KR20110031688A - 태양전지 폐 모듈의 셀 회수방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 유기용매를 사용하여 강화유리가 파손된 태양전지 폐 모듈에서 먼저 강화유리만 회수하고 남겨진 EVA(Ethylene vinyl acetate)와 EVA에 붙어있는 태양전지 셀을 열처리하여 EVA만 효율적으로 제거하고 태양전지 셀을 회수 및 재생하는 태양전지 폐 모듈의 셀 회수방법에 관한 것이다.
본 발명은 강화유리가 파손된 태양전지 폐 모듈을 실온에서 일정시간 동안 용매에 침지시킨 후 흔들음에 따라 용매에서 EVA가 부풀어 용매의 상단부로 올라가고, 강화유리는 가라앉음으로써 먼저 강화유리만을 회수하고 남겨진 EVA와 태양전지 셀을 전기로에서 500℃의 온도로 1시간 동안 열처리하여 EVA를 완전히 제거하고 태양전지 셀을 회수 한다.
따라서, 본 발명에 따른 방법에 의하여 얻어진 태양전지 셀을 다양한 방법으로 순수한 실리콘 웨이퍼로 재활용하여 특히 태양전지에서 고가물질인 실리콘을 환경적 및 경제적으로 재사용할 수 있다.
태양전지, 폐모듈, 셀, 강화유리, EVA, 유기용매, 열처리
Description
본 발명은 태양전지 폐 모듈의 셀 회수방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다양한 유기용매를 사용하여 강화유리가 파손된 태양전지 폐 모듈로부터 효과적으로 강화유리 및 태양전지 셀을 회수 및 재생하는 태양전지 폐 모듈의 셀 회수방법에 관한 것이다.
태양전지는 태양빛의 에너지를 전기에너지로 바꾸며, P형 반도체와 N형 반도체라고 하는 2종류의 반도체를 사용해 전기를 일으키는 장치이다.
태양전지의 전기 발생 원리를 설명하면, 태양전지에 빛이 조사될 때 태양전지 내부에서 전자와 정공이 발생하고, 발생된 전하들은 P, N극으로 이동하여 P극과 N극 사이에 전위차가 발생하며, 이때 태양전지에 부하를 연결하면 전류가 흐르게 된다.
태양전지는 재료에 따라 실리콘 태양전지와 화합물 반도체 태양전지, 유기 태양전지 등으로 나눌 수 있는데, 기판의 종류, 실리콘 웨이퍼와 유리등의 종류에 따라 벌크형과 박막형으로 분류된다.
상기 벌크형 실리콘 태양전지는 다시 실리콘의 종류에 따라 다결정과 단결정 태양전지로 나뉜다.
전세계 태양전지 시장의 90% 이상을 차지하면서 가장 널리 사용되고 있는 결정질 실리콘 태양전지의 제조방법은 석영, 모래 등의 원재료를 정제하여 금속규소(순도 99%)를 만드는 단계와, 이를 다시 정련하여 태양전지용 폴리실리콘(순도 6N 이상)을 만드는 단계와, 이후 생산되어진 폴리실리콘을 정제하여 단결정 혹은 다결정 잉곳을 만드는 단계와, 이를 절단하여 실리콘 웨이퍼를 만든 후 PN접합과 전극을 형성하여 최종적으로 태양전지를 제조하는 단계로 이루어진다.
전 세계 태양광시장은 최근 급성장하고 있으며, 그 중 결정질 실리콘계 태양전지가 90% 이상을 차지하고 있다.
현 태양전지용 기판시장은 급격한 모듈 생산 증가로 실리콘 공급이 한계에 도달하고 있고, 실리콘 원료공급의 악화로 기판의 가격 상승이 예상되는 실정이다.
특히 태양전지의 구성요소에서 모듈이 차지하는 가격 비율은 전체의 60%이며 모듈 비용의 40%가 실리콘으로 제조된 기판이 차지하고 있다.
따라서 실리콘 웨이퍼의 두께를 줄이거나 태양전지의 효율을 높이기 위한 노력과 더불어 태양전지의 재활용에 대한 관심이 높아지고 상황이다.
