KR101509086B1 - 태양전지의 금속회수방법 - Google Patents

태양전지의 금속회수방법 Download PDF

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류홍렬
이진석
안영수
장보윤
김준수
강기환
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한국에너지기술연구원
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 금속회수방법은 제1 전극과 제2 전극을 포함하는 태양전지로부터 상기 제2 전극의 제2 구성물질을 분리하는 태양전지의 금속회수방법에 관한 것으로, 상기 태양전지와 알칼리성 수용액을 혼합하는 단계, 상기 알칼리성 수용액을 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 상기 제2 전극과 선택적으로 반응시키는 단계 및 상기 반응에 따라 상기 태양전지로부터 상기 제2 구성물질을 분리하는 단계를 포함한다.

Description

태양전지의 금속회수방법{METHOD FOR RECOVERYING METAL OF SOLAR CELL}
본 발명은 태양전지의 금속회수방법에 관한 것이다.
환경 오염 및 이산화탄소 배출로 인한 지구 온난화를 방지하기 위하여 다양한 대체에너지원이 개발되고 있다. 대체에너지원들 중 태양광을 전기로 변환하는 태양전지에 대한 관심이 증대되고 있으며 각 국가에서 설치되는 태양전지 역시 증가하고 있다.
태양전지가 설치되어 일정 기간이 지나면 광전변환효율이 떨어지므로 설치된 태양전지는 철거되어야 한다. 앞서 언급된 바와 같이 태양 전지의 설치량이 증가하고 있으므로 향후 철거되는 태양전지의 양 역시 증가할 것으로 예상된다.
태양전지는 광전변환효율을 높이기 위하여 고가의 재료들이 사용되므로 태양전지 철거시 이들 재료들의 회수없이 철거될 경우 자원의 낭비 문제뿐만 아니라 폐태양전지가 심각한 환경오염을 유발할 수 있다.
이에 따라 폐태양전지로부터 태양전지의 재료를 회수하기 위한 연구가 진행되고 있다.
한국공개특허 10-2011-0069962(공개일 : 2011.06.24)
본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 금속회수방법은 태양전지의 여러 재료를 고순도로 회수하기 위한 것이다.
본 발명의 일측면에 따르면, 제1 전극과 제2 전극을 포함하는 태양전지로부터 상기 제2 전극의 제2 구성물질을 분리하는 태양전지의 금속회수방법에 있어서, 상기 태양전지와 알칼리성 수용액을 혼합하는 단계; 상기 알칼리성 수용액을 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 상기 제2 전극과 선택적으로 반응시키는 단계; 및 상기 반응에 따라 상기 태양전지로부터 상기 제2 구성물질을 분리하는 단계를 포함하는 태양전지의 금속회수방법이 제공된다.
본 발명의 일측면에 따른 태양전지의 금속회수방법은 상기 태양전지와 고용물질을 혼합하여 상기 제1 전극의 제1 구성물질과 상기 고용물질의 고용체를 생성하는 단계와, 상기 고용체로부터 상기 제1 구성물질을 분리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 전극은 빛이 입사되는 상기 태양전지의 일면 상에 형성되고, 상기 제2 전극은 상기 일면의 맞은 편에 위치한 상기 태양전지의 타면 상에 형성될 수 있다.
상기 고용체를 원심분리를 통하여 상기 고용체로부터 상기 고용물질을 분리할 수 있다.
상기 태양전지와 상기 고용물질을 혼합하여 상기 고용체를 생성한 후 상기 원심분리 이전에 상기 고용물질과 상기 고용체를 필터에 넣어 상기 고용물질과 상기 고용체를 분리할 수 있다.
상기 원심분리가 이루어진 상기 고용체를 상기 고용물질의 기화온도 이상 가열하여 상기 고용체로부터 상기 고용물질을 제거할 수 있다.
상기 고용체를 상기 고용물질의 기화온도 이상 가열하여 상기 고용물질을 기화시킴으로써 상기 제1 구성물질을 획득할 수 있다.
상기 가열에 의하여 상기 고용체로부터 분리된 상기 고용물질을 냉각하여 상기 고용물질을 응축시킬 수 있다.
상기 고용물질 및 상기 알칼리 수용액은 파쇄된 상기 태양전지의 파편들 사이로 흘러 들어갈 수 있다.
수계 전해정련 공정을 통하여 상기 고용체로부터 분리된 상기 제1 구성물질에 잔류하는 상기 제2 구성물질 및 실리콘을 제거할 수 있다.
상기 수계 전해정련 공정에서 사용된 수계 전해질은 상기 제1 구성물질을 포함하면서 물에 녹을 수 있는 물질을 포함할 수 있다.
상기 수계 전해정련 공정에서 사용된 수계 전해질은 질산은 수용액일 수 있다.
