DE102008047675B4 - Recycling-Verfahren für Dünnschichtsolarzellenmodule - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Recycling von Dünnschichtsolarzellenmodulen, wobei bei dem Verfahren die Dünnschichtsolarzellenmodule aus einer Substratschicht mit einem Schichtaufbau aus einer ersten Elektrodenschicht, einer Halbleiterschicht und einer zweiten Elektrodenschicht sowie einer Kunststoffschicht zum Verkapseln der vorgenannten Funktionsschichten, die in einem umlaufenden Randbereich unmittelbar an der Substratschicht anliegt, und einer Deckschicht bestehen und wobei die Substratschicht für eine Bearbeitungslaserstrahlung transparent und die erste Elektrodenschicht für diese Bearbeitungslaserstrahlung absorbierend ist, wobei die freie Oberfläche der Substratschicht mit der Bearbeitungslaserstrahlung abgescannt wird, wodurch die erste Elektrodenschicht durch die Absorption der Bearbeitungslaserstrahlung wenigstens teilweise verdampft und sich der Schichtaufbau der Funktionsschichten von der Substratschicht löst, sodass die Substratschicht, getrennt von den mit der Kunststoffschicht und der Deckschicht verbundenen Funktionsschichten, zur weiteren getrennten Verarbeitung zur Verfügung steht.

Description

  • Das Verfahren dient dem Recycling von Dünnschichtsolarzellenmodulen mit einer Substratschicht aus Glas oder einem anderen lasertransparenten Material. Das Verfahren ist anwendbar, unabhängig von dem Material der Funktionsschichten, sofern die Substratschicht für die verwendete Laserstrahlung transparent und die erste Elektrodenschicht für die verwendete Laserstrahlung absorbierend ist.
  • Dünnschichtsolarzellenmodule bestehen aus einer Substratschicht, auf die in folgender Reihenfolge eine erste Elektrodenschicht, eine Halbleiterschicht, eine zweite Elektrodenschicht und eine Kunststoffschicht, zum Verkapseln der vorgenannten Funktionsschichten, aufgebracht sind, sowie einer Deckschicht. Die Kunststoffschicht liegt in einem umlaufenden Randbereich unmittelbar an der Substratschicht an.
  • Um die verschiedenen Schichten zum Zweck des Recyclings wieder voneinander trennen zu können, sind z. B. aus der DE 197 03 104 A1 und aus der EP 1 830 411 A1 verschiedene chemische, thermische und mechanische Verfahren bekannt. Dazu gehören insbesondere die Verwendung von Lösungsmitteln, wie z. B Säuren, die Zufuhr von Wärmeenergie durch beispielsweise Kochen oder die Verwendung von Heißdampf und das mechanische Trennen von Schichten durch fräsende, schleifende oder schabende Werkzeuge.
  • Weiterhin offenbart die DE 197 03 104 A1 die Möglichkeit, Schichten eines Verbundes, hier von Datenträgern wie CD's, mittels eines Laserstrahles zu trennen. Laserstrahl und Werkstück werden dabei relativ zueinander bewegt, wobei der Laserstrahl parallel zur Ausrichtung der Schichten geführt wird. Während nach der DE 197 03 104 A1 die Substratschicht erhalten bleibt und wiederverwertet werden kann, verdampfen die abzutragenden, für die Laserstrahlung absorbierenden Schichten weitgehend und sind nur mit einem hohen technologischen Aufwand einer Verwertung zuzuführen.
  • Das Abtrennen von Schichten unter Verwendung von Laserstrahlung wurde weiterhin in Shibasaki M., Warburg N., Springer J., Lombardelli S.: Recycling of thin-film solar modules, life cycle assessment case study, 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference, Dresden, 2006 angeführt.
  • Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, eine Strukturierung einzelner oder mehrerer Funktionsschichten sowie eine vollständige Randentschichtung mittels Laserstrahlung durchzuführen, indem eine Laserstrahlung, die von den jeweils abzutragenden Schichten absorbiert wird, relativ zur freien Oberfläche der lasertransparenten Substratschicht und auf diese gerichtet geführt wird.
