JP2015229126A - 太陽電池パネルの再生処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安全かつ短時間で効率的な太陽電池パネルの分解方法を提供。
【解決手段】太陽電池パネルの保護ガラス１、太陽電池素子３並びに配線部材５、及び裏面保護材４と封止材２であるＥＶＡ樹脂の分離を、光ビームを近距離より特定の出力にて照射することによって、ＥＶＡ樹脂を炭化させることなく沸騰状態にして、ＥＶＡ樹脂の流動性を著しく高め、更に、保護ガラス１と太陽電池素子３並びに配線部材５の隙間、及び太陽電池素子３並びに配線部材５と裏面保護材４の隙間に高圧で噴射したホットエアーを当てて、ＥＶＡ樹脂と、保護ガラス１、太陽電池素子３並びに配線部材５、及び裏面保護材４を分離させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池パネルのリサイクル方法に関し、特に太陽電池パネルの封止材である樹脂成分とガラス及びシリコンモジュールを効率的に分離させるリサイクル方法に関する。

地球環境負荷軽減や政府政策により、住宅用はもとより、売電用のメガソーラー用途に、太陽電池パネルの普及及び設置が急速に進んでいる。
そして、太陽電池パネルの耐久性については、一般的に、製造メーカー保証期間が１０年といわれており、設置環境にもよるが、１０年以上経過した太陽電池パネルでは出力の低下、付属設備の老朽化によりメンテナンスが必要とされている場合もある。
また、２０２０年頃には、初期に設置された太陽電池パネルが２０年以上経過し、太陽電池パネル自体の寿命が尽きるものが大量に発生し始めると予想されている。

ところで、太陽電池パネルは、一般的に、保護ガラス、太陽電池素子、裏面保護材、各太陽電池素子を接続する配線部材、封止材、及び周辺枠材から構成されている。
そして、各構成部材の成分は、保護ガラスは強化ガラス、太陽電池素子が主にシリコン、裏面保護材が樹脂フィルム材、配線部材は銅や錫、あるいは錫合金メッキを施した金属製導電材、封止材はＥＶＡ樹脂、周辺枠材はアルミニウムが其々一般的に使用されている。

一方、近年、製品リサイクルが提唱され、種々の製品へも対象が広がり、太陽電池パネルもその対象として、リサイクル方法が検討されている。
例えば、特許文献１では、太陽電池モジュールのリサイクル方法について、ガラス材及び太陽電池素子を破砕する破砕工程（Ｓ１２）、ガラス材と太陽電池素子を接着する充填材を加熱して軟化させる軟化工程（Ｓ１３）、軟化した充填材にブレードをあてがって裏面保護材を分離する分離工程（Ｓ１４）、裏面保護材を分離させたガラス材及び太陽電池素子を粉砕する粉砕工程（Ｓ１６）、燃焼工程（Ｓ１７）からなるリサイクルが開示されている。
また、特許文献２では、太陽電池モジュールを解体し、シリコンセル、ガラス及びＥＶＡの各材料の再利用可能に関して、１５℃〜４０℃に加温したトルエン、ベンゼン、キシレン及びそれらの混合物からなる芳香族系有機溶媒に太陽電池モジュールを浸漬し、超音波を照射して、シリコンセル、ＥＶＡ層及びガラスを分離する方法が開示されている。
そして、特許文献３では、太陽電池パネルを１００℃〜２００℃に予備加熱する工程（Ｓ１０）、加熱蒸気を用いて予備加熱よりも高温に加熱して封止樹脂材を除去し、太陽電池セル及び配線部材を落下させて分離する工程（Ｓ２０）からなる太陽電池パネルの分解方法が開示されている。

以上の通り、太陽電池パネルのリサイクル方法について種々提案がなされているが、特許文献１では軟化した充填材と裏面保護材の分離にブレード等の治具による物理的な方法が必要であるという工程の煩雑さ、特許文献２では芳香族系有機溶媒を使用するため、有機溶剤の管理と安全性面、特許文献３では封止樹脂材の除去に２段階の加熱分離工程が必要になる、というように其々の先行文献には課題があり、より効率的で安全なリサイクル方法が求められている。