이에 강화유리가 파손된 태양전지 폐 모듈로부터 나오는 태양전지 셀을 회수·재생 기반 기술개발을 확립함으로서 실리콘 공급부족 문제해결, 태양전지 제조원 가 및 폐기물 처리비용의 절감을 위한 노력이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 태양전지 모듈의 핵심소재인 태양전지 셀을 회수 및 재생할 수 있는 최적의 조건을 찾아 가장 효율적으로 태양전지 셀을 회수 및 재생하여 태양전지의 소재로 재활용할 수 있는 태양전지 폐 모듈의 셀 회수방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적은 강화유리, EVA 및 셀을 포함하는 태양전지 폐모듈의 셀 회수 방법에 있어서,
강화유리가 파손된 태양전지 폐모듈을 일정한 크기로 절단하여 유기용매에 침지시키는 단계;
상기 EVA가 부풀어 용매 위로 올라가고 상기 강화유리는 용매 아래로 가라앉아서 EVA 및 셀에서 강화유리를 분리하는 단계;
상기 EVA 및 셀을 열처리함에 따라 EVA를 녹여 셀을 회수하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 폐모듈의 셀 회수 방법에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 태양전지 폐모듈의 셀 회수 방법에 의하면, 강화유리가 파손된 태양전지 폐모듈을 유기용매에 침지시켜 EVA 및 셀에서 강화유리를 분리한 후, EVA 및 셀을 열처리 하여 셀을 회수 및 재활용할 수 있다.
상기 방법에 의해 얻어진 태양전지 셀은 다양한 방법을 통하여 순수한 실리콘 웨이퍼로서 재활용하여 특히 태양전지에서 고가물질인 실리콘을 환경적 및 경제적으로 재사용할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 태양전지 셀 회수 방법은, 유기용매법을 이용하여 강화유리(14)가 파손된 태양전지 폐 모듈을 각 유기용매에 침지시키고 흔들(shaking)어서 EVA(12)의 부풀어 오름을 이용하여 먼저 강화유리(14)를 회수 하고, 태양전지 셀과 EVA(12)는 열처리를 통하여 남은 EVA(12)를 제거하고 순수한 태양전지 셀을 회수·재생한다.
도 1은 태양전지 모듈을 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도시한 바와 같이, 상기 태양전지 모듈은 프레임(16)에 지지되어 위로부터 강화유리(14), EVA(12), 셀(11), 백 시트(13)(back sheet), 단자함(15)으로 구성된다.
상기 강화유리(14)는 표면재로서 외부의 충격 등으로부터 셀(11)을 보호하는 역할을 한다.
상기 EVA(12)는 충진재의 역할을 하며, 에틸렌과 비닐 아세테이트의 공중합체로서 투명성, 완충성, 탄성, 인장강도가 아주 우수한 비닐 필름이다.
상기 셀(11)은 빛 에너지를 전기에너지로 변환시키는 역할을 하며, 다수 개의 셀(11)이 전도성 리본에 의해 직렬 또는 병렬로 배열된다.
상기 백 시트(13)는 방수, 절연 및 자외선 차단 등의 역할을 하며, PVF, 폴리에스터, 아크릴 등으로 이루어진다.
상기 프레임(16)은 알루미늄 등으로 구성되어 모듈의 각 구성요소들을 지지한다.
상기 단자함(15)은 태양 전지 모듈의 접속 단자와 전력선의 접속부를 수납체 내부에 수납하여 접속부의 보호나 누전의 방지 등을 목적으로 한다.
본 발명을 하기에 앞서 강화유리(14)가 파손된 태양전지 폐모듈을 침지시킬 유기용매 선택을 위해 11가지 유기용매로 EVA(12)의 부풀어 오름 현상 실험을 한 결과를 표1에 나타내었다.
표 1의 결과를 통하여 실험에 사용할 유기용매로 트리클로로에틸렌(Trichloroethylene), 오르토-디클로로벤젠(O-dichlorobenzene), 톨루엔(Toluene), 테트라히드로푸란(Tetrahydrofuran)을 선택하였다.
본 발명에 따른 태양전지 폐모듈의 셀 회수 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지 폐모듈의 셀 회수 방법을 나타내는 순서도이다.
(1) 백시트(13)가 제거된 태양전지 폐모듈(파손된 강화유리(14)+EVA(12)+셀(11))을 실온에서 다양한 용매에 일정시간 침지시키고 흔들어서 EVA(12)의 부풀어 오름에 의해 강화유리(14)를 제거한다.
또는 백시트(13)가 제거된 태양전지 폐모듈(파손된 강화유리(14)+EVA(12)+셀(11))을 실온 이상의 온도에서 다양한 용매에 일정시간 침지시키고 오직 EVA(12)의 부풀어 오름에 의해 강화유리(14)를 제거한다.
