JP2018020267A - 太陽電池モジュールのリサイクル方法 - Google Patents

Abstract

【課題】太陽電池積層体およびバックシートを確実に切断し、ガラス基板から効率よく分離することができる太陽電池モジュールのリサイクル方法を提供することである。【解決手段】実施形態の太陽電池モジュールのリサイクル方法は、発電素子が形成された半導体基板を複数個接続し、その周囲を封止材で覆い、受光面側にガラス基板を設け、非受光面側にバックシートを設けた太陽電池モジュールのリサイクル方法において、前記太陽電池モジュールの非受光面に対して波長０．３〜３［μｍ］、エネルギー密度１０〜４０００［Ｊ／ｃｍ２］のレーザー光を照射し、このレーザー光が照射された前記バックシートおよび前記半導体基板を切断する。【選択図】 図１

Description

本発明は、太陽電池モジュールのリサイクル方法に関するものである。

太陽電池発電は、再生可能エネルギーの一つとして注目されており、特に震災以後、家庭用から電力用（メガソーラ）まで幅広い用途での需要が拡大している。太陽電池発電に使用する太陽電池モジュールは、様々な形状、構成であり、使用される材料も異なる。太陽電池モジュールの製造量は、日本だけでも年間約８ＧＷに上る製造量実績があるため、製品寿命となった太陽電池モジュールの大量廃棄時代に向けて、今後、廃太陽電池モジュールのリサイクルを実現する処理プロセスの構築が急務となっている。

太陽電池モジュールは、ガラス基板と、その上に積層されている太陽電池積層体と、その上に形成されているバックシートとで構成されており、リサイクルの対象となる金属成分の大部分は太陽電池積層体に含まれている。ガラス基板上の太陽電池積層体の含有金属成分を回収する方法として、金属製ブラシを用いて太陽電池積層体を厚さ方向に削り、それを回収する方法が知られているが（特許文献１）、粉砕効率や回収効率を更に向上させることが望まれている。

特開２０１４−５４５９３公報

本発明が解決しようとする課題は、太陽電池積層体およびバックシートを確実に切断し、ガラス基板から効率よく分離することができる太陽電池モジュールのリサイクル方法を提供することである。

上記課題を達成するために、実施形態の太陽電池モジュールのリサイクル方法は、発電素子が形成された半導体基板を複数個接続し、その周囲を封止材で覆い、受光面側にガラス基板を設け、非受光面側にバックシートを設けた太陽電池モジュールのリサイクル方法において、前記太陽電池モジュールの非受光面に対して波長０．３〜３［μｍ］、エネルギー密度１０〜４０００［Ｊ／ｃｍ^２］のレーザー光を照射し、このレーザー光が照射された前記バックシートおよび前記半導体基板を切断する。

実施形態による太陽電池モジュールのリサイクル方法の様子を示す図。 実施形態による太陽電池モジュールのリサイクル方法の対象となる太陽電池モジュールの断面図（Ａ−Ａ断面）。 ガラスの透過率およびプラスチックの吸収率を示すグラフ。 太陽電池モジュールのリサイクル方法におけるレーザー光のエネルギー密度に対する切断の良好性を示すグラフ。 実施形態による太陽電池モジュールのリサイクル方法におけるレーザー光の走査経路。 実施形態による太陽電池モジュールのリサイクル方法における粉砕、回収の様子を示す図。

以下に、本発明の実施形態に係る太陽電池モジュールのリサイクル方法を図１乃至図６を参照して説明する。

図１は、第１の実施形態による太陽電池モジュールのリサイクル方法の様子を示す図である。太陽電池モジュール１は、複数の太陽電池単位セル２が配置され、その外周を金属フレーム３で取り囲まれている。太陽電池モジュール１の非受光面にＸ方向及びＹ方向に走査するレーザー照射ガン４からレーザー光５が照射される。（レーザー光５の走査経路については後に説明する）
２図は、図１のＡ−Ａにおける太陽電池モジュール１の断面図であり、レーザー発射ガン４から照射されたレーザー光５により太陽電池モジュール１の一部が切断される様子を示している。太陽電池モジュール１は、ガラス基板６とその上に形成された太陽電池積層体７と、その上に形成されたＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等の有機性のバックシート８とで構成される。太陽電池積層体７は、発電素子が形成された半導体基板９が並べて配置され結合線１０で電気的に接続され、それらの周囲をＥＶＡ（エチレンビニールアセテート）等の封止材１１で強固に固着し覆われている。レーザー照射ガン４から波長０．３〜３［μｍ］、エネルギー密度１０〜４０００［Ｊ／ｃｍ^２］のレーザー光５を照射することにより、バックシート８および太陽電池積層体７は厚さ方向にガラス基板６に至る前まで切断される。

