JP6167359B2 - Cis系薄膜太陽電池からの有価物回収方法 - Google Patents
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Description
1. CIS系薄膜太陽電池から有価物を回収する方法であって、
当該CIS系薄膜太陽電池における、基板、金属裏面電極層、p型CIS系光吸収層、バッファ層及び透明導電膜を順に含む積層体又はその細片化物を一価強塩基の水溶液に接触させることにより、a)金属裏面電極層又はb)金属裏面電極層を構成する金属と光吸収層を構成するVI族元素との化合物から構成される中間層を有する場合は当該中間層からp型CIS系光吸収層を固形物として分離する工程を含む、CIS系薄膜太陽電池の有価物の回収方法。
2. 前記工程が、1)積層体又はその細片化物を一価強塩基の水溶液に浸漬させることによりp型CIS系光吸収層を固形物として分離する工程及び2)分離されたp型CIS系光吸収層を回収する工程を含む、前記項1に記載の回収方法。
3. 一価強塩基が水酸化ナトリウム及び水酸化カリウムの少なくとも1種である、前記項1又は2に記載の回収方法。
4. 水溶液の一価強塩基のモル濃度が2mol/Lから飽和溶解度までの範囲である、前記項1〜3のいずれかに記載の回収方法。
本発明の回収方法の対象となるCIS系薄膜太陽電池は、いわゆる電池(セル)として基板、裏面電極層、p型CIS系光吸収層、バッファ層及び透明導電膜を順に含む積層体を含むものであり、このような構成を有する太陽電池は公知又は市販のものも含まれる。また、これらは公知の製造方法で製造することができる。本発明では、特に、使用済みのCIS系薄膜太陽電池、製造工程中で発生した規格外のCIS系薄膜太陽電池等を適用することができる。
本発明では、分離工程として、前記積層体又はその細片化物を一価強塩基の水溶液(以下「一価強塩基水溶液」ともいう。)に接触させることによりp型CIS系光吸収層を固形物として分離する。分離工程及びその後の有価物の回収工程を含む工程図を図2に示す。また、分離工程を含む積層体の処理例のイメージ図を図6に示す。
前記の分離工程において回収されたp型CIS系光吸収層からその構成元素を単離・回収することができる。例えば図2に示すように、構成元素としてセレン(Se)を回収する場合は乾式法(熱処理法)を好適に採用することができる。以下、乾式法によりセレンを回収する方法を説明する。
本発明において、基板としてガラス基板が使用されている場合は、そのガラスを分離・回収することもできる。例えば、前記の分離工程において、積層体からp型CIS系光吸収層が分離された後は、ガラス基板(積層体の細片化物を用いる場合はガラス基板の細片化物)及びその上に積層された裏面電極層を含む固形物(残渣ガラス)を酸性水溶液に接触(特に酸性水溶液中に浸漬)させることによって、裏面電極層(及び中間層を有する場合は中間層)を溶解した後、ガラス単体を固形物として回収する。
a)裏面電極層(Mo系電極層)、
b)中間層(Mo−S系中間層)、
c)p型CIS系光吸収層(2セレン化銅インジウム・ガリウム(Cu(In、Ga)Se2)系光吸収層)、
d)バッファ層(ZnO系バッファ層)及び
e)窓層(透明導電膜)(ZnO系透明導電膜)
が積層された積層体(pnヘテロ接合デバイス)を用いた。
水酸化ナトリウム水溶液は水酸化ナトリウム(和光純薬工業(株)製 特級)を蒸留水に溶解させたものを使用し、濃度はそれぞれ0.25、0.63、1.25、2.50、3.00、3.75、5.00、6.25、7.50mol/Lの6種類とした。積層体の重量と水酸化ナトリウム水溶液の体積の液比(積層体の単位重量当たりの水酸化ナトリウム水溶液の体積をいう。実施例2以降も同じ。)が10cm3/gとなるように、ビーカー中で縦4cm×横5cmの積層体10gを水酸化ナトリウム水溶液100mlに浸漬し、20℃に設定した恒温器(タバイエスペック(株)製「PG−2KHP」)内に静置した。24時間後、処理された積層体の外観を観察した。次いで、水酸化ナトリウム水溶液を孔径0.2μmのPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)製メンブレンフィルターでろ過し、ろ液中の亜鉛濃度を高周波誘導結合プラズマ発光分析装置((株)島津製作所製「ICPS−7510」)で測定した。その結果を表1に示す。表1中の評価は、以下の通りである。