(2) 상기 방법을 통하여 강화유리(14)가 제거된 모듈을 전기로에서 500℃, 1시간 열처리를 통하여 EVA(12)를 완전히 제거 하고 태양전지 셀 회수·재생의 최적의 방법을 제공한다.
상기 방법의 단계 (1)에서는, 강화유리(14)가 파손된 태양전지 폐모듈을 1cm×1cm 크기 또는 2cm×2cm 크기로 잘라 각 유기용매 150ml에 일정시간 동안 실온 또는 그 이상의 온도에서 침지시킨다.
침지시킨 후 실온일 경우 흔들고 실온 이상의 온도일 경우 흔들지 않고 일정시간동안 침지하면 EVA(12)가 부풀어 올라 강화유리(14)는 먼저 모듈에서부터 떨어지고 용매 하단부로 가라앉게 된다.
이때, 강화유리(14)가 제거된 EVA(12)와 EVA(12)에 붙어 있는 태양전지 셀(11)은 용매 상단부로 떠오르게 되어 강화유리(14)가 용이하게 분리된다.
상기 방법의 단계 (2)에서는, 강화유리(14)가 제거되어 유기용매 상단부에 분리되어 있는 EVA(12)와 EVA(12)에 붙어 있는 태양전지 셀(11)을 핀셋으로 건져내어 세라믹 보트에 올려 놓고 전기로에서 500℃ 온도로, 1시간 동안 열처리를 하여 남아 있는 EVA(12)를 모두 제거하면 순수한 태양전지 셀(11)을 얻을 수 있다.
여기서 500℃란 EVA(12)의 녹는점이 420℃∼460℃이기에 결정된 온도이다.
이하, 본 발명을 하기 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
실시예
본 발명의 바람직한 실시예에 의해 강화유리(14)가 파손된 태양전지 폐 모듈로부터 태양전지의 셀(11)을 회수한다.
실시예 1
강화유리(14)가 파손된 태양전지 폐 모듈에서 백시트(13)를 제거한 후 1cm×1cm 크기로 잘라 150ml의 톨루엔에 실온에서 침지시킨다.
일정시간 침지시키고 흔들면 EVA(12)가 유기용매에 의해 부풀어 올라 강화유리(14)가 먼저 떨어져서 바닥에 가라 앉는다.
상기 강화유리(14)가 떨어지면 남겨진 EVA(12)와 EVA(12)에 붙어 있는 태양전지 셀(11)은 위로 떠올라서 분리가 용이해 진다.
상기 톨루엔 용매의 상단부에 분리되어진 EVA(12)와 EVA(12)에 붙어 있는 태양전지 셀(11)을 핀셋으로 건져 전기로에서 500℃의 온도에서 1시간동안 열처리 한다.
상기 열처리를 후 EVA(12)가 완전히 제거되어 순수한 태양전지 셀(11)을 얻었다.
실시예 2
유기용매로 테트라히드로푸란이 사용된 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 태양전지 셀(11)을 얻었다.
실시예 3
유기용매로 트리클로로에틸렌이 사용된 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 태양전지 셀(11)을 얻었다.
실시예 4
유기용매로 오르토-디클로로벤젠이 사용된 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 수행하였으나 강화유리(14)가 완전히 회수되지 않았고 태양전지 셀(11)도 완전히 회수 할 수 없었다.
비교예 1
강화유리(14)가 파손된 태양전지 폐 모듈을 150ml의 톨루엔에 2cm×2cm 크기로 잘라 80℃에서 침지시키고 흔들지 않는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일한 방법을 수행하여 태양전지 셀(11)을 얻었다.
비교예 2
강화유리(14)가 파손된 태양전지 폐 모듈을 150ml의 테트라히드로푸란에 2cm×2cm 크기로 잘라 60℃에서 침지시키고 흔들지 않는 것을 제외하고는, 상기 실시예 2와 동일한 방법을 수행하여 태양전지 셀(11)을 얻었다.
비교예 3
강화유리(14)가 파손된 태양전지 폐 모듈을 150ml의 트리클로로에틸렌에 2cm×2cm 크기로 잘라 80℃에서 침지시키고 흔들지 않는 것을 제외하고는, 상기 실시예 3과 동일한 방법을 수행하여 태양전지 셀(11)을 얻었다.