本実施形態の太陽電位モジュールのリサイクル方法では、レーザー光５を非受光面から照射することにより、プラスチックに吸収波長域を有するレーザー光５を、強固なバックシート８に照射し、確実に切断することができる。バックシート８は強固であり、後のリサイクルにおいて太陽電池積層体７を回収するためには、その上に存在するバックシート８を確実に取り除くことが重要である。

レーザー光５は、太陽電池モジュール１の非受光面を全体にわたってＸ軸方向またはＹ軸方向に走査されるため、半導体基板９に照射される場合（ケース１）と、半導体基板９には照射されず隣り合う半導体基板９の間にある封止材１１に照射される場合（ケース２）の二通りがある。上記ケース１では、レーザー光５が照射された部分（バックシート８、半導体基板９の上方に存在する封止材１１、半導体基板９）は切断され、ガラス基板６は切断されない。レーザー光５が照射された部分の半導体基板９の下方に存在する封止材１１については、厚さ方向に全て切断されることが望ましいが、必ずしもその必要はない。上記ケース２では、レーザー光５が照射されたバックシート８は切断され、封止材１１については、厚さ方向に少なくとも半導体基板９の下面と同程度までは切断される。以上より、本実施形態の太陽電位モジュールのリサイクル方法では、後のリサイクルにおいて、再利用可能な金属成分を含んだ半導体基板９を確実に回収することができる。

図３は、ガラスの透過率およびプラスチックの吸収率を示したグラフである。ガラス基板６の材料であるガラスについては、波長０．３〜３［μｍ］（範囲Ａ）においては、高い透過率を有する。したがって、波長０．３〜３［μｍ］（範囲Ａ）のレーザー光５を照射することにより、ガラス基板６を切断することなく、バックシート８および太陽電池積層体７を切断することができる。

また、バックシート８および太陽電池積層体７の主要材料であるプラスチックについては、可視光領域でも２０〜３０％程度の吸収効率をもち、波長１〜３［μｍ］（範囲Ｂ）において急激な吸収効率の増加が見られる。ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等の有機性のバックシート８およびＥＶＡ（エチレンビニールアセテート）等の封止材１１については、強固な材料が用いられており、より吸収率が高いレーザー光を照射した方が切断し易いことを考慮すると、波長１〜３［μｍ］（範囲Ｂ）は、波長０．３〜３［μｍ］（範囲Ａ）の中で特に最適の条件である。

図４は、波長（λ）が０．３［μｍ］〜３［μｍ］の範囲におけるレーザー光５のエネルギー密度に対する切断の良好性を示したものである。レーザー照射ガン４から照射するレーザー光５のエネルギー密度（Ｆ）は、レーザー出力（Ｐ）、レーザービーム直径（ｄ）とすると、下記（式１）で表される。

（式１） Ｆ＝４Ｐ／πｄ^２
エネルギー密度（Ｆ）が１０〜４０００［Ｊ／ｃｍ^２］（範囲Ｃ）において、バックシート８および太陽電池積層体７を厚さ方向にガラス基板６に至る前まで切断することを確認した。４０００［Ｊ／ｃｍ^２］より大きな値は、太陽電池積層体７を厚さ方向にガラス基板６に至る前まで切断するためには過度なエネルギー密度となり、ガラス基板５にダメージを与える恐れがあるので好ましくない。

図５（ａ）（ｂ）は、太陽電池モジュールのリサイクル方法におけるレーザー光５の走査経路を示す図である。図５（ａ）（ｂ）では何れにおいても、レーザー光５を、太陽電池モジュール１の非受光面を全体にわたってＸ軸方向またはＹ軸方向に走査し、レーザー光の走査経路１２においてバックシート８および太陽電池積層体７が切断される。図５（ａ）は、レーザー光５をＸ軸方向およびＹ軸方向にずらしながら斜め直線状に走査する様子を示す。この方法では、開始点から終了点までを連続して走査することが可能であり、時間的効率が高い。図５（ｂ）は、レーザー光５をＸ軸方向／Ｙ軸方向の何れか一方向（水平／垂直方向の何れか一方向）の直線状に走査する様子を示す。この方法では、受光面全体にわたって、レーザー光の走査経路１２で囲まれ分離した領域を形成することができ、レーザー光の走査経路１２の間隔を調整することにより、上記分離した領域の大きさを調整することができる。例えば、分離した領域の大きさを小さめにすることにより、後に行なう太陽電池積層体７およびバックシート８の粉砕効率をよくすることができる。また、分離した領域の大きさを大きめにすることにより、レーザー光５の照射時間を短くすることができる。このように、リサイクルの対象となる太陽電池モジュールの個々の条件に応じて、レーザー光５の走査経路の条件を変えて適切なリサイクルを実現することができる。

