transformaciÓn de residuos sÓlidos para la elaboraciÓn …
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TRANSFORMACIÓN DE
RESIDUOS SÓLIDOS PARA LA
ELABORACIÓN DE CELDAS
FOTOVOLTAICAS. Proyecto de grado
Jimena Carolina Diaz Briñez 2019
Asesores Juan Fernando Saldarriaga Elorza
Neelima Govind Kelkar
Universidad de los Andes Bogotá, Colombia
1
Tabla de contenido
Capítulo 1: Introducción .................................................................................................................2
Capítulo 2: Fabricación de paneles solares ....................................................................................3
2.1. Panel solar de sílice ...........................................................................................................3
2.2. Panel solar de CdTe, CIS o CIGS ...................................................................................5
2.3. Panel solar orgánico .........................................................................................................6
2.4. Panel solar Graetzel o DSSC ...........................................................................................6
Capítulo 3: Uso de residuos en fabricación de paneles solares .....................................................8
3.1. Panel solar de sílice ...........................................................................................................9
3.1.1. Residuos orgánicos ....................................................................................................9
3.1.2. Residuos inorgánicos ...............................................................................................12
3.2. Panel solar de CdTe, CIS o CIGS .................................................................................16
3.3. Panel solar Graetzel .......................................................................................................19
Capítulo 4: Por qué realizar el remplazo......................................................................................22
Capítulo 5: Ventajas y desventajas del proceso ...........................................................................24
5.1. Ventajas ...........................................................................................................................24
5.2. Desventajas .....................................................................................................................25
Capítulo 6: ¿Es posible escalar estos procesos? ...........................................................................27
6.1. Viable en escala grande ..................................................................................................27
6.2. Medianamente Viable ....................................................................................................28
6.3. Exitoso por lo técnico, pero no practico ........................................................................29
Capítulo 7: Conclusiones y perspectiva a futuro..........................................................................30
8. Referencias ..............................................................................................................................31
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Capítulo 1: Introducción
En la actualidad una de las industrias de mayor impacto a nivel ambiental es la industria energética,
de la cual solo un pequeño porcentaje (4%) se puede considerar como “renovable” o “alternativa”
debido a su baja accesibilidad dada por los costos o su factibilidad de ejecución [1]. Hace pocas
décadas se viene hablando de energías alternativas y de bajo impacto, entre ellas se encuentran la
solar, conversión de residuos a energía, eólica, entre otras. Con respecto a la solar, se tiene que los
paneles producen un alto impacto ambiental tanto en su fabricación como en su disposición final.
Dentro del marco de la ingeniería ambiental es de gran importancia la gestión de residuos en cuanto
a su disposición, ya sea de forma tradicional o por medio de la transformación de estos para su posible
empleo en diversas industrias. La energía solar fotovoltaica que puede verse apoyada a través de la
elaboración de paneles de silicio de primera generación o de la búsqueda de nuevos materiales para
la elaboración de celdas fotovoltaicas, como el uso de cadmio, indio, plata, cobre [2]. Así mismo, el
uso de compuestos orgánicos caracterizados con una alta absorción y una buena capacidad de
movimiento de cargas dentro del material [3].
Compuestos como el cadmio, indio, plata, cobre, entre otros, se encuentran presentes en una o más
industrias como refinerías, industria eléctrica y electrónica e incluso la agropecuaria [4], [5]. De las
cuales se generan residuos que son considerados peligrosos bien sea por cantidad composición o
riesgo a la salud y el ambiente que puedan generar por lo que necesitan una disposición especial de
acuerdo a la normativa. En la actualidad diferentes trabajos proponen formas no convencionales y
novedosas de reutilización de compuestos entre los cuales se encuentran tanto residuos que pueden
tener un tratamiento o uso, como aquellos que aún no presentan una forma de disposición adecuada
internacionalmente. Ayudando dar solución tanto al inicio como al final de su ciclo de vida a una
industria en desarrollo y de gran potencial como lo es la solar fotovoltaica [6].
El presente documento pretende ahondar en la literatura el avance que se tiene en la actualidad de la
elaboración de celdas fotovoltaicas a partir de materia residual orgánica e inorgánica [7], [8].
Entendiendo el funcionamiento y composición básica de los diferentes tipos de celdas fotovoltaicas,
al igual que las formas de uso y/o transformación de los residuos para la elaboración de estas o de sus
compuestos básicos [9]–[11]. Estudiando a su vez la factibilidad de elaborar celdas fotovoltaicas a
partir de residuos inorgánicos y orgánicos analizando el costo de conversión de residuos para la
elaboración de celdas [5], [12]–[15].
Así mismo, se espera revisar a fondo el proceso de fabricación y funcionamiento fisicoquímico de los
diferentes tipos de celdas fotovoltaicas [16]–[21]. Asociar los principales compuestos de elaboración
de paneles con residuos tanto orgánicos como inorgánicos que son potencialmente útiles en la
elaboración de estos. Estudiar diferentes formas o métodos de transformación para los compuestos
encontrados [22], esto a través del examinar las ventajas y desventajas de extracción y adecuación de
los residuos encontrados, entender la factibilidad de las metodologías encontradas a gran escala y su
posibilidad de ser empleada en el contexto actual [12], [23].
Finalmente, se espera encontrar uno o más compuestos capaces de remplazar los elementos básicos
usados en la elaboración de celdas fotovoltaicas a gran escala, ya sean en paneles de silicio, CIGS o
Graetzel. De modo que sea posible plantear una metodología de transformación de residuos para la
elaboración de celdas fotovoltaicas que sean de bajo costo y buena eficiencia para hacer este tipo de
energía más accesible socioeconómico y ambientalmente tanto para en actualidad como a futuro [15].
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Capítulo 2: Fabricación de paneles solares
Debido al desarrollo de la industria fotovoltaica en los últimos años, en la actualidad esta no solo se
reduce al clásico panel de sílice monocristalino normalmente conocido, si no que se ha ampliado tanto
a mecanismos de evolución sobre el mismo material base, es decir paneles de sílice policristalino que
presentan un diseño más eficiente que sus antecesores, como al desarrollo de otros materiales con
utilidad de potenciales semiconductores [2] o formas de funcionamiento, lo cual deriva en la
elaboración del panel según el tipo de celda a fabricar y los materiales a utilizar. Así mismo, estos
materiales presentan gracias a la divergencia en sus propiedades, estructuras y funcionamientos
alternos a los convencionales, la capacidad tanto de favorecer como de remplazar elementos
fotovoltaicos [20], [24], [25]. A continuación, se presenta algunos métodos de fabricación de paneles
solares de acuerdo a su estructura, material y funcionamiento:
2.1. Panel solar de sílice
Se caracterizan por ser reconocidos como el tipo de panel con mayor comercialización en la
actualidad representando alrededor del 90% del mercado fotovoltaico, debido a la gran abundancia
de la materia prima necesaria para su fabricación, su potencial como material adaptable al espectro
solar, además de su eficiencia de asociación a micro y nano materiales en la industria. Así mismo,
este se identifica como el tipo de panel con mayor eficiencia de conversión energética respecto a los
otros tipos de celdas paneles creados [2].
Estos, se dividen a partir de celdas silíceas diferentes, los cuales son de tipo monocristalino y
policristalino. La diferencia principal entre ambos paneles es el método de compactación (o de
elaboración del cuarzo) de sílice previo a que este sea laminado para la elaboración de la celda [26],
[27].
Para su fabricación, la sílice es calentada a temperaturas entre 1500 y 2000 °C para la realización de
silicio metalúrgico. Luego, con una pureza de alrededor del 99%, es necesario someter el material a
procesos adicionales de purificación antes de que este sea sometido a transformación de silicio solar,
donde se requieren impurezas de máximo 10 ppm [16]. Uno de estos métodos es llamado “Float-
zone” donde por medio de calor se desplazan las impurezas a un extremo de la barra de sílice para
luego cortarlo [28]. Así mismo, la sílice impura también puede someterse a un proceso reactivo con
ácido clorhídrico (HCl) a 300°C donde los productos de la reacción son removidos por medio de
destilación, para luego recuperar la sílice a través de una reacción térmica con el hidrogeno a 1100°C,
este método se le conoce como proceso siemens [16], [26].
Luego, se realiza el proceso de moldeado base para el corte de celda, donde existen dos métodos
principales de compactación. Primero, se encuentra sistema Czochralski comúnmente usado para
celdas monocristalinas, aunque puede ser aplicado a celdas policristalinas, en este método la sílice
fundida se adhiere a un núcleo o fragmento [26] del mismo compuesto o de boro, que gira lentamente
al mismo tiempo que extrae los átomos de silicio mientras estos se enfrían y solidifican en forma de
lingote [16], [26], [28] (ver Ilustración 1). Por otro lado, para la fabricación de celdas policristalinas
existen diversos métodos, uno de ellos (sistema de solidificación direccional) es realizar el mismo
fundido depositando la “semilla” en la parte inferior del molde, dejando que los átomos se agrupen
alrededor de esta en forma de columnas. Igualmente, existen procesos de formación a partir de
intercambio de calor o método electromagnético [26], [27].
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Ilustración 1. Lingotes de sílice [28].
Posteriormente, estos lingotes son cortados en placas con grosor de alrededor de 200 µm con
dimensiones entre 125 y 156 mm de lado. Luego, es limpiado y pulido para someter las placas a un
proceso de “p-doping” o dopaje que consiste en agregar impurezas de boro en caso de que estas no
hayan sido incluidas anteriormente, seguido de un proceso de texturización para reducir la reflexión
de la luz dada por la sílice que normalmente es hecha en forma piramidal (ver Ilustración 2), seguido
de un lavado ácido para remover cualquier impureza [27], [29].
Ilustración 2. Funcionamiento de grabado [29].
Después de esto, se realiza una difusión de átomos de fosforo a alta temperatura sobre la placa por
medio de un gas que se impregna al momento en que esta está caliente en caso de que estos no se
hayan agregado anteriormente como en el caso del predopaje con boro. Igualmente, el borde de la
oblea también es grabado con fosforo y sometido a otro lavado para eliminar tanto la ruta eléctrica de
la celda como impurezas respectivamente [27], [29].
Con el fin de reducir aún más la reflexión ocasionada por la sílice y aumentar la captación de luz se
aplica un revestimiento anti reflectante de materiales como SiO2, SiNx o TiO2, esto a través del
agregado de una capa a la placa por medio de deposición de vapores químicos, para luego por medio
de serigrafia extender una amalgama de plata y aluminio en la parte frontal de la celda y una pasta
similar para la parte posterior. Esto es sometido a horneado o calentamiento con el propósito de
compactar todo lo sobrepuesto sobre la placa para convertirla en célula [27], [29], [30].
Finalmente, las células armadas son encapsuladas en una capa de etileno vinil acetato (EVA) para el
ensamblaje, que viene acompañado de un laminado vidrio y el posterior montaje del marco para la
elaboración del panel [30] (Ver Ilustración 3).
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Ilustración 3. Elaboración de paneles de sílice [31].
2.2. Panel solar de CdTe, CIS o CIGS
Se caracterizan por ser celdas que requieren una menor cantidad de sílice que las celdas
convencionales absorbiendo cantidades similares de luz. Igualmente, usan elementos escasos, tóxicos
y limitados que poseen flexibilidad, eficiencia y una fácil instalación que los hace competitivos en el
mercado. Por otro lado, en cuanto a su fabricación, esta se caracteriza por ser muy similar a los
métodos de producción de monitores de televisores, teléfonos celulares, computadores [2], [32].
