Viability of Recycling Copper Indium Gallium Selenide (CIGS) in Photovoltaic Cells/ko

이것은 실험적인 수업 프로젝트이며, 실제 규모로 배포하기 전에 다듬어야 할 부분이 있습니다.

태양광 발전은 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치입니다. 태양광(PV) 전지는 다양한 전기 응용 분야에 필요한 전기를 생산할 수 있으며, 대부분의 지역에서 이론적으로 어떤 규모로든 구현할 수 있습니다. PV 전지의 성능은 구성 요소인 반도체 재료의 품질에 따라 좌우됩니다. 특히 이 페이지에서는 PV 전지의 반도체 재료인 CIGS에 대해 논의할 것입니다. 미국 국립 태양광 연구 교육 센터(NCPRE)에 따르면, 반도체 재료를 설계에 적용하기 전에 평가해야 하는 기준이 있습니다. ^{[ 2 ]} 이러한 기준에는 다음이 포함됩니다.

• 흡수 계수: 흡수 계수가 높을수록 반도체 소재를 더 얇게 만들 수 있습니다. 박막 응용 분야에서는 이러한 특성이 선호됩니다.
• 원자재의 풍부함: 모든 응용 분야에 사용되는 반도체 재료는 합리적인 가격으로 쉽게 구할 수 있어야 합니다.
• 재료의 독성: 반도체 재료는 환경에 무해해야 합니다.
• 재료 및 접합부의 안정성: 특정 용도에 사용할 재료는 설치될 환경의 기후를 견딜 수 있어야 하며 화학적으로 안정적이어야 합니다.
• 방사선 저항성: 특히 대부분의 태양광 발전 응용 분야에서 반도체 재료는 노출될 수 있는 고에너지 방사선에 의해 열화되지 않아야 합니다.

태양광 전지의 흡수층으로 사용되는 CIGS에 대해 구체적으로 살펴보면 다음과 같은 점을 알 수 있습니다.

CIGS는 화학적으로 Cu(In,Ga)Se₂로 표현되며 _, 정방정계 황동광 구조로 결정화되는 I-III-VI₂ 반도체 재료 계열에 속합니다. 높은 흡수 계수와 10⁵/cm, 1.04eV~1.70eV의 직접 밴드갭 덕분에 태양광 전지에서 요구되는 기능을 수행하기 위해서는 매우 얇은 CIGS 층만 필요합니다. CIGS는 또한 Ga 함량을 변화시켜 밴드갭을 어떤 상황에서도 최적화할 수 있다는 점에서 독특합니다. 구체적으로, Ga 함량을 조절함으로써 밴드갭을 1.04eV에서 1.7eV까지 조절할 수 있습니다. 이러한 CIGS의 고유한 특성은 실내 응용 분야(계산기 등)뿐만 아니라 대규모 응용 분야(태양광 발전소, 지상 발전 등)에도 사용하기에 탁월한 소재로 만들어줍니다. 위에서 언급한 특성, 즉 높은 흡수율과 유연한 밴드갭(밴드갭 방정식은 아래 식 1.1.1 참조)은 다른 반도체 재료와 경쟁할 수 있게 해줍니다. 예를 들어, 결정질 실리콘, 비정질 실리콘 및 CdTe. ^{[ 3 ]}

CuIn _1-x Ga _x Se ₂ 의 밴드갭은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

Eq. 1.1.1 Eg=1.010 + 0.626x - 0.167x(1-x) ^{[ 3 ]}

CIGS 기반 태양전지는 높은 흡수 계수와 밴드갭 유연성 외에도 제작 비용이 저렴하고 유리, 금속 또는 플라스틱과 같은 저렴한 기판에 적용할 수 있다는 장점이 있습니다. 이는 CIGS 증착에 고온이 필요하지 않기 때문에 유리한 점입니다. CIGS 기반 태양광 전지를 제작할 때는 기판 모델과 상부 기판 모델, 두 가지 모델을 사용할 수 있습니다. 단면도는 그림 1을 참조하십시오.

• 기판 모델: 후면 접점은 유리 기판 위에 있으며, 빛은 태양 전지의 최상층에 조사됩니다. 따라서 태양 전지의 성능 저하를 방지하기 위해 추가적인 패시베이션 처리가 필요합니다.
• 상부 기판 모델: 전면 접점이 유리 기판 위에 놓여 있고 빛이 표면 위에서 입사합니다. 이 모델의 장점은 추가적인 패시베이션 처리가 필요 없다는 것입니다.

모델이 선택되면 CIGS 기반 PV 셀의 제작 과정을 시작할 수 있습니다. 기판형 또는 상부기판형 모델 모두 다양한 제작 방법이 있으며, 다음과 같은 방법들이 포함됩니다.