×:亜鉛イオンが十分に溶解せず、p型CIS系光吸収層が剥離しない。
△:亜鉛イオンがほぼすべて溶解し、p型CIS系光吸収層が剥離しない。
〇:亜鉛イオンがほぼすべて溶解し、p型CIS系光吸収層が剥離する。
◎:亜鉛イオンがほぼすべて速く溶解し、p型CIS系光吸収層の剥離速度が速い。
水酸化ナトリウム水溶液は水酸化ナトリウム(和光純薬工業(株)製 特級)を蒸留水に溶解させたものを使用し、濃度は5.00mol/Lとした。液比が10cm3/gとなるように、ビーカー中で3cm×6cmの積層体9gを水酸化ナトリウム水溶液90mlに浸漬し、マグネチックスターラーで撹拌しながら恒温器(タバイエスペック(株)製「PG−2KHP」)内に静置した。液温は20℃、30℃及び40℃で一定とした。浸漬開始から1、3、5、10、20分後に水酸化ナトリウム水溶液をサンプリングし、孔径0.2μmのPTFE製メンブレンフィルターでろ過した後、亜鉛濃度を高周波誘導結合プラズマ発光分析装置((株)島津製作所製「ICPS−7510」)で測定した。その結果を図4に示す。図4に示すように、温度が高いほど亜鉛の溶解する速度が上昇した。また、いずれの温度においても浸漬開始から20分後には亜鉛が完全に溶解した。p型CIS系光吸収層の剥離状況について、表2に示す。表2中の評価は、以下の通りである。
△:p型CIS系光吸収層が剥離する。
〇:p型CIS系光吸収層がほぼ全て剥離する。
◎:p型CIS系光吸収層が完全に剥離する。
強塩基水溶液として、和光純薬工業(株)製の特級グレードの水酸化ナトリウムを蒸留水に溶解させたものを使用し、濃度は3.00、5.00mol/Lとした。液比が10cm3/gとなるように、ビーカー中で縦4cm×横5cmの積層体10gを強塩基水溶液100mlに浸漬し、恒温器(タバイエスペック(株)製「PG−2KHP」)内に静置した。液温は20℃及び40℃で一定とした。24時間後、処理された積層体の外観を観察した。次いで、強塩基水溶液を孔径0.2μmのPTFE製メンブレンフィルターでろ過後、ろ液の亜鉛濃度を高周波誘導結合プラズマ発光分析装置((株)島津製作所製「ICPS−7510」)で測定した。その結果を表3に示す。表3中の評価は、以下の通りである。
×:亜鉛イオンが十分に溶解せず、p型CIS系光吸収層が剥離しない。
△:亜鉛イオンがほぼすべて溶解し、p型CIS系光吸収層が剥離しない。
〇:亜鉛イオンがほぼすべて溶解し、p型CIS系光吸収層が剥離する。
◎:亜鉛イオンがほぼすべて速く溶解し、p型CIS系光吸収層の剥離速度が速い。
強塩基水溶液として、和光純薬工業(株)製の特級グレードの水酸化カリウムを蒸留水に溶解させたものを使用し、濃度は5.00mol/Lとした。液比が10cm3/gとなるように、ビーカー中で縦4cm×横5cmの積層体10gを強塩基水溶液100mlに浸漬し、恒温器(タバイエスペック(株)製「PG−2KHP」)内に静置した。液温は40℃で一定とした。24時間後、処理された積層体の外観を観察した。次いで、強塩基水溶液を孔径0.2μmのPTFE製メンブレンフィルターでろ過した後、ろ液の亜鉛濃度を高周波誘導結合プラズマ発光分析装置((株)島津製作所製「ICPS−7510」)で測定した。その結果、亜鉛イオンがほぼすべて溶解し、p型CIS系光吸収層が剥離したことが確認された。
水酸化ナトリウム水溶液は水酸化ナトリウム(和光純薬工業(株)製 特級)を蒸留水に溶解させたものを使用し、濃度は5.00mol/Lとした。液比が10cm3/gとなるように、積層体を水酸化ナトリウム水溶液に浸漬し、CIS系光吸収層を剥離させた。孔径0.2μmのPTFE製メンブレンフィルターでろ過後、CIS系光吸収層を蒸留水で洗浄し、110℃で乾燥させ、CIS系光吸収層を得た。得られたCIS系光吸収層を塩酸と過酸化水素の混合溶液(いずれの濃度も3mol/L)に浸漬し、完全に溶解させた。溶液中に溶解した成分を高周波誘導結合プラズマ発光分析装置((株)島津製作所製「ICPS−7510」)で測定した。その結果、剥離回収したCIS系光吸収層に含まれる元素のうち、セレン、インジウム、銅、ガリウムの含有は認められたが、モリブデンは検出されなかった。以上のことから、アルカリ処理によりCIS系光吸収層のみを剥離・回収できることがわかる。
