JP2009214058A

JP2009214058A - 太陽電池モジュールの解体方法

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Publication number: JP2009214058A
Application number: JP2008062050A
Authority: JP
Inventors: Yuji Yokozawa; 雄二横沢; Sota Moriuchi; 荘太森内
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2008-03-12
Filing date: 2008-03-12
Publication date: 2009-09-24

Abstract

【課題】太陽電池モジュールを解体して太陽電池（特に薄型結晶シリコン太陽電池）を再利用可能な状態で回収できる、太陽電池モジュールの解体方法を提供する。
【解決手段】太陽電池、充填材、ガラスから構成される太陽電池モジュールの解体方法であって、太陽電池モジュールを、アルカリを溶解した有機溶剤に浸漬し、加熱する工程を含む太陽電池モジュールの解体方法、ならびに、太陽電池、充填材、ガラスから構成される太陽電池モジュールの解体方法であって、裏面フィルムを除去する工程と、ガラスと、充填材に覆われた太陽電池とを分離する工程と、分離された太陽電池を、アルカリを溶解した有機溶剤に浸漬し，加熱する工程とを含む太陽電池モジュールの解体方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽電池モジュールを解体し太陽電池セルを回収する方法に関する。

昨今、地球温暖化を防止するために温室効果ガスの排出量削減が求められており、この施策の一つとして、風力および太陽光などのクリーンエネルギの導入が推進されている。このような状況に鑑み、太陽電池の生産量が近年急伸しており、２００６年度では世界で約２５００ＭＷの発電能力を有する太陽電池が生産されている。今後、さらに太陽電池の生産量は増加すると予想され、したがって、将来太陽電池モジュールが大量に廃棄される可能性が示唆され、かつ危惧されている。

太陽電池モジュールは一般に耐用年数２０年と言われている。このような太陽電池モジュールの主な寿命原因としては、モジュールガラスの割れ、セルの割れ、充填材であるエチレン−酢酸エチル共重合体（ＥＶＡ）樹脂の黄化による透過率の減少、充填材とセル表面との剥離、熱応力によるセル電極間の断線、電極部の腐食などによる抵抗の増加、などがある。

また、太陽電池モジュールをリサイクルするためには、充填材であるＥＶＡ樹脂を分解除去し、ガラスと太陽電池とを分離する必要がある。充填材を除去するための方法としては、たとえば特開平１１−１６５１５０号公報（特許文献１）に開示されたようなモジュールを燃焼処理して充填材を除去する方法、たとえば特開２００４−４２０３３号公報（特許文献２）に開示されたような硝酸などを用いて充填材を化学的に溶解させる方法、たとえば特表２００５−０６５８５２号公報（特許文献３）に開示されたようなリモネンなどの有機溶剤に膨潤または溶解させる方法などが知られている。

これらの方法により分離回収されたセルの内、特性上問題がないものは再度太陽電池モジュールに再利用される。それ以外のセルは、電極、反射防止膜、不純物拡散層などをエッチングして除去してシリコンウエハに戻し、再び太陽電池に加工される。

太陽電池を構成する部品のうちシリコンウエハは、まず珪石や珪砂を電気炉で還元して純度９８％の金属シリコンとされ、次いで化学反応によりシラン系ガスとされ、次いでこのガスを還元・熱分解して高純度多結晶シリコンとすることで製造されている。これらの工程の中で、特に金属シリコンを得るのに膨大な電力を必要とし、その消費電力は金属シリコン１トン当たり１５０００ｋＷｈで、ボーキサイトからアルミニウムを得るために必要とされる消費電力と同等である。したがって、太陽電池をモジュールから取り出して再びモジュール化して利用する、あるいはシリコンウエハに戻して再び太陽電池に加工することにより、太陽電池の製造エネルギーを大幅に削減できる。
特開平１１−１６５１５０号公報特開２００４−４２０３３号公報特表２００５−０６５８５２号公報

近年、太陽電池市場の急激な拡大によりシリコン原料が高騰しており、それに伴いシリコンウエハの厚さが約４００μｍから約２００μｍへと薄板化が進んでいる。上述した特許文献１〜３にそれぞれ開示されたような太陽電池モジュールのリサイクル法は、シリコンウエハの厚みが約４００μｍの場合、問題は生じないが、シリコンウエハの厚みが約２
００μｍの場合、それぞれ以下のような問題点が生じる。