En cuanto a la fabricación del módulo tipo CIS, se fabrican de forma íntegra o monolítica y no a
través de varias celdas paralelas o en serie interconectadas. Inicialmente, se limpia un cristal ordinario
al cual se le agrega una capa de SiO2 para controlar la difusión de sodio mejorar la adherencia del
electrodo sobre un substrato de molibdeno. Luego, este se corta de forma que se crea un “camino”
del aislamiento en el electrodo [19]. Posteriormente, los compuestos CIS son depositados por
salpicado (sputter) sobre la placa en el orden de cobre, galio y luego indio, seguida de una
consolidación o apelmazado por calentamiento ácido para luego enfriarse a temperatura ambiente.
Luego, se deposita una pequeña capa de sulfuro de cadmio (CdS) por baño químico cómo
“almacenador inmediato” para finalmente agregar una capa por deposición de vapor de óxido de Zinc
(ZnO) como aislante o protector del sistema [19], [32].
Por otro lado, la fabricación de paneles CdTe se da principalmente en tres pasos: Condensación de
vapores, reducción de iones y reacción del precursor en superficie. Así mismo, cada uno de estos
pasos se realiza a través de diversos métodos lo que hace más sencilla la elaboración de la célula
fotovoltaica [19].
En cuanto a la condensación de vapores, estos están compuestos por Cd y Te2 siendo agregados por
varios posibles métodos: deposición física, sublimación o por deposición por trasporte. Dónde la
primera consiste en la adhesión de los compuestos a altas temperaturas siendo estos una mezcla
equilibrada molecularmente, el segundo consiste en adhesión por presión (aproximadamente 1 Torr)
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y el tercero en adhesión con altas temperaturas y baja presión. Luego, se realiza una reducción de
iones por medio de electrodeposición (reducción galvánica en un electrolito acuoso) para la
purificación del estado del material únicamente a CdTe [19]. Finalmente, se da la reacción al
precursor ya sea por medio de la deposición de químicos orgánicos sobre CdTe a baja temperaturas
o a través del cocido de una nueva capa [19].
Igualmente, la celda de tipo CIGS es fabricada de forma similar al método para la fabricación de
celdas CIS, con la diferencia de la composición base cambia con el agregado de galio [19], [32],
Finalmente, como en el caso de la celda de sílice, esta es cubierta por una capa EVA y una placa de
vidrio para la formación del panel (Ver Ilustración 4).
Ilustración 4. Vista lateral (izquierda) y por capas (derecha) de panel de placa fina [19].
2.3. Panel solar orgánico
Este se define principalmente por su alto potencial comercial dados sus costos de producción y que
la materia prima orgánica semiconductora es menos costosa. Específicamente, este se constituye de
un montaje de capas planas basado en una capa absorbente y dos electrodos, constituidos en conjunto
por plástico en su mayoría. Así mismo, esta tecnología se basa en la búsqueda de nuevos materiales
reajustables a las necesidades de la celda, aunque muchos de estos son bastante novedosos (como el
grafeno), y es difícil encontrar un proceso ajustado desde el uso de residuos que cumpla con las
necesidades de este tipo de panel [2].
Es importante resaltar que usualmente las películas orgánicas son preparadas por métodos tales como
centrifugación o Langmuir-Blodgett, los cuales al igual que con los paneles inorgánicos no sílicios
buscan depositar sobre una base o sustrato de vidrio o plástico el ánodo de la celda basado
normalmente en óxido de indio estaño (ITO). Posteriormente, con este previamente equipado, el
ánodo es limpiado completamente para evitar fallas de eficiencia sobre la célula. Luego, el disolvente
o cátodo compuesto de una aleación de varios elementos (metal Wood y/o Field) es fundido sobre los
90°C para luego verterlo sobre la película [33]. Consecuentemente, a diferencia de los módulos
inorgánicos no silíceos, estas células pueden ser conectadas en serie o en paralelo al momento de
formación del panel aumentando su voltaje o corriente.
2.4. Panel solar Graetzel o DSSC
Son consideradas celdas de cuarta generación o híbridas. Caracterizadas por ser a base de dióxido de
titanio (TiO2) y además poseer componentes tanto orgánicos como inorgánicos, ser flexibles,
extremadamente delgadas y en algunos casos transparentes [2]. Igualmente, son muy prometedoras
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debido a que permite el uso de materia prima impura y los procesos de formación son mucho más
sencillos, reduciendo costos de producción a pesar de presentar aun una muy baja eficiencia [2], [21].
Igualmente, este tipo de panel se caracteriza por poseer un proceso de construcción mucho más simple
al de sus antecesores (paneles de primera, segunda y tercera generación).
Para su fabricación, se preparan las placas de vidrio conductor por medio del agregado de una película
de estaño (SnO2), la cual es depositada luego de limpiar cualquier tipo de impureza en la superficie.
Así mismo, las placas junto a las películas son sometidas a un proceso de alta temperatura (mufla a
450°C) con el propósito fijar la capa conductora a la superficie [17].
Se prepara una capa o solución de óxido de titanio (TiO2) ya sea con ácido nítrico, ácido acético o
vinagre en su defecto, procurando que esta quede con la textura de una pasta lo suficientemente
diluida para ser absorbida por un gotero [14], [17], [18], [20], [21], [34]–[36]. Posteriormente, la
mezcla reposada se depositada sobre la parte conductora del vidrio con el mínimo grosor posible,
para luego afianzarlo por medio del calentamiento a 450°C como en el caso del estaño. Finalmente,
es agregado una capa de colorante (preferiblemente natural como el jugo de mora, uva, frambuesa,
remolacha, etc.), dejando que sea absorbida esta parte de la celda gotero [17], [18], [34], [35].
Por otro lado, la otra capa de vidrio conductor (equivalente al cátodo de la celda) es cubierta por una
capa de grafito o carbón, igualmente, se puede afianzar de forma opcional sometiendo la placa a altas
temperaturas durante unos segundos (aproximadamente 30) [17], [18], [34], [35].
Finalmente, el montaje de la celda consiste en juntar los dos electrodos asegurándose que la capa de
TiO2 y grafito se encuentren unidas. Igualmente, la celda es activada por medio del agregado de una
solución electrolito limpiando el exceso con etanol, con el propósito de mantener además la unión de
los electrodos, el buen funcionamiento de la celda. En cuanto a su efectividad, esta puede ser
comprobado por medio de la conexión a un multímetro [18], [34], [35].
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Capítulo 3: Uso de residuos en fabricación de paneles solares
Teniendo en cuenta la creciente demanda de la industria fotovoltaica, el ciclo de vida de los paneles
solares, costo de fabricación y el riesgo que implica su desecho y del aumento de regulación a nivel
internacional sobre su disposición. Es necesario buscar alternativas que reduzcan tanto el costo de
fabricación como su imparto al momento de disponer estos residuos [37].
Inicialmente, para la fabricación de cualquier tipo de panel, una de las bases en su elaboración es el
vidrio. Este, puede realizarse a partir de la sílice extraída de residuos como cáscara de arroz, hojas de
caña, paja, madera de eucalipto, bagazo, peciolo de palma, racimos palma, cáscara de coco, rastrojo
de maíz, yuca y madera de árbol de caucho (Ver Tabla 1). El cual, a través de un proceso a altas
temperaturas (entre 400°C y 1000°C), pueden convertirse en sílice útil para la elaboración de vidrio
e incluso tiene la opción de ser usado en la industria fotovoltaica dependiendo de su pureza [38].
Temperatura
(°C)
Cáscara
arroz
Hojas
caña
Paja Madera
eucalipto
Bagazo Peciolo
palma
Racimo
palma
Cáscara
coco
Rastrojo
maíz
Yuca Madera
caucho
400 85,0 68,0 69,9 2,1 47,3 65,7 46,8 12,1 34,6 1,4 10,9
600 85,9 69,7 71,6 1,5 49,7 67,7 47,7 9,3 34,1 0,9 8,0
800 90,4 65,6 81,2 1,7 53,1 60,3 44,4 12,9 33,6 5,3 7,7
1000 92,1 67,9 67,9 85,0 1,5 63,7 65,2 48,0 25,4 9,5 5,4 Tabla 1. Porcentaje de extracción de sílice de diversos compuestos.
Así mismo, con el fin de mejorar la eficiencia de cualquier tipo de panel, se presenta el uso de
materiales de cambio de fase (PCM) a partir de grasa de cerdo usada de forma natural como un sistema
de refrigeración pasivo que incluso puede ser útil en el almacenamiento de energía [39].
En la actualidad existen diversos métodos de procesamiento de paneles solares de desecho como son
la: reparación de componentes, separación de módulos y eliminación de silicio y otros elementos
metálicos raros entre los componentes. En cuanto a la primera, la reparación de componentes radica
en revisar los sistemas y prevenir la falla eléctrica de los grupos de tableros, sin incluir los otros
métodos de procesamiento. Asimismo, este método solo es aplicable si es la caja de conexiones
externa o la película de encapsulación de la capa externa la que envejece o falla. En caso de
envejecimiento de otros componentes se hace necesario un procesamiento adicional [40].
Para el segundo proceso se han planteado y además logrado esquemas de reciclaje para garantizar el
remplazo, eliminación de desechos y reprocesamiento de materiales utilizables, dado que los módulos
fotovoltaicos tienen muchas partes reciclables [37], como sílice (ya sea en forma pura o de oblea),
plata, cobre, aluminio, estaño, plomo, indio, telurio, cadmio, etc. [36], [40]–[43]. Esto con el
propósito de reducir costos en materia prima y producción en algunos casos (dependiendo del método
de recolección del residuo), a partir del reciclaje del panel o de su elaboración desde el mismo residuo.
Gracias a esto, se presentan diversos métodos de reciclaje de residuos orgánicos e inorgánicos para
la fabricación de celdas fotovoltaicas de todo tipo, o en su defecto para la extracción de la materia
prima necesaria en su elaboración [37]. Como, el retiro de marco de aluminio, cajas de conexión y a
veces la capa de vidrio, seguido de un triturado del panel completo y concluyendo con una separación
y clasificación de material por lixiviación y/o tamizaje para la recuperación de estos compuestos junto
con sílice y otros metales [37], [44]–[46], así como el tratamiento químico para la separación de
semiconductores en módulos CdTe o CIGS [15], [40].
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3.1. Panel solar de sílice
En cuanto a la aplicación de residuos en paneles de sílice hay diferentes formas de uso en su
fabricación, desde el reciclaje de módulos viejos para la recuperación de objetos como la oblea de
sílice o los compuestos primarios, hasta el uso de residuos orgánicos vegetales para la producción de
materia prima desde el compuesto de forma natural como oxido de sílice (SiO2), hasta el material
tratado en forma sílice [47] o nano-sílice [48] en estado normal [49] o de alta pureza [50], por medio
de diferentes métodos que han ido cambiando históricamente.
3.1.1. Residuos orgánicos
Por el lado de la aplicación de residuos orgánicos, se encuentra como primera instancia el uso de
cenizas de cáscara de arroz para la producción de sílice [47], [49], que desde 1982 se pensaba en la
posibilidad de uso de este material en la industria fotovoltaica.
Para este caso, la preparación del residuo consiste inicialmente en su conversión a ceniza por medio
del lavado y posterior quema hasta la obtención de una ceniza blanca (alrededor de un 15% del residuo
original), la cual fue lavada y secada a temperatura ambiente para su posterior conversión a sílice.
