Le silicium de haute pureté constitue la majorité des cellules solaires, mais elles sont généralement jetées à la fin de leur durée de vie opérationnelle, après 25 à 30 ans. Il est difficile de séparer le silicium des autres composants des cellules solaires tels que l’aluminium, le cuivre, l’argent, le plomb et le plastique. De plus, le silicium recyclé contient des impuretés et des défauts, ce qui le rend impropre aux autres technologies basées sur le silicium.

Les méthodes existantes pour récupérer le silicium de haute pureté sont gourmandes en énergie et impliquent des produits chimiques hautement toxiques, ce qui les rend coûteuses et limite leur adoption généralisée par les recycleurs.

Les chercheurs de NTU ont surmonté ces défis grâce à une nouvelle méthode d’extraction utilisant l’acide phosphorique, une substance couramment utilisée dans l’industrie alimentaire et des boissons.

L’approche NTU a démontré un taux de récupération et une pureté plus élevés que les technologies actuelles de récupération du silicium. Le procédé est également plus efficace, puisqu’il ne fait appel qu’à un seul réactif (acide phosphorique), alors que les méthodes conventionnelles incluent au moins deux types de produits chimiques (très acide et hautement alcalin).

Le chercheur principal de l’étude, le professeur agrégé Nripan Mathews, titulaire de la chaire de science et d’ingénierie des matériaux et directeur du cluster de l’Energy Research Institute), a déclaré : « Notre approche de la récupération du silicium est à la fois efficace et efficiente. Nous n’avons pas besoin d’utiliser plusieurs produits chimiques. , réduisant ainsi le temps consacré au post-traitement des déchets chimiques. Dans le même temps, nous avons atteint un taux de récupération élevé de silicium pur comparable à ceux produits par des techniques d’extraction à forte intensité énergétique.

Alors que l’utilisation de l’énergie solaire renouvelable a augmenté au cours des dernières décennies, la durée de vie limitée de 30 ans des panneaux solaires signifie que 78 millions de tonnes de panneaux solaires devraient expirer d’ici 2050.

L’équipe de recherche de NTU estime que sa méthode de récupération du silicium peut potentiellement résoudre le problème croissant des déchets de panneaux solaires en gardant les ressources en boucle.

L’étude, publiée dans la revue scientifique Matériaux d’énergie solaire et cellules solaires en août, marque l’engagement de NTU envers son plan stratégique 2025, dans lequel la durabilité et l’innovation pour une économie circulaire sont des piliers clés. Il soutient également le Manifeste de NTU sur le développement durable, qui trace la voie de l’Université en matière de durabilité, de neutralité carbone et d’impact sociétal.

Favoriser la croissance des batteries lithium-ion pour véhicules électriques

Le silicium est considéré comme l’un des matériaux les plus prometteurs pour les batteries lithium-ion de nouvelle génération destinées à alimenter les véhicules électriques (VE) en raison de sa capacité à offrir une autonomie étendue et des temps de charge rapides.

Alors que les constructeurs automobiles s’efforcent de développer des batteries lithium-ion à base de silicium pour les véhicules électriques avancés, l’équipe de recherche de NTU estime que leur nouvelle méthode de récupération du silicium peut répondre à la demande attendue de silicium de haute pureté.

L’approche NTU consiste d’abord à tremper la cellule solaire périmée dans de l’acide phosphorique dilué chaud pendant 30 minutes pour éliminer les métaux (aluminium et argent) de leurs surfaces. Ce processus est répété en utilisant de l’acide phosphorique frais pour garantir l’élimination complète des métaux, ce qui donne lieu à une plaquette de silicium pur au bout de 30 minutes supplémentaires.

En utilisant des analyses spectroscopiques avancées pour évaluer le contenu élémentaire de la plaquette récupérée, les chercheurs ont constaté que leur échantillon atteignait un taux de récupération de 98,9 pour cent avec une pureté de 99,2 pour cent – des résultats comparables au silicium récupéré par les méthodes actuellement disponibles.

Lorsque le silicium récupéré a été recyclé dans une anode de batterie lithium-ion et testé pour son efficacité, il a fonctionné de manière similaire à du silicium neuf acheté dans le commerce.

L’auteur principal de l’étude, le Dr Sim Ying, chercheur à l’Energy Research Institute, a déclaré : « Les performances comparables entre notre batterie lithium-ion à base de silicium recyclé et celles nouvellement achetées prouvent que l’approche NTU est réalisable. et une méthode de récupération du silicium moins chère constituerait un élan positif pour le développement des batteries de véhicules électriques. Outre les véhicules électriques, il existe également des applications potentielles telles que les dispositifs thermoélectriques.

L’équipe a déposé une déclaration technologique auprès de NTUitive – la société d’innovation et d’entreprise de NTU – pour sa méthode de récupération du silicium, ouvrant ainsi la voie à une commercialisation potentielle. Pendant ce temps, les chercheurs recherchent des collaborateurs industriels pour explorer les applications commerciales.

Le projet fait partie du programme Singapour-CEA Alliance pour la recherche en économie circulaire (SCARCE), une collaboration entre NTU et le Commissariat français aux énergies alternatives et à l’énergie atomique. SCARCE est soutenu par la National Research Foundation de Singapour et l’Agence nationale pour l’environnement (NEA) dans le cadre de l’initiative de financement Closing the Waste Loop (prix n° USS-IF-2018-4).

Le programme vise à développer une variété d’innovations qui transforment les déchets en trésors, ouvrant ainsi de nouveaux domaines de croissance économique pour la gestion et le recyclage des déchets.