процесс модернизации электростанций первой волны, построенных в 1980—1990-х годах, уже начался, и, согласно прогнозам, поток «солнечного» лома будет шириться с каждым годом.

Завод first solar: отделяем зерна от плевел
Поточный классификатор позволяет отделить стекло от жидкости, содержащей растворенный в слабой кислоте и перекиси водорода ценный полупроводниковый материал. Вращающийся винт поднимает твердые осколки по наклонной поверхности, в то время как раствор стекает вниз
Содержание материалов в фотоэлектрических модулях с различными технологиями

Если в 2008 году генерирующими компаниями Европы было списано 3807 т кремниевых модулей в сборе, то в 2009-м — уже 5146, в 2010-м — 7774, в 2011-м — 7591, а в текущем объем лома составит не менее 9365 т, общей мощностью 125 МВт. В третьем десятилетии ежегодно будут требовать замены 36−40 тысяч тонн модулей (470−550 МВт), а в период с 2030 по 2040 год — 133 -170 тысяч тонн модулей на основе кремния, теллурида кадмия и диселенида меди-индия-галлия.

Существующие заводы по переработке электронных отходов принимают подобное сырье без энтузиазма. Кому охота возиться с кристаллическим кремнием, пусть даже сверхчистым (99,9999%), когда земная кора почти на треть состоит из потенциального сырья? К тому же кремния в"солнечном" ломе — всего 3,5%, а остальное — это обычное стекло (75%), алюминиевая рама (10,3%) и полимерная защитная пленка (10,1%).

Но все же возиться необходимо: даже несмотря на то, что кремний экологически нейтрален, в модулях содержатся свинец и бромированные огнестойкие добавки, и выбрасывать их на свалку запрещено. А хранить до лучших времен — дорого.

Первые опыты по рециклингу кремниевых элементов, которые проводились немецким «солнечным» гигантом SolarWorld на заводе во Фрайберге в 2002—2008 годах, были направлены не на переработку исходных пакетов в сырье, а на их функциональное восстановление. В 1980-х и 1990-х моно- и поликристаллические кремниевые пластины имели толщину свыше 200 мкм. После отделения рамы, стекла и защитной пленки из этилен-ацетата их можно было подготовить к восстановлению путем химического травления внешних поверхностей. После этого пластины поступали на конвейер, где для увеличения рабочей площади их подвергали микротекстурированию, насыщали фосфором и бором, устраняли паразитные p-n-переходы, наносили антиотражающее покрытие из диоксида титана и контакты, а затем собирали на их основе новые модули.

Инженерам SolarWorld удалось вручную возвратить в строй 97% отработанных «толстых» элементов, которые теряли в итоге не более 1−2% КПД, а иногда и превосходили оригиналы. Так, раритеты 1983 года на поликристалле с серебряной подложкой и номинальной эффективностью 8% после «заводского тюнинга» выдавали уже 14%! При этом срок их окупаемости снижался с 3,5 до полутора лет, а затраты энергии на производство нового модуля — на 90%.

Сегодня ручные операции на перерабатывающем заводе во Фрайберге мощностью 20 000 т лома в год сведены к минимуму. Процесс начинается с загрузки целых и поврежденных модулей в печь с температурой 600 °C для отжига клеевых слоев и защитной пленки. Далее модуль разбирается на составные части — стеклянный экран и алюминиевая рама складируются и отправляются на пункты приема, а фотоэлектрическая пластина продолжает путь по конвейеру. Аппаратура для энергодисперсионного рентгеноспектрального микроанализа тщательно «прощупывает» пластину, выявляя скрытые дефекты. Целые экземпляры (их доля составляет 60%) восстанавливают по упомянутой ранее схеме, а сломанные загружают в мельницу и дробят для последующей очистки и переплавки в новые поликристаллические слитки или для выращивания монокристаллов высокой чистоты по методу Чохральского. Этот метод, который состоит в вытягивании тонкой нити вещества с поверхности расплава, широко используется для производства монокристаллического кремния с 1950-х.

Всего инженерам SolarWorld удается возвратить в производственный цикл 94% стекла, 73% кремния и 100% полимеров (в виде тепловой энергии сгорания), меди и алюминия.

Тонкопленочный сверхдефицит

Да, обычные кремниевые солнечные батареи не слишком желанная добыча для заводов по переработке электронного лома, которые с тонны бракованных SIM-карт могут собрать до 300 г чистого золота. А вот экзотические тонкопленочные фотоэлектрические панели, содержащие сверхдефицитные теллур и галлий, идут на ура. С нынешнего года к ним добавится индий: корпорация Umicore, мировой лидер в переработке высокотехнологичных отходов, совместно с британской компанией C-Tech начнет извлекать его из бракованных и поврежденных пленочных модулей на основе диселенида меди-индия-галлия.

Тонкопленочные панели, они же TFPV, впервые появившиеся в виде полосок на карманных калькуляторах, применяются в самых технологически сложных ситуациях, когда необходима солнечная энергия. Благодаря малой толщине и массе они могут интегрироваться в архитектурные конструкции, устанавливаться на автомобили и летательные аппараты.

Теллур из адского бульона

В конце 1990-х годов компания First Solar, пионер технологии тонкопленочных CdTe-элементов, приступила к созданию оригинальной бизнес-модели, предусматривающей замкнутый цикл оборота базовых материалов — кадмия, теллура и меди. И не от хорошей жизни. С 2002 года цена сверхчистого теллура (99,999%) выросла в 15 раз. Производство пленки с толщиной полупроводникового слоя 3 мкм суммарной мощностью 1 ГВт требует 66 т теллура. По оценкам Геологической службы США, общий объем рынка теллура колеблется в пределах 200−300 т в год.