상기 수계 전해정련 공정에서 애노드는 상기 고용체로부터 분리된 상기 제1 구성물질이고, 캐소드는 수계 전해질과 반응하지 않고 상기 수계 전해질보다 이온화도가 낮은 물질로 이루어질 수 있다.
상기 캐소드는 텅스텐, 니켈, 몰리브덴, 금, 및 백금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 수계 전해정련 공정을 통하여 정련되어 캐소드로부터 떨어지는 상기 제1 구성물질을 모으는 회수 용기가 상기 캐소드의 하부에 배치될 수 있다.
상기 수계 전해정련 공정에서 애노드는 상기 고용체로부터 분리된 상기 제1 구성물질이고, 기준 전극에 대한 상기 애노드의 전압과 캐소드의 전압은 상기 전해질에 있는 산소 이온과 수소 이온이 유지되도록 설정될 수 있다.
상기 수계 전해정련 공정에서 애노드는 탄소계열 도전체와, 상기 탄소계열 도전체와 접촉하는 상기 고용체로부터 분리될 수 있다.
상기 탄소계열 도전체는 카본 펠트이고, 상기 카본 펠트는 상기 제1 구성물질의 일부 영역을 감쌀 수 있다.
상기 제1 구성물질은 Ag를 포함하고, 상기 고용물질은 Hg를 포함할 수 있다.
상기 제2 구성물질은 Al을 포함하고, 상기 알칼리성 수용액은 NaOH 수용액, KOH 수용액, LiOH 수용액 또는 NH4OH 수용액일 수 있다.
본 발명의 일측면에 따른 태양전지의 금속회수방법은 상기 제2 전극과 상기 알칼리성 수용액의 반응 결과물을 제련공정를 통하여 상기 반응 결과물로부터 상기 제2 구성물질을 분리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제련공정은 알루미늄 제련공정의 순환주기를 포함할 수 있다.
상기 태양전지와 고용물질의 혼합물을 상기 알칼리성 수용액에 투입할 수 있다.
상기 고용체의 형성은 상온에서 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 태양전지와 고용물질을 혼합하여 상기 제1 전극의 제1 구성물질과 상기 고용물질의 고용체를 생성하는 단계, 알칼리성 수용액을 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 상기 제2 전극과 선택적으로 반응시키는 단계, 상기 제2 전극과 상기 알칼리성 수용액의 반응 결과물을 제련공정를 통하여 상기 반응 결과물로부터 상기 제2 구성물질을 분리하는 단계; 상기 고용체로부터 상기 제1 구성물질을 분리하는 단계 및 상기 고용체로부터 분리된 상기 제1 구성물질을 전해정련 공정을 통하여 상기 제1 구성물질에 혼합된 상기 제2 구성물질을 제거하는 단계를 포함하는 태양전지의 금속회수방법이 제공되며, 상기 전해정련 공정을 통하여 회수된 상기 제1 구성물질의 순도는 99.9 % 이상 100% 미만일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 금속회수방법은 고용물질을 이용하여 제1 구성물질 및 제2 구성물질 중 제1 구성물질을 태양전지로부터 선택적으로 분리할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 금속회수방법은 고용물질을 이용하여 상온에서 제1 구성물질을 선택적으로 회수할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 금속회수방법은 알칼리성 수용액을 이용하여 제1 구성물질 및 제2 구성물질 중 제2 구성물질을 선택적으로 분리할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 금속회수방법은 산성물질이나 기계적 장치의 사용없이 구성물질들을 회수하므로 2차 산업폐기물이 발생하지 않고 구성물질의 회수율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 금속회수방법에 대한 순서도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 금속회수방법에서 사용가능한 전기분해장치를 나타낸다.
도 3은 각 성분별 이온화를 위한 전위를 나타낸다.
도 4는 알칼리성 수용액과 태양전지의 혼합 시간에 따른 제2 구성물질의 용해도를 나타낸다.
도 5는 태양전지가 고용물질 및 알칼리성 수용액과 혼합 전후 제1 구성물질의 상태를 나타낸다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
태양전지는 빛의 입사에 따라 발생한 전기를 외부의 회로에 공급하기 위한 제1 전극 및 제2 전극을 포함하며, 태양전지의 제조과정에서 제1 구성물질 및 제2 구성물질로 각각 제1 전극 및 제2 전극이 형성된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 금속회수방법에 대한 순서도를 나타낸다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 금속회수방법은 태양전지와 알칼리성 수용액을 혼합하는 단계(S110); 알칼리성 수용액을 제1 전극 및 제2 전극 중 제2 전극과 선택적으로 반응시키는 단계(S120) 및 상기 반응에 따라 태양전지로부터 제2 구성물질을 분리하는 단계(S130)를 포함한다.