• 공증발 ^{[ 3 ]}
  • 여기서는 3단계 프로세스가 사용됩니다.
  • 1단계: 비교적 낮은 온도에서 인듐, 갈륨, 셀레늄 증착
  • 2단계: 고온에서 과량의 구리를 증발시켜 구리가 풍부한 성장 단계
  • 3단계: 필름 전체의 인(In) 함량이 높은 구성을 보장하기 위해 In, Ga 및 Se만 증착합니다.
• 이 건설 과정에는 섭씨 450~500도의 온도가 필요합니다.
• 셀렌화 ^{[ 3 ]}
  • 이 제조 공정에서 첫 번째 열처리 과정을 통해 Mo 코팅된 유리 기판 위에 Cu, In, Ga가 증착됩니다. 이 과정이 완료되면 구성 요소는 셀렌화 공정을 거치는데, 이 과정에서 H₂Se가 증착됩니다 _. 그 후 두 번째 열처리 공정이 시작되어 일반적인 Cu(In,Ga)Se₂ (앞서 설명한 것)가 아닌 Cu(In,Ga)(S,Se)₂ 흡수층이 형성됩니다 _. 이 방법의 단점은 H₂Se가 매우 유독하여 적절한 취급과 주의가 필요하다는 것입니다 . _{공 증착법} 과 마찬가지로 이 공정은 CIGS 상의 성장을 촉진하기 위해 높은 기판 온도가 필요합니다.
• 분무 열분해 ^{[ 3 ]}
  • 태양광 효율 측면에서 가장 비효율적인 방법일 가능성이 높습니다. 이 방법에서는 CuCl₂, InCl₃, SC(NH₂)₂ 및 GaCl₃ 전구체 박막을 ₃₅₀ ~ ₄₀₀ ℃ _로 예열 _된 유리 _기판 위에 분사합니다. 전구체 박막이 증착되면, 적절한 구조가 얻어질 때까지 450~500℃의 H₂Se 분위기에서 기판을 열처리해야 합니다.
• 전기 도금 ^{[ 3 ]}
  • 이 방법은 Cu, In, Se 및 Ga의 전기화학 용액 사이의 전극 전위 원리에 기반합니다. 용액 내 원소들 간의 전극 전위 차이가 증착 과정에서 원자의 증착 시점을 제어합니다. 증착을 유도하기 위해 작업 전극, 상대 전극 및 기준 전극의 세 전극 시스템이 사용됩니다. 작업 전극과 상대 전극(또는 불활성 전극)은 전원에 연결되어 실제 증착을 유도합니다. 기준 전극은 작업 전극의 전위를 제어하여 기판에 지속적이고 일정한 증착이 이루어지도록 하기 위해 필요합니다. 기준 전극의 일반적인 재료로는 Ag/AgCl 및 Gh/Hg2Cl2가 있습니다.
• 스퍼터링 ^{[ 3 ]}
  • 가장 직관적인 공정입니다. 기판을 섭씨 400도로 가열하고 약 10⁻⁴ torr의 진공 상태에 넣습니다 ^. 이 상태가 되면 전원을 CIGS 타겟과 기판에 연결합니다. 이 전원이 스퍼터링을 유도합니다.

CIGS는 박막 PV에 대해 우수한 효율을 가지고 있지만 결정질 실리콘 PV를 능가하지 못했습니다. 이는 주로 제조 공정 비용이 많이 들고 태양광 산업에 큰 영향을 미친 경기 침체 때문입니다. 최근 생산 능력 확장과 CIGS 시장 성장으로 투자가 시작되고 있습니다. NanoMarkets는 PV 시장용 CIGS 생산 규모가 2011년 6억 1,340만 달러에서 2018년 54억 1천만 달러로 성장할 것으로 예상합니다. 그러나 CIGS 제조업체는 PV 시장에서 기존 결정질 실리콘과 경쟁하기 위해 더 저렴한 공정과 기판을 개발하는 것이 중요합니다. ^{[ 5 ]}

다음은 가장 널리 알려진 CIGS 생산 업체들의 현재 생산 공정을 간략하게 설명한 것입니다.

• Solibro - 공동증발 CIGS 공정: 17.4%의 전력 변환 효율을 갖는 모듈을 생산하는 공정 ^{[ 6 ] [ 7 ]}
• MiaSole - CIGS는 진공에서 연속 스퍼터링 ^{[ 8 ]을} 통해 유연한 스테인리스강 기판에 완전히 증착되어 9-10%의 효율을 갖는 모듈을 생산합니다 ^{[ 9 ].}
• Solyndra - Cu, In, Ga, Se가 유리관에 직접 증착되어 7-10%의 효율을 갖는 모듈을 생산하는 공증발 공정 ^{[ 10 ]}
• 글로벌 솔라 - 공동증발 CIGS 공정: ^{[ 11 ] 실험실 샘플에서 최대 19.9%의 효율을 갖는 모듈과 생산 셀에서 평균 10.5%-11%의 효율을 갖는 모듈을 생산하기 위해 인라인 3단계 증착 공정 [ 12 ]} 을 사용 합니다 ^{[ 13 ].}
• Soltecture - 공동 증발 공정 ^{[ 14 ]} 을 통해 최대 13%의 효율과 평균 12%의 효율을 갖는 모듈을 생산합니다 ^{[ 15 ].}
• 나노 솔라 - 나노입자 잉크는 반도체를 유연한 기판에 인쇄하는 데 사용되어 8-9%의 효율을 갖는 모듈을 생산합니다 ^{[ 16 ] [ 17 ].}