特開２０１１−１７３０９９号公報 特開２０１２−１９１３４号公報 特開２０１４−２４０３７号公報

本発明は、安全かつ短時間で効率的な太陽電池パネルの分解方法リサイクル方法を提供することを目的としている。

発明者らは、先行特許文献等の問題を解決するため、種々検討の結果、封止材であるエチレン-酢酸ビニル共重合樹脂（以下、「ＥＶＡ樹脂」と記載。）と保護ガラス、太陽電池素子並びに配線部材、及び裏面保護材を分離する方法として、光ビームを近距離より照射し、ＥＶＡ樹脂を炭化することなく沸騰状態にして、ＥＶＡ樹脂の流動性を高めることで、保護ガラス及び太陽電池素子、裏面保護材とＥＶＡ樹脂との接着性を低下させて、容易に分離できることを見出し、更に、保護ガラスと太陽電池素子並びに配線部材の隙間、及び太陽電池素子並びに配線部材と裏面保護材の隙間に高圧噴射させたホットエアーを当てて、ＥＶＡ樹脂と、保護ガラス、太陽電池素子並びに配線部材、裏面保護材とを効率的に剥離させるＥＶＡ樹脂分離工程を見出し、本発明の完成に至った。

すなわち、本発明は、太陽電池パネルのリサイクルに於いて、最も大変な工程である太陽電池パネルの各部材と封止材であるＥＶＡ樹脂との分離を、光ビームを近距離より特定の出力にて照射することによって、ＥＶＡ樹脂を炭化させることなく沸騰状態にし、ＥＶＡ樹脂の流動性を高め、保護ガラス、太陽電池素子並びに配線部材、及び裏面保護材との接着性を低下させた後に、保護ガラスと太陽電池素子並びに配線部材、及び／又は太陽電池素子並びに配線部材と裏面保護材の隙間に高圧噴射させたホットエアーを当てることにより、太陽電池パネルの原寸サイズに於いても、各部材の分離や解体作業が効率的かつ容易実施できることを可能にした。

本発明の光ビーム照射とホットエアーを当てる工法は、封止材であるＥＶＡ樹脂と、保護ガラス、太陽電池素子並びに配線部材、及び裏面保護材とを容易に分離できるため、太陽電池パネルの解体、リサイクルが短時間且つ容易に可能となるため、リサイクル作業が大幅に効率化される。

太陽電池パネルの概略イメージ図。

以下に、本発明について詳細に説明する。
先ず、一般的な太陽電池パネルの構造について、図１を用いて説明する。
太陽電池パネルは、一般的に、太陽光が照射される側から、保護ガラス（１）、その下部に封止材（２）で固定された発電を行う太陽電池素子（３）、その太陽電池素子で発電された電気を集電する配線部材（５）、そして、最下部に裏面保護材（４）があり、前記各部材を固定する周辺枠材から構成されている。

そして、其々の主な部材は、保護ガラス（１）は強化ガラス、封止材（２）はＥＶＡ樹脂、太陽電池素子（３）はシリコン（集電部は銀電極）、配線部材（５）は銅又は銅に錫等をメッキした金属導電性材料、太陽電池素子と配線材部の接合にははんだ材料、裏面保護材（４）にはフッ素系樹脂、ＰＥＴ系樹脂、アルミニウム箔とＰＥＴ樹脂を積層したフィルム等が、一般的に用いられている。

太陽電池パネルをリサイクルする工程に於いて、封止材と保護ガラスや太陽電池素子並びに配線部材、及び裏面保護材の分離方法は、ハロゲンランプや赤外線を熱源として照射又は輻射して封止材を軟化させて、ブレード等の治具で剥ぎ取る方法が、特許文献１にて開示されている。
本発明は、光ビーム照射よるＥＶＡ樹脂を沸騰状態にすることにより、ＥＶＡ樹脂の接着性を低下させて、ＥＶＡ樹脂を、保護ガラス、太陽電池素子並びに配線部材、及び裏面保護材から容易に分離する工程に加え、更に、保護ガラスと太陽電池素子並びに配線部材、及び／又は太陽電池素子並びに配線部材と裏面保護材の隙間に高圧噴射させたホットエアーを当てて、ＥＶＡ樹脂と各部材を剥離する工法であるが、特許文献１との違いを以下に説明する。