이 때 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 금속회수방법은 태양전지와 고용물질을 혼합하여 제1 전극의 제1 구성물질과 고용물질의 고용체를 생성하는 단계와, 고용체로부터 제1 구성물질을 분리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서 태양전지는 강화유리가 제거되어 제1 전극 및 제2 전극이 노출된 상태일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 금속회수방법이 적용될 수 있는 태양전지는 단결정 실리콘 태양전지, 다결정 실리콘 태양전지, 또는 비정질 실리콘 태양전지일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, CIGS 태양전지나 CdTe 태양전지와 같은 다양한 태양전지에 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예에서 고용체는 제1 구성물질의 원자 사이에 고용물질의 원자가 끼어들어가 있는 형태이거나 제1 구성물질의 일부 원자를 밀어내고 그 자리에 고용물질의 원자가 대신 들어가는 형태일 수 있다.
예를 들어, 제1 구성물질이 Ag이고 고용물질이 Hg인 경우, Hg가 상온에서 액체이므로 상온에서 Ag와 Hg의 고용체를 쉽게 형성할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 금속회수방법은 산성 물질의 사용없이 태양전지로부터 제1 구성물질 및 제2 구성물질을 회수할 수 있다. 이에 따라, 질산이나 염산과 같은 산성물질 사용에 따른 부산물(예를 들어, 질산은이나 염화알루미늄)을 처리하는 후속공정이 필요하지 않고 질산 가스나 염산 가스를 처리하기 위한 시설이 필요하지 않다.
이 때 제1 전극은 빛이 입사되는 태양전지의 일면 상에 형성되고, 제2 전극은 일면의 맞은 편에 위치한 태양전지의 타면 상에 형성될 수 있다.
빛이 입사되는 태양전지의 일면에 형성되는 제1 전극의 면적이 클 경우 제1 전극이 빛의 입사를 막아 태양전지의 효율을 떨어뜨릴 수 있다. 제1 전극의 면적을 줄이면서도 전류의 흐름을 원활하게 하기 위하여 제1 전극은 Ag와 같이 전기 저항이 작은 제1 구성물질로 이루어질 수 있다.
반면에 제2 전극이 형성된 태양전지의 타면을 향하여 빛이 입사되지 않으므로 제2 전극은 제1 구성물질에 비하여 전기전도도가 작지만 값이 싼 Al과 같은 제2 구성물질로 이루어질 수 있다.
한편, 고용물질 및 알칼리 수용액은 파쇄된 태양전지의 파편들 사이로 흘러 들어갈 수 있다. 앞서 언급된 바와 같이 태양전지는 강화유리가 제거된 상태일 수 있으며 강화유리를 제거하는 과정에서 태양전지가 파쇄될 수 있다. 또는 고용물질과 태양전지가 교반되는 과정에서 파쇄되거나 강화유리를 제거한 후 작업자나 공정 상의 기계장치에 의하여 파쇄될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
태양전지가 파쇄되면 태양전지 파편의 제1 전극 및 제2 전극이 다른 파편들에 의하여 가릴 수 있기 때문에 제1 전극 및 제2 전극을 회수하기 위한 회수 물질들이 제1 전극과 제2 전극에 접촉하는 면적이 줄어들 수 있다.
이를 방지하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 금속회수방법은 태양전지의 파편들 사이로 흘러 들어갈 수 있는 고용물질이나 알칼리성 수용액을 사용함으로써 제1 전극 및 제2 전극과의 접촉면적을 넓힐 수 있다.
앞서 설명된 고용체 생성 단계에서 태양 전지는 소정의 용기(미도시)에서 고용물질과 함께 혼합되며, 이 때 혼합은 마그네틱 바 또는 볼밀과 같은 교반장치를 이용한 교반에 의하여 수행될 수 있으며, 마그네틱 바는 설정된 회전수 및 교반 시간에 따라 동작될 수 있다.
한편, 태양전지와 고용물질이 혼합되면 고용물질의 일부가 고용체를 형성하는데 사용되고 나머지 고용물질은 그대로 남아 있을 수 있다. 이와 같이 남아 있는 고용물질과 고용체를 분리하기 위하여 태양전지와 고용물질을 혼합하여 상기 고용체가 생성된 이후 고용물질과 고용체가 필터에 넣어짐으로써 고용물질과 고용체가 서로 분리될 수 있다. 본 발명의 실시예에서 필터는 얇은 천과 같이 값이 싼 다공성 섬유를 포함할 수 있다.
이후 필터에 남아 있는 고용체를 원심분리를 통하여 고용체로부터 고용물질을 분리할 수 있다. 필터링 후 원심분리가 이루어짐으로써 고용체로부터 고용물질이 보다 많이 분리될 수 있다.
이상에서는 필터링 후 원심분리가 이루어졌으나 필터링 공정없이 고용체에 대한 원심분리 공정이 수행될 수도 있다.
