Het recyclen van zonnecellen: nog even geduld

Olindo Isabella is professor Photovoltaic Technologies and Applications aan de faculteit Electrotechniek, Wiskunde en Informatica van de TU Delft. Hij ziet het als zijn missie om elk beschikbaar oppervlak met fotovoltaïsche installaties te bedekken.

1. De overgrote meerderheid van de op dit moment geïnstalleerde zonnecellen komt pas over twee decennia in aanmerking voor recycling
2. We moeten zonnepanelen gaan produceren met een circulaire economie in ons achterhoofd, zodat we de hoeveelheid te recyclen materiaal zoveel mogelijk terugbrengen

Vorig jaar nam de capaciteit voor het opwekken van zonne-energie in Nederland met 30% toe tot een totaal van 11,4 miljard kWh. Dat komt overeen met 67 vierkante kilometer aan geïnstalleerde zonnepanelen (solar photovoltaics, PV). Wereldwijd is zelfs meer dan 6000 vierkante kilometer aan zonnepanelen geïnstalleerd.

Dat is een hoop materiaal dat hergebruikt kan, en zal moeten, worden. Maar het is niet nu meteen beschikbaar. “Zonnepanelen hebben een technische levensduur van 25 tot 30 jaar,” zegt professor Olindo Isabella. “De overgrote meerderheid van deze panelen, meer dan 85%, is de afgelopen vijf jaar geïnstalleerd. Op dit moment zijn er slechts heel weinig, heel oude zonnepanelen die het einde van hun levensduur hebben bereikt.

Kritieken en niet-zo-kritieke materialen

“Als de explosieve groei aan zonnepanelen aanhoudt, tot in de terawatt productiecapaciteit, dan gebruikt de PV-industrie tegen 2050 meer dan de helft van de wereldwijde mijnbouwcapaciteit aan zilver."

Het is handig om onderscheid te maken tussen de materialen die gebruikt worden in de zonnecellen (de opto-elektronische apparaten die zonlicht in elektriciteit omzetten) en de module daaromheen (het object dat je op je dak legt). De module is een assemblage van zonnecellen verzegeld in een beschermend laminaat. Daaromheen een aluminium frame met glas aan de voor- en achterkant dat voor mechanische stijfheid zorgt en de zonnecellen tegen allerlei weersomstandigheden beschermt. “De huidige generatie zonnecellen bestaan grotendeels uit silicium – het halfgeleidermateriaal dat zonne-energie in elektriciteit omzet – met een coating van contactpunten op basis van aluminium,” zegt Isabella. “Er is ook wat zilver verwerkt in de soldeerbare rasterpatronen waarmee de opgewekte zonnestroom wordt verzameld.”

Er zijn twee zonnecel-architecturen die in de nabije toekomst dominant kunnen worden. Een daarvan, heterojunction genoemd, maakt gebruik van doorzichtige lagen indium-oxide gedoopt met wolfraam of tin. “Van al deze materialen die door de PV-industrie gebruikt worden, zijn zilver en indium de meest kritieke,” zegt Isabella. “Als de explosieve groei aan zonnepanelen aanhoudt, tot in de terawatt productiecapaciteit, dan gebruikt de PV-industrie tegen 2050 meer dan de helft van de wereldwijde mijnbouwcapaciteit aan zilver. En voor indium concurreren we met de platte beeldschermtechnologie benodigd voor televisies, laptops en mobieltjes.”

PV recyclen

“Het recyclen van PV staat echt nog in de kinderschoenen,” zegt Isabella. “Op dit moment bestaat onze beste verdediging tegen grondstoftekorten uit het verminderen van de hoeveelheid aan kritieke materialen die we in PV gebruiken. Wereldwijd wordt hier veel onderzoek naar gedaan.”

Om het recycling-proces beter te begrijpen, helpt het om in te zien dat zonnepanelen een sandwichconstructie zijn van glas, plastic, dan de zonnecellen, weer plastic, en als laatste een kapsel (of glas) om het geheel tegen vocht te beschermen. Alle lagen gezamenlijk gaan een lamineerapparaat in, waar het plastic smelt en zo alles sealt. Isabella: “Het is heel moeilijk om dit plastic van de rest te scheiden. De huidige techniek voor het recyclen van PV komt erop neer dat de panelen eerst tot millimeter-grote brokjes worden vermalen. Deze gaan een hoge-temperatuur oven in waar het plastic eraf wordt gebrand. Bij deze temperatuur zullen de metalen – in het bijzonder het zilver en aluminium – een legering vormen met het silicium, waardoor deze bijna niet meer te scheiden zijn. Bij heterojunction zonnecellen maakt de aanwezigheid van indiumoxide het nóg moeilijker om de verschillende materialen terug te winnen.”