太陽電池モジュール１のリサイクルでは、上述した方法により、レーザー光５を用いて、太陽電池モジュール１のバックシート８および太陽電池積層体７を切断した後、バックシート８および太陽電池積層体７を粉砕し回収する。回収された太陽電池積層体７の粉砕物から金属成分を取り出し再利用する。図６は、実施形態による太陽電池モジュールのリサイクル方法における粉砕、回収の様子を示す図である。レーザー光５を照射しバックシート８および太陽電池積層体７を切断した太陽電池モジュール１は、平板状底台１３に形成された小穴の減圧チャックによりしっかりと吸着固定されている。バックシート８および太陽電池積層体７は、平板状底台１３と相反する垂直方向から、少なくとも１基の回転する金属製ブラシ１４により削られ、厚み方向に分離される（ここで、ガラス基板６は削られない）。粉砕されたバックシート８および太陽電池積層体７は、回収フード１５に吸い取られ回収される。金属製ブラシ１４は、図示しない駆動モータによってローラーが回転しており、その回転速度は１０００ｒｐｍ以上が好ましい。ここでは、太陽電池モジュール１を削る動作は、金属製ブラシ１４を固定して、平板状底台１３を移動する構造としている。太陽電池モジュール１は、非受光面全体にわたったレーザー光の走査経路にしたがって、バックシート８および太陽電池積層体７が切断された状態で、金属製ブラシ１４により削られるため、より確実に細かく粉砕され、且つ、ガラス基板６と太陽電池積層体７をより確実に分離される結果が得られた。このような金属製ブラシ１４を用いてガラス基板６より分離された太陽電池積層体７の回収成分は、サイクロンにより軽比重成分が除かれて回収される。尚、レーザー光５を用いて太陽電池モジュール１のバックシート８および太陽電池積層体７を切断した後の粉砕／回収方法については、図６に限定されず、他の方法を用いてもよい。

以上説明した実施形態による太陽電池モジュールのリサイクル方法によれば、太陽電池モジュールの非受光面に対して、波長０．３〜３［μｍ］、エネルギー密度１０〜４０００［Ｊ／ｃｍ^２］のレーザー光を照射することにより、ガラス基板を切断することなく、太陽電池積層体およびバックシートを確実に切断し、ガラス基板から効率よく分離することができる。

また、レーザー光を太陽電池モジュールの非受光面を全体にわたってＸ軸方向またはＹ軸方向に走査することにより、非受光面全体にわたって太陽電池積層体およびバックシートを確実に切断し、ガラス基板から効率よく分離することができる。

尚、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１・・・太陽電池モジュール
２・・・太陽電池単位セル
３・・・金属フレーム
４・・・レーザー照射ガン
５・・・レーザー光
６・・・ガラス基板
７・・・太陽電池積層体
８・・・バックシート
９・・・半導体基板（発電素子）
１０・・・結合線
１１・・・封止材
１２・・・レーザー光の走査経路
１３・・・平板状底台
１４・・・金属製ブラシ
１５・・・回収フード

Claims (5)

1. 発電素子が形成された半導体基板とその周囲を覆った封止材とを有する太陽電池積層体と、前記太陽電池積層体の受光面側に設けたガラス基板と、前記太陽電池積層体の非受光面側に設けたバックシートとを有する太陽電池モジュールのリサイクル方法において、
   前記太陽電池モジュールの非受光面に対して、波長０．３〜３［μｍ］、エネルギー密度１０〜４０００［Ｊ／ｃｍ^２］のレーザー光を照射し、このレーザー光が照射された前記バックシートおよび前記半導体基板を切断することを特徴とする太陽電池モジュールのリサイクル方法。
2. 前記レーザー光を、前記太陽電池モジュールの非受光面を全体にわたってＸ軸方向またはＹ軸方向に走査することを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュールのリサイクル方法。
3. 前記バックシートおよび前記半導体基板を切断した後に、金属製ブラシを用いて前記太陽電池モジュールの非受光面を厚さ方向に削り、削られた前記バックシート、前記太陽電池積層体を回収し前記ガラス基板と分離し、前記半導体基板に含まれる金属成分を回収することを特徴とする請求項２に記載の太陽電池モジュールのリサイクル方法。
4. 前記レーザー光の波長が１〜３［μｍ］であることを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュールのリサイクル方法。
5. 前記ガラス基板は切断されないことを特徴とする請求項１に記載の太陽電池モジュールのリサイクル方法。