이와 같이 원심분리가 이루어진 고용체를 고용물질의 기화온도 이상 가열하여 고용체로부터 고용물질을 제거할 수 있다. 즉, 고용체에 대한 원심분리가 이루어지더라도 고용체에 고용물질이 잔류할 수 있으므로 잔류된 고용물질을 기화시켜 고용물질을 제거할 수 있다.
제1 구성물질이 Ag이고, 고용물질이 Hg인 경우, 고용체는 Ag와 Hg의 합금인 Ag-Hg 아말감이며, 필터링 및 원심분리가 수행된 Ag-Hg 아말감이 Hg의 기화온도인 섭씨 357 도 이상으로 가열되어 Hg가 기화됨으로써 Ag가 획득될 수 있다.
예를 들어, Ag-Hg 아말감에 대한 Hg 제거율은 온도와 시간에 따라 각각 다르며, 600℃에서 1시간 이상 유지시켰을 때 Hg를 모두 제거될 수 있다.
이상의 설명에서는 필터링, 원심분리 및 가열을 통하여 고용체로부터 제1 구성물질이 획득되는 과정에 대해 설명하였다. 이와 다르게 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 금속회수방법은 고용체의 가열을 통하여 제1 구성물질을 획득할 수 있다.
즉, 필터링 전이나 후의 고용체를 고용물질의 기화온도 이상 가열하여 고용물질을 기화시킴으로써 제1 구성물질을 획득할 수 있다. 예를 들어, 필터링 전이나 후의 Ag-Hg 아말감이 Hg의 기화온도인 섭씨 357 도 이상으로 가열되어 Hg가 기화됨으로써 Ag가 획득될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 금속회수방법은 가열에 의하여 고용체로부터 분리된 고용물질을 냉각하는 단계를 더 포함할 수 있다. 앞서 설명된 바와 같이 고용체를 가열하여 고용물질을 기화시킴으로써 제1 구성물질이 획득될 수 있다. 이 때 기화된 고용물질을 냉각시켜 고용물질을 응축시킴으로써 고용물질이 회수될 수 있다.
예를 들어, 고용물질이 Hg인 경우 기화된 Hg의 비중이 매우 크기 때문에 공기 중으로 쉽게 분산되지 않으며, 이에 따라 Hg를 포집하여 Hg가 용이하게 재사용될 수 있다. 즉, 기화된 Hg가 흐르는 파이프가 상온 이상 100 도 이하보다 낮도록 냉각되면 Hg가 파이프의 내측면에 응축될 수 있으며, 상온 이하이면 응축 효율을 더욱 높일 수 있다. 이와 같이 Hg가 응축되면 Hg의 회수가 용이하게 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 금속회수방법은 수계 전해정련 공정을 통하여 고용체로부터 분리된 제1 구성물질에 잔류하는 제2 구성물질 및 실리콘을 제거할 수 있다.
제1 구성물질을 회수하는 과정에서 태양전지를 구성하는 다양한 물질이 제1 구성물질에 잔류할 수 있다. 예를 들어, 실리콘 태양전지의 경우 태양전지 보호용 강화유리를 제거하는 과정에서 실리콘 웨이퍼가 수 나노(nano) 내지 수 미리미터(mm) 크기로 분쇄될 수 있다.
미세한 실리콘 분말은 고용물질를 이용한 제1 구성물질의 분리과정에서 고용물질 표면에 미량 포함될 수 있으며 고용체를 가열하여 고용물질을 기화시키더라도 제1 구성물질에 잔류할 수 있다.
또한 제2 전극은 수 마이크로미터(㎛) 크기를 지닌 페이스트 형태의 제2 구성물질이 소결되어 형성되므로 고용물질 표면에 포함되어 제1 구성물질에 잔류할 수 있다.
고용물질의 기화 과정을 통하여 얻어진 제1 구성물질은 미량의 제2 구성물질과 실리콘을 포함될 수 있는데, 수계 전해정련 공정을 통해 고순도의 제1 구성물질이 획득될 수 있다.
수계 전해정련 공정은 수계 전해질을 이용한 전해정련 공정이다. 수계 전해질은 물을 포함하는 전해질로서 낮은 온도에서 전해정련 공정이 이루어질 수 있고 전해질의 가격이 싸며 상온에서 공정이 이루어 지므로 가열 장치가 필요없어 공정 장치가 단순하다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 금속회수방법에서 사용가능한 전기분해장치를 나타낸다. 도 2에 도시된 바와 같이, 탱크(110)에 수계 전해질이 채워지고, 전원(E)과 연결된 애노드(anode)(120)와 캐소드(cathode)(130)가 수계 전해질과 접촉한다. 애노드(120)는 고용물질의 기화공정을 통하여 고용체로부터 획득된 제1 구성물질을 포함할 수 있다.
도 2에는 도시되어 있지 않으나 애노드(120) 및 캐소드(130)의 기준전극으로 Ni이 사용될 수 있다. 기준전극은 전극전위를 측정할 때, 사용하는 단극전위(單極電位)가 일정하여 기준이 될 수 있는 전극일 수 있다.