Waar het aluminium van het frame dus eenvoudig gescheiden kan worden, en het glas teruggewonnen, geldt dat juist niet voor de kritieke materialen zilver en indium. En het vergt meerdere thermische en chemische scheidingsstappen om het silicium te zuiveren tot waar het kan worden hergebruikt. Gezien de complexiteit en de kosten van recyclen, en de grilligheid van de grondstoffenmarkten, is het niet verwonderlijk dat er wereldwijd slechts een paar bedrijven zijn die nuttige grondstoffen uit zonnepanelen terugwinnen. “Het recyclen van PV staat echt nog in de kinderschoenen,” zegt Isabella. “Op dit moment bestaat onze beste verdediging tegen grondstoftekorten uit het verminderen van de hoeveelheid aan kritieke materialen die we in PV gebruiken. Wereldwijd wordt hier veel onderzoek naar gedaan.”

De afhankelijkheid van kritieke materialen terugbrengen

Een eerste onderzoeksrichting hierbij is de overstap van eenzijdige (mono-facial) zonnecellen naar tweezijdige (bi-facial) zonnecellen waarbij ook op de achterkant van het paneel zonlicht naar stroom wordt omgezet. Isabella: “Afhankelijk van de installatiedetails kan de totaalopbrengst per paneel hiermee tot 30% hoger uitvallen. Het betekent ook dat de volledige laag aluminium aan de achterzijde van de zonnecel wordt vervangen door een rasterpatroon, waardoor het materiaalgebruik afneemt.” Een tweede onderzoeksrichting is om het aluminium en zilver van de contactpunten te vervangen door koper. “Er is meer dan genoeg koper en het kan bijna overal ter wereld worden gewonnen. Dat verkleint de kans op geopolitieke wrijving.”

Voor de in opkomst zijnde zonnepanelen met indium wordt zowel onderzocht of de benodigde indium-bevattende laag dunner kan worden gemaakt, of het gehalte aan indium tot een fractie kan worden teruggebracht, en of deze laag kan worden vervangen door een legering die helemaal geen indium bevat. “Het zal even duren voordat deze ontwikkelingen hun weg vinden naar commerciële zonnepanelen,” zegt Isabella. “Behalve dan het verdunnen van de indium-laag. Dit kan nu al op industriële schaal worden toegepast.” De methodes waarbij het indiumgehalte wordt verminderd worden op dit moment onderzocht in de clean room van het TU Delft PV Technology Centre.

Wat ook helpt is om de levensduur van zonnepanelen te vergroten door ze slim te maken. “Wij noemen dit photovoltatronics,” zegt Isabella. “Door een kleine printplaat toe te voegen kan het vermogen van de zonnecellen op elkaar afgestemd worden als een deel daarvan in de schaduw ligt en een deel niet. Dit vergroot zowel de energieopbrengst als de levensduur van het zonnepaneel, met name voor PV in een stedelijke omgeving.”

PV zonder plastic

Maar hoe laag het gebruik van kritieke materialen ook is, uiteindelijk zal elk zonnepaneel het einde van de levensduur bereiken. Dat maakt circulariteit een onderwerp waar hoe dan ook aandacht aan besteed moet worden. “We beginnen dit nu te onderzoeken en evalueren, in onze eigen onderzoeksgroep en in de PV-gemeenschap als geheel,” zegt Isabella. “Het vergroten van de recycleerbaarheid door geen plastic meer te gebruiken is slechts één stap. We moeten zonnepanelen gaan produceren met een circulaire economie in ons achterhoofd, zodat we de hoeveelheid te recyclen materiaal zo veel mogelijk terugbrengen.”

Het zal een aantal jaren duren voordat de ideeën daarvoor ook daadwerkelijk toegepast gaan worden, omdat deze eerst getest moeten worden met het oog op betrouwbaarheid van de zonnecellen – zowel in het lab als daarbuiten. Isabella: “Het zou ook een totale verandering betekenen in hoe de industrie zonnepanelen produceert.”

Tekst: Merel Engelsman