Мягкий процесс с использованием щавелевой кислоты обеспечивает эффективное извлечение индия из солнечных элементов с гетеропереходом

Мягкий гидрометаллургический процесс на основе щавелевой кислоты позволяет эффективно извлекать индий из оксида индия и олова в отходах солнечных батарей, одновременно высвобождая серебряные сетки. Этот подход позволяет получать оксид индия высокой чистоты путем селективного выщелачивания, осаждения и прокаливания в оптимизированных условиях.

Исследователи из подразделения новых энергетических технологий и наноматериалов (Liten) Французской комиссии по альтернативным источникам энергии и атомной энергии (CEA) разработали новую технологию извлечения индия из отработанных солнечных панелей с гетеропереходом (HJT).

«Индий — ключевой материал в солнечных элементах с гетеропереходом, где он используется в прозрачном проводящем оксидном слое. Его переработка необходима для устойчивого производства и утилизации отходов в будущем», — рассказал автор исследования Ромен Дюваль. «В нашей работе индий извлекается непосредственно из солнечных элементов путем кислотного выщелачивания в мягких условиях. Слой оксида индия и олова (ITO) выщелачивается разбавленной щавелевой кислотой, которая менее опасна, чем обычные минеральные кислоты. Индий извлекается с чистотой 4N за один химический этап. Этот процесс также позволяет отделить серебро от пластины, открывая возможности для извлечения этого другого ценного металла».

Исследователи объяснили, что традиционные методы гидрометаллургической переработки обычно основаны на кислотном выщелачивании с использованием соляной, серной или азотной кислоты, часто с добавлением окислителей, таких как перекись водорода, хотя эффективное разделение индия и олова остается серьезной проблемой. Чтобы решить эту проблему, они предложили двухэтапный процесс на основе щавелевой кислоты, который позволяет выщелачивать оксид индия и олова, высвобождать серебряные сетки и в конечном итоге извлекать индий в виде оксида для повторного использования.

Для экспериментов команда использовала порошок оксида индия и олова высокой степени очистки, щавелевую кислоту, серную кислоту и перекись водорода, а также гетеропереходные солнечные элементы, предоставленные CEA INES. Элементы состоят из кремниевой пластины, покрытой с обеих сторон слоями оксида индия и олова и серебра. Параллельно порошок оксида индия и олова диспергировали в кислотных растворах, нагревали при температуре от 40 до 70 °C в течение 48 часов, а затем фильтровали после охлаждения для сбора фильтрата. Солнечные элементы измельчили и обработали щавелевой кислотой в условиях контролируемого перехода из твердого состояния в жидкое, чтобы ускорить выщелачивание оксида индия и олова. Выход металлов был рассчитан на основе концентрации индия и олова, измеренной в растворе, относительно исходного состава материала.

Химический анализ проводился с помощью оптической эмиссионной спектроскопии с индуктивно-связанной плазмой для количественного определения растворенных металлов. Твердые фазы были охарактеризованы методом порошковой рентгеновской дифракции с использованием медного K-альфа-излучения для идентификации кристаллических структур и продуктов реакции. Полученные дифракционные картины были интерпретированы с помощью справочных баз данных и аналитического программного обеспечения. Изменения микроструктуры наблюдались с помощью сканирующей электронной микроскопии, а энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия обеспечивала элементное картирование и анализ состава. В совокупности эти методы позволили оценить эффективность растворения, фазовые переходы и извлечение металлов.

Результаты показали, что при комнатной температуре серная кислота приводит к медленному растворению индия, в то время как перекись водорода значительно улучшает процесс выщелачивания, усиливая окислительно-восстановительные реакции, которые способствуют разрушению оксидов. Щавелевая кислота также обеспечивает умеренное выщелачивание индия и по эффективности сравнима с серной кислотой в условиях слабого восстановления. Повышение температуры до 70 °C значительно ускоряет процесс во всех системах, обеспечивая практически полное извлечение индия в средах на основе серной кислоты, в то время как щавелевая кислота демонстрирует высокие, но менее стабильные показатели из-за эффекта осаждения. В щавелевой кислоте индий быстро образует нерастворимый оксалат индия, что подтверждается рентгеновской дифракцией и термическим анализом и объясняет снижение концентрации растворенного индия с течением времени.

Кинетические исследования показали, что более высокие температуры значительно повышают эффективность выщелачивания. Щавелевая кислота лучше проявляет себя на ранних стадиях, а серная кислота обеспечивает более стабильную конечную экстракцию. Расчеты энергии активации показали, что процесс контролируется химическими факторами, а не диффузией, при этом растворение индия и олова происходит за счет межфазных реакций. Также было установлено, что щавелевая кислота действует и как восстановитель, и как комплексообразователь, влияя на растворение индия и олова в зависимости от условий. Наконец, экспериментальные испытания кремниевых солнечных элементов с гетеропереходом подтвердили эффективное удаление слоя оксида индия и олова, селективное высвобождение серебряных сеток, а также успешное осаждение и прокаливание оксида индия высокой степени чистоты.

«После оптимизации параметров выщелачивания индия были определены оптимальные условия: 0,2 М раствор щавелевой кислоты при температуре 70 °C в течение 4 часов, что обеспечивает 97 %-ный выход индия в раствор, — заявили исследователи. — Растворение слоя оксида индия и олова позволило отделить серебряные сетки от кремниевой пластины». В этих мягких условиях индий и олово подвергались селективному выщелачиванию, а последующее комплексообразование катионов индия с анионами оксалата приводило к осаждению оксалата индия. Это позволяет разделить олово и индий на одном этапе фильтрации».

В перспективе ученые планируют распространить этот подход к переработке на другие материалы на основе оксида индия(III) (In₂O₃).

Предложенная технология переработки была описана в статье «Эффективная переработка индия и прямое извлечение серебряных сеток из солнечных элементов с гетеропереходом», опубликованной в журнале Solar Energy Materials and Solar Cells.

На сайте инверторы ру, вы можете купить аккумулятор FIAMM 12FGH50