수계 전해정련 공정에서 사용된 수계 전해질은 질산은(AgNO3) 수용액일 수 있다.
수계 전해질은 물에 녹는 물질을 포함해야 한다. 또한 캐소드(130)에 제1 구성물질이 증착되려면 수계 전해질로부터 캐소드(130)에 제1 구성물질이 먼저 공급되어 캐소드(130)에 제1 구성물질이 초기에 증착된 후 애노드(120)의 제1 구성물질이 캐소드(130)로 공급되어야 한다. 따라서 수계 전해질은 제1 구성물질을 함유하고 있어야 한다.
이에 따라 제1 구성물질이 Ag인 경우 수계 전해질은 물에 녹을 수 있는 물질을 포함하면서 Ag 성분을 포함해야 하며, 질산은은 이러한 조건을 만족한다.
수계 전해정련 공정에서 애노드(120)와 캐소드(130)에 전원(E)이 공급되면, 물분자의 O2+ 이온과 결합하여 캐소드(130)에 Ag( = Ag+ + e-)가 증착될 수 있다. 만약 애노드(120)와 캐소드(130)에 과전압이 공급되면 Ag가 O2+ 이온과 결합하여 AgOx와 같은 은산화물이 생성되므로 애노드(120)와 캐소드(130)에 전기당량을 고려하여 적절한 전압을 공급함으로써 은산화물의 생성을 억제할 수 있다.
한편, 수계 전해정련 공정에서 애노드(120)는 고용체로부터 분리된 제1 구성물질을 포함하고, 캐소드(130)는 텅스텐, 니켈, 몰리브덴, 금 및 백금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 캐소드(130)는 질산은에 반응하지 않아야 하고 제1 구성물질(예를 들어, 은)보다는 이온화도가 낮아 제1 구성물질과 합금이 되지 않아야 한다. 텅스텐, 니켈, 몰르브덴, 금 및 백금은 이와 같은 조건을 만족할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 회수 용기(135)가 캐소드(130)의 하부에 배치되며, 회수 용기는 수계 전해정련 공정을 통하여 정련되어 캐소드(130)로부터 떨어지는 제1 구성물질을 모을 수 있다. 캐소드(130)에 제1 구성물질이 증착되는 양이 증가함에 따라 캐소드(130)에 증착된 제1 구성물질이 탱크(110) 바닥으로 떨어질 수 있다. 회수 용기는 이와 같이 탱크(110) 바닥으로 떨어지는 제1 구성물질을 회수하기 위하여 캐소드(130) 하부에 배치될 수 있다.
도 3은 각 성분별 이온화를 위한 전위를 나타낸다. 캐소드(130)와 애노드(120)에 전압이 인가되더라도 수계 전해질의 물에 포함된 수소 이온과 산소 이온이 유지되어야 한다. 캐소드(130)와 애노드(120)에 전압이 적절하지 못하여 수소 이온과 산소 이온이 유지되지 않으면 수소 가스와 산소 가스가 발생하므로 전해정련공정의 효율성이 떨어질 수 있다.
도 3에서 H/H+의 오른쪽 영역이 수소 이온이 유지되는 영역이고 O/O-2의 왼쪽 영역이 산소 이온이 유지되는 영역이므로 도 2의 점선 영역이 산소 이온과 수소 이온이 동시에 유지되는 포텐셜 영역이다.
따라서 수계 전해정련 공정에서 애노드(120)는 고용체로부터 분리된 제1 구성물질이고, 기준 전극에 대한 애노드(120)의 전압과 캐소드(130)의 전압은 수계 전해질에 있는 산소 이온과 수소 이온이 유지되도록 설정될 수 있다.
수계 전해정련 공정에서 애노드(120)는 탄소계열 도전체(140)와, 탄소계열 도전체(140)와 접촉하며 고용체로부터 분리된 제1 구성물질을 포함할 수 있다. 탄소계열 도전체(140)는 큰 표면적을 지님으로써 제 1 구성물질과의 접촉저항을 줄여 전류 공급을 원활히 하기 위한 것으로 전원(E)과 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1 구성물질이 Ag인 경우 탄소가 Ag보다 이온화가 덜되면서 전기를 잘 흘릴 수 있다.
이 때 탄소계열 도전체(140)는 카본 펠트(carbon felt)이고, 카본 펠트는 제1 구성물질의 일부 영역을 감쌀 수 있다. 이와 다르게 카본 펠트는 제1 구성물질 전체를 감싸게 되면 카본 펠트가 Ag 이온의 방출을 방해하여 전기분해의 효율을 떨어뜨릴 수 있다.