Esta, consistió en una lixiviación ácida, seguida con un lavado con agua, secado y mezclado con
óxido de magnesio para reducir la reacción térmica posterior (producto de un proceso de horneado
durante 1h), que deriva en la formación de la sílice amorfa, teniendo en cuenta una temperatura de
combustión de alrededor de 500°C [47].
Posteriormente, en el año 2000 se le agrego un proceso de hervido en solución básica, para luego
filtrarlo, secarlo y lavarlo nuevamente en ácido hasta la producción de un gel que por centrifugado,
lavado y secado (80°C por 8h) es convertido en sílice con un bajo índice de impurezas (0,1%) [49],
facilitando así su purificación para la formación de paneles. Por otro lado, el año siguiente es
analizada la posibilidad de conversión del residuo a películas de sílice por medio de la metodología
sol-gel o procesos de pulverización catódica [51], consiguiendo así la placa de sílice necesaria para
la elaboración del panel.
Años después, no solo se perfecciona el método de conversión clásico, además se agregan y estudian
nuevos métodos y materiales que pueden ser más económicos y/o eficientes dependiendo del sitio de
generación del residuo. Inicialmente, en 2010 y 2011 se prueban nuevos materiales para la producción
de sílice como cáscara de café o bagazo de caña, también se desarrollan nuevos métodos como lo es
el procesamiento biológico por medio de bacterias (eisenia foetca), junto con tratamiento térmico
(500°C a 700°C) y químico (agregado de ácido para eliminar impurezas) que deriva en la producción
de la materia prima como tal [11]. Así mismo, en el proceso básico descrito anteriormente se cambian
tiempos y temperaturas de secado (120°C por 24 h) variando el rendimiento (84.57%) y pureza
(99.6%) del residuo [52]. Por otra parte, se estudia el aumento del nivel de pureza en la sílice por
hidrólisis con polisacáridos y limpieza de impurezas con ácido caliente, hasta obtener una pureza del
99.77% producto de la temperatura más que de los procesos químicos [53].
Entre 2012 y 2014 se presentan una gran cantidad de estudios sobre el desarrollo de la cáscara de
arroz y se inicia el análisis de otros compuestos para la producción de sílice fotovoltaico, como pasto,
bambú, caña, entre otros [54], [55]. Esto, por medio de métodos térmicos y químicos en que se usa la
ceniza para elaboración de sílice con variaciones para mejorar la eficiencia de transformación y
aumentar la capacidad de reproducción a gran escala.
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Específicamente, se probaron cambios en la combustión como usar temperaturas de 600°C a 700°C
[54] a incluir cadenas de combustión en etapas como exposición de 1h a 250 y 325 °C seguido de 10h
a 575°C [56] o el uso de pirolisis [57]. En el proceso químico, al remover el magnesio [54], [56]
cambiar los ácidos y bases usados para el tratamiento químico [55], [58], [59], e incluso agregar sales
(Na2CO3) para la extracción de sílice por hervido y no horneado [57]. En cuanto al secado, hay
grandes variaciones entre procesos como la exposición o la reducción térmica con magnesio a
mayores o menores temperaturas (540°C [55] o de 600 a 1000 por aproximadamente 3h [50], [59]),
así como el uso de bases (NH4OH) para secado a temperatura ambiente por 3h [58], e incluso la
ejecución de varios secados en el proceso (de 15h y 24h a 120°C), entre el lavado básico y ácido [57].
Igualmente, se incluyó la producción de sílice a nivel nanométrico por medio de molienda y
caracterización del diámetro de partículas [50], disolución ácida y básica (HCl y H2SO4) con
precipitación y lavado con agua desionizada y secado a 50°C por 48h [58] y por la identificación y
selección de partículas a partir de difracción de rayos X [48]. Así mismo, se probó la sinterización de
nanopartículas de sílice a partir del proceso sol-gel, que consiste en agregar a la cáscara calcinada y
purificada con hidróxido de sodio, una solución de ácido sulfúrico, junto con otros químicos (CTAB=
bromuro de cetiltrimetilamonio) hasta tener una mezcla en forma de gel, la cual es dispersada en
butanol y sometida a repetidos lavados para que al calcinarla nuevamente (550°C por 4h) hasta la
obtención de nano sílice [60].
Entre 2015 y 2016, continua el estudio de extracción de sílice a partir de cáscara de arroz, agregando
procesos de centrifugado con ácido tetra fosfórico (H3PO4) [61] , estudiando el efecto de la lixiviación
con ácido en la producción de sílice de alta pureza, encontrando mayor efectividad en el ácido
sulfúrico (H2SO4 con una pureza del 99. 083%) [62] y descubriendo que, a menor temperatura en las
reacciones con agregado térmico, el proceso puede ser más demorado [63]. Por otro lado, en pro de
tener una mejor caracterización sobre los resultados de los métodos de conversión, la sílice tratada se
somete a procesos para identificar tanto el nivel de pureza como la composición de las impurezas.
Esto por medio de fluorescencia de rayos X [64], o difracción de luz sobre los compuestos [64], [65],
o por medio de estudios de TGA (Análisis termogravimétrico) [62], [66], encontrando elementos
como magnesio, azufre, aluminio, fosforo, potasio, manganeso, hierro, entre otros [62]. Los cuales
son reducidos a cantidades mínimas gracias a los procesos térmicos y de lavado o lixiviación ácida
[9].
Por otro lado, se integra el estudio de nuevos materiales como cáscara de yuca, bagazo de caña (en
vez de la caña en sí), cacahuate y hojas de bambú [67], [68]. En donde la cáscara de yuca pasa por un
proceso de lixiviación básica (con NaOH), filtración, sol-gel, centrifugación y secado [67]. Mientras
los demás compuestos se exponen a tratamiento térmico a 900°C por 7h, seguido de una lixiviación
alcalina, una básica (con silicato de sodio) y una ácida (con H2SO4), intervenidas con procesos de
secado a 100°C y 80°C por 24h, después del lavado básico y ácido respectivamente [68].
Entre 2017 a 2019, a pesar de continuar el estudio de la cáscara de arroz, donde se cambia el orden
del proceso seleccionando las partículas de tamaño nanométrico y luego extrayendo el material para
formar la placa base de la celda fotovoltaica [69]. También, se le da mayor importancia a la búsqueda
de otros residuos para la producción de sílice. En el que, se continúan investigando materiales como
cáscara de yuca [4], [70], [71], bagazo de caña [4], [10], [70] y bambú [10], y a su vez se integran los
residuos de maíz [4], [10], [70], paja de teff (cereal sin gluten) [72], hojas de plátano, colilla de
cigarrillo [10] y semillas de olivo [73]. Estas, usadas ya sea de forma convencional como ceniza [70],
[72], pulverizadas y expuestas a secado [4], [73] o incluso en forma de nanopartícula para la
extracción de sílice [70].
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En cuanto a los procesos de producción, estos también han sufrido variaciones según el material.
Como la simplificación del proceso por medio de una reducción térmica en presencia de carbón para
la recuperación de sílice metalúrgico, seguido de una purificación ya sea por ácido clorhídrico (HCl)
o por fusión para continuar directamente con el proceso de elaboración de la celda [70]. O la
exposición única a tratamiento térmico a aproximadamente 800°C para conocer la cantidad de
extraída únicamente por procesos térmicos [4], otros usan el método tradicional cambiando
principalmente los ácidos de reacción usados entre HCl y H2SO4 [72], [73], e incluso se reproduce el
proceso sol-gel visto anteriormente [10], [71].
Finalmente, en cuanto a la formación de la oblea, este al producirse mayoritariamente de forma pura
y no como oxido de sílice (SiO2) [9], [62], [68], [70], con un contenido de pureza mayor a 85% en
casi todos los casos [50], [55], [69], [74], solo es necesario someter el material a uno de los métodos
adicionales de purificación (en menor escala a lo original) para la producción de la placa [48], [49],
[53], [64], y en algunos casos ni siquiera este punto del proceso es necesario, pasando directamente a
la formación de la celda (Ver Diagrama 1).
Diagrama 1. Proceso usado para extraer sílice de ceniza de cáscara de arroz [49].
12
3.1.2. Residuos inorgánicos
En cuanto al uso de residuos inorgánicos, aquellos que presentan mayor potencial de uso son los
residuos de aparatos eléctricos y electrónicos (RAEE). Específicamente aquellos ya asociados a la
industria fotovoltaica, es decir los paneles como tal [75]. A continuación, se expone la recuperación
de material de acuerdo al orden más común de extracción por desmantelamiento. Es decir, aluminio,
vidrio, oblea de sílice o sílice en su defecto, seguido de plata, cobre, otros metales e incluso otros
compuestos que muchas no se incluyen en el reciclaje del panel como tal o no son prioridad en la
recuperación.
Inicialmente, la recuperación de materiales a partir de paneles fotovoltaicos se da con la extracción
de aluminio. Donde, a partir de los últimos años, se han buscado métodos para la recuperación de este
material. Esto procesos normalmente se dan en la primera etapa, es decir, el desmantelamiento [44],
en el cual ya sea por desmontaje o corte manual se retira la capa externa del aluminio [41], [76], [77].
Aunque también se han desarrollado procesos mecánicos para la remoción de este marco [46], [78],
[79].
Igualmente, el aluminio también se puede retirar simultáneamente con otros compuestos o de forma
más especializada por tratamiento químico, térmico u otros, ya sea en solitario o combinando
mecanismos [5], [6], [80]. Por ejemplo, se toma la celda solar rota o dañada y pasarla por un
tratamiento de rotura o pulverizado, seguido de un lixiviado HNO3, recuperando así el compuesto en
forma de hidróxido de aluminio (AlOH3), que puede ser sometido a un lavado con hidróxido de
potasio (KOH), seguido de calentamiento a 1200 ° C durante 3 h [6]. O puede someterse a un
tratamiento con ultrasonido a 75°C por 2h, finalizando con un proceso de calcinación para producir
nano cristales de aluminio [5], [40]. Por otro lado, también se puede hacer una separación a partir de
diferentes fases de tratamiento térmico [40], a temperaturas entre 200 y 500°C [80] o mediante
calentamiento gradual a 250°C [6], bajo una atmosfera oxidante que optimice el rendimiento de COx
producido [80].
En cuanto al vidrio este puede ser recuperado también en la etapa de desmantelamiento de forma
mecánica como por fresado [6], [79], por medio del uso de químicos como solventes o químicos de
tratamiento pesado [44]. Aunque es más común el quemado del encapsulante EVA [46], [81] ya sea
por medio de una rampa de calor (de 20 a 60°C con degradación del EVA a 350°C) [77], por
tratamiento térmico a temperaturas entre los 450 y los 600°C durante 1h en una atmósfera
mayoritariamente oxidante [79], descomposición pirolítica [82] o a través de diferentes fases de
tratamiento térmico como en el caso del aluminio [80], complementando en algunos casos con un
tamizado o separación manual [76], [77] separando así el vidrio de la celda.
Así mismo, se puede aplicar trituración por pulsos de alto voltaje para la extracción de vidrio con
tamaño entre 45-850 µm que, aunque contiene ciertas impurezas de sílice por el proceso, estas pueden
tratarse por medio de tratamiento químico con medio pesado y químico a partir de HNO3, HF y H3BO3
[41]. También, se puede realizar un triturado industrial al panel sin el marco de aluminio o en su
defecto se fragmento en pedazos de entre 8 y 12 cm, para luego exponerlo a fragmentación
electrohidráulica triturando tanto este como otros materiales simultáneamente. Finalizando con un
secado durante 24 h a 60°C en horno, separando el vidrio de otros mediante tamizaje [76].