たとえば特許文献１に開示されたモジュールを燃焼処理して充填材を除去する方法の場合、シリコンウエハの厚みが約２００μｍであると、燃焼処理の過程で充填材のエチレン−酢酸エチル共重合体（ＥＶＡ）樹脂が膨張し、薄型太陽電池セルが割れてしまい再利用不可能となる。

またたとえば特許文献２に開示された硝酸などを用いて充填材を化学的に溶解させる方法の場合、溶解のために使用する硝酸や酢酸が強い酸性物質であるため、太陽電池セルの電極が侵されてしまい、回収した太陽電池セルがそのままでは再利用不可能となる。

さらに、たとえば特許文献３に開示されたリモネンを用いてＥＶＡ樹脂を膨潤・溶解させる方法では、シリコンウエハの厚みが約２００μｍであると、薄型太陽電池セルがＥＶＡ樹脂の膨潤により割れてしまい再利用不可能となる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、太陽電池モジュールを解体して太陽電池（特に薄型結晶シリコン太陽電池）を再利用可能な状態で回収できる、太陽電池モジュールの解体方法を提供することである。

本発明は、太陽電池、充填材、ガラスから構成される太陽電池モジュールの解体方法であって、太陽電池モジュールを、アルカリを溶解した有機溶剤に浸漬し、加熱する工程を含むことを特徴とする。

本発明はまた、太陽電池、充填材、ガラスから構成される太陽電池モジュールの解体方法であって、裏面フィルムを除去する工程と、ガラスと、充填材に覆われた太陽電池とを分離する工程と、分離された太陽電池を、アルカリを溶解した有機溶剤に浸漬し、加熱する工程とを含む太陽電池モジュールの解体方法についても提供する。

本発明の太陽電池モジュールの解体方法に用いられる有機溶剤は、アルコールと、２−ピロリドン、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、γ−ブチルラクトンから選ばれる少なくともいずれかとを含む混合物であることが好ましい。

本発明の太陽電池モジュールの解体方法によれば、太陽電池モジュールを解体して太陽電池（特に薄型結晶シリコン太陽電池）を再利用可能な状態で回収することができる。

図１は、本発明の太陽電池モジュールの解体方法を段階的に示す図であり、図２は、本発明の太陽電池モジュールの解体方法に供される典型的な一例の結晶シリコン太陽電池モジュールを模式的に示す断面図である。本発明の解体方法には、太陽電池、充填材、ガラスから構成される太陽電池モジュールが供される。本発明の太陽電池モジュールの解体方法の説明に先立ち、まずは、本発明の太陽電池モジュールの解体方法に供される太陽電池モジュールについて説明する。

本発明の太陽電池モジュールの解体方法には、典型的には、図２に示すような現在主流となっているスーパーストレート型と呼ばれる構造の結晶シリコン太陽電池モジュールが供される。図２に示す例の結晶シリコン太陽電池モジュールは、基板としてのガラス１上に、ＥＶＡ樹脂からなる充填材２とリード線４により接続された太陽電池３を挟持し、当該充填材２上に防湿のための裏面フィルム５があり、この裏面フィルム５上に配線を取り
出すための端子ボックス７が形成されており、該ガラス１の四辺をアルミ製フレーム６で保持した構造を備える。

本発明の太陽電池モジュールの解体方法は、太陽電池モジュールを、アルカリを溶解した有機溶剤に浸漬し、加熱する工程を少なくとも含む。また、本発明の太陽電池モジュールの解体方法は、裏面フィルムを除去する工程と、ガラスと、充填材に覆われた太陽電池とを分離する工程と、分離された太陽電池を、アルカリを溶解した有機溶剤に浸漬し、加熱する工程とを含むように実現されてもよい。以下、図１に示す場合を例に挙げて、本発明の太陽電池モジュールの解体方法について段階的に説明する。