特許文献１では、充填材（ＥＶＡ樹脂）の軟化工程が段落００３１及び００３２に記載されており、破砕処理工程が終了した太陽電池パネルを搬送ローラーにて遠赤外線を輻射するヒーターの下を通過させて充填材を軟化させる記載があり、熱源として別途ハロゲンランプを用いてもよいとある。
また、当該軟化工程に於いて、充填材を加熱する温度として、ＥＶＡ等が燃焼乃至炭化させない温度（具体的に、１００〜２５０℃）との記載がされている。
そして、軟化した充填材を剥離する工程では、保護ガラスと裏面保護材の間にブレードの刃先をあてがって、充填材を削ぎ取る工程が記載されている。

これに対して、本発明は、熱源としてハロゲンランプや赤外線等の光ビームを用いる点では同様であるが、光ビーム照射によって、太陽電池素子（３）を接着固定している封止材（２）であるＥＶＡ樹脂を沸騰状態にして、ＥＶＡ樹脂の粘着性を著しく低下させて、保護ガラス（１）、太陽電池素子（３）、裏面保護材（４）、及び配線部材（５）との接着力を殆どなくし、また、ＥＶＡ樹脂が沸騰状態になること及び一部がガス化するため体積が膨張することにより、太陽電池パネル内で保護ガラスと太陽電池素子並びに配線部材、及び裏面保護材と位置関係を壊すことによって、ＥＶＡ樹脂を保護ガラス、太陽電池素子並びに配線部材、及び裏面保護材から容易に分離できる状態を維持しながら、保護ガラス（１）と太陽電池素子（３）並びに配線部材（５）、及び／又は太陽電池素子（３）並びに配線部材（５）と裏面保護材（４）の隙間に、高圧噴射させたホットエアーを当てることによって、常にホットエアーによる剥離機能が維持されるため、特許文献１記載のブレード工法での懸念事項である刃先にＥＶＡ樹脂等が付着して剥離機能が低下することもなく、各部材の分離や解体作業を効率的かつ容易にすることを可能にしたリサイクル方法並びに工程である。

すなわち、本発明の光ビーム照射によって、ＥＶＡ樹脂を沸騰状態にした場合、ＥＶＡ樹脂の粘性は著しく低下し、保護ガラス及び太陽電池素子は自重又は簡単な衝撃により、ブレード等の剥ぎ取り治具を使用しなくても、ＥＶＡ樹脂と分離することが可能となるが、現在市販されている太陽電池パネルの標準的なサイズは、発電量２００〜２６０Ｗのもので、面積が約１．２４ｍ^２〜１．６７ｍ^２、長さが縦約１，３１８ｍｍ〜１，６７０ｍｍ、横約８０８ｍｍ〜１，０１２ｍｍと大きく、市販品そのままの大きさでＥＶＡ樹脂と各部材を剥離する場合、保護ガラスや太陽電池素子並びに配線部材の自重だけではＥＶＡ樹脂と各部材の剥離に時間がかかることも想定され、更に効率的にＥＶＡ樹脂と各部材を分離させるために、保護ガラスと太陽電池素子並びに配線部材、及び／又は太陽電池素子並びに配線部材と裏面保護材の隙間に高圧噴射させたホットエアーを当ててＥＶＡ樹脂を各部材から短時間で完全に剥離する工法によって、市販の太陽電池パネルを細断するような前処理工程を行うことなく、短時間にてＥＶＡ樹脂と各部材を分離させることが可能となる。
また、本発明のＥＶＡ樹脂の沸騰状態とは、あくまでも加熱により、太陽電池パネルに使用されているＥＶＡ樹脂表面から気泡を発生している状態や、本来の接着能力を著しく低下させて流動性が著しく増した状態を指し、ＥＶＡ樹脂本来の沸点状態という意味合いに限定されない。
そして、本発明でいうホットエアーとは、高温状態に加熱した空気のことを指す。