  • In der US 2002/0 074 318 A1 wird ein solches Verfahren näher beschrieben, welches zur Randentschichtung von Solarzellen vor deren Verkapselung verwendet wird. Dabei weisen die Solarzellen die oben angeführten Schichten auf. Als Deckschicht dient eine Platte aus Fensterglas. Ein auf einem in einer x-y-Ebene beweglichen Tisch befestigtes Werkstück wird über die Ausdehnung der zu trennenden Schichten an einem für die vorgesehene Bearbeitung ausgeformten Laserstrahl vorbeigeführt und durch diesen beaufschlagt. Dabei kann der Laserstrahl die jeweils zu bearbeitende und absorbierende Schicht des Werkstückes sowohl direkt als auch durch eine lasertransparente Substratschicht hindurch erreichen. Die bei der Bearbeitung freigesetzten Gase und Dämpfe entweichen und werden bei Bedarf durch Abzugseinrichtungen weggeführt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet zwingend eine Laserstrahlung, für die die erste Elektrodenschicht absorbierend ist. Das heißt, Hersteller von Solarzellenmodulen, die eine Randentschichtung und/oder eine Strukturierung wenigstens der ersten Elektrodenschicht mit Laser vornehmen, können mit diesem Laser auch das Recycling-Verfahren durchführen. Auch Vorrichtungen, die eine für die Randentschichtung geeignete Strahlaufweitung und Strahlformung bewirken, sind für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet.
  • Im Unterschied zur Strukturierung und der Randentschichtung, wo es darauf ankommt, die Schichten entlang der Spuren über eine Breite im Bereich von 20 μm bis 90 μm bzw. von 10 mm bis 60 mm vollständig abzutragen, ohne dabei den Substratträger zu beschädigen, ist eine mögliche Beschädigung des Substratträgers beim Recycling-Verfahren ohne Bedeutung.
  • Es geht vergleichsweise auch nicht um den vollständigen Abtrag einer oder mehrerer Schichten, sondern nur um ein Lösen des Schichtaufbaus der Funktionsschichten von der Substratschicht, wobei nur die erste Elektrodenschicht wenigstens teilweise verdampft wird und die nachfolgende Halbleiterschicht möglichst unbeeinflusst bleibt.
  • Gleichzeitig muss die lokale thermische Belastung durch den Energieeintrag so gering gehalten werden, dass die Kunststoffschicht nicht zum Schmelzen kommt, damit die Kunststoffschicht und die erhalten bleibenden Funktionsschichten möglichst in einem Stück an der Deckschicht haften bleiben.
  • Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
  • Zur Durchführung des Verfahrens wird für alle Ausführungsbeispiele gleich die Substratschicht des Dünnschichtsolarzellenmoduls von ihrer freien Oberfläche her mit der Bearbeitungslaserstrahlung abgescannt.
  • Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel wird dabei zuerst der vom Randbereich eingeschlossene Innenbereich vollständig abgescannt, damit die sich bei der Materialverdampfung bildenden Gase nicht entweichen können. Mit dem entstehenden eingeschlossenen Gasvolumen wird insbesondere verhindert, dass entstehende Schmelze des Materials der ersten Elektrodenschicht an der Substratschicht erstarrt und sich so der Schichtverbund der Funktionsschichten teilweise wieder mit der Substratschicht verbinden kann. Das Abscannen erfolgt vorteilhaft in Spuren, die in Längs- oder Querrichtung des üblicherweise rechteckförmigen Dünnschichtsolarzellenmoduls verlaufen. Indem die Spuren unmittelbar aneinander angrenzend abgescannt werden, entsteht eine geschlossene Fläche, über die sich die erste Elektrodenschicht von der Substratschicht löst und es kann sich ein Gasvolumen in dem entstehenden Zwischenraum ausbilden. Dieses Scanregime führt allerdings zu einer hohen thermischen Belastung, die insbesondere die Kunststoffschicht unerwünscht erweicht.