図１に示す例では、まず、図１（ａ）に示す状態の太陽電池モジュールのアルミ製フレーム６や端子ボックス７などを取り外した後、裏面フィルム５を剥離する（図１（ｂ））。アルミ製フレーム６、端子ボックス７の取り外しは、たとえば手作業で行うことができる。また、裏面フィルム５の剥離は、ホットエアーを吹きつけながら行うことができる。

図１に示す例では、次に、ＥＶＡ樹脂からなる充填材２に覆われた太陽電池３を分離するため、ワイヤーソー８を用いてガラス１と充填材２とを分離する（図１（ｂ））。ワイヤーソーには、たとえば外径約０．２５μｍのダイヤモンド砥粒付ピアノ線（ＰＷＳ、（株）アライドマテリアル製）を好適に用いることができる。このようにして、充填材２に覆われた太陽電池３が分離される（図１（ｃ））。

次いでステンレス製バットなどの容器１２にアルカリを溶解した有機溶剤１１を入れ、ＥＶＡ樹脂からなる充填材２に覆われた太陽電池３を浸漬し、加熱する（図１（ｄ））。なお、本発明の液晶モジュールの解体方法においては、上述した裏面フィルムの除去およびガラスと太陽電池との分離を省略し、太陽電池モジュールをそのままアルカリを溶解した有機溶剤に浸漬し、加熱するようにしてもよいが、ガラス１と太陽電池３との間のＥＶＡ樹脂からなる充填材２の分解時間を短縮するために、上述したように裏面フィルムの除去およびガラスと太陽電池との分離を経た後の、太陽電池をアルカリを溶解した有機溶剤に浸漬し、加熱するようにすることが好ましい。また、図１（ｄ）に示すように、太陽電池３は、容器１２内に予め設置された台１３上に載置されることが好ましい。

本発明の太陽電池モジュールの解体方法に用いられる上記有機溶剤は、アルコールと、２−ピロリドン、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、γ−ブチルラクトンから選ばれる少なくともいずれかの有機溶媒とを含む混合物であることが好ましい。このような有機溶剤を用いることで、ＥＶＡ樹脂を膨潤させることなくアルカリによる分解反応を起こすことができるという利点があるためである。上記有機溶剤におけるアルコールは、メタノール、エタノール、２−プロパノール、ｎ−ブタノール、１−ペンタノールなどのアルカリを溶解できるアルコールから選ばれる少なくともいずれかが用いられ、中でも、アルカリ溶解度の大きいメタノールが好ましい。

また本発明の太陽電池モジュールの解体方法に用いられる有機溶剤に溶解されるアルカリとしては、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化テトラメチルアンモニウムなどが挙げられ、中でも値段の安い水酸化ナトリウムまたは水酸化カリウムが好ましい。

また、本発明の太陽電池モジュールの解体方法に用いられる有機溶剤に溶解されるアルカリの濃度は１〜３重量％の範囲内であることが好ましい。有機溶剤に溶解されるアルカリの濃度が１重量％未満である場合には、充填材２のＥＶＡ樹脂を十分に分解できない傾向にあるためであり、また、３重量％を超える場合には、太陽電池の電極がアルカリにより侵されてしまう虞があるためである。

なお、アルカリが溶解された有機溶剤におけるアルコールと、有機溶媒との混合比率は、溶解させるアルカリの濃度に応じてアルコール量が変化するため一定ではないが、加熱時の有機溶媒とアルコールの揮発により体積が減少するため、１：１〜２（重量比）の範囲内であることが好ましい（アルコール、有機溶媒の少なくともいずれかが複数種用いられる場合には、その総量の重量比を指すものとする）。

本発明においては、上述した太陽電池（もしくは太陽電池モジュール）を、アルカリを溶解した有機溶剤に浸漬し、加熱する。太陽電池（もしくは太陽電池モジュール）を、アルカリを溶解した有機溶剤に浸漬したのみで加熱しない場合には、ＥＶＡ樹脂はほとんど変化しないという不具合がある。加熱温度は、７０〜１００℃の範囲内であることが好ましい。加熱温度が７０℃未満である場合には、ＥＶＡ樹脂はほとんど変化しない、あるいは、分解に時間がかかる傾向にあるためであり、また、加熱温度が１００℃を超える場合には、ＥＶＡ樹脂が軟化し体積変化が生じ、太陽電池が割れる可能性が高くなるためである。なお、加熱時間は、特に制限されないが、ＥＶＡ樹脂が十分に分解される時間であればよく、用いられているＥＶＡ樹脂の厚みや架橋状態に依存する。