카본 펠트 대신에 금속도 가능하나, 시간이 지나면서 금속 표면에 금속산화물이 생기고, 금속산화물은 전류의 흐름을 방해하므로 전기분해의 효율을 감소시킬 수 있다. 이에 비하여 카본 펠트는 산화되더라도 이산화탄소가 발생하므로 전기분해 효율에는 영향을 미치지 않는다.
제1 구성물질이 Ag인 경우, 이상에서 설명된 수계 전해정련법을 이용해 고순도의 Ag 회수가 가능하며, 이때 최대 음극효율, 즉, 전기분해시 캐소드(130)에서 석출된 금속량의 이론 석출량에 대한 백분율은 62.5%이고, 애노드(120) 셀효율은 50%였다. 전해회수된 Ag의 ICP(Inductively Coupled Plasma) 분석결과 Ag 순도는 99.9% 이상 100% 미만이었다.
이상에서 설명된 바와 같이 제1 구성물질이 Ag를 포함할 경우 고용물질은 Hg를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 구성물질이 Ag를 포함하고 제2 구성물질이 Al를 포함하는 경우 Hg는 상온에서 Ag와 Al 중 선택적으로 Ag를 고용시킬 수 있다.
즉, 고용체의 형성은 상온에서 이루어질 수 있다. 이와 같이 상온에서 고용체의 형성이 가능하므로 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 금속회수방법에 사용되는 에너지 소모와 설비를 줄일 수 있다.
한편, 앞서 설명된 바와 같이, 태양전지와 알칼리성 수용액이 혼합되는데, 이 과정에서 고용체 및 고용물질 역시 알칼리성 수용액에 혼합될 수 있으며, 고용체와 고용물질은 알칼리성 수용액과 반응하지 않는다. 즉, 태양전지와 고용물질의 혼합물이 알칼리성 수용액에 투입될 수 있다. 이와 같이 이전 단계의 결과물을 알칼리성 수용액에 바로 투입함으로써 공정의 효율성을 높일 수 있다.
이 때 제2 구성물질은 Al을 포함하고, 알칼리성 수용액은 NaOH 수용액, KOH 수용액, LiOH 수용액 또는 NH4OH 수용액일 수 있다. Al은 산과 알칼리에 모두 반응하는 양성금속으로서 NaOH 수용액, KOH 수용액, LiOH 수용액, 또는 NH4OH 수용액을 사용하면 Ag를 용해시키지 않고 선택적으로 Al을 태양전지로부터 분리할 수 있다.
이를 위하여 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 금속회수방법은 제2 전극과 알칼리성 수용액의 반응 결과물을 제련공정를 통하여 반응 결과물로부터 제2 구성물질을 분리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 제2 구성물질이 Al이고, 알칼리성 수용액이 20 wt% NaOH 수용액인 경우, Al과 NaOH 수용액 사이의 반응은 아래와 같다.
Al + NaOH + 3H2O = NaAl(OH)4 + 1.5H2
이와 같은 반응을 통하여 형성된 NaAl(OH)4는 알루미늄 제련공정의 순환주기를 통하여 Al과 NaOH로 환원될 수 있다. 알루미늄 제련공정의 순환주기는 다음과 같다.
1. 2NaAl(OH)4 + CO2 = Na2CO3 + 2Al(OH)3 + H2O
2. 2Al(OH)3 = Al2O3 + 3H2O 고온 배소공정
3. Al2O3 와 Na3AlF6를 혼합하면 1000oC 부근에서 액상으로 존재하기 때문에 이를 전해제련법을 이용하여 Al2O3로부터 음극에서 Al 회수, 양극에서 발생하는 O2는 양극재료인 C와 반응하여 CO2로 방출된다.
이와 같이 알칼리성 수용액을 이용하여 제2 구성물질을 회수할 때 알칼리성 수용액과 태양전지가 혼합된 시간을 적정하게 설정해야 한다.
도 4는 알칼리성 수용액과 태양전지의 혼합 시간에 따른 제2 구성물질의 용해도를 나타낸다.
도 4는 Al로 이루어진 제2 전극을 포함하는 실리콘 태양전지와 NaOH 수용액이 혼합이후 경과 시간에 따라 NaOH 수용액을 ICP 분석하여 NaOH 수용액에 용해된 Al과 Si의 농도를 나타낸다.
도 4에 도시된 바와 같이, 혼합 후 25분이 경과되면 NaOH 수용액에 용해된 Al의 농도는 일정하게 유지되므로 Al은 25분 안에 거의 제거되는 것으로 해석될 수 있다. NaOH 수용액에 용해된 Si의 농도는 25분 후에도 지속적으로 증가하므로 혼합 후 경과시간을 25분으로 설정하여 Al을 제거하면서도 NaOH 수용액에 Si이 용해되는 양을 최소화할 수 있다.
이와 같은 경과시간의 설정은 태양전지와 알칼리성 수용액의 혼합 환경에 따라 달라질 수 있다.