水酸化ナトリウム水溶液は水酸化ナトリウム(和光純薬工業(株)製 特級)を蒸留水に溶解させたものを使用し、濃度は5.00mol/Lとした。液比が10cm3/gとなるように、積層体を水酸化ナトリウム水溶液に浸漬し、CIS系光吸収層を剥離させた。水溶液中からガラス基板、金属裏面電極層及び中間層からなる残部を回収し、蒸留水で洗浄後に乾燥させた。その後、塩酸と過酸化水素の混合溶液(塩酸濃度1mol/L、過酸化水素濃度1mol/L)に浸漬し、金属裏面電極層を溶解させた。得られたガラスの化学組成を蛍光X線分析装置((株)リガク製「ZSX100e」)で測定した結果を表4に示す。
剥離回収したp型CIS系光吸収層をTG/DTA装置((株)リガク製 TG8120)により熱分析した結果を図5に示す。測定条件は、空気200ml/min流下、室温から10℃/min昇温、1000℃ 30min保持とした。TG曲線により約350℃から重量減少が始まり、約800℃で減少が停止した。DTA曲線では3ヶ所の発熱ピーク(519℃、730℃、745℃)が認められた。気体中で加熱することによりp型CIS系光吸収層中のセレンが昇華し、約800℃で完全に昇華されるものと推定された。
図7に示すような回転容器70を用いて積層体の細片化物のアルカリ処理を実施した。図7に示すように、積層体を50mm〜10mm大のカレット状に破砕した細片化物71(10kg)を内径250mm×長さ600mmの塩化ビニル樹脂製容器72に入れ、これに5mol/Lの水酸化ナトリウム水溶液を15L加え、架台74に設けられた2つのローラー73,73上で常温下10rpmにて1時間回転させた。その後、その内容物を5メッシュ金網を通してバットに受けたところ、CIS系光吸収層が剥離し、細片化物から分離した。バット内アルカリ水溶液には微粉状で黒色のCIS系光吸収層が沈降した。バット内のアルカリ水溶液から上澄み液を除いた後、フィルターでCIS系光吸収層をろ過、水洗、乾燥して個体として回収した。前記金網上に残った上記のアルカリ処理済み細片化物を、水洗した上記の容器に再度投入し、塩酸と過酸化水素の混合溶液(塩酸濃度1.5mol/L、過酸化水素濃度0.6mol/L)13Lを加え、随時容器内に発生する酸素をガス抜き弁75からベントしながら、1時間かけて10rpmで回転した後、内容物を5メッシュ金網を通してバットに受け、これを水洗・乾燥して、透明なガラス基板を得た。得られたガラス基板をフッ化水素酸に完全溶解し、高周波誘導結合プラズマ発光分析装置((株)島津製作所製「ICPS−7500」)で分析したところ、セレン、銅、インジウム、ガリウム、モリブデンはいずれも検出されなかった。
Claims (4)
- CIS系薄膜太陽電池から有価物を回収する方法であって、
当該CIS系薄膜太陽電池における、基板、金属裏面電極層、p型CIS系光吸収層、バッファ層及び透明導電膜を順に含む積層体又はその細片化物を一価強塩基の水溶液に接触させることにより、a)金属裏面電極層又はb)金属裏面電極層を構成する金属と光吸収層を構成するVI族元素との化合物から構成される中間層を有する場合は当該中間層からp型CIS系光吸収層を固形物として分離する工程を含む、CIS系薄膜太陽電池の有価物の回収方法。 - 前記工程が、1)積層体又はその細片化物を一価強塩基の水溶液に浸漬させることによりp型CIS系光吸収層を固形物として分離する工程及び2)分離されたp型CIS系光吸収層を回収する工程を含む、請求項1に記載の回収方法。
- 一価強塩基が水酸化ナトリウム及び水酸化カリウムの少なくとも1種である、請求項1又は2に記載の回収方法。
- 水溶液の一価強塩基のモル濃度が2mol/Lから飽和溶解度までの範囲である、請求項1〜3のいずれかに記載の回収方法。
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