En cuanto al sílice, este puede ser recuperado en forma de placa u oblea o en forma pura dependiendo
del proceso. Por el lado de la recuperación de obleas como tal, la investigación sobre el método se da
a partir de 2010, planteando la recuperación de la placa luego de la eliminación del encapsulante EVA
y los antirreflejantes por tratamiento térmico a partir de un tratado químico a base de grabado con
13
HF, HNO3 y agua, teniendo en cuenta no exponerla demasiado a los químicos para no perder la
resistencia mecánica [14]. Así mismo, en este mismo año se plantea un método de separación y
refinamiento, dónde se separa la celda del módulo ya sea química o térmicamente, para luego eliminar
ordenadamente los revestimientos, el antirreflejante y la unión n- p. Continuando con el proceso de
grabado ya mencionado, solo que con HNO3, KOH, y agua [36], [40], [82]. Para después someterlas
al método convencional de fabricación del panel visto en el capítulo anterior, logrando una cadena
circundante (Ver Diagrama 2) [14], [36].
Diagrama 2. Proceso de reciclaje de módulos fotovoltaicos a nivel general [36].
Seguidamente, el proceso de grabado se continuó analizando en años posteriores, encontrando que el
grabado a partir de HNO3, HF y KOH no era tan efectivo, por lo cual se desarrolló un grabado a partir
de ácido fosfórico (H3PO4) y una mezcla de HNO3 y HF. Este último, se realizó en dos etapas: El
segundo proceso de grabado (proceso de grabado # 2) también consistió en dos pasos: primero la
eliminación de nitruro de silicio (SiNx), el anti reflectante y el contacto posterior de Al con ácido
fosfórico al 90% (H3PO4) a 160 ° C durante 60 minutos, y segundo, la remoción de electrodos de
Ag, la capa emisora y la unión entre el dopaje positivo y el negativo de la celda (unión n – p) con una
solución de HF y HNO3 durante 60 s. Obteniendo así una placa de grosor de 173 µm, que es suficiente
para emplear los procesos actuales de producción de células solares para estas obleas [83].
De forma similar, se puede modificar el grabado inicial al realizar una disolución de aluminio y plata
por efecto del ácido nítrico (60% a T ambiente durante 5 min) y por hidróxido de potasio (45% a80°C
por 8 min), luego quitar la capa anti reflectante por un lixiviado con ácido fosfórico y removiendo la
pasta de grabado por medio de tratamiento térmico [20]. O al ejecutar un proceso de grabado químico
en un solo paso, eliminando los electrodos frontal y posterior, donde las células solares se
sumergieron en una mezcla de 20% en peso de HNO3 y 20% en peso de HF durante seis minutos a
temperatura ambiente, seguido de un lavado con agua desionizada. Recuperando la placa de sílice
para armar otro modulo a partir del texturizado de la placa [21]. E incluso agregar pretratamientos
simples (agrietamiento del vidrio, diseño EVA o ambos) que brindan condiciones de rotura que
facilitan la recuperación de la placa [84].
En contraste, también se pueden ejecutar procesos térmicos al eliminar mecánicamente el
revestimiento anti reflectante, la capa del emisor y la unión n – p simultáneamente y finalmente se
elimina el electrodo de aluminio con hidróxido de potasio (KOH). En cuanto a tratamientos térmicos
para la eliminación de la capa EVA, se evita el daño a los módulos fotovoltaicos con una máxima
eficiencia de recuperación a una temperatura de alrededor 480°C a una velocidad de 15°C por min
14
[6], [42] con un tratado previo a 150°C durante 12 min y la implementación de ranuras que dejen
escapar los gases al momento de calentar el panel, removiendo las impurezas por grabado químico,
consiguiendo así una oblea con un grosor de 180 µm, que es reutilizada por medio del método normal
de fabricación [42].
Igualmente, pueden utilizarse tratamientos térmicos y químicos combinados donde primero hay un
calentamiento en un lecho de SiO2, para en segundo lugar usar una solución de HNO3 a 40°C seguido
de KOH a 80°C para eliminar aluminio, plata, el antirreflejante y el dopaje de la placa. Luego, las
placas son lavadas en preparación a ser una nueva celda fotovoltaica [82].
Por otro lado, la sílice como tal puede ser recuperada mediante procesos químicos, térmicos o, la
mezcla de ambos [81], [85] o el uso de métodos alternativos como la fragmentación electrohidráulica
[76]. Inicialmente, se dio la mezcla de ambos procesos por medio de los cuales después del
desmantelamiento, el módulo se sumerge en un solvente orgánico para remover el vidrio y
posteriormente se le realiza un tratamiento térmico a 600°C por una hora para recuperar la celda
fotovoltaica, la cual es sometida a un lixiviado químico por 20 min con adición de surfactante para
recuperar la sílice de forma pura [86]. También se desarrolló el proceso contrario, donde primero se
hizo el desmontaje y separación de compuestos de la celda por medio de tratamiento térmico, para
luego obtener la sílice como tal a través de tratamiento químico [81]. Así mismo, en años posteriores
se ejecutaron métodos de lixiviación ácido-base seguidos de procesos pirometalúrgicos a 1520°C para
eliminar metales residuales logrando una pureza silícea de 99.998% [87].
Aun así, también se han usado estos métodos por separado. El tratamiento térmico, normalmente se
remueve la parte posterior o Tedlar [79], [80], [82], para luego separar los materiales por medio de
horneado (entre 450 y 600°C) durante 1h [79], o a partir de varias fases de tratamiento térmico a
temperaturas entre 200 y 500°C, esto tiende a ser realizado bajo una atmósfera oxidante [77], [80].
Igualmente, a estos procesos se pueden combinar con procesos mecánicos, como un fresado previo
[79] o un tamizado posterior a la combustión [77]. Esto con el propósito de tener una mejor extracción
de sílice.
En cuanto a los tratamientos químicos, se recomienda realizar un triturado previo [5], [23], para luego
realizar ya sea una lixiviación o una disolución en ácido-base [87], luego se separan los fragmentos
sólidos y con un agente precipitante se permite la recuperación tanto de metales como de no metales.
Por lo cual, los fragmentos se llevan a un contenedor con ácido para la separación de metales de
compuestos no metálicos, ya sea por filtración (si estos se encuentran dispersos en la solución), o
tamizaje (si el material extraído tiene una diferencia significativa de tamaño con otros compuestos)
[23].
Igualmente, la recuperación de sílice también puede darse por un tratamiento con ultrasonido a 75°C
por 2h, posterior a un pulverizado y lixiviado en HNO3, finalizando con otro lixiviado para extraer
micropartículas de sílice [5]. O por fragmentación electrohidráulica, triturando tanto este como otros
materiales simultáneamente, sometiéndolos a un secado durante 24 h a 60°C en horno y separando el
material de otros mediante tamizaje [76]. También, hay recuperación a través de una solución de
grabado (HF y NaOH) para eliminar impurezas y dejar la sílice de grado solar [46] (Ver Diagrama
3).
La recolección de sílice puede hacerse no solo por medio de un panel reciclado, sino también por
medio de los residuos del proceso de fabricación del panel. Como por ejemplo el material de
suspensión (en forma de lodo) producido a partir del corte de placas u obleas fotovoltaicas, el cual
tiene varias impurezas que son extraídas por medio de varios procesos de centrifugado con agregados
15
químicos (Acetona, HNO3, HF, Fluido pesado) extrayendo la sílice del lodo como tal (equivalente a
un 37%). Para luego someterlo a un tratamiento térmico, seguido de un lavado y un lixiviado ácido,
usando la sílice recuperada desde el proceso de armado de lingote para la formación de placas [85].
Asimismo, puede haber recuperación por medio del llamado Si Kerf, que es el residuo pulverizado
del corte de sílice, produciendo una pérdida de aproximadamente el 40% de la materia prima de Si,
recuperándolo por medio de aleación mecánica o sinterización de plasma por chispa [13]. E incluso
pueden ser utilizados residuos de construcción, tratados por el método sol-gel para la potencial
producción de material con absorción de luminiscencia, indicando un potencial para el desarrollo
fotovoltaico [88].
Diagrama 3. Descomposición de módulos solares de sílice y recuperación de diversos materiales [46].
Por otra parte, la recuperación de plata se da principalmente por medio de tratamiento químico, en
que módulos molidos y tamizados son sometidos a una lixiviación en ácido nítrico al 64% con cloruro
de sodio al 99%, concentrando hasta el 94% de la plata presente en el módulo fotovoltaico [75].
Igualmente, la plata del panel puede ser extraída mediante un grabado ácido a parte de HNO3 y
NaOH, donde el primero demostró ser más eficiente, sin necesidad de grandes procesos térmicos para
acelerar el proceso, ya que este puede hacerse casi a temperatura ambiente (30°C) [45].
También, la plata puede ser recuperada mediante lixiviación. Donde primero se añade una solución
de HCl a una solución de lixiviación de HNO3 con plata para precipitar y filtrar AgCl. Segundo, se
transfiere el precipitado a una solución de hidróxido de sodio (NaOH) a temperatura ambiente para
obtener óxido de plata (Ag2O). Tercero, usando una solución de hidrato de hidracina (N2H4 · H2O)
en agua destilada y etanol se reduce el Ag2O, consiguiendo un polvo que es transferido a un vaso de
teflón. Al cual se le añade ácido nítrico y luego se calienta para eliminar el óxido nítrico. Él resultante
se diluye con agua y por último el polvo de Ag se funde a 1100 ° C durante 2 h para obtención del
metal. Considerando aumentar su pureza por refinamiento electrolítico [6].
Similarmente, la recuperación de plata se puede dar por un tratamiento con ultrasonido a 75°C por
2h, finalizando con una precipitación ácida a partir de HCl para producir un reactivo de plata [5]. O
por tamizado luego del uso de pulsos de alto voltaje, purificando este material con tratamiento
químico a partir de HNO3, HF, and H3BO3 [41]. Inclusive, por fragmentación electrohidráulica
triturando tanto este como otros materiales simultáneamente, sometiéndolos a un secado durante 24h
a 60°C en horno, separando el material de otros mediante tamizaje [76].
16
En cuanto al cobre, este es recuperado mediante procesos de recuperación vistos anteriormente para
la sílice y la plata. Como el uso de tratamiento térmico [81], ya sea por fases entre 200 y 500°C bajo
una atmosfera oxidante [80], rampas de calor desde los 20 hasta los 600°C con tamizado y separación
manual [77], fragmentación electrohidráulica [76], por pulsos de alto voltaje, purificando a partir de
HNO3, HF, and H3BO3 [41].
También hay recuperación química [81] por medio de un proceso de lixiviación (HNO3) con
recuperación por medio de deposición [46], o por medio de un proceso en que inicialmente se utiliza
2-hidroxi-5-nonilacetofenona oxima para extraer Cu de una solución de lixiviación compuesta de
HNO3. Luego se agrega una concentración de H2SO4 para eliminar el Cu, moviéndolo a la solución
de H2SO4 formando CuSO4, finalmente se aplica un método de extracción electrónica de 24 h para
recuperar el metal de Cu, utilizando 200 L de solución de H2SO4 a 50 ° C [6].