次に、太陽電池３を取り出し、アルカリ成分を洗浄除去する。アルカリ成分の洗浄除去には、たとえばメタノール、２−プロパノールなどを用いることができ、中でもアルカリの溶解度が大きいメタノールが好ましい。

さらに、太陽電池３の表面に残留しているＥＶＡ樹脂分解物１４を除去する。ＥＶＡ樹脂分解物１４の除去には、有機物の溶解性の高いテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）が用いられる。このＥＶＡ樹脂分解物１４の除去は、たとえば、図１（ｅ）に示す例のように、約５０℃に加熱したＴＨＦ１５中に太陽電池３を浸漬することによって行うことができる。

次いで、太陽電池３を取り出し、乾燥させる（図１（ｆ））。ここで、図３は、上述のように分離された太陽電池（結晶シリコン太陽電池）の典型的な一例を模式的に示す断面図である。図３に示す例の太陽電池は、たとえば、厚み約２００μｍのｐ型シリコン基板２１表面に、オキシ塩化リン（ＰＯＣｌ₃）などの不純物拡散源を用いて不純物拡散を行い形成したｎ⁺層２２、ｎ⁺層２２上に形成した窒化珪素などの反射防止膜２３、導電性ペーストであるＡｇペーストを印刷、焼成して形成した受光面電極２４、アルミニウムペーストを印刷して焼成して形成したｐ⁺層２５、裏面電極２６、導電性ペーストによる配線用裏面電極２７から構成される。上述のようにして本発明の太陽電池モジュールの解体方法によって分離された太陽電池の特性は、たとえばソーラーシミュレーターを用いて確認することができる。

以下、実施例および比較例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

＜実施例１＞
図１に示した順で、アルミ製フレーム、端子ボックス、裏面フィルムを除去した後の２００ｍｍ×３４０ｍｍ×３．２ｍｍのガラス、０．６ｍｍ厚のＥＶＡ樹脂、１５０ｍｍ×１５０ｍｍ×０．２ｍｍの多結晶シリコン太陽電池からなる２直列セルモジュールから、外径０．２５μｍのダイヤモンド砥粒付ピアノ線（ＰＷＳ、（株）アライドマテリアル製）を用いて、ガラスと、ＥＶＡ樹脂からなる充填材に覆われた太陽電池とを分離した（図１（ｂ）、（ｃ））。分離した充填材に覆われた太陽電池を、容器１２内に収容したアルコールとして２０重量％のメタノールおよび２５重量％のｎ−ブチルアルコールと、有機溶媒として５３重量％のＮ−メチル−２−ピロリドンとを含む混合物である有機溶剤に、アルカリとして２重量％の水酸化カリウムを溶解させた有機溶剤Ａに浸漬し、９０℃で３時間加熱した（図１（ｄ））。その後、太陽電池を取り出してメタノールでアルカリ成分
を洗浄除去した後、約５０℃に加熱したＴＨＦ中に浸漬し、ＥＶＡ樹脂分解物を除去し（図１（ｄ）、太陽電池を分離した（図１（ｅ））。

実施例１で用いた有機溶剤Ａによれば、アルカリを含んでいるが、ＥＶＡ樹脂との反応にアルカリがほとんど消費されることと、アルコール中ではアルカリの反応性が小さくなることから、太陽電池の電極、特にアルミニウムペーストを焼成して形成された裏面電極が大きく侵されることはなく、太陽電池特性に影響は見られなかった（ソーラーシミュレーターを用いて確認。）。ＥＶＡ樹脂を膨潤させることなく樹脂を分解するので、薄型結晶シリコン太陽電池を割ることなく取り出すことができた。

