Recycling von Perowskit-Solarzellen: Diese Methode soll Müllberge aus Solaranlagen verhindern
Die Energiewende wird große Mengen Strom aus erneuerbaren Quellen wie etwa Sonne und Wind benötigen. Dementsprechend viele Photovoltaik- und Windkraftanlagen werden auch benötigt. Aus diesem Umstand ergibt sich ein neues Problem: Weder Photovoltaik- noch Windkraftanlagen können unendlich lange betrieben werden. In beiden Fällen ist das Recycling noch eine Herausforderung. Forscher:innen haben nun eine neue Recycling-Methode entwickelt, die es erlaubt, moderne Perowskit-Solarzellen schonend und vollständig in ihre einzelnen Komponenten zu zerlegen, ohne dabei auf schädliche Lösungsmittel zurückgreifen zu müssen. Die zurückgewonnenen Bauteile können dann für ein neues Photovoltaik-Modul wiederverwendet werden, das dann nahezu den gleichen Wirkungsgrad hat wie das recycelte Original.
Moderne Solarzellen können derzeit kaum recycelt werden
Die ersten Silizium-Solarpanels kamen vor etwa 30 Jahren auf den Markt und haben inzwischen das Ende ihres Lebenszyklus erreicht. Das Ergebnis: Sie müssen ausgetauscht werden. „Es gibt derzeit keine effiziente Technologie, um den Abfall von Siliziumplatten zu bewältigen. Deshalb landen alte Solarmodule auf der Mülldeponie. Riesige Berge von Elektroschrott, mit denen man nichts anfangen kann„, so Xun Xiao von der Universität Linköping, der die neue Methode gemeinsam mit seinen Kolleg:innen entwickelt hat.
Neue, moderne Solarzellen bestehen inzwischen nicht mehr aus Silizium, sondern in der Regel aus Perowskit oder einer Mischung beider Materialien. Perowskit ist nicht nur billiger als Silizium, sondern auch besser zu verarbeiten, leichter, flexibler und auch noch transparent. Solarzellen aus Perowskit können somit auf vielfältigeren Flächen angebracht werden und dort mit ähnlicher Effizienz wie auch Silizium-Zellen arbeiten, also bis zu 25 Prozent.
Aber auch Photovoltaik-Module aus Perowskit können derzeit nicht ausreichend wiederverwertet werden. Aktuell sind also auch sie zum großen Teil zukünftiger Elektroschrott. Und das trotz der strengen Recyclinggesetze, die es in zahlreichen Ländern gibt, darunter auch in Deutschland. Hinzu kommt, dass die Lebensdauer von Perowskit-Zellen kürzer ist als die von Zellen auf Siliziumbasis. Die Forscher:innen rund um Xia haben nun eine Methode entwickelt, mit der gängige Perowskit-Solarzellen nahezu komplett recycelt und danach wieder neu aufgebaut werden können.
Dabei wird das Solarmodul als erstes einer Wärmebehandlung unterzogen – drei Minuten lang bei einer Temperatur von 150 Grad. Diese Behandlung weicht die Ethylenvinylacetat-(EVA)-Verkapselung der Zellen auf. Anschließend wird die Anlage in verschiedenen Schritten und Schicht für Schicht unter dem Einsatz verschiedener relativ umweltfreundlicher Chemikalien und Lösungsmitteln recycelt. Dabei werden Elemente wie die Ladungstransportschicht, das Deckglas, die Perowskit-Kristalle, die Goldelektrode sowie das mit Zinnoxid beschichtete Indiumzinnoxid wieder zurückgewonnen. „Wir können alles recyceln – also Gläser, Elektroden, Perowskit-Schichten und auch die Ladungstransportschicht„, erklärt Xiao. Das Waschwasser und die Lösungsmittel können zum Teil wiederverwendet werden.
Komplettes Recycling mit umweltschonenden Stoffen
Mittels der neuen Methode werden also Ressourcen gespart und effizient und umweltfreundlich recycelt. Anders als andere Recycling-Ansätze utilisiert die Methode statt giftigem Dimethylformamid Wasser, das mit Natriumacetat, Natriumiodid und hypophosphoriger Säure versetzt wurde, um die im Perowskit vorhandenen Spuren von Bleiiodid herauszulösen.
Dann wird die wässrige Lösung auf 80 Grad erhitzt und anschließend abgekühlt. Dabei löst sich das Perowskit zunächst, um dann wieder abgetrennt zu werden. So können die Forscher:innen die Perowskit-Kristalle zu 99 Prozent aus der Lösung zurückgewinnen. Auch die Bleiionen können bei dem Prozess abgetrennt werden.
Auch beim Ablösen und Auskristallisieren der Ladungstransportschicht kommen milde Lösungsmittel zum Einsatz, nämlich Ethanol und Ethylacetat. Die Ladungstransportschicht kann zu gut 98 Prozent recycelt werden, ohne dass es zu einem Verlust von Leitfähigkeit kommt. Bei diesem Schritt lösen sich außerdem die Goldelektroden von der Ladungstransportschicht. Der Feststoff wird dann durch Zentrifugation abgetrennt, während das mit Zinnoxid beschichtete Indiumzinnoxid-Substrat mit UV-Licht und Ozon behandelt wird.
Aus den alten Komponenten werden neue Panels
Nachdem die Perowskit-Solarmodule abgebaut wurden, können die einzelnen Komponenten zum Einsatz kommen, um daraus eine neue Solarzelle zusammenzusetzen. Die Eigenschaften dieser neuen Zelle haben die Forscher:innen in fünf Ab- und Aufbau-Runden getestete. Zwischen den einzelnen runden simulierten sie eine intensive Nutzung der Zellen.
Dabei stellte sic heraus, dass die recycelten Panels noch 99 Prozent der Ausgangsleistung erbringen können. „Die Geräte aus der fünften Runde des Recyclings erreichen einen durchschnittlichen Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung von 21,8 ± 0,8 Prozent, wobei der Spitzenwert bei 23,5 Prozent liegt. Das ist mit den Geräten vergleichbar, die aus neuen Materialien hergestellt wurden„, so die Forscher:innen. Nach dem Recycling unterscheidet sich die Lebensdauer der recycelten Panels nicht von den ursprünglichen Solarzellen.
Nun wollen die Forscher:innen ihre Methode noch weiterentwickeln und so anpassen, dass sie auch für den Einsatz im industriellen Ausmaß skaliert werden kann. Langfristig könnte so eine komplette Infrastruktur im Rahmen einer nachhaltigen Kreislaufwirtschaft entstehen, die sich komplett um das Recycling und den Wiederaufbau von Perowskit-Solarzellen dreht.
