فريق بحثي كوري يطوّر عملية لتحويل السيليكون المستعاد من الألواح الشمسية إلى سيراميك نيتريد السيليكون

أخبار ar.wedoany.com، طوّر فريق بحثي كوري عمليةً تتيح تحويل السيليكون المستعاد من الألواح الشمسية المنتهية العمر إلى سيراميك نيتريد السيليكون (Si₃N₄). وتُستخدم هذه المادة في قطاعات السيارات والفضاء والإلكترونيات والطب والطاقة والتصنيع، نظرًا لتمتعها بقوة عالية وثبات حراري ومقاومة للتآكل وخصائص عزل كهربائي.

ووفقًا للفريق البحثي، تُعد هذه هي المرة الأولى — على حد علمهم — التي يُجرى فيها عرض توضيحي لتصنيع نيتريد السيليكون من السيليكون المستعاد من ألواح شمسية منتهية العمر فعلًا. وقال المراسل المؤلف جين-سوك لي (Jin-Seok Lee) لمجلة "بي في ماغازين" (pv magazine) إن الهدف من هذا العمل ليس مجرد استعادة السيليكون كمادة خام ثانوية عادية، بل إظهار مسار عملي يمنح السيليكون المستعاد تطبيقات ذات قيمة أعلى. وأضاف لي أن الفريق سينتقل في الخطوة التالية من البحث المبدئي لإثبات المفهوم إلى تطوير عمليات استعادة وإعادة تدوير عملية قابلة للتوسع.

ويتعاون الفريق حاليًا مع شركة "وونكوانغ إس آند تي" (Wonkwang S&T) الكورية المتخصصة في إعادة تدوير الألواح الشمسية، لتطوير تقنية إعادة تدوير متنقلة تتيح تنفيذ عمليات المعالجة بالقرب من مواقع الألواح المنتهية العمر. وأوضح لي أن هذا النهج يهدف إلى خفض تكاليف النقل بنحو 30% وتقليل الانبعاثات الكربونية بأكثر من 10% مقارنة بمسارات إعادة التدوير المركزية التقليدية.

استُخدمت في التجربة لوحة شمسية منتهية العمر من طراز STP200-18/Ub من إنتاج شركة "سانتيك باور" (Suntech Power)، وتضم 54 خلية شمسية متعددة البلورات مبنية على بنية الحقل الخلفي المصنوع من الألومنيوم (Al-BSF). وبعد إزالة صندوق التوصيل والإطار الألومنيومي، استخدم الباحثون سكينًا حراريًا لفصل طبقة الزجاج عن الطبقة المركبة المكوّنة من أسيتات فينيل الإيثيلين (EVA)/الخلايا/EVA/الطبقة الخلفية، ثم قسّموا الطبقة المركبة إلى عينات بحجم الخلايا، وطحنوها بسرعات 400 و600 و800 دورة في الدقيقة على التوالي، لدراسة تأثير سرعة الطحن على تكتل الجسيمات وإزالة الشوائب. بعد ذلك، استُخدمت مناخل بفتحات 3 مليمترات و0.5 مليمتر لإزالة شظايا الطبقة الخلفية الأكبر حجمًا وبقايا EVA، ثم أُجري حرق في الهواء عند درجة حرارة 600 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة لإزالة المواد العضوية المتبقية.

ثم استُخدم تحليل توزيع حجم الجسيمات والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لتقييم حالة تكتل الجسيمات. وخضع السيليكون المستعاد لغسل حمضي على مرحلتين: الأولى بمعالجته في حمض الهيدروكلوريك (HCl) بتركيز 36% وزنيًا لمدة 20 دقيقة لإزالة الألومنيوم والنحاس والقصدير والرصاص؛ والثانية بمعالجته في حمض النيتريك (HNO₃) بتركيز 36% لمدة 30 دقيقة لإذابة الفضة. وأُجريت العمليتان تحت ظروف التحريك والموجات فوق الصوتية.

ولإزالة ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂) المقاوم للأحماض من الطبقة الخلفية، قام الباحثون بتشتيت 10 غرامات من المسحوق في لتر واحد من الماء لمدة 20 دقيقة، ثم تركوها للترسيب الساكن لمدة تتراوح بين 5 و20 دقيقة، بعدها أُزيل 800 مليلتر من السائل العلوي، وتقرر أن مدة 5 دقائق هي الوقت الأمثل للترسيب. وبعد استكمال عمليات التوصيف، اختار الفريق المسحوق الأعلى نقاءً الذي تم الحصول عليه بسرعة 400 دورة في الدقيقة كمادة خام للنيترة؛ وخضع المسحوقان المكرر وغير المكرر لطحن كروي في الإيثانول لمدة 20 ساعة، ليبلغ متوسط حجم الجسيمات نحو ميكرومتر واحد. ثم أُجريت النيترة في جو متدفق من 95% نيتروجين و5% هيدروجين، أولًا بمعالجة عند درجة حرارة 1350 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة، ثم عند 1450 درجة مئوية لمدة 10 دقائق.

استخدم الباحثون حيود الأشعة السينية (XRD) لحساب معدل تحويل السيليكون، وتحديد النسب الطورية لـ α-Si₃N₄ وβ-Si₃N₄ في نيتريد السيليكون؛ وقارنوا الأشكال الجسيمية باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)؛ وقاسوا نقاء السيراميك النهائي باستخدام مطيافية الانبعاث البصري للبلازما المقترنة حثيًا (ICP-OES). وأظهرت النتائج أن تكتل الجسيمات الناجم عن الطحن عالي السرعة يعيق بشكل ملحوظ عمليات إزالة الشوائب اللاحقة: فالعينة المطحونة بسرعة 800 دورة في الدقيقة أظهرت تركيز ألومنيوم متبقٍ بلغ 4290 جزءًا في المليون بعد الحفر بحمض الهيدروكلوريك، بينما بلغ التركيز المقابل في العينة المطحونة بسرعة 400 دورة في الدقيقة 189 جزءًا في المليون فقط. ورأى لي أن هذا يشير إلى أن تحسين عملية الاستعادة لا يمكن أن يعتمد ببساطة على طحن أكثر شدة.

أظهر الترسيب الساكن فعالية واضحة في إزالة الشوائب: فخلال 5 دقائق فقط أمكن إزالة 71.4% من ثاني أكسيد التيتانيوم، مع الحفاظ على معدل استعادة سيليكون بلغ 92.3%. وبعد السيطرة الفعالة على الشوائب المعدنية والسيراميكية، بلغت نقاوة السيليكون المستعاد 99.95%، واحتوى نيتريد السيليكون المُصنَّع منه على 93.1% من طور α-Si₃N₄؛ بينما بلغ محتوى α-Si₃N₄ في نيتريد السيليكون المُصنَّع من السيليكون المستعاد الذي لم يخضع لعملية التنقية هذه 54.7% فقط. وتتوافق هذه النتيجة مع التقدير القائل إن الشوائب الموجودة في الألواح الشمسية المنتهية العمر تؤثر مباشرة على أداء منتجات إعادة التدوير عالية القيمة.

نُشرت الدراسة ذات الصلة في دورية "Materials Today Sustainability" تحت عنوان "Upcycling silicon recovered from photovoltaic waste into silicon nitride via the field-applicable control of metal and ceramic impurities". وشارك في هذا العمل باحثون من معهد كوريا لأبحاث الطاقة (Korea Institute of Energy Research) وجامعة تشونغنام (Chungnam National University).