도 5는 태양전지가 고용물질 및 알칼리성 수용액과 혼합 전후 제1 구성물질의 상태를 나타내는 것으로, 실리콘 태양전지가 Hg 및 NaOH 수용액에 혼합되기 전후의 상태를 나타낸다.
도 5의 좌측에 Ag로 이루어진 제1 전극이 텍스쳐링된(textured) 실리콘 웨이퍼 표면에 형성된 것이 도시되어 있다. 또한 도 5의 우측에는 실리콘 태양전지가 Hg 및 NaOH 수용액에 혼합된 이후의 상태가 도시되어 있다.
혼합 전의 경우 제1 전극이 텍스쳐링된(textured) 실리콘 웨이퍼 표면에 형성되므로 제1 전극이 형성된 실리콘 웨이퍼 영역은 제1 전극으로 인하여 텍스쳐링에 의한 실리콘 요철이 보이지 않는다.
혼합 후의 경우 제1 전극 영역에 해당되는 실리콘 웨이퍼 영역에 있는 요철이 노출된 것을 통하여 Ag가 Hg에 의하여 고용되어 Ag가 실리콘 웨이퍼 표면으로부터 분리되었다는 것을 알 수 있다.
이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 금속회수방법은 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 태양전지와 고용물질을 혼합하여 제1 전극의 제1 구성물질과 고용물질의 고용체를 생성하는 단계, 알칼리성 수용액을 제1 전극 및 제2 전극 중 제2 전극과 선택적으로 반응시키는 단계, 제2 전극과 알칼리성 수용액의 반응 결과물을 제련공정를 통하여 반응 결과물로부터 제2 구성물질을 분리하는 단계, 고용체로부터 제1 구성물질을 분리하는 단계 및 고용체로부터 분리된 제1 구성물질을 전해정련 공정을 통하여 제1 구성물질에 혼합된 제2 구성물질을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
이 때 전해정련 공정을 통하여 회수된 제1 구성물질의 순도는 99.9 % 이상 100% 미만일 수 있다. 회수된 제1 구성물질의 순도에 대해서는 앞서 설명되었으므로 이에 대한 설명은 생략된다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 금속회수방법을 통하여 고순도의 제1 구성물질과 제2 구성물질을 회수할 수 있다. 또한 고순도의 제1 구성물질과 제2 구성물질이 회수가능하므로 회수된 제1 구성물질과 제2 구성물질의 판매나 재사용을 위한 경제성을 확보할 수 있다.
뿐만 아니라 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 금속회수방법에 따르면 실리콘 태양전지의 경우 고순도의 제1 구성물질과 제2 구성물질이 태양전지로부터 회수되므로 제1 구성물질과 제2 구성물질을 제외한 실리콘에 잔류하는 제1 구성물질과 제2 구성물질 역시 매우 작게 되어 고순도의 실리콘이 회수될 수 있다.
이상에서 설명된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 금속회수방법은 산성 물질의 사용없이 태양전지로부터 제1 구성물질 및 제2 구성물질을 회수하므로 2차 산업폐기물의 발생을 방지할 수 있다. 또한 본 발명의 실시예에 따른 금속회수방법은 절삭 장치와 같은 기계적 장치를 사용하지 않으므로 실리콘의 회수율을 높일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 태양전지의 금속회수방법은 제2 구성물질을 태양전지로부터 먼저 분리한 후 제1 구성물질을 분리하거나, 제1 구성물질을 분리한 후 제2 구성물질을 분리할 수도 있고, 제1 구성물질과 제2 구성물질을 동시에 분리할 수도 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
탱크 : 110
애노드 : 120
캐소드 : 130
회수 용기 : 135
탄소계열 도전체 : 140

Claims (25)

  1. 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 태양전지와 고용물질을 혼합하여 상기 제1 전극의 제1 구성물질과 상기 고용물질의 고용체를 생성하는 단계;
    상기 고용체로부터 상기 제1 구성물질을 분리하는 단계;
    상기 태양전지와 알칼리성 수용액을 혼합하는 단계;
    상기 알칼리성 수용액을 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 상기 제2 전극과 선택적으로 반응시키는 단계; 및
    상기 반응에 따라 상기 태양전지로부터 상기 제2 전극의 제2 구성물질을 분리하는 단계
    를 포함하는 태양전지의 금속회수방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 태양전지와 상기 알칼리성 수용액이 혼합된 상태에서 상기 태양전지와 상기 고용물질을 혼합하여 상기 제1 전극의 제1 구성물질과 상기 고용물질의 상기 고용체를 생성하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 금속회수방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 전극은 빛이 입사되는 상기 태양전지의 일면 상에 형성되고,
    상기 제2 전극은 상기 일면의 맞은 편에 위치한 상기 태양전지의 타면 상에 형성된 것을 특징으로 하는 태양전지의 금속회수방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 고용체를 생성한 후 상기 제1 구성물질을 분리하기 이전에 상기 고용체를 원심분리를 통하여 상기 고용체로부터 상기 고용물질을 분리하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 금속회수방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 태양전지와 상기 고용물질을 혼합하여 상기 고용체를 생성한 후 상기 원심분리 이전에 상기 고용물질과 상기 고용체를 필터에 넣어 상기 고용물질과 상기 고용체를 분리하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 금속회수방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 원심분리가 이루어진 상기 고용체를 상기 고용물질의 기화온도 이상 가열하여 상기 고용체로부터 상기 고용물질을 제거하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 금속회수방법.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 고용체를 상기 고용물질의 기화온도 이상 가열하여 상기 고용물질을 기화시킴으로써 상기 제1 구성물질을 획득하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 금속회수방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 가열에 의하여 상기 고용체로부터 분리된 상기 고용물질을 냉각하여 상기 고용물질을 응축시키는 것을 특징으로 하는 태양전지의 금속회수방법.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 고용물질 및 상기 알칼리 수용액은 파쇄된 상기 태양전지의 파편들 사이로 흘러 들어가는 것을 특징으로 하는 태양전지의 금속회수방법.