Igualmente, otros metales como el selenio y el plomo son recuperados en medio de los procesos,
como el tratamiento térmico en atmosfera oxidante [79], [80], rampas de calor [77], trituración por
pulsos de alto voltaje [41] , fragmentación electrohidráulica [76], lixiviación con deposición o
precipitación [23], [46]. Incluso, es posible extraer material por medio pesado (con agua, cloruro de
sodio y politungstano de sodio) o disolución por medio de solventes orgánicos [40], [44].
Específicamente, se observan métodos de recuperación de Pb basado en agregar una solución de
NaOH a una solución de lixiviación con Pb2 a temperatura ambiente, formando un precipitado de
hidróxido de plomo II (Pb (OH) 2), que se separó por filtración. Luego, se calienta el compuesto a
500 °C durante 1 h para obtener óxido de plomo (PbO). Al cual se le agrega solución de sulfuro de
sodio (Na2S) para precipitar el Pb restante en la solución, removiéndolo por filtración [6].
Finalmente, también puede haber recuperación de otros compuestos como la capa de fluoruro de
polivinilo por medio de separación de medio pesado o de solventes orgánicos [44], la capa polimerica
trasera (Tedlar) en el desmontaje por fresado mecánico [79] o por tratamiento térmico [80]. O la
recuperación de la caja de conexiones de forma mecánica [46], [78].
3.2. Panel solar de CdTe, CIS o CIGS
Para el caso de la aplicabilidad de residuos para celdas de película delgada no silíceas no se presentan
residuos orgánicos a partir de los cuales realizar los paneles, dado que este se compone principalmente
de compuestos raros y en algunos casos riesgosos para la salud [75]. Por tanto, el mismo panel es el
mayor recurso residual para la extracción de material base, el cual puede o no ser útil tanto para
paneles de película delgada como para celdas silíceas debido a la similitud de algunos de los
compuestos extraídos del proceso de reciclaje [8], [81], [82], [87], [89] tal como se muestra a
continuación.
Inicialmente, teniendo en cuenta que la investigación sobre este tipo de panel es en teoría novedosa,
también lo son los estudios sobre el reciclaje de este tipo de celda. Por lo tanto, a partir de 2010 se
han desarrollado procesos térmicos [8], [15], [43], [82], químicos [8], [15], [40], [89], físicos [15],
[40], [43] e incluso biológicos [89] para la recuperación de material. Específicamente, se ha estudiado
la recuperación de materiales como indio y telurio a partir del procesamiento mecánicos (húmedos)
y térmico [43]. Esencialmente un enfoque hidrometalúrgico que consiste principalmente en tratar el
producto de flotación en un medio oxidante ácido para liberar Cd y Te de la matriz sólida [43].
17
Donde se busca la reutilización del semiconductor reciclado a través de un desmontaje térmico (de
hasta 800°C con destrucción del EVA a los 470°C) o mecánico (por fresado o aplastamiento), seguido
de una remoción de la capa semiconductora por chorro al vacío, el cual funciona a través del desgaste
del ensamblaje entre las partes. Luego se sometió a un proceso de flotación en que los productos se
purificaron mediante diversos métodos (sublimación de espacio cercano, deposición de transporte de
vapor, deposición de vapor física y química, deposición de sputter, deposición de impresión de
pantalla, electrodeposición, etc) a grado de producción de nuevo módulos de película delgada [40],
[43] (Ver Diagrama 4).
Diagrama 4. Estrategias de reciclaje para módulos de placa fina [43].
Se han desarrollado varios estudios en simultaneo por parte de varias entidades como Saperatec,
Sunicon, Lobbe, Loser Chemie, para la recuperación de material a partir de módulos CIGS, CIS, o
CdTe por medió de procesos fisicoquímicos [40], hidrometalúrgicos, pirometalurgicos, etc. para la
recuperación de materiales de película delgada sin silicona a partir de residuos fotovoltaicos desde la
remoción de la capa EVA hasta la recuperación y purificación de materiales [15].
Inicialmente, en cuanto a la remoción de encapsulante se dan procesos como el de la empresa alemana
Saperatec, la cual utiliza una microemulsión con tensoactivos para eliminar los recubrimientos
semiconductores del vidrio por la disminución en la tensión interfacial de materiales distintos,
separando compuestos físicamente. Después, se calentó el módulo hasta 250°C para poder empujar
la capa EVA lejos del vidrio de la cubierta. Luego, se sumergió en ácido acético durante 24 horas a
temperatura ambiente dando como resultado un EVA hinchado, permitiendo la remoción de la capa
de ventana basada en ZnO y las capas de tampón con ácido acético manteniendo la capa de absorción
de CIGS sobre el vidrio [15], [40].
También es posible descomponer pirolíticamente los componentes orgánicos de 300 a 600°C,
calentando los módulos aplastados o intactos. Como en el caso de Sunicon quien pirolizó los
18
polímeros para una fácil remoción de la cubierta de vidrio y las células solares cristalinas. Lobbe por
su parte fragilizó los componentes orgánicos de los módulos aplastados a menos 196°C utilizando
nitrógeno para romper el laminado. Transfiriendo la fibra de vidrio y la placa de laminación a un
lavado ácido para solubilizar los metales [15].
Otro enfoque es disolver el EVA [40], como el Instituto Fraunhofer para Ingeniería de Procesos y
Empaques IVV a través del desarrollo de un proceso solvente para disolver termoplásticos y los
separó de polímeros insolubles y no polímeros como polvo, metales y astillas de vidrio mediante
tamizado. Igualmente, para facilitar el proceso, los módulos se trituran y se muelen en pequeñas
partículas. Sin embargo, no es posible liberar completamente la capa semiconductora del sustrato de
vidrio. Por lo tanto, se agregan otros procesos de separación [15].
En un segundo paso, se pueden separar materiales valiosos a través de un separador de aire y un
separador de ciclón, logrando mayores concentraciones y tasas de recuperación mediante la
separación mecánico-neumática de varios pasos. La fluidización es otro enfoque aún no probado, que
se considera factible para la separación de metales. También se puede usar flotación enriqueciendo el
telurio y el indio [15].
También hay un método mecánico seco para remover la capa absorbente de CIGS raspando el
absorbente mecánicamente usando una cuchilla de metal y recogiéndolo con un removedor de polvo
al vacío. grabado seco para reciclar la chatarra fotovoltaica. A través de la exposición a una atmósfera
de gas que contiene cloro y, preferiblemente, también a nitrógeno a una temperatura de más de 400°C.
Produciendo CdCl2 y TeCl4 gaseosos que se condensan (por separado) con trampas de enfriamiento,
luego se refinan ara la extracción de semiconductores [15].
Por otro lado, se presentan procesos en que el CdTe se oxida por deslaminación térmica en una
atmósfera inerte y luego se elimina, o puede ser triturado para luego pasar por una lixiviación (con
ácido nítrico, peróxido de hidrogeno, ácido clohidrico o ácido sulfúrico) [15], [40], en que los metales
se solubilizan y por medio de pasos adicionales vuelven a su estado sólido. En el caso de los módulos
CdTe, el lixiviado producido tiene altas concentraciones de metales de película delgada. Por lo cual,
se puede extraer durante la desmetalización, mientras que el cadmio se encuentra en el filtrado. Por
otro lado, en el proceso de la Escuela de Minas de Colorado, el CdTeO3 se somete a hidróxido de
sodio para disolver selectivamente Te, los sólidos se pueden remover mecánica o gravitacionalmente,
por procesos como cribado, raspado, decantación, sedimentación, filtración, flotación, fluidización,
entre otros [15].
Aun así, es importante tener en cuenta que se requiere hasta un 99,999% de pureza de los metales y
semiconductores. Por lo cual, se requieren procesos adicionales de precipitación, extracción liquida,
electro-ganador, intercambio iónico y oxidación / reducción para la purificación [40]. Como la
neutralización del lixiviado ácido nítrico con una base con para la precipitación de materiales.
¨Precipitado que se lleva al horno a temperaturas entre 400°C y 450°C para convertir Cd y Te en
óxidos metálicos, que pueden ser filtrados y convertidos en metales mediante medios reductores. Por
otro lado, la Escuela de Minas de Colorado aplica una separación solido-líquida para eliminar la
solución rica en Te del residuo sólido, recuperándolo por extracción electrolítica de la solución de
lixiviación. Igualmente, hay métodos de intercambio iónico para separar Cd de Te en medios de ácido
sulfúrico. Conservando el Cd en la resina de intercambio catiónico, mientras que Te permanece en la
solución, recuperando el Cd por electro-ganador mientras él Te se extrae por precipitado [15].
En cuanto celdas CIS y CIGS el indio fue recuperado mediante la eliminación con ácido clorhídrico,
donde este se precipitó químicamente y se separó por filtración. Por su parte el selenio se extrajo por
19
reducción y precipitación con Na2SO3. El galio se eliminó agregando hidróxido de sodio y dada su
escasa pureza, esta puede aumentar mediante procesos electrolíticos, cristalización o fusión de zonas.
En cuanto al cobre, este se puede separar por oxidación y destilación. La evaporación del licor restante
produce una mezcla de ZnO e InO [15].
Seguidamente, desde 2016 hasta la actualidad se han estudiado nuevas alternativas de tratamiento y
reciclaje. Como un tratamiento físico (triple trituración), con un tratamiento térmico y/o químico
adicional dependiendo de la fracción o tamaño de grano de la fracturación. Encontrando la mayor
cantidad de metales preciosos y peligrosos (Ag, Ti, Te, Cu y Cd) en la fracción fina, separándolos
parcialmente por medio de tamizaje, para tratarlo térmicamente hasta alcanzar los 650 C,
manteniendo esta temperatura durante 1 h. Después del tratamiento térmico, las muestras se enfriaron,
se tamizaron. Fraccionado por tamaño y separación química de compuestos, aunque también se puede
recuperar material (Al, Cu y Ag) directamente después del tratamiento térmico [8], [40].
Asimismo, se investigó la recuperación de metales a partir de células solares utilizando el
microorganismo Thiobacillus ferrooxidans, por medio de boilixificación con su sobrenadante a partir
de polvo de células solares. Variando de eficiencia según la temperatura, velocidad de agitación y la
cantidad de microorganismos en el proceso de tratamiento. En este proceso, los paneles trituraron y
tamizaron para obtener un polvo fino. Se agregaron 10 ml de agua regia (o Aqua regia) a 1 g de polvo
de células solares y luego se agitó durante la noche a 150 rpm. Posteriormente, los contenidos se
calentaron a 50°C durante 1 h. Después, se lixiviaron y filtraron para luego por medio de un
sobrenadante previamente preparado (con FeSO4 el crecimiento y un inoculo de 10% v/v después de
diez días de incubación a 30°C de temperatura y 150 rpm de velocidad de agitación) estudiar la
recuperación de metales [89].
Finalmente, también es importante recalcar que, así como existen procesos de tratado que sirven tanto
para paneles de película delgada como para celdas silíceas. Se presenta la posibilidad de usar los
materiales extraídos de los paneles de sílice en celdas de película delgada para la elaboración de
paneles de sílice debido a la similitud de materiales en común entre tipos de módulos (Ver Tabla 2).