NanoMarkets는 CIGS가 강력한 입지를 확보할 수 있는 세 가지 시장으로 기존 패널 시장, 경질 및 연질 건물 일체형 태양광(BIPV) 시장, 그리고 모바일 시장을 꼽았습니다.

• 기존 패널 시장 : 상품화되고 경쟁이 심화되는 시장에서 CIGS 제조업체는 제조 기술과 더욱 효율적인 소재를 개발해야 할 것입니다. 그렇게 되면 CIGS는 결정질 실리콘에 가까운 가격으로 판매될 가능성이 있습니다. CIGS 제조업체는 주거용 및 장기 사용 용도 또한 고려해야 합니다.
• 경질 및 연질 BIPV : 이 범주, 특히 연질 BIPV 분야에서 CIGS는 상당한 이점을 가지고 있습니다. NanoMarkets는 현재 대부분의 연질 BIPV 제품이 CIGS로 제작될 것으로 예상합니다. CIGS는 습기에 매우 민감하므로, 경질 BIPV 시장을 공략하기 위해서는 제조업체들이 박막 실리콘에 비해 가벼운 무게, 직접 증착 가능성, 높은 출력 등의 장점을 활용해야 합니다.
• 휴대용 전자 기기 : 휴대용 시스템에는 고출력 태양광 발전 시스템이 필요하며, CIGS(클러스터형 태양광 패널)가 이를 제공할 수 있습니다. 시장 규모는 기존의 일반 태양광 패널이나 건물일체형 태양광 발전(BIPV)만큼 크지는 않지만, 수익성은 상당히 높을 것으로 예상됩니다. CIGS 제조업체는 시장 점유율을 확보하기 위해 소비재 기업과의 협력이 필요할 것입니다.

GTM Research에 따르면 CIGS 기반 PV 셀 출하량은 메가와트급에 달했습니다. 구체적으로 말하자면, 다음 회사들이 다음과 같은 수치를 생산한 것을 확인할 수 있습니다. ^{[ 18 ]}

• 솔리브로 , 66메가와트
• 미아솔레 , 60메가와트
• 솔린드라 , 약 40메가와트 발전 용량; 출하량은 알려지지 않음
• 글로벌 솔라 , 19메가와트
• 솔텍처 , 14메가와트
• 나노 태양광 발전 , 10메가와트 미만

위에서 언급한 현재 시장 전망과 CIGS 제조 공정의 기술 발전으로 인해 NanoMarkets는 향후 10년 동안 CIGS 관련 매출이 기하급수적으로 증가할 것으로 예상합니다.

매립 처리의 경제적 비용은 일부 PV 모듈의 재활용 비용보다 낮습니다. ^{[ 19 ]} 따라서 매립 처리가 재활용보다 더 유리하지만, CIGS PV 셀 재활용에는 수익성이 있습니다. 이러한 수익성을 활용하기 위해서는 CIGS PV 수집 방법을 모색해야 합니다. 재활용을 위한 수집의 타당성은 복잡한데, 장치가 설치된 시점과 폐기되는 시점 사이에 오랜 기간(수십 년)이 있기 때문입니다. 또한, CIGS PV 모듈은 가치 있는 물질의 농도가 낮고 지리적으로 넓게 분포되어 있습니다. 이러한 모든 문제점을 해결하기 위해 Fthenakis는 다른 제품의 세 가지 가능한 수집 방법을 제시했고 ^{[ 20 ]} 이를 CIGS PV 모듈 재활용에 적용했습니다.