  • Die thermische Belastung wird verringert, wenn die Spuren in einem Abstand zueinander abgescannt werden, der gleich der Spurbreite oder einem Vielfachen der Spurbreite ist. Indem die Oberfläche in zueinander beabstandeten Spuren mit der Bearbeitungslaserstrahlung beaufschlagt wird und anschließend hierzu mit einem gleichen Spurabstand versetzte Spuren in den Abstandsbereichen beaufschlagt werden, erfolgt ein örtlich und zeitlich gleichmäßigerer Energieeintrag, als wenn nacheinander aneinander grenzende Spuren abgescannt werden.
  • Die thermische Belastung auf die Kunststoffschicht wird damit bei ansonsten gleichen Verfahrensparametern, die auf eine geringe Prozesszeit ausgerichtet sind, verringert.
  • Das Abscannen einer Spur erfolgt vorteilhaft, indem die Bearbeitungslaserstrahlung in eine Linie quer zur Spurrichtung fokussiert und in Spurrichtung geführt wird. Oder ein Scanner wird in Spurrichtung relativ zum Dünnschichtsolarzellenmodul bewegt, während der Laserstrahl die Spur in Richtung der Spurbreite abscannt. Durch die Überlagerung der beiden Bewegungen wird die gesamte Oberfläche innerhalb der Spur mit Laserstrahlung nacheinander beaufschlagt, wobei die Spurbreite über die Vorgabe des Scanwinkels variierbar ist.
  • Vorteilhaft kann die Kunststoffschicht während des Scanprozesses seitens der Deckschicht gekühlt werden, indem z. B. das Dünnschichtsolarzellenmodul mit der Deckschicht auf eine Wärmesenke ganzflächig aufgelegt wird.
  • Nachdem der Innenbereich vollständig abgescannt wurde und sich folglich der Schichtverbund der Funktionsschichten von der Substratschicht gelöst hat, haftet nur noch die Kunststoffschicht im Randbereich an der Substratschicht.
  • Diese Verbindung könnte nun ebenfalls mittels Laserstrahlung gelöst werden. Vorteilhaft wird die Kunststoffschicht jedoch nur über Wärmestrahlung oder Wärmeleitung von der Substratschicht her im Randbereich gleichmäßig bis zur Erweichungstemperatur erwärmt, um diese dann, noch immer an der Deckschicht haftend, mit der Deckschicht und den daran noch haftenden Funktionsschichten von der Substratplatte abziehen zu können. Dabei bleibt die Kunststoffschicht, die jetzt nur im Randbereich erwärmt wurde, im Innenbereich mit der Deckschicht verbunden.
  • Nach diesem Verfahrensschritt ist die Substratschicht vom Rest des Dünnschichtsolarzellenmoduls getrennt.
  • Auf gleiche Weise, wie die Kunststoffschicht im Randbereich von der Substratschicht gelöst wurde, kann anschließend die Kunststoffschicht mit dem noch verbliebenen Schichtaufbau der Funktionsschichten von der Deckschicht getrennt werden.
  • Abschließend stehen einerseits die Substratschicht und die Deckschicht, die häufig aus dem gleichen Material, insbesondere Glas bestehen, und andererseits die Kunststoffschicht, verbunden mit der zweiten Elektrodenschicht und der Halbleiterschicht, zur weiteren getrennten Verarbeitung zur Verfügung.
  • Wie praktische Versuche gezeigt haben, ist es nicht in jedem Fall von Vorteil, wenn das entstehende Gasvolumen eingeschlossen bleibt. Das heißt, ob es für den Prozess von Vorteil ist, das entstehende Gasvolumen zwischen der Substratschicht und der ersten Elektrodenschicht zu halten bzw. dieses durch eine zusätzliche Gaszuführung zu vergrößern oder durch eine Gasabführung zu verringern, wird insbesondere durch die Eigenschaften des Materials der ersten Elektrodenschicht bestimmt.