Componente Módulo de sílice Módulo CIGS Módulo CdTe Tasa de
recuperación (% peso) (% peso) (% peso)
Vidrio 71 88 96 0.9
Sílice 4 0 0 0.9
Aluminio 13 7 0 0.9
EVA 9 4 3 0
Cobre 0.1 0.1 0.02 0.95
Plata 0.1 0 0 0.95
Indio 0 0.28 0 0.85
Galio 0 0.1 0 0.85
Selenio 0 0.52 0 0.85
Nikel 0 0 0.1 0.85
Zinc 0 0 0.1 0.85
Tin 0 0 0.1 0.85
CdTe 0 0 0.12 0.85 Tabla 2. Porcentaje en peso de los materiales de cada tipo de modulo y su respectiva tasa de recuperación [82].
3.3. Panel solar Graetzel
20
Por parte de los paneles solares sensibilizados con colorante, se presenta el remplazo de partes como
el óxido de titanio y los electrolitos por medio de residuos orgánicos [24], [90]–[93], así como
materiales que aumenten la eficiencia de funcionamiento de este tipo de panel en contraste con el uso
de platino [25], [94].
Inicialmente, en cuanto a utilidad se da que, al igual que con los paneles de sílice clásicos, la cáscara
e incluso el arroz de desecho como tal presentan grandes capacidades de aplicabilidad en este tipo de
panel [74], [90], [91], [94], [95]. Por un lado, se presenta la elaboración de un electrolito con base al
almidón del arroz, por medio del aislamiento de este, mediante la eliminación de proteínas por un
método alcalino. Donde los granos residuales son pulverizados y sumergidos en una solución de
hidróxido de sodio al 0,2% durante 24 horas a temperatura ambiente. Luego, el sobrenadante se diluyó
con hidróxido de sodio de tal manera que este estuviera aclarado. Posteriormente, se sometió a una
suspensión en agua destilada, a un filtrado y varios lavados hasta neutralizar su pH. Para finalmente
recuperarlo por centrifugación y secarlo a 40°C. En cuanto a la generación del electrolito, se mezcló
el almidón gelatinizado en agua destilada con yoduro de litio, yodo y agua [90].
También, se demuestra que su estructura porosa jerárquica ayuda como contraelectrodo [94], [95].
Por lo cual se prepara carbono poroso mediante pirólisis y activación química lavando (con agua
destilada) y secando (a 100ºC por 24 h) la cáscara. Luego, se carboniza (500ºC por 3h en atmósfera
de nitrógeno), se tritura y se agregan químicos como HF y KOH para activar el contraelectrodo como
masa fangosa, e igual se calienta en una atmosfera nitrogenada (800°C por 2h) con lavado y secado
después de la adición de cada químico [94]. Posteriormente, se lava con agua destilada hasta
neutralizar el pH y se seca a 100ºC. Finalmente, esta se muele con n-butanol y 0,2 ml de titanato de
tetrabutilo para obtener la pasta de carbono que es agregada al vidrio conductor como se ha visto
anteriormente [74], [94].
Igualmente, la TiO2 e ZnO se pueden sintetizar mediante electrospinning coaxial (técnica para
fabricación de fibras) y calcinación a partir de la cáscara de grano de arroz. Esto, disolviendo acetato
de polivinilo (0,61 g) en N, N dimetilacetamida (5 ml) y agregando ácido acético (1 ml) e
isopropóxido (0,5 ml) para formar la solución precursora de TiO2. Por otro lado, se realiza un proceso
similar cambiando el solvente (N, N-dimetilformamida) y agregando otro soluto (acetato de zinc) en
diferentes proporcionas para obtener la solución precursora de ZnO. Ambas soluciones fueron
electrospuncionadas mediante electrospinning coaxial. Posteriormente, se calcinaron en un horno de
mufla (500ºC por 1h) para finalmente montar el ánodo por medio del proceso ya mencionado
anteriormente [91].
Por otro lado, residuos como maderas (ramas sin cáscara) y hojas de naranja, palma, pino, etc., papeles
de uso diario como de filtro y tejido facial [7], café [92], cáscara de mangostán [93] e incluso la
perovskita [25] pueden usarse en la elaboración contraelectrodos en celdas tipo Graetzel. Ya sea
pirolizando los residuos (como maderas, hojas y papeles) a 800°C por 1h, lavando y secando (a
120°C) previamente maderas y hojas para eliminar contaminantes y moliendo el extracto de pirólisis
para la preparación del contraelectrodo (también por mezcla con otros químicos) en forma de mezcla
para obtener el foto-ánodo de la celda [7].
Mientras, las cáscaras de mangostán o los residuos de café pueden carbonizarse (entre 600 y 900°C
por 2 h ) en una atmósfera de argón [93] o aire [92] dependiendo del residuo. Luego se corta y une al
vidrio secándose (80°C por 6 h) y acoplandose utilizando una película sensibilizadora de tinte de
mangostán revestida con TiO2 como electrodo de y Pt como contraelectrodo [93]. O sintetizándose
con ZnCl2 y HCl, lavando con agua y secando en un horno a 60°C, preparando la tinta de catalizador
21
mediante dispersión en etanol y solución en ionómero Nafion y sometiendo la solución a ultrasonido.
Igualmente, el contraelectrodo es agregado de forma convencional sobre el vidrio conductor [92],
[93].
Asimismo, la cáscara de mangostán se puede usar como fotosensibilizador al moler y secar las
cáscaras, empaparlas en acetona y filtrarlas, eliminando así residuos sólidos de las mismas para
conseguir el colorante que se puede aplicar rápidamente como foto-sensibilizante o reservarse a abaja
temperatura sin exposición a la luz directa [93]. Igualmente es posible usar residuos de fruta como
fotosensibilizador de este tipo de celda [17], [18], [34], [35].
En cuanto a mejorar la eficiencia de la celda, puede mejorar al realizar primero una síntesis de
perovskita para verificar las propiedades fotovoltaicas y sintetizar CH, NH y PbI de esta, luego se
lleva a cabo la extracción de biomoléculas, ya sea por uso de agua, solventes orgánicos, asistencia de
microondas, agua sub-crítica, ultrasonido, entre otros. Ejemplificando la síntesis de perovskita, se usa
la extracción de agua de modo que se agregó el té al agua (1h a 25°C) y luego la mezcla se expuso al
calor (1h a 75°C). Posteriormente, la mezcla se filtra y proceder al armado de la célula, donde al
proceso convencional se le perovskita por centrifugación (2500 rpm por 30 segundos) después de
agregado el óxido de titanio fijándola térmicamente para finalmente agregar una capa de biomolécula
y de la misma forma [25] (Ver Ilustración 5).
Ilustración 5. Estructura de módulo tipo Graetzel con perovskita (a) o perovskita y biomoléculas (b) [25].
Finalmente, también se puede extraer TiO2 a partir del material de desecho de la industria de papel se
recolectó en forma de pulpa húmeda de procesos de fabricación de papel blanco o de poca mancha.
Este se pasó por un proceso de molienda para obtener polvo blanquecino o grisáceo después de un
calcinado a 450°C por 2h. Estas cenizas, se agregaron a la mezcla original de óxido de titanio en una
proporción de 0,415 g por cada ml de mezcla moliendo durante 1h. La pasta obtenida se extendió
sobre el vidrio conductor y se adhirió por calentamiento, siguiendo el método de elaboración de la
celda ya descrito anteriormente [24].
22
Capítulo 4: Por qué realizar el remplazo
A partir de los procesos y residuos se pueden establecer varias razones para buscar el remplazo de
materiales vírgenes por material o insumos reciclados. En primer lugar, debido al aumento tanto en
investigación como en producción de energía fotovoltaica [4], [13]. Rectificado ya que, desde el año
2000 el mercado de producción en cuanto a obleas de sílice ha aumentado hasta en un 2550% cada
año, donde alrededor del 31% de este aumento equivale a la generación de obleas de Si [13]. Y con
esto también la investigación de residuos orgánicos en la generación de fotovoltaica dado su potencial
[4].
Consecuentemente, gran cantidad del material utilizado para la elaboración de celdas es desperdiciado
[13], [85]. Como es el caso de la cáscara de arroz, desechos de yuca, maíz, entre otros o incluso el
Kerf o residuo de corte de placas fotovoltaicas, produciendo pérdidas de aproximadamente el 40%
del Si purificado, generando para el 2019 más de 100.000 toneladas de este residuo al año [13]. O
células rotas, dañadas y/o descartadas durante proceso de manufactura [5], que no llegan a abandonar
la fábrica precisamente por su mal estado [12].
Haciendo necesarios procesos como la recuperación de Si-Kerf por métodos de separación [85], la
reutilización de obleas [82], o la implementación de cáscara de arroz en forma de nano-sílice
cristalino utilizado como "relleno verde" en foto-catalizadores y campos fotovoltaicos [74].
Igualmente, también es necesario el reciclaje de módulos fotovoltaicos de película delgada por la
escasez de los elementos como teluro e indio [43].
En segundo lugar, una diversidad de residuos pueden mejorar las propiedades fotoactivas de los
paneles o sus compuestos [74], [95], así como equiparar e incluso superar la eficiencia de
funcionamiento en comparación con celdas de materiales vírgenes [36], [70], [82]–[84]. Como el
híbrido entre titania-nanosilica, donde la alta pureza de los cristales de nano-sílice extraídos de
cáscara de arroz, a diferencia de la sílice comercial, pueden mejorar las propiedades fotoactivas en
general [74], o aumentar la actividad electrocatalítica de una celda [95] junto con el voltaje, la
eficiencia y la potencia en paneles de película delgada, o mejorando la actividad fotovoltaica del
óxido de titanio y de la celda como tal en contraste con células fabricadas con platino [74], [94].
Igualmente, la recuperación de obleas de sílice mostraron propiedades casi idénticas a las de las obleas
vírgenes comerciales [42], [83] entre resistividad, vida media, eficiencia (entre 16,6 y 16,9%), entre
otros [42]. Específicamente, se registran entre las eficiencias más bajas rangos entre 13 y 15% [36] ,
pero mayoritariamente en promedio se encuentran rangos entre 15 y 16%, equiparables a la eficiencia
entre 16,5 a 17% de celdas vírgenes [70], [82] , e incluso se presenta una eficiencia de conversión de
18,5%, diferente en un 0,2% a la celda comercial (18,7%) [84]. Donde la pérdida de eficiencia puede
atribuirse al proceso de recuperación de la celda o a la reutilización de esta [70], [84].
En cuanto a las celdas tipo Graetzel, hay una gran variabilidad en la eficiencia de conversión a partir
de los procesos y aditivos empleados en la elaboración del electrolito o el foto-colorante. Donde la
menor eficiencia encontrada es de un 0,1% para electrolito líquido y 0,35% para electrolito de gel a
base de residuos de arroz [90]. Seguida por maderas y hojas en rangos de 1.23% a 1.91% y 1.07% y
1.85% respectivamente [7], luego con la cáscara de mangostán (2,63%) [93], hojas de té como
colorante (4,27%) [25], papel filtro y de tejido facial como electrodo con un 4,72 y un 4,7%
respectivamente [7]. Además de otro proceso para contraelectrodos con base en cáscara de arroz para
23
con 5,31% o 6,32% de eficiencia dependiendo del proceso [91], [94], y culminando con la mayor
eficiencia registrada (8,32%) a partir de residuos de café [92].
Estos rangos de eficiencia igualan o superan en su mayoría a las celdas convencionales elaboradas a
partir de los mismos procesos. Como el grafito de eficiencia en 0,77% [7], el platino con 1,47%,
6,69% o 8,07% de conversión según el método [92]–[94] , o el papel que iguala en un 88% los
dispositivos que utilizan el carbono mesoporoso sintetizado [7] .