• 공공재 모델: 대규모 최종 사용자(예: 전력 회사)는 대규모 태양광 발전 시스템의 주요 소유자이자 서비스 제공업체로서, 수명이 다한 모듈을 수거하여 재활용 업체에 운반할 책임이 있습니다. 이 예에서 재활용 비용은 공공요금에 포함됩니다.
• 전자제품 모델: 제조업체는 수명이 다한 모듈을 개별적으로 수거하여 재활용 업체에 운반할 책임이 있습니다. 이 경우 재활용은 통합 해체 및 재료 재활용 업체에서 수행될 가능성이 높으며, 비용은 폐기물 발생자, 제조업체 또는 구매 시점에 마련된 에스크로 기금에서 부담합니다.
• 배터리 모델: 제조업체들은 수명이 다한 모듈을 수거하여 재활용 업체에 운반하는 책임을 공동으로 부담합니다. 이 모델에서는 역소매 채널과 통합 업체를 통해 수거 및 운송이 이루어질 수 있습니다. 재활용은 해체 업체와 재료 재활용 업체에서 완료합니다. 또한, 역소매 채널을 통해 수거된 모듈은 제련소로 보내질 수 있습니다. 이 예시에서 재활용 비용은 업계 회비로 충당됩니다.
• 법적 의무: 2012년 8월 13일 개정된 WEEE 지침이 발효된 이후, CIG(S)를 포함한 PV 모듈의 수집 및 재활용은 유럽 연합 국가에서 의무적인 요구 사항이 되었으며 ^{[ 21 ]} 따라서 위에 나열된 모델에 추가해야 합니다. WEEE 지침은 집단(전자제품 모델 참조) 및 개별(배터리 모델 참조) 개념을 모두 허용하지만, 회원국은 국가 차원에서 운영 절차를 정의합니다.

기업들도 유사한 모델을 탐색하기 시작했습니다. McDonald와 Pearce는 개발된 환경적으로 책임 있는 재활용 모델 3가지를 요약했습니다. ^{[ 19 ]}

• 퍼스트 솔라(First Solar) 사례: 퍼스트 솔라 모듈을 구매할 때마다 향후 수거 및 재활용 비용을 충당하기 위한 자금이 적립됩니다. 이 자금은 모듈 수거 및 재활용과 관련된 모든 포장 및 운송 비용을 충당하는 데 사용됩니다. 이 프로그램은 세 단계로 구성됩니다. 각 모듈을 등록하고, 사용 후 모듈을 수거한 다음, 재료를 회수하기 위해 모듈을 재활용합니다. 이 사례의 한 가지 단점은 퍼스트 솔라 제품의 수거 및 재활용만을 위해 설계되었다는 점입니다.
• SolarWorld AG 사례: 이 회사는 모든 디자인과 크기의 손상된 태양광 모듈을 재활용하도록 설계된 프로그램을 운영하고 있습니다. 모든 유형의 모듈을 수용하는 이 프로그램은 회사에 경제적으로 이익이 되지 않을 수 있으며, 재활용 수요가 증가할 경우 유지 관리가 어려워질 수 있습니다.
• PV 사이클 예시: 유럽 PV 산업에서 생산자 책임 재활용 이니셔티브로 만들어졌습니다. 이 프로그램은 개정된 WEEE 지침이 발효될 때까지 자발적이었으며 회원은 언제든지 탈퇴할 수 있었고 이후 유럽 연합 및 EFTA 국가에서 개정된 WEEE 법에 따라 운영되는 집단 폐기물 관리 및 규정 준수 제공업체 ^{[ 22 ] 가 되었습니다.}

예상 수명이 20~30년인 PV 모듈에서 발생하는 폐기물의 양은 지금까지 상대적으로 적었지만, 최초의 PV 모듈 수명이 다해감에 따라 재활용 공정이 점점 더 중요해질 것입니다. 이러한 재활용 공정은 환경 친화적이어야 하며, 넓은 지역에 흩어져 있는 소량의 모듈에 적합해야 합니다. PV 모듈의 본격적인 재활용은 아직 10년 정도 더 걸릴 것으로 예상되지만 ^{[ 23 ]} , 지금부터 실행 가능한 재활용 방안을 모색하는 것이 중요합니다. 아래에서는 PV 셀 재활용을 위한 다양한 방안 ^{[ 23 ]} 과 이를 설계하는 기업들을 살펴봅니다.

• Loser Chemie: CIS, CIGS 및 CdTe 태양광 폐기물에서 금속을 회수하기 위해 상온에서 작동하는 범용 화학 공정입니다. 유리는 셀에서 기계적으로 분리되고, 세척되고, 오염 물질이 있는지 검사됩니다.
• 사페라텍(Saperatec): 파손되거나 폐기된 카드뮴 테트라하이드로테륨(CdTe) 및 CIGS 모듈은 계면활성제 혼합물이 포함된 용액으로 처리됩니다. 이를 통해 재활용 가능한 부분을 유리에서 분리하여 필터에 모을 수 있습니다. 재활용 가능한 부분은 추가 처리 공정으로 옮겨지고, 유리는 세척 탱크로 보내집니다.
• SolarCycle GmbH: 2013년 설립 예정인 이 회사는 결정질, CIS형 태양광 폐기물 및 CIGS형 태양광 폐기물의 투입 재료를 85%까지 재활용할 수 있는 방법을 개발했습니다. 이 공정은 열처리, 물리적 처리 및 화학적 처리를 결합한 것입니다.
• 퍼스트 솔라(First Solar): CIGS와 같은 박막 모듈을 재활용합니다. 현재까지 재활용되는 재료의 대부분은 제조 과정에서 발생하는 폐기물이며, 소량은 보증 반품된 모듈입니다. 재활용 과정에서 태양광 폐기물은 파쇄 및 분쇄된 후, 산과 과산화수소를 사용하여 반도체 필름을 제거하고 액체에서 유리 재료를 분리합니다. 회사 측은 유리의 90%, 반도체의 95%를 회수할 수 있다고 밝혔습니다.