ここで、図４は、実施例１において有機溶剤Ａで処理したＥＶＡ樹脂の赤外吸収スペクトルを示すグラフであり、図５は、ＥＶＡ樹脂の赤外吸収スペクトルを示すグラフである。図４および図５において、ともに、縦軸は透過率（％）であり、横軸は波長（ｃｍ^-1）である。図４に示す実施例１において有機溶剤Ａで処理したＥＶＡ樹脂の赤外吸収スペクトルは、図５に示すＥＶＡ樹脂の赤外吸収スペクトルと異なり、３３９０ｃｍ^-1付近にＯＨ基の吸収ピークが見られ、アルカリによりＥＶＡ樹脂が分解されていることが分かる。

＜実施例２＞
アルコールとして３５重量％のメタノールと、有機溶媒として６２重量％の２−ピロリドンとを含む混合物である有機溶剤に、アルカリとして３重量％の水酸化カリウムを溶解させた有機溶剤Ｂを用いたこと以外は、実施例１と同様にして太陽電池モジュールの解体を行った。実施例１と同様に、分離された太陽電池の特性に影響は見られず、薄型結晶シリコン太陽電池を割ることなく取り出すことができた。

＜実施例３＞
アルコールとして４０重量％のｎ−ブチルアルコールと、有機溶媒として５９重量％のγ−ブチルラクトンとを含む混合物である有機溶剤に、アルカリとして１重量％の水酸化カリウムを溶解させた有機溶剤Ｃを用いたこと以外は、実施例１と同様にして太陽電池モジュールの解体を行った。実施例１と同様に、分離された太陽電池の特性に影響は見られず、薄型結晶シリコン太陽電池を割ることなく取り出すことができた。

＜比較例＞
アルコールとして２０重量％のメタノールおよび２５重量％のｎ−ブチルアルコールと、有機溶媒として５３重量％のトルエンとを含む混合物である有機溶剤に、アルカリとして２重量％の水酸化カリウムを溶解させた有機溶剤Ｄを用いたこと以外は、実施例１と同様にして太陽電池モジュールの解体を行ったところ、ＥＶＡ樹脂がかなり膨潤してしまい、アルカリによりＥＶＡ樹脂が分解する以前に太陽電池が割れてしまった。

今回開示された実施の形態および実施例は全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内で全ての変更が含まれることが意図される。

本発明の太陽電池モジュールの解体方法によれば、薄型結晶シリコン太陽電池を用いた太陽電池モジュールの各構成部材を分別及び回収することができ、リサイクルが可能となる。

本発明の太陽電池モジュールの解体方法を段階的に示す図である。本発明の太陽電池モジュールの解体方法に供される典型的な一例の結晶シリコン太陽電池モジュールを模式的に示す断面図である。結晶シリコン太陽電池の典型的な一例を模式的に示す断面図である。実施例１において有機溶剤Ａで処理したＥＶＡ樹脂の赤外吸収スペクトルを示すグラフである。ＥＶＡ樹脂の赤外吸収スペクトルを示すグラフである。

符号の説明

１ガラス、２充填材、３太陽電池、４リード線、５裏面フィルム、６アルミ製フレーム、７端子ボックス、８ワイヤーソー、１１有機溶剤、１２容器、１３台、１４ＥＶＡ樹脂分解物、１５ＴＨＦ、２１ｐ型シリコン基板、２２ｎ⁺層、２３反射防止膜、２４受光面電極、２５ｐ⁺層、２６裏面電極、２７配線用裏面電極。

Claims

太陽電池、充填材、ガラスから構成される太陽電池モジュールの解体方法であって、
太陽電池モジュールを、アルカリを溶解した有機溶剤に浸漬し、加熱する工程を含む、太陽電池モジュールの解体方法。
太陽電池、充填材、ガラスから構成される太陽電池モジュールの解体方法であって、
裏面フィルムを除去する工程と、
ガラスと、充填材に覆われた太陽電池とを分離する工程と、
分離された太陽電池を、アルカリを溶解した有機溶剤に浸漬し、加熱する工程とを含む、太陽電池モジュールの解体方法。
前記有機溶剤が、アルコールと、２−ピロリドン、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、γ−ブチルラクトンから選ばれる少なくともいずれかとを含む混合物である、請求項１または２に記載の太陽電池モジュールの解体方法。