Equipe de pesquisa sul-coreana desenvolve processo para converter silício recuperado de painéis fotovoltaicos em cerâmica de nitreto de silício

De acordo com pt.wedoany.com-Uma equipe de pesquisa sul-coreana desenvolveu um processo para converter silício recuperado de módulos fotovoltaicos em fim de vida em cerâmica de nitreto de silício (Si₃N₄). Esse material, devido à sua alta resistência, estabilidade térmica, resistência ao desgaste e propriedades de isolamento elétrico, é aplicado nos setores automotivo, aeroespacial, eletrônico, médico, de energia e de manufatura.

Segundo a equipe de pesquisa, até onde se sabe, esta é a primeira demonstração de produção de nitreto de silício a partir de silício recuperado de módulos fotovoltaicos reais em fim de vida (EoL). O autor correspondente, Jin-Seok Lee, afirmou à pv magazine que o objetivo do trabalho não é recuperar o silício como uma simples matéria-prima secundária, mas demonstrar um caminho prático para que o silício recuperado alcance aplicações de maior valor agregado. Lee disse que o próximo passo da equipe será transitar da pesquisa de prova de conceito para um processo prático e escalável de reciclagem e upcycling.

A equipe está colaborando com a empresa sul-coreana de reciclagem fotovoltaica Wonkwang S&T para desenvolver tecnologia móvel de reciclagem fotovoltaica, permitindo que o processo de tratamento seja realizado próximo ao local onde os módulos em fim de vida são gerados. Lee afirmou que, em comparação com as rotas tradicionais de reciclagem centralizada, o objetivo dessa solução é reduzir os custos de transporte em cerca de 30% e as emissões de carbono em mais de 10%.

O teste utilizou um módulo fotovoltaico em fim de vida do tipo Suntech STP200-18/Ub, contendo 54 células policristalinas baseadas na estrutura de campo traseiro de alumínio (Al-BSF). Após a remoção da caixa de junção e da moldura de alumínio, os pesquisadores utilizaram uma lâmina térmica para separar a camada de vidro do composto de etileno-acetato de vinila (EVA)/célula/EVA/backsheet. Em seguida, o composto foi cortado em amostras do tamanho de células, que foram moídas a 400 rpm, 600 rpm e 800 rpm, respectivamente, para investigar o efeito da velocidade de moagem na aglomeração de partículas e na remoção de impurezas. Posteriormente, peneiras de 3 mm e 0,5 mm foram utilizadas para remover fragmentos maiores de backsheet e resíduos de EVA, seguido de queima a 600°C em ar por 1 hora para eliminar a matéria orgânica restante.

Em seguida, a análise granulométrica e a microscopia eletrônica de varredura (MEV) foram empregadas para avaliar o estado de aglomeração das partículas. O silício recuperado foi submetido a um processo de lavagem ácida em duas etapas: primeiro, tratamento em ácido clorídrico (HCl) a 36% em peso por 20 minutos para remover alumínio, cobre, estanho e chumbo; em seguida, tratamento em ácido nítrico (HNO₃) a 36% em peso por 30 minutos para dissolver a prata. Ambos os processos foram realizados sob agitação e ultrassom.

Para remover o dióxido de titânio (TiO₂) resistente a ácidos presente no backsheet, os pesquisadores dispersaram 10 gramas do pó em 1 litro de água por 20 minutos, seguido de sedimentação estática por 5 a 20 minutos. Em seguida, 800 mL do sobrenadante foram removidos, e 5 minutos foi determinado como o tempo ideal de sedimentação. Após a caracterização, a equipe selecionou o pó de maior pureza obtido a 400 rpm como material para nitretação; os pós purificados e não purificados foram submetidos a moagem em moinho de bolas com etanol por 20 horas, resultando em tamanho médio de partícula de aproximadamente 1 micrômetro. A nitretação foi então realizada em atmosfera fluente de 95% de nitrogênio e 5% de hidrogênio, primeiro a 1350°C por 1 hora e, em seguida, a 1450°C por 10 minutos.

Os pesquisadores utilizaram difração de raios X (DRX) para calcular a taxa de conversão do silício e determinar a proporção das fases α-Si₃N₄ e β-Si₃N₄ no nitreto de silício; MEV para comparar a morfologia das partículas; e espectrometria de emissão óptica com plasma indutivamente acoplado (ICP-OES) para medir a pureza final da cerâmica. Os resultados mostraram que a aglomeração de partículas induzida pela moagem em alta velocidade interferiu significativamente na remoção subsequente de impurezas: a amostra moída a 800 rpm apresentou concentração residual de alumínio de 4290 ppm após o ataque com ácido clorídrico, enquanto a amostra moída a 400 rpm apresentou concentração residual de alumínio de apenas 189 ppm. Lee acredita que isso indica que a otimização do processo de reciclagem não pode depender simplesemente de uma moagem mais intensa.

A sedimentação estática mostrou-se altamente eficaz na remoção de impurezas: apenas 5 minutos foram suficientes para remover 71,4% do TiO₂, mantendo simultaneamente uma taxa de recuperação de silício de 92,3%. Após o controle eficaz das impurezas metálicas e cerâmicas, o silício recuperado atingiu pureza de 99,95%, e o nitreto de silício produzido a partir dele continha 93,1% de α-Si₃N₄; já o nitreto de silício sintetizado a partir do silício recuperado sem esse processo de purificação apresentou apenas 54,7% de α-Si₃N₄. Esse resultado é consistente com a avaliação de que as impurezas presentes em módulos fotovoltaicos descartados afetam diretamente o desempenho dos produtos de upcycling de alto valor.

O artigo relacionado, intitulado "Upcycling silicon recovered from photovoltaic waste into silicon nitride via the field-applicable control of metal and ceramic impurities", foi publicado na revista Materials Today Sustainability. Pesquisadores do Instituto Coreano de Pesquisa em Energia (Korea Institute of Energy Research) e da Universidade Nacional de Chungnam (Chungnam National University) participaram deste trabalho.