퍼스트솔라 재활용 공정의 높은 회수율을 고려할 때, 퍼스트솔라 모델은 본 프로젝트에 매우 적합한 모델입니다. 따라서 본 프로젝트의 나머지 부분에서는 퍼스트솔라 재활용 공정에 대한 추가 분석 및 적용을 진행할 것입니다. 이 공정은 원래 카드뮴 텔루라이드(CdTe) 모듈 재활용을 기반으로 개발되었지만, 이제는 CIGS 모듈 재활용에도 적용될 예정입니다.

First Solar의 재활용 공정에서는 보증 기간 만료 및 수명이 다한 모듈을 수거하여 제조 폐기물과 함께 파쇄합니다. 그런 다음 파쇄된 재료를 해머 밀에서 추가로 분쇄합니다. 다음으로 회전하는 스테인리스 스틸 드럼에서 재료를 회전시켜 PV 필름을 제거합니다. 최적의 고체-액체 비율을 얻기 위해 유리에 약황산과 과산화수소를 첨가합니다. ^{[ 24 ]} 이 단계에서 액체와 고체 성분을 분리할 수 있으며, 이후 공정이 두 단계로 나뉩니다. 반도체 재료는 수산화나트륨을 사용하여 pH를 점차 증가시키면서 3단계에 걸쳐 침전시킵니다. ^{[ 24 ]} 마지막으로 침전물을 탈수 단계로 옮겨 반도체 재료를 분리하는데, 이를 필터 케이크라고 합니다. 이 필터 케이크에는 반도체 재료의 95%가 포함되어 있으며 제3자 업체에서 처리합니다. 한편, 유리 라미네이트 재료에서 라미네이트를 여과하고 유리를 세척하여 깨끗한 유리 조각을 생산합니다. 이 공정을 통해 유리의 90%를 회수하여 재사용할 수 있습니다. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

CIGS 태양광 모듈의 정량화 가능한 재활용 재료 ^{[ 19 ]}

재활용 가능성 계산은 1m² ^크기의 태양광 모듈을 기준으로 합니다. 계산에는 인듐, 갈륨, 유리만 고려되었지만, 프레임과 뒷면에 사용된 금속이나 플라스틱도 재활용될 수 있습니다. 산업 표준, 시장 가치, 반도체의 고유 특성에 대한 가정 등이 다르기 때문에 이러한 계산에는 오차가 발생할 수 있습니다.

갈륨, 인듐 및 유리를 재활용하여 얻는 이익은 방정식 2.3.1을 사용하여 계산됩니다.

식 2.3.1 재료 수익($⁄모듈) = 질량(g) * 가치($⁄g)

식 2.3.2는 태양광 모듈의 사용 가능한 부분을 계산하고 이를 총 질량으로 곱하여 m² 모듈^당 낭비되는 질량을 결정합니다 .

식 2.3.2 낭비 질량(kg/모듈)=(면적(m² ⁾ *단위 면적당 전력(W/ ^m² )*전체 태양광 모듈 질량(kg))/(출력 전력(W))

방정식 2.3.2에서 얻은 폐기 질량의 값은 방정식 2.3.3에 나타낸 바와 같이 폐기물 처리 비용, 즉 고체 유해 폐기물을 kg당 처리하는 가격으로 곱해집니다.

식 2.3.3 폐기 비용($/모듈) = 폐기 질량(kg/모듈) * 전복 비용($/kg)

^{방정식 2.3.4는 실험적 비용 추정치 [ 20 ]} 와 셀의 전력 출력을 곱하여 재활용 비용을 결정합니다 .

식 2.3.4 재활용 비용($⁄모듈) = 0.11($/W) * 출력(W)

식 2.3.5는 인듐, 갈륨, 유리 재활용으로 얻는 이익과 유해 폐기물을 처리하지 않아 절약되는 비용을 합산하여 총 이익을 계산합니다. 이 값에서 재활용 비용을 빼면 표 2.3.3에서 볼 수 있듯이 재활용 과정이 이익을 가져다준다는 것을 알 수 있습니다.