  10. 제2항에 있어서,
    수계 전해정련 공정을 통하여 상기 고용체로부터 분리된 상기 제1 구성물질에 잔류하는 상기 제2 구성물질 및 실리콘을 제거하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 금속회수방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 수계 전해정련 공정에서 사용된 수계 전해질은 상기 제1 구성물질을 포함하면서 물에 녹을 수 있는 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 금속회수방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 수계 전해정련 공정에서 사용된 수계 전해질은 질산은 수용액인 것을 특징으로 하는 태양전지의 금속회수방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 수계 전해정련 공정에서 애노드는 상기 고용체로부터 분리된 상기 제1 구성물질이고, 캐소드는 수계 전해질과 반응하지 않고 상기 수계 전해질보다 이온화도가 낮은 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지의 금속회수방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 캐소드는 텅스텐, 니켈, 몰리브덴, 금 및 백금 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 금속회수방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 수계 전해정련 공정을 통하여 정련되어 캐소드로부터 떨어지는 상기 제1 구성물질을 모으는 회수 용기가 상기 캐소드의 하부에 배치되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 금속회수방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 수계 전해정련 공정에서 애노드는 상기 고용체로부터 분리된 상기 제1 구성물질이고,
    기준 전극에 대한 상기 애노드의 전압과 캐소드의 전압은 상기 수계 전해정련 공정에서 이용되는 수계 전해질에 있는 산소 이온과 수소 이온이 유지되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 태양전지의 금속회수방법.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 수계 전해정련 공정에서 애노드는
    탄소계열 도전체와, 상기 탄소계열 도전체와 접촉하는 상기 고용체로부터 분리된 상기 제1 구성물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 금속회수방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 탄소계열 도전체는 카본 펠트이고,
    상기 카본 펠트는 상기 제1 구성물질의 일부 영역을 감싸는 것을 특징으로 하는 태양전지의 금속회수방법.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 구성물질은 Ag를 포함하고, 상기 고용물질은 Hg를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 금속회수방법.
  20. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 구성물질은 Al을 포함하고, 상기 알칼리성 수용액은 NaOH 수용액, KOH 수용액, LiOH 수용액 또는 NH4OH 수용액인 것을 특징으로 하는 태양전지의 금속회수방법.
  21. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 전극과 상기 알칼리성 수용액의 반응 결과물을 제련공정를 통하여 상기 반응 결과물로부터 상기 제2 구성물질을 분리하는 단계를 더 포함하는 태양전지의 금속회수방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 제련공정은 알루미늄 제련공정의 순환주기를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지의 금속회수방법.
  23. 삭제
  24. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고용체의 형성은 상온에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양전지의 금속회수방법.
  25. 제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 태양전지와 고용물질을 혼합하여 상기 제1 전극의 제1 구성물질과 상기 고용물질의 고용체를 생성하는 단계;
    알칼리성 수용액을 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 상기 제2 전극과 선택적으로 반응시키는 단계;
    상기 제2 전극과 상기 알칼리성 수용액의 반응 결과물을 제련공정를 통하여 상기 반응 결과물로부터 상기 제2 구성물질을 분리하는 단계;
    상기 고용체로부터 상기 제1 구성물질을 분리하는 단계; 및
    상기 고용체로부터 분리된 상기 제1 구성물질을 전해정련 공정을 통하여 상기 제1 구성물질에 혼합된 상기 제2 구성물질을 제거하는 단계를 포함하며,
    상기 전해정련 공정을 통하여 회수된 상기 제1 구성물질의 순도는 99.9 % 이상 100% 미만인 것을 특징으로 하는 태양전지의 금속회수방법.
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