비교예 4
강화유리(14)가 파손된 태양전지 폐 모듈을 150ml의 오르토-디클로로벤젠에 2cm×2cm 크기로 잘라 120℃에서 침지시키고 흔들지 않는 것을 제외하고는, 상기 실시예 3과 동일한 방법을 수행하여 태양전지 셀(11)을 얻었다.
시험예 1
실시예 1 및 비교예 1에서 파손된 강화유리(14) 태양전지 폐모듈로을 유기용매 톨루엔에 침지시키고 강화유리(14)를 회수하는데 걸린 시간을 조사한 결과, 실온에서 침지시키고 흔들었을 경우 3시간 만에 강화유리(14)가 회수되었다.
강화유리(14)를 회수한 후 열처리를 실시하여 EVA(12)를 모두 제거하고 순수한 태양전지 셀(11)을 얻었다.
비교예 1의 경우 36시간 후 강화유리(14)가 전량 회수되었고, 실시예 1의 경우 강화유리(14)를 회수하는데 걸린 시간이 80℃에서 반응시킨 비교예 1에 비하여 33시간 빠른 반응시간을 나타내었다.
이때, 실시예 1 및 비교예 1의 경우 EVA(12)가 분해되지 않아 태양전지 셀(11)을 회수함에 있어서 용이 하였다.
이렇게 회수된 태양전지 셀(11)은 전기로에서 500℃, 1시간동안 열처리를 통하여 EVA(12)를 모두 제거하고 순수한 태양전지 셀(11)을 얻었다.
이러한 결과로부터 유기용매로 톨루엔을 사용할 경우 실온에서 가장 효율적으로 강화유리(14) 및 태양전지 셀(11)이 회수됨을 알게 되었다.
실험을 통해서 톨루엔의 경우 트리클로로에틸렌에 비해 1시간 30분정도 강화유리(14)의 회수 시간이 늦지만 발암물질인 트리클로로에틸렌 보다 안전하고 가격적인 측면에서도 트리클로로에틸렌보다 더 경제적이기에 강화유리(14)를 회수함에 있어서 톨루엔이 바람직하다고 판단된다.
시험예 2
실시예 2 및 비교예 2에서 파손된 강화유리(14)가 태양전지 폐모듈을 유기용매 테트라히드로푸란에 침지시켜 강화유리(14)를 회수하는데 걸린 시간을 조사한 결과, 실온에서 침지 시킨 후 흔들었을 경우 7시간 만에 강화유리(14)가 회수 되었다.
강화유리(14)를 회수한 후 열처리를 실시하여 EVA(12)를 모두 제거하고 순수한 태양전지 셀(11)을 얻었다.
비교예 2의 경우 36시간 후 강화유리(14)가 전량 회수되었고, 실시예 2의 경우 강화유리(14)를 회수하는데 걸린시간이 60℃에서 반응시킨 비교예 2에 비하여 29시간 빠른 반응시간을 나타내었다.
이때, 비교예 2의 경우 EVA(12)가 부분적으로 분해되어 태양전지 셀(11)을 따로 회수함에 있어서 용이 하지 않았다.
이렇게 EVA(12)가 부분적으로 녹음에 따라 강화유리(14)와 섞여 분리되지 않은 태양전지 셀(11)은 전기로에서 500℃, 1시간동안 열처리를 통하여 EVA(12)를 모두 제거하고 분리되지 않은 강화유리(14)와 태양전지 셀(11)은 비중선별법, 정전선별법등을 통하여 재 분리하여야 한다.
이러한 결과로부터 유기용매로 테트라히드로푸란을 사용할 경우 실온에서 가장 효율적으로 강화유리(14)/태양전지 셀(11)이 회수됨을 알게 되었다.
시험예 3
실시예 3 및 비교예 3에서 파손된 강화유리(14)가 태양전지 폐모듈을 유기용매 트리클로로에틸렌에 침지시켜 강화유리(14)를 회수하는데 걸린 시간을 조사한 결과, 실온에서 침지시킨 후 흔들었을 경우 1시간 30분 만에 강화유리(14)가 회수 되었다.
강화유리(14) 회수 후 열처리를 실시하여 EVA(12)를 모두 제거하고 순수한 태양전지 셀(11)을 얻었다.