A nivel general, se ha evaluado que el rendimiento fotovoltaico a partir de una eficiencia del 17,6%,
es decir, un aumento del 18,9% en comparación con la eficiencia original de la célula solar [21],
recuperando hasta el 90% del peso total del panel fotovoltaico [79] con una tasa de reciclaje del 91%
independientemente del tipo de panel [8] y hasta un 98% de las celdas rotas o dañadas descartadas
del proceso de manufactura [5].
Y Tercero, también hay un gran aprovechamiento de residuos orgánicos e inorgánicos en la
producción de paneles a partir de residuos. Por ejemplo, la extracción de sílice a partir de ceniza de
cáscara de arroz con un rendimiento desde el 80 hasta el 99% [6], [47], [82] y una pureza entre
99,999% y el 99, 9999% [82], [95] , siendo apto pala la elaboración de celdas fotovoltaicas. O la
extracción directa de paneles ya usados, extrayendo más del 90% de la sílice con una pureza mayor
al 99% [46], generando celdas con un mínimo de eficiencia del 2,67% [95] .
También otros residuos son aprovechados de igual forma, donde el reciclaje del vidrio varía entre el
50 y el 85% según el tipo de panel [8] . Así como la recuperación de cobre (desde el 83 hasta el 99%),
plata (desde el 60 hasta el 95%), plomo (80%), estaño (80%) y aluminio (desde el 80 al 94%) [6],
[46], [76] con una pureza mayor al 99% [46], [76]. Así como el telurio y el cadmio podrían
recuperarse a una tasa entre el 95% y el 97% [15], con una pureza de grado solar del 99,999% [43].
Finalmente, hay procesos de reciclaje que no dejan casi nada para el relleno sanitario recuperando
todo el vidrio, el marco de Al, la caja de conexiones, el 85–90% del Si y el 90–95% de los metales
[46] catalogados como desechos peligrosos [37]. Reutilizando, restaurando o reciclando muchos
desechos de productos electrónicos al final de su vida útil [23].
24
Capítulo 5: Ventajas y desventajas del proceso
De acuerdo al proceso de fabricación convencional de paneles solares y a su ciclo de vida se da que
una buena parte de los RAEE se envían a rellenos sanitarios o se someten a incineración y
recuperación sin tratamiento previo, resultando en la dispersión de sustancias altamente
contaminantes [23]. Además, hay una alta emisión de gases de efecto invernadero en la fabricación
convencional, que a pesar de ser menor a la de los hidrocarburos (en relación 10:1), tiene mayor
producción que cualquier otra energía alternativa [12].
5.1. Ventajas
Existen varias ventajas sobre la implementación de residuos para la elaboración de celdas
fotovoltaicas. Ya que, si el proceso de reciclaje de módulos fotovoltaicos para su reutilización es una
carga para el medio ambiente, la producción de módulos fotovoltaicos a partir de materias primas
primarias sería una carga aún mayor [78]. Aquí, cabe resaltar que los procesos de recuperación un
impacto positivo en indicadores de impacto ambiental como la reducción en: eutrofización de agua
dulce, toxicidad humana, acidificación terrestre y agotamiento de fósiles, esto debido al empleo de
residuos en otras actividades [77].
Específicamente se pueden ahorrar recursos naturales [40] como el aluminio y la sílice.
Principalmente este último, disminuye la necesidad de extracción y uso del suelo (minería), además
del refinamiento en la elaboración de nuevos materiales [12], [77]. Ocurriendo de forma similar con
otros minerales (Ag, Cu, Sn, Cd, Ti, In, etc.) que presentan una mayor toxicidad y escases, brindando
un aprovechamiento y reúso [12].
Por su parte en el aire, se reduce la descarga de contaminantes a la atmósfera [40], debido a que la
energía fotovoltaica es la energía alternativa con mayor taza de producción de gases de efecto
invernadero (GEI), la cual puede verse reducida al igual que la generación de residuos producidos de
la industria fotovoltaica [12]. Igualmente, se reduce el consumo de agua dados por los procesos de
limpieza, garantizando el aumento en la protección del medio ambiente [20], [40].
En cuanto al uso de químicos, se presentan procesos en los cuales la oblea de Si podría recuperarse
sin el uso de surfactantes dañinos y la célula podría fabricarse sin el uso de Pb [82]. Además de
presentarse la posibilidad de eliminar surfactantes dañinos [20], neutralizar los químicos residuales
del proceso (como el NaOH y el HNO3) y utilizarlo como fertilizante [46], e incluso se puede reducir
a una pequeña o nula cantidad de productos químicos mediante procedimiento mecánicos [43] .
Igualmente, hay claras ventajas en procesos como el grabado o la ejecución de ondas de choque
debido a que no requieren análisis especializado [45] y facilita el reciclaje al tener mayor selectividad
sobre los tamaños de partícula de los metales [76]. Además de presentarse alternativas
ambientalmente amigables que concuerdan con los objetivos del reciclaje como bioprocesos de
nanotecnología natural, que además ayuda al control de vectores [11], o la biolixiviación de paneles,
que pretende recuperar los metales a partir de métodos apropiados y respetuosos con el ambiente [89].
Para el caso de los resultados del proceso, como se ha visto anteriormente varios de estos tienen la
ventaja de equiparar, superar o potencializar la eficiencia y el aprovechamiento de la energía
fotovoltaica. Cómo es el caso de la cáscara de arroz para mejorar las propiedades de fotodegradación
25
y fotovoltaica de sus productos [74], o la implementación de celdas combinadas orgánicas-
inorgánicas que poseen una mayor eficiencia respecto a la célula solar inorgánica [25].
Por otro lado, también se presentan claras reducciones tanto en costos como en energía gastada en el
proceso al momento de usar residuos [40]. Ya que, sobre la elaboración del panel las células
fotovoltaicas tienen 80% al consumo de energía para su producción [78], además de representar entre
un 50% y 65% del precio del módulo [78], [82]. Por lo cual, se puede llegar a reducir hasta un 55%
en energía [46] por medio del reciclaje de obleas de silicio o de materiales de producción de celdas
fotovoltaicas como la sílice como tal reduciendo su costo de fabricación [6], [82].
Incluso, es posible usar el vidrio o polímeros como el encapsulante EVA como aportes energéticos
extras del proceso usándolos en la producción de calor [46], [78]. Además, otra ventaja del proceso
podría derivarse de la recuperación de materiales que en muchos casos tienen un alto valor económico
[23], como en el caso de la plata en donde un precio tan fluctuante (entre $13/oz a $48/oz) es una
preocupación importante para la industria solar [46]. La cual, se reduciría si este metal fuera reciclado
dentro de la misma industria teniendo en cuenta que los fabricantes de módulos solo tienen que pagar
los costos de tratamiento y dependen menos de los precios de mercado de los materiales, incentivando
a la recolección [15]. Finalmente, las células solares tipo Graetzel son altamente prometedoras debido
a su bajo costo, facilidad de elaboración y aumento de rendimiento del panel resultante [93], [95]. Y
en general, el establecimiento de sistemas viables de reciclaje de energía fotovoltaica presenta
beneficios ambientales y viabilidad económica que aumentan la sostenibilidad de la energía
fotovoltaica [82].
5.2. Desventajas
En contraste con lo anterior, aun estos procesos presentan varios problemas en su ejecución.
Principalmente, la falta de profundización en el área, ya que los problemas que se puedan presentar
no han sido suficientemente estudiados [39]. Igualmente, a pesar de la reducción en la producción y
uso de tóxicos, estos aún siguen siendo generados al igual que GEI y químicos residuales del proceso
de reciclaje [12]. Principalmente para los casos de tratamiento térmico, que sin el manejo adecuado
no presentaría beneficio alguno para el ambiente [4], [64], [85], [86].
Por su parte, en diversos tratamientos se generan desventajas como [40]:
Emisión de solventes.
Generación de polvo con fibra de vidrio y resina.
Generación de gases dañinos.
Dilución en ácido para separación de EVA como productor de NOx.
Requerimiento de equipos de protección respiratoria durante el proceso.
Los líquidos residuales pueden ser de difícil eliminación.
Generación de líquidos orgánicos volátiles difíciles de tratar.
Generación de gases por tratamientos térmicos.
Alto requerimiento energético para tratado térmico.
Así como pérdida de sílice (38%) en el proceso de grabado para recuperación de la celda [82]. Además
de métodos que no consideran la eliminación de marcos o la reutilización de obleas de silicio [40], la
baja eficiencia de dispositivos Graetzel en la actualidad (aunque aún sea motivo de investigación)
[24], [90], [91] y el tiempo de disolución de EVA para disolventes orgánicos convencionales es
26
mucho más largo, aunque puede reducirse por ultrasonidos [40]. Por su parte, los recicladores deben
lidiar con diversas tecnologías y materiales, además de las diferencias tecnológicas entre los residuos
de producción y desmantelamiento, donde los métodos de laminación empleados dificultan el
desmontaje. Finalmente, prevalece la preocupación de que el reciclaje de materiales podría no superar
la carga ambiental de los procesos de reciclaje por procesos de tratamiento y control [15] (Ver
Diagrama 5).
Diagrama 5. Estados de producción de celdas solares y paneles que requieren control ambiental [70].
27
Capítulo 6: ¿Es posible escalar estos procesos?
La generación reciclaje de residuos para elaborar celdas fotovoltaicas es posible a gran escala
dependiendo del proceso o tren de reciclaje que se maneje. Ya que mientras algunos procesos ya
poseen las bases suficientes para su ejecución, otros aún se encuentran en la primera etapa
investigativa. Actualmente, existen varios organismos tanto públicos como privados que han
ejecutado líneas de tratamiento para reciclaje de paneles fotovoltaicos [12], [15], [37].
Ejemplificando lo anterior en el sector público se encuentran organismos internacionales como la
Directiva sobre Residuos de Aparatos Eléctricos y Electrónicos (RAEE) en la Unión Europea (UE),
que a pesar de sus esfuerzos no cubren todo el residuo fotovoltaico (PV) [12]. También, PV cycle
associatión, que es un programa voluntario con sede principal en Bélgica, ecológico y sostenible para
la recuperación y el reciclaje en toda la industria dentro de la cadena de valor de la industria solar que
a pesar de tener gran cubrimiento no suficiente para todos los RAEE [37].
En cuanto a lo privado está el productor alemán de paneles CdTe, ANTEC Solar, quien posee una
instalación a escala piloto adecuada para muestras pequeñas [15]. Igualmente, se encuentran
entidades como ReMedia, un consorcio italiano con un propósito similar para una diversificación
mayor de RAEE, incluyendo fotovoltaicos [12]. Asimismo, la refinería canadiense 5N Plus, que ha
desarrollado procesos para reciclar residuos, módulos no laminados y laminados de CdTe y CIGS.
Así como Umicore, una refinería belga y recicladora de metales preciosos; o Lobbe, una empresa
alemana de gestión de residuos que planea construir una instalación de reciclaje para módulos
fotovoltaicos de película delgada y cristalina con una capacidad de varios miles de toneladas al año
[15].