  • In einem zweiten Ausführungsbeispiel soll daher über den Randbereich, in dem die Kunststoffschicht unmittelbar auf der Substratschicht haftet, wenigstens eine Öffnung geschaffen werden, bevor entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel der Innenbereich abgescannt wird. Die Öffnung kann durch eine lokale Erwärmung im Randbereich, z. B. mit Heißluft gebildet werden und durch das Einschieben von Keilen oder Rohrstücken offen gehalten werden. Über die Öffnung kann nun das entstehende Gasvolumen ganz oder teilweise entweichen. Ebenso kann über diese Öffnung ein Fremdgas zugeführt werden, um einen leichten Überdruck zu erzeugen, der den Ablöseprozess unterstützt.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Recycling von Dünnschichtsolarzellenmodulen, wobei bei dem Verfahren die Dünnschichtsolarzellenmodule aus einer Substratschicht mit einem Schichtaufbau aus einer ersten Elektrodenschicht, einer Halbleiterschicht und einer zweiten Elektrodenschicht sowie einer Kunststoffschicht zum Verkapseln der vorgenannten Funktionsschichten, die in einem umlaufenden Randbereich unmittelbar an der Substratschicht anliegt, und einer Deckschicht bestehen und wobei die Substratschicht für eine Bearbeitungslaserstrahlung transparent und die erste Elektrodenschicht für diese Bearbeitungslaserstrahlung absorbierend ist, wobei die freie Oberfläche der Substratschicht mit der Bearbeitungslaserstrahlung abgescannt wird, wodurch die erste Elektrodenschicht durch die Absorption der Bearbeitungslaserstrahlung wenigstens teilweise verdampft und sich der Schichtaufbau der Funktionsschichten von der Substratschicht löst, sodass die Substratschicht, getrennt von den mit der Kunststoffschicht und der Deckschicht verbundenen Funktionsschichten, zur weiteren getrennten Verarbeitung zur Verfügung steht.
  2. Verfahren zum Recycling von Dünnschichtsolarzellenmodulen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffschicht über die Deckschicht bis zur Erweichungstemperatur erwärmt wird und die Deckschicht von der Kunststoffschicht abgezogen wird, sodass die Deckschicht, getrennt von den mit der Kunststoffschicht verbundenen Funktionsschichten, zur weiteren getrennten Verarbeitung zur Verfügung steht.
  3. Verfahren zum Recycling von Dünnschichtsolarzellenmodulen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratschicht vollständig über den vom umlaufenden Randbereich eingeschlossenen Innenbereich abgescannt wird und der Randbereich anschließend erwärmt wird.
  4. Verfahren zum Recycling von Dünnschichtsolarzellenmodulen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenbereich entlang aneinander grenzender Spuren abgescannt wird, wodurch eine geschlossene Fläche entsteht, über die sich die erste Elektrodenschicht von der Substratschicht löst, infolge dessen ein geschlossener Zwischenraum gebildet wird, in dem das entstehende Gasvolumen eingeschlossen ist.
  5. Verfahren zum Recycling von Dünnschichtsolarzellenmodulen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenbereich entlang voneinander beabstandeten Spuren abgescannt wird, mit einem Abstand gleich der Spurbreite oder einem Vielfachen der Spurbreite, wodurch die thermische Belastung reduziert wird.
  6. Verfahren zum Recycling von Dünnschichtsolarzellenmodulen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffschicht während des Scanprozesses seitens der Deckschicht gekühlt wird.
  7. Verfahren zum Recycling von Dünnschichtsolarzellenmodulen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im umlaufenden Randbereich wenigstens eine Öffnung geschaffen wird, bevor der Innenbereich abgescannt wird.
  8. Verfahren zum Recycling von Dünnschichtsolarzellenmodulen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch die wenigstens eine geschaffene Öffnung die entstehenden Gase aus dem Innenraum abgeleitet werden.
  9. Verfahren zum Recycling von Dünnschichtsolarzellenmodulen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch die wenigstens eine geschaffene Öffnung Fremdgase in den Innenraum zugeführt werden.
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