비교예 3의 경우 36시간 후 강화유리(14)가 전량 회수되었고, 실시예 3은 80℃에서 반응시킨 비교예 3에 비하여 대략 34시간 빠른 반응시간을 나타내었다.
상기 비교예 3의 경우 EVA(12)가 부분적으로 분해되어 태양전지 셀(11)을 따로 회수함에 있어서 용이 하지 않았다.
이렇게 EVA(12)가 부분적으로 녹음에 따라 강화유리(14)와 섞여 분리되지 않은 태양전지 셀(11)은 전기로에서 500℃의 온도로 1시간동안 열처리를 하여 EVA(12)를 모두 제거하였고, 분리되지 않은 강화유리(14)와 태양전지 셀(11)은 비중선별법, 정전선별법등을 통하여 재 분리하여야 한다.
이러한 결과로부터 유기용매로 트리클로로에틸렌을 사용할 경우 실온에서 가장 효율적으로 강화유리(14) 및 태양전지 셀(11)이 회수됨을 알게 되었다.
시험예 4
실시예 4 및 비교예 4 에서 파손된 강화유리(14)가 태양전지 폐모듈을 유기용매 오르토-디클로로벤젠에 침지시켜 강화유리(14)를 회수하는데 걸린 시간을 조사한 결과, 실온에서 침지 시킨 후 흔들었을 경우 강화유리(14)를 전량 회수 할 수 없었다.
120℃에서 반응시킨 비교예 4를 통하여 강화유리(14)를 회수 할 수 있었다.
비교예 4의 경우 48 시간 후 강화유리(14)가 전량 회수되었고 EVA(12)가 부분적으로 분해되어 태양전지 셀(11)을 따로 회수함에 있어서 용이하지 않았다.
이렇게 EVA(12)의 부분 녹음에 의해 강화유리(14)와 섞여 분리되지 않은 태양전지 셀(11)은 전기로에서 500℃로, 1시간 동안 열처리를 하여 EVA(12)를 모두 제거하였고, 분리되지 않은 강화유리(14)와 태양전지 셀(11)은 비중선별법, 정전선별법등을 통하여 재 분리하여야 한다.
이러한 결과로부터 유기용매로 오르토-디클로로벤젠을 사용할 경우 120℃에서 가장 효율적으로 강화유리(14) 및 태양전지 셀(11)이 회수됨을 알게 되었다.
도 1은 일반적인 태양전지 모듈을 개략적으로 보여주는 단면도
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지 폐모듈의 셀 회수 방법을 나타내는 순서도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
11 : 태양전지 셀 12 : EVA
13 : 백시트 14 : 강화유리
15 : 단자함 16 : 프레임
Claims (4)
- 강화유리(14), EVA(12) 및 셀(11)을 포함하는 태양전지 폐모듈의 셀 회수 방법에 있어서,강화유리(14)가 파손된 태양전지 폐모듈을 일정한 크기로 절단하여 유기용매에 침지시키는 단계;상기 EVA(12)가 부풀어 용매 위로 올라가고 상기 강화유리(14)는 용매 아래로 가라앉아서 EVA(12) 및 셀(11)에서 강화유리(14)를 분리하는 단계;상기 EVA(12) 및 셀(11)을 열처리함에 따라 EVA(12)를 녹여 셀(11)을 회수하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지 폐모듈의 셀 회수 방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 유기용매는 트리클로로에틸렌, 오르토-디클로로벤젠, 톨루엔, 테트라히드로푸란 중 선택된 어느 하나의 용매인 것을 특징으로 하는 태양전지 폐모듈의 셀 회수 방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 유기용매로 톨루엔, 테트라히드로푸란 및 트리클로로에틸렌 중 선택된 어느 하나의 용매를 사용하는 경우 상기 태양전지 폐모듈을 실온에서 침지시킨 후 흔들어서 EVA(12) 및 셀(11)에서 강화유리(14)를 분리하는 것 을 특징으로 하는 태양전지 폐모듈의 셀 회수 방법.
- 청구항 1에 있어서, 상기 유기용매로 오르토-디클로로벤젠을 사용하는 경우 상기 태양전지 폐모듈을 일정 온도에서 침지시켜 EVA(12) 및 셀(11)에서 강화유리(14)를 분리하는 것을 특징으로 하는 태양전지 폐모듈의 셀 회수 방법.
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| KR1020090089039A KR20110031688A (ko) | 2009-09-21 | 2009-09-21 | 태양전지 폐 모듈의 셀 회수방법 |
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