Если учесть, что в 2012 году First Solar обещает «отгрузить» заказчикам 2,8 ГВт мощностей и повышать продажи на 15−25% ежегодно, то теоретически американцам для обеспечения сырьем сборочных линий надо будет скупать весь металл на рынке, так как увеличить выпуск теллура невозможно: этот материал является попутным продуктом производства меди и свинца. К счастью для First Solar, более 60% мирового объема теллура дают предприятия, занимающиеся переработкой высокотехнологичных отходов.

Технология рециклинга пленок на основе теллурида кадмия вообще не предусматривает функционального восстановления полупроводникового слоя. Разобранные модули загружают в мельницу и превращают в крошку «калибра» 4−5 мм. Во вращающемся барабане из нержавеющей стали в течение четырех-шести часов клеевой слой и слой CdTe растворяются в смеси слабых кислот и перекиси водорода. Стекло и пленка-основа удаляются из этого адского бульона в поточном классификаторе, а медь и железо — в расположенных последовательно реакторах с хелатообразующими и катионообменными смолами. На финише процесса происходит реактивно-электролитическое осаждение кадмия и теллура. Технология SolarPower позволяет вернуть в производство более 80% теллура, 90% стекла и 95% пленки.

Городские шахты

Тем не менее перспектива дальнейшего распространения в гелиоэнергетике пленок с использованием CdTe-технологий выглядит довольно туманно. Эксперт компании Technology Metal Research Джек Лифтон утверждает, что исторический пик производства теллура уже пройден, и для того чтобы тонкопленочные элементы вышли из разряда нишевых продуктов, ученым необходимо найти теллуру достойную замену.

В равной мере эта оценка относится и к СIS/CIGS-пленкам (диселенид меди-индия и диселенид меди--индия-галлия), которые в небольших количествах выпускаются дюжиной мелких компаний. Извлекаемых запасов индия в природе уже сейчас меньше, чем в промышленном обороте, а через 25 лет добывать его можно будет только в «городских шахтах». Галлий, годовое предложение которого составляет около 200 т, является попутным продуктом алюминиевого и цинкового производства, и его наличие будет определяться спросом на эти базовые металлы. Селен же хоть и не относится к"вымирающим" материалам, но стремительно дорожает — в прошедшем апреле его цена взлетела до $133 за килограмм.

Ни пилотных установок, ни даже отработанных технологий рециклинга для экзотических тонкопленочных СIS/CIGS-модулей, монокристаллических пленок на основе арсенида галлия, многопереходных гибридных модулей и различных типов органических пигментов на сегодняшний день не существует. А об инновационных материалах гелиоэнергетики (и потенциально очень токсичных!)-теллуриде марганца-цинка, фосфиде индия-галлия и нитриде галлия-индия — вообще известно пока немного.

Не выбрасывай мобильный

По оценке аналитика компании Milliman Томаса Гуидона, к 2035 году потоки отходов мировой гелиоэнергетики перейдут психологический уровень в 1 миллион тонн, а объем рынка вторичного кремния «солнечного» качества составит не менее $12 млрд. Но максимально эффективный рециклинг ушедших «на пенсию» модулей — это не только технологическая проблема. Не менее важной задачей является создание прозрачного и универсального механизма по сбору и сортировке лома.

Это не так просто, как кажется. К примеру, просвещенное человечество безнадежно проигрывает экологическую войну бытовым и промышленным электронным отходам. Даже в «дисциплинированной» Германии с ее отработанной системой сортировки бытовых отходов и национальной привычкой к поддержанию клинической чистоты в переработку попадает менее 25% электронного лома. В наводненной гаджетами Японии эта цифра и того ниже — 10%. В Штатах, по данным национальной Геологической службы США, ежегодно «пропадает» без вести (читай — выбрасывается на свалки) около 200 млн мобильников, 500 млн SIM-карт, свыше 5 млн персональных компьютеров и ноутбуков.

Ситуация на предприятиях по выпуску электроники, особенно в странах Юго-Восточной Азии, выглядит не лучше. Их сточные воды представляют собой настоящий Клондайк и по содержанию фосфора, бериллия, гафния, фтора, кобальта, галлия, германия, индия, ниобия, тантала и вольфрама в сотни и тысячи раз превосходят природные руды.

Благие начинания поборников экологии у потребителей вызывают закономерное беспокойство. Потенциальные покупатели домашних солнечных установок и крупные генерирующие компании не хотят отдавать дополнительные 24 евроцента за ватт установленной мощности (именно столько стоит утилизация лома), оплачивая сегодня услугу, которая будет оказана только через 35 лет. И не факт, что, даже если «размазывать» эти 24 евроцента по счетам за электричество в течение 35 лет, компания-производитель на тот момент еще останется на рынке.

С этой точки зрения опыт First Solar может оказаться крайне интересным. Компания давно работает со своими клиентами по схеме, при которой в стоимость инсталляции систем отдельным пунктом включается стоимость будущего демонтажа, перевозки и рециклинга. Но эти деньги не растворяются в финансовых потоках компании, а вкладываются в сверхнадежные финансовые инструменты. Таким образом, конечный потребитель может быть уверен, что, даже если First Solar исчезнет с рынка, «рециклинговые» деньги никуда не денутся.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№8, Август 2012).