식 2.3.5 총 이익($/모듈) = 인듐 이익($/모듈) + 갈륨 이익($/모듈) + 유리 이익($/모듈) + 폐기 비용($/모듈) - 재활용 비용($/모듈)

여기서 주목해야 할 점은 조사 대상 모듈이 솔린드라(Solyndra) 모듈이었으며, 이 모듈은 맥도날드와 피어스가 이전에 조사했던 평판형 패널 모듈보다 재활용을 통해 더 큰 수익을 창출하는 것으로 나타났다는 것입니다.

수집 방법을 정량화하기 위해서는 모든 모듈의 질량을 킬로그램 단위로 측정해야 합니다. 총 질량은 식 3.1.1을 사용하여 계산할 수 있습니다.

식 3.1.1 총 질량 (kg) = ( 총 출력 (MW)*(1*10 ⁶ W/MW)* 모듈 질량 (kg))/ 모듈 출력 (W)

표 2.3.3의 값을 이용하면 모듈 하나의 질량은 31kg이고 모듈 하나의 출력은 188.5W임을 알 수 있습니다. 생산된 모든 CIGS PV 모듈을 위에서 설명한 다양한 수집 과정을 통해 100% 수집할 수 있다고 가정하면 총 209MW의 CIGS PV 셀을 수집할 수 있습니다. 이러한 값과 식 3.1.1을 사용하면 수집된 CIGS PV의 총 질량은 3.44 x ^10⁷ kg이 됩니다.

위의 표 2.3.3에 제시된 정보를 바탕으로 갈륨, 인듐, 유리의 재활용 가능 질량을 계산할 수 있습니다. 총 재활용 가능 질량은 1.827 x ^10⁷ kg으로 계산되었습니다. 각 재료의 가치를 이용하여 각 재료별 수익을 계산할 수 있습니다. 이 정보는 표 3.1.1에 정리되어 있습니다. 이 계산은 갈륨과 인듐의 회수율을 95%, 유리의 회수율을 90%로 가정한 것입니다. 계산에는 인듐, 갈륨, 유리만 고려되므로 나머지 46.91%의 모듈은 폐기물로 간주됩니다.

모든 재활용 방법에는 오염 물질이 시스템으로 유입될 가능성이 있습니다. 황산, 과산화수소, 수산화나트륨과 같은 오염 물질은 재활용 과정 전반에 걸쳐 시스템에 유입될 수 있습니다. 다음은 이러한 오염 물질이 시스템으로 유입되는 경로에 대한 설명입니다.

• 황산은 고체 반도체 물질을 액체에 현탁시키기 위해 공정에 첨가되는 과정에서 시스템 내로 유입될 수 있습니다.
• 과산화수소는 고체 반도체 물질을 액체에 현탁시키기 위해 공정에 첨가되므로 시스템 내로 유입될 수 있습니다.
• 반도체 재료의 침전 단계에서 수산화나트륨이 사용되기 때문에 시스템 내로 유입될 수 있습니다.

구리, 인듐, 갈륨 및 셀레늄의 회수율이 각각 99.5%, 99.3%, 99.2%, 99.4%인 경우 ^{[ 30 ]} 각 용기의 농도는 1% 미만이 되므로 실험적으로 추가 조사가 필요합니다.

회수율과 발생 가능한 오염 물질을 파악한 후 재활용 공정의 효율을 계산할 수 있습니다. 효율은 식 3.3.1을 사용하여 계산합니다.