次に、本発明について実施例を用いて説明する。
〔試料〕
市販の太陽電池パネルを約１０cm角の大きさに切断した試料を準備する。
〔実験方法〕
市販のハロゲンランプ（100V，2kw，ｆ25/L80）セットした自社製の照射装置を用いて、約１０cm角サイズに切断した太陽電池パネル片を耐火煉瓦板に光ビームが垂直にあたるように設置して、ＥＶＡ樹脂が沸騰状態に達する迄光ビームを照射する。
（本実験では、光ビーム照射後に、約５秒で、光ビーム照射部分のＥＶＡ樹脂が沸騰状態に達したことを確認した。）
ＥＶＡ樹脂が沸騰状態に達したら電源をoffにして、光ビームの照射を止め、速やかに切断した太陽電池パネル片を垂直に立てる。
〔試験結果〕
１．保護ガラス
試料である太陽電池パネルを耐火煉瓦板に垂直に立てると直ぐに、ＥＶＡ樹脂が沸騰状態になった部分の保護ガラスが剥がれ始め、その自重にてＥＶＡ樹脂が沸騰状態を確認していない保護ガラスも剥がれ落ちた。
そして、まだ接着している保護ガラスにピンセットで軽い衝撃を与えると試料である切断した太陽電子パネルに残存した保護ガラスの全て剥がれ落ちるのを確認した。
２．太陽電池素子
光ビーム照射後直ぐに、光ビーム照射部分の保護ガラスに亀裂が生じ始めると、その直後から保護ガラスの亀裂に追随するように太陽電池素子も破損していき、沸騰状態のＥＶＡ樹脂の特性や発生した気泡に相応して、当該太陽電池素子も連動し、保護ガラス及び裏面保護材から分離していることを確認した。
光ビーム照射を止めて、試料である切断した太陽電池パネルを耐火煉瓦板に垂直に立てると、ＥＶＡ樹脂が沸騰状態となった部分の太陽電池素子は破片状となり、剥がれ落ちているのを確認した。
その際に、ＥＶＡ樹脂の炭化物と思われる黒化物は見られなかった

実施例で示すように、ハロゲンランプのサイズに制限があったため、太陽電池パネル全体のＥＶＡ樹脂が沸騰状態にならない部分もあったが、光ビーム照射によりＥＶＡ樹脂が沸騰状態になった部分は、封止材であるＥＶＡ樹脂と、保護ガラス、太陽電池素子並びに配線部材、及び裏面保護材がブレードを使用することなく分離出来ることが確認された。

本発明の光ビーム照射によるＥＶＡ樹脂を沸騰状態にする方法として、ＥＶＡ樹脂が炭化する等の問題が発生しない限り、熱源は特に制限はされず、ハロゲンランプや赤外線ランプ等が例示でき、特に赤外線ランプは、保護ガラスや太陽電池素子の主たる素材であるシリコンを透過して、太陽電池素子の裏面に存在するＥＶＡ樹脂に対しても作用するため、ＥＶＡ樹脂を効率的に沸騰状態にすることが可能となり、好ましい。

そして、本発明の光ビーム照射によるＥＶＡ樹脂を沸騰状態にし、更にＥＶＡ樹脂が沸騰に近い状態に維持された状況で、２００℃以上の高温かつＥＶＡ樹脂を各部材から剥離する効果を有する圧力にて、保護ガラスと太陽電池素子並びに配線部材、及び／又は太陽電池素子並びに配線部材と裏面保護材の隙間に、高圧噴射したホットエアーを当てることによって、ＥＶＡ樹脂の粘着性が低下したままの状態で、ホットエアーがＥＶＡ樹脂と各部材との隙間に隅々までスムーズに入り込み、ＥＶＡ樹脂と各部材が短時間にて完全に分離される。
この場合、使用するホットエアーの条件は、ＥＶＡ樹脂が炭化することなくしかも粘着性が低下した状態を維持する温度であれば、特に制限はされないが、２００℃以上が好ましい。
また、噴射する圧力や面積も、ＥＶＡ樹脂が各部材より剥離できれば、特に制限はないが、噴射の圧力は０．１Ｐａ以上が好ましく、噴射の面積は保護ガラスと太陽電池素子並びに配線部材、及び／又は太陽電池素子並びに配線部材と裏面保護材の隙間に、エアーが当たり、ＥＶＡ樹脂と各部材が剥離できれば構わないが、幅は０．１ｍｍ以上が好ましく、長さは１００ｃｍ以上が好ましい。
更に、ホットエアーを保護ガラスと太陽電池素子並びに配線部材、及び／又は太陽電池素子並びに配線部材と裏面保護材の隙間に当てる際、噴射口の形状も本発明の効果を有する範囲に於いて制限はなく、波板形状、長方形状、楕円状等やそれらが連続した形状が例示できる。
加えて、ホットエアーを当てる工程を行う際に、処理する太陽光電池パネルの周囲を防護シート等で被いＥＶＡ樹脂がコンベアーや光ビーム照射装置及びホットエアー装置に飛散することを防ぎ、作業環境を整えることも可能である。