Por otro lado, teniendo en cuenta que la minería de residuos fotovoltaicos se ha vuelto más efectiva
que la minería convencional [5], que la producción de obleas puede recuperarse parcialmente al
convertir este residuo en ganancia como ya se ha visto en el capítulo 3 [13] y que, desde el punto de
vista económico, el silicio puro, que se puede recuperar de las células gastadas, es el material más
importante debido a su costo y suministro limitado [14], [36].
6.1. Viable en escala grande
Inicialmente, en cuanto a la viabilidad a gran escala del proceso se debe tener en cuenta que, dado
que el proceso de purificación de la sílice es altamente costoso, es importante buscar estrategias de
bajo costo, gran volumen y de factibilidad comercial [9]. Por lo cual, los procesos que incluyen
métodos de reciclaje al vidrio maximizan la recuperación en masa y garantizan la viabilidad del
proceso [8].
Igualmente, al presentarse eficiencias equivalentes o superiores a las de las células convencionales
en componentes del panel como las obleas de sílice, que garantiza una mayor viabilidad producto al
combinarlo con un menor costo de producción, haciendo que este sea viable a gran escala [20].
También, se sugiere aplicar el Si reciclado debido a su alta estabilidad química, propiedades
eléctricas, gran abundancia y, especialmente, bajo costo de materiales [13], así como su uso en celdas
de TiO2, debido a la fijeza costo-efectiva y a la mejora sobre la absorción de fotones [74].
28
Por otro lado, el precio de mercado de los materiales reciclados es un factor importante en la
rentabilidad del proceso de reciclaje [6]. Por lo cual, observando la inversión de reciclaje de módulos,
se da que a partir de un de un costo del material recuperado estimado en 40.050 $US para 1 tonelada,
y un gasto en energía y materia prima de 178 $US y 30.000 $US respectivamente, se tiene una
ganancia de 9.872 $US por tonelada, lo cual acarrea un gran beneficio [5]. Así mismo, la sílice y otras
materias primas tienen un costo estimado de ganancia entre 11 y 12,10 $US por modulo, lo cual
implica una idea de negocio rentable sin necesidad de apoyo gubernamental [46].
Específicamente, el Si tiene un costo de 2,5 $US/kg en forma convencional (ya sea producto de
materia orgánica o recuperado de reciclaje) [6] y como Si de grado solar entre 7,2 y 8,30 $US/módulo
a 13 o 15 $US/kg para poli-Si de segundo o primer grado respectivamente [46]. También, la oblea de
silicio se estima en 35$US/kg aumentando la rentabilidad del proceso [6]. Por su parte, si se recupera
el 95% del Ag, es otro 3.80 $US/módulo a 16 $US/oz para Ag, además del cobre con un costo de 7
$US/kg [6] . Incluyendo igual el ahorro en vidrio, el marco de Al y la caja de conexiones, que totalizan
5 $US/módulo [46] con precios promedio de mercado estimados en 0.07 $US/kg y 2 $US/kg para el
vidrio y el aluminio respectivamente, con una rentabilidad incluso si el precio es relativamente bajo
debido a la cantidad de aluminio y vidrio reciclados [6].
Estos ingresos eliminan un obstáculo importante para el reciclaje de módulos, principalmente para el
caso del Si, lo que permite un negocio de reciclaje rentable sin el apoyo del gobierno [46]. Además
de que al estar basado en los precios del mercado. es probable que un reciclaje eficiente de los paneles
fotovoltaicos al final de su vida útil disminuya los impactos y los costos económicos asociados con
su producción [77].
Por otra parte, los costos de gestión bajos son especialmente importantes considerando la gran masa
y el volumen que se debe enviar para recuperar [15] . Estos, se establecen a partir de planificación
equilibrada de costos logísticos y energéticos, esfuerzos técnicos, calidad y cantidad de reciclaje, e
impacto ambiental adaptada a la corriente de desechos [15], [77]. Conjuntamente, El proceso de
reciclaje de lixiviación y separación química son atractivos industrialmente dada su simplicidad, el
ahorro energético las temperaturas de tratamiento y la potencial reducción en uso de sustancias
peligrosas que hacen el proceso más ecológico y sostenible desde el punto de vista técnico, ambiental
y financiero [45], [46].
Finalmente, para mayor factibilidad, se proponen redes de recolección basadas en la distribución
actual de módulos solares [46]. Al igual que el apoyo de modelos de negocio para recicladores y
fabricantes pueden apoyar el reciclaje; como, por ejemplo, ofrecer una “cuenta de recursos” en que
los materiales entrantes se reserven y devuelvan al fabricante de PV [15], [45]. Y si bien la inversión
en equipos de protección ambiental para reducción de productos de tratado del proceso puede
aumentar significativamente los costos de producción de una empresa, también puede generar
beneficios económicos asociados con la protección ambiental [40].
6.2. Potencialmente viable
En cuanto a los procesos potencialmente viables se encuentran principalmente los pulsos de alto
voltaje y la separación física [41]. Además, se incluyen algunos procesos térmicos debido a la
cantidad de energía necesaria para su ejecución [80]. Así como métodos relacionados con elementos
ambientalmente desfavorables como Te, Se, Pb, etc. que son escasos, caros, tóxico, o inestable impide
su aplicabilidad a gran escala [13].
29
Igualmente, estos son procesos que presentan un gran potencial debido a que, por ejemplo, en el caso
del tratamiento térmico: Primero, ya hay una reducción de costos del proceso en comparación con el
tratamiento térmico convencional. Segundo, es posible sostener el proceso mediante la recuperación
de calor en favor del sostenimiento energético. Y tercero, se están realizando estudios adicionales que
permitan aumentar la sostenibilidad económica y ambiental del proceso, fomentando así su
industrialización [80].
Por otro lado, la trituración por pulsos de alto voltaje y separación física es un enfoque prometedor
para el reciclaje de paneles fotovoltaicos, con un costo de procesamiento estimado en 0.0019 USD /
W, lo que muestra un potencial de viabilidad comercial [41]. Además, en el futuro, factores como los
precios de los materiales, los costos logísticos, los precios de la energía y la economía de escala, el
contenido en disminución de los materiales de película delgada debido a las capas absorbentes más
delgadas influirá en la economía abriendo la posibilidad de potencializar estos procesos [15].
6.3. Exitoso por lo técnico, pero no práctico
En cuanto a los procesos poco exitosos se destacan aquellos que tienen falacias a causa de poca
investigación [24], [78], [90], tienen problemas con los flujos residuales al no contar con residuos
suficientes para generar viabilidad en una planta de procesos [8], [15], o cuentan con procesos
escasamente ventajosos en la parte económica [78].
Para el caso resalta el triturado mecánico, el cual al solo tener en cuenta la ventaja y aprovechamiento
económico calculado de metales como la plata, no se alcanzan a cubrir los costos necesarios para el
reciclaje al no ser económicamente ventajoso [78]. Igualmente, el escaso estudio sobre células solares
tipo Graetzel y su baja eficiencia en contraste con otras tecnologías más convencionales resultan en
incertidumbre al momento de escalar el proceso [24], [89]. Asimismo, existen procesos en los que al
calcular mano de obra, materias primas y consumo de energía son ineficaces al necesitar
potencialmente un mínimo de residuos de 75.000 ton/año para su funcionamiento [8]. Por lo cual, A
pesar de los impactos positivos significativos en la reducción de las cargas ambientales, como
químicos, recursos y energía. La motivación económica para reciclar actualmente no es favorable
dado que los procesos y tecnologías innovadores aun no son capaces de manejar y separar grandes
cantidades de material fotovoltaico [82].
Además, el precio fluctuante de los materiales valiosos conduce a altas incertidumbres e influye en
la viabilidad financiera de los procesos de reciclaje [15]. Donde si los productos recuperados son
vidrio (0,08 €/kg) y aluminio (de marcos y contactos metálicos, 1 €/kg), recuperados únicamente por
tratamiento físico y térmico y sin incluir fracciones más finas de Ag u otros elementos no hay
viabilidad para este proceso; Sin embargo, debe tenerse en cuenta que esta estimación es conservadora
y no tiene en cuenta los costos negativos de los paneles de residuos (es decir, la tarifa pagada por la
recolección y Tratamiento a los recicladores) [8].
Finalmente, en estos procesos se reduce la factibilidad por los costos de tratamiento y eliminación de
sustancias toxicas, ya sean producto de los paneles o derivados de su tratamiento. Así como el que
los recicladores deben cumplir con especificaciones estrictas sobre los residuos como alimento para
refinerías de metales. Además de los posibles problemas sobre un sistema de recolección efectivo no
solo para los residuos al final de su vida útil, sino también para las devoluciones de garantía y los
rechazos de producción [15].
30
Capítulo 7: Conclusiones y perspectiva a futuro
Se puede afirmar que fueron encontrados procesos aptos para el reciclaje. En que resaltan procesos
en cadena basados en el reciclaje de módulos, reciclaje de células y manejo de desechos, para
descomponer los módulos de Si y recuperar diversos materiales [46]. Indicando que tanto la
implementación de residuos para extracción de sílice como el reciclaje del módulo fotovoltaico es
deseable, llevando a una reducción de la carga ambiental y de extracción de materias primas [78].
Asimismo, la investigación ha comprobado como en el reciclaje de paneles la pirólisis no afecta en
la extracción de plata de los módulos fotovoltaicos, por lo que se recomienda su recuperación antes
del uso de pirólisis [45]. También, qué métodos como el uso de residuos de la industria de papel para
producir electrodos son dignos de investigación adicional para aumentar la eficiencia y factibilidad
de producción [24]. Siendo necesario, de acuerdo a varias investigaciones procesos de recuperación
bien diseñados [8], [15], [40].
También se concluye que, para la optimización de procesos, se deben incluir materiales de alto valor,
como el silicio (materia prima, oblea o celda) y plata [40]. Además del vidrio que, para celdas de
película delgada, puede contribuir a la ampliación y la sostenibilidad económica de los procesos de
reciclaje [15]. Igualmente, se presentan soluciones alternativas para la producción de energía verde y
la conversión de contaminantes en materiales útiles en simultaneo, siguiendo lineamientos
económicos y ecológicos [24].
Así mismo, el presente documento demuestra la factibilidad del reciclaje de módulos energética y
ambientalmente. Resaltando que, una buena gestión de los módulos fotovoltaicos es un requisito para
la sostenibilidad de toda la cadena eléctrica fotovoltaica [40]. La cual apenas está comenzando, pero
es necesario mejorar y ampliar bajo los lineamientos del respeto al ambiente ya sea a partir de residuos
orgánicos o inorgánicos [40], [93]
Por último, se proponen varios procesos de tratamiento y reciclaje que sean técnica, ambiental y
financieramente sostenibles [46]. Que, aunque siguen generando residuos, presentan grandes ventajas
frente a los métodos convencionales; y así en pro de aumentar los beneficios, se exige mayores
esfuerzos para evaluar y monitorear los impactos [40]. Recomendando, aumentar los estudios futuros
junto con la recuperación de otros metales valiosos de diversos residuos [45], facilitar el diseño del
módulo fotovoltaico, para aumentar la separación de los componentes [15], [40] . Minimizar el uso
de productos químicos y energía, y la reutilización de los auxiliares del proceso (agentes químicos,
abrasivos, agua y calor residual) [15]. Y responsabilizar a los fabricantes de la industria para hacerlos
más participes de estos procesos [40].
31
8. Referencias
[1] BP and B. P. E. Outlook, “BP Energy Outlook 2019 edition The Energy Outlook explores
the forces shaping the global energy transition out to 2040 and the key uncertainties
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