식 3.3.1 효율 (%) = [ 총 재활용량 (kg)/( 총 폐기량 (kg) + 총 재활용량 (kg))]*100%

앞서 구한 값을 대입하면 효율은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

효율 (%) = [1.827x10⁷ ^kg /3.44x10⁷ ^kg ]*100%

효율 (%) = 53.1%

CIGS 기반 반도체는 현재 1.1~1.7 eV 범위의 밴드갭과 약 19.9%의 효율을 얻을 수 있습니다. 고품질 모놀리스 CIGS 기반 반도체에서 이러한 수준을 얻으려면 구리, 갈륨, 인듐 및 셀레늄 원소의 순도가 99.99995%여야 합니다. ^{[ 31 ]} 정제 과정의 대부분은 염산과 과산화수소 용액에 재료를 담그는 방식으로 진행됩니다. 이 단계에서 반도체 필름이 유리 기판에서 분리됩니다. 다른 정제 과정과 마찬가지로 이 단계는 쉽게 반복할 수 있습니다. 산 용액의 농도, 담금 시간 및 온도는 쉽게 조절할 수 있습니다. 이 첫 번째 용액은 셀레늄을 분리하고 구리와 인듐을 분리합니다. 이후 공정에서는 SLM(Supported Liquid Membrane) 및 스트립 분산 용액을 사용하여 인듐과 갈륨을 분리합니다. 셀레늄의 추가 정제는 증류를 통해 얻을 수 있으며, 이 과정에서는 셀레늄을 (불활성 분위기에서) 용융 온도 이상으로 가열하여 불순물 산화물을 제거합니다. ^{[ 30 ]} 필요한 경우 이 두 번째 공정을 수행할 수 있습니다. 그러나 위의 공정의 목적은 하나의 산 용액을 사용하여 구리, 인듐, 갈륨 및 셀레늄을 추출하는 것입니다. 원하는 모든 금속이 용액에 있으면 전해 채취 공정을 통해 용액에서 순수 금속을 제거할 수 있습니다. 따라서 염산과 과산화수소 용액을 10:2의 비율로 사용하면 구리, 인듐, 갈륨 및 셀레늄의 회수율이 각각 99.5%, 99.3%, 99.2%, 99.4%가 될 것으로 예상할 수 있습니다. ^{[ 30 ]} 제품 검색을 통해 전해 채취 공정에 대한 잠재적인 전력 계획이 밝혀졌습니다(아래 참조). ^{[ 32 ]}

매질 내 반도체 물질의 상대적인 양을 정확하게 읽기 위해 다양한 특성화 도구를 사용할 수 있습니다. 우리의 특정 공정의 경우 가장 확실한 후보는 ICP-OES(유도 결합 플라즈마 광학 방출 분광법), EDS(에너지 분산 분광법)와 결합된 SEM(주사 전자 현미경) 및 XRD(X선 회절)입니다. ^{[ 33 ]}

• ICP-OES는 유도 결합 플라즈마를 이용하여 물질 내부의 원자를 여기시키는 분석법입니다. 물질에서 방출되는 전자기파는 특정한 파장을 생성하며, 방출된 파장의 강도에 따라 원소의 농도를 측정할 수 있습니다.
• 주사전자현미경(SEM)과 에너지분산분석기(EDS)를 결합하여 사용하는 것은 여러 가지 이점이 있습니다. SEM은 고배율 이미징을 가능하게 할 뿐만 아니라 화학 분석이 일어날 수 있는 정확한 위치를 파악할 수 있도록 해줍니다. SEM에서 원소 정보를 얻으려면 EDS 검출기가 필요합니다. 이 분석 기술은 시료 내 전자가 고에너지 껍질에서 저에너지 껍질로 이동할 때 발생하는 X선을 이용합니다.
• X선 회절 분석(XRD)은 브래그 방정식의 원리에 기반합니다. 이 방법에서는 시료에 X선을 조사하고 반사된 방사선의 강도를 기록합니다. 반사된 방사선을 분석하여 반사각 θ를 측정하고, d-간격을 계산할 수 있습니다. 이 두 가지 값을 이용하여 시료에 존재하는 특정 원소의 특징적인 피크를 확인할 수 있습니다.

브래그 방정식: eta=2dSin(Θ)

1. CIGS를 복제하는 가장 간단한 대안은 추출된 재료를 시장 가격으로 판매하는 것입니다. 이렇게 하면 시설이 유리 공장 근처에 있을 필요가 없으므로 더 작은 시설, 더 낮은 초기 비용, 더 넓은 위치 선택이 가능해집니다. 모든 반도체 및 금속 재료는 이익을 남기고 판매할 수 있으며 ^{[ 26 ]} , 유리는 여과 장치, 샌드 블라스팅, 글래스팔트 등 여러 용도로 사용됩니다. ^{[ 34 ]}
2. 두 번째 대안은 재활용 시설을 기존 CIGS 태양광 셀 생산 업체와 제휴시키는 것입니다. 재활용 시설은 가치 있는 재료를 분리하여 인근 태양광 셀 생산 업체로 운송합니다. 이렇게 하면 생산 업체는 반도체 증착 과정에서 발생하는 폐기물을 정제 및 재활용할 수 있으며, 재활용 및 정제 시설에 대한 수요 안정성도 확보할 수 있습니다. 또한, 고객으로부터 불량 태양광 셀에 대한 통보를 받으면 해당 셀을 재활용 시설로 보낼 수 있습니다.
3. 또 다른 대안은 LED 조명에 반도체를 사용하는 것입니다. 갈륨과 인듐은 전체 스펙트럼의 빛을 생성하는 광범위한 LED에 사용됩니다. 셀레늄도 몇 가지 유형에 사용되지만 갈륨만큼 널리 사용되지는 않습니다. ^{[ 35 ]}
4. 마지막 대안은 재활용 재료를 사용하여 다양한 다른 반도체 장치를 생산하는 것입니다. 갈륨은 인기 있는 반도체 재료인 갈륨비소에 사용되며 논리 칩, 레이저 및 PV 셀을 만드는 데 필요합니다. ^{[ 36 ]} 인듐은 전계발광 패널 및 다양한 기타 반도체 재료에 사용됩니다. ^{[ 37 ]} 셀레늄은 복사기의 토너로 사용될 뿐만 아니라 유리에도 사용됩니다. ^{[ 38 ]}