また、本発明の光ビーム照射によりＥＶＡ樹脂を沸騰状態にし、更にホットエアーを加えた工程を用いて、分離した保護ガラス、太陽電池素子並びに配線部材、及び裏面保護材には、ＥＶＡ樹脂が残存しているため、当該ＥＶＡ樹脂を除去する方法として、クレゾールや、トルエンやベンゼン等の芳香族系有機溶媒に浸漬させて、残存するＥＶＡ樹脂を除去する工程を追加することも可能である。

太陽電池パネルのリサイクル方法に於いて、本発明の光ビーム照射によりＥＶＡ樹脂を沸騰状態とし、ホットエアーを当てる工法を用い、ＥＶＡ樹脂と、保護ガラス、太陽電池素子並びに配線部材、及び裏面保護材を分離する方法と、その他の工程、例えば、分離した保護ガラスや太陽電池素子のシリコン、配線材の金属性導電材、はんだ材料を其々回収し、燃焼や溶解等によって、ガラス、シリコン、銀や銅等の資源をリサイクルする方法とを組合せたリサイクル工程としても構わない。

このように、本発明の光ビーム照射により、封止材であるＥＶＡ樹脂を沸騰状態にして、ＥＶＡ樹脂の粘着性を低下させて、更に、保護ガラスと太陽電池素子並びに配線部材、及び／又は太陽電池素子並びに配線部材と裏面保護材の隙間にホットエアーを高圧にて当てる工法は、市販の太陽電池パネルをそのままの大きさにて、保護ガラス、太陽電池素子並びに配線部材、及び裏面保護材の分離することが短時間で可能となるため、太陽電池パネルのリサイクル工程がより効率化される。

本発明の光ビーム照射によりＥＶＡ樹脂を沸騰状態とし、更にホットエアーを噴射する方法を用いて、封止材であるＥＶＡ樹脂の粘着性を低下させた状態で、ホットエアーを保護ガラスと太陽電池素子並びに配線部材、及び／又は太陽電池素子並びに配線部材と裏面保護材の隙間に当てて、ＥＶＡ樹脂と、保護ガラス、太陽電池素子並びに配線部材、及び裏面保護材を分離する工程は、従来の方法に比べ著しく処理効率が向上する。
しかも、リサイクル対象の太陽電池パネルの状態に応じて光ビームの出力や照射方法、ホットエアーの出力や向き等を任意に設定することが可能であり、有害な有機溶剤を使用しないことから、大量の太陽電池パネルのリサイクル方法として広く応用が期待できる。

１ 保護ガラス
２ 封止材（ＥＶＡ樹脂）
３ 太陽電池素子
４ 裏面保護材
５ 配線部材

Claims (5)

1. 保護ガラスと、前記保護ガラス並びに裏面保護材と封止材により接着してなる太陽電池素子、及び太陽電池素子を接続する配線部材を備えた太陽電池パネルのリサイクル方法であって、封止材である樹脂成分と、保護ガラス、太陽電池素子、裏面保護材、及び配線部材の分離方法に於いて、光ビーム照射により、当該封止材である樹脂成分を沸騰状態及び／又は沸騰状態とし、保護ガラスと太陽電池素子並びに配線部材の隙間及び太陽電池素子並びに配線部材と裏面保護材の隙間に高圧噴射させたホットエアーを当てて、ＥＶＡ樹脂を、保護ガラス、太陽電池素子並びに配線部材、裏面保護材から分離させることを特徴とする太陽電池パネルのリサイクル方法。
2. 光ビームの光源が、ハロゲンランプ、赤外線ランプ及び遠赤外線ランプから選ばれる１種又は２種以上であることを特徴とする請求項１記載の太陽電池パネルのリサイクル方法。
3. ホットエアーの温度が、２００℃以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項２記載の太陽電池パネルのリサイクル方法。
4. 封止材がＥＶＡ樹脂であることを特徴とする請求項１乃至請求項３記載の太陽電池パネルのリサイクル方法。
5. 保護ガラス、太陽電池素子、及び配線部材から再処理可能な資源のリサイクル方法と、請求項１乃至請求項４記載の方法とを組わせたことを特徴とする太陽電池パネルのリサイクル方法。