대안 2는 태양광 전지를 재생산하는 데 있어 가장 최적의 대안으로 보입니다. 운송비, 수거비, 초기 투자 비용을 최소화하면서 수익은 안정적으로 유지할 수 있습니다. 제조업체와의 파트너십은 사업의 안정성을 확보하고 상호 이익이 되는 관계를 구축할 수 있게 해줍니다. 한 회사가 성장하면 다른 회사도 함께 성장할 수 있습니다. 따라서 CIGS 태양광 전지 제조업체와의 파트너십은 CIGS 재활용 시설이 따라야 할 사업 개발 계획입니다.

CIGS 재활용 시설은 미국 남서부에 위치할 예정입니다. 이는 CIGS 태양광 전지 제조 시설 대부분이 이 지역에 집중되어 있기 때문입니다. 또한, 이 지역에서는 태양광 전지 사용량이 많아 수거 비용을 최소화할 수 있습니다.

기계가 있는 모든 작업 환경과 마찬가지로, 보안경, 귀마개, 앞코가 막힌 신발, 그리고 적절한 복장을 항상 착용해야 합니다.

해당 시설에는 다수의 유해물질 감지기, 세척 시설, 소화기 및 비상 탈출구가 설치될 것입니다. 시설 전체는 환기가 잘 되도록 설계되었으며, 유해 가스 및 미립자가 발생하는 구역에는 흄 후드가 설치될 것입니다. 또한 OSHA에서 정한 모든 기준을 준수할 것입니다.

재활용될 CIGS 태양전지는 유리 분쇄기를 통과해야 하는데, 이 과정에서 태양전지의 미세 입자가 공기 중으로 방출됩니다. 태양전지에는 독성이 매우 강한 카드뮴이 소량 함유되어 있기 때문에, 흡입 시 유독하고 피부에 부식성이 강하므로 밀폐된 공간에서 분쇄하는 것이 가장 좋습니다. 따라서 작업자는 필터 마스크와 방호복을 착용해야 합니다. 또 다른 대안은 위험한 환경에서 로봇 기계를 활용하는 것입니다. 로봇은 재료 분리 및 정제에 사용되는 일부 유해 화학 물질도 처리할 수 있습니다. 로봇 운영 시스템을 도입하는 데 있어 가장 큰 문제는 비용입니다. 초기 투자 비용이 숙련된 인력을 사용하는 재활용 공정보다 훨씬 높기 때문입니다. 하지만 보험료는 로봇 시스템이 더 저렴할 것으로 예상됩니다.

아래에는 CIGS 태양 전지를 재활용하는 데 필요한 화학 물질에 대한 MSDS 시트가 나열되어 있습니다. ^{[ 39 ]}

물질안전데이터시트(MSDS)

• CIGS 태양 전지
• 디(2-에틸-헥실)인산, D2EHPA
• 염산
• 황산
• 과산화수소
• 수산화나트륨

재활용 및 정화 에너지

필요한 장비:

• 파쇄기 - 허난성 산싱기계유한공사 파쇄기 (특허번호: 2L2007200892381.1, 2L200720093087.7, 2L20072093090.9) - 55kW
• ICP-OES - 옵티마 8000 ICP-OES 분광기 - 5.3kW
• 유리 분쇄기 - 허난성 산싱기계유한공사 임팩트 크러셔 ISO9001:2008 인증 - 55kW
• 전해채취 공정 - 전해채취 금속 회수 시스템 - 110kW
• XRD - SAFRAN XRD 3500 - 25kW
• 총계 = 270.3kW
• 연간 근무 시간 = 8765.81시간
• 처리된 제품량 = 3.44 x ^10¹⁰ 그램/년
• 시설의 총 에너지 소비량 = (8765.81 (시간/년) / 3.44 x ^10¹⁰ (g/년)) * 270.3 (kW) = 6.89 ^{x 10⁻⁵} kW*시간/그램

에너지 수집

현재 CIGS PV 셀의 수명이 다한 경우가 드물기 때문에 수명이 다한 셀을 대량으로 수거하는 것에 대한 데이터는 찾을 수 없습니다. 현재 재활용해야 하는 유일한 재료는 파손되거나 결함이 있는 셀과 제조 과정에서 발생하는 폐기물입니다. ^{[ 40 ]} PV 셀의 크기가 비교적 크고 일반적으로 설치되는 수가 많기 때문에 수거소에 의존하는 것은 현실적으로 불가능하므로 트럭이나 운송업체를 이용한 수거 시스템이 사용될 가능성이 높습니다. 수거 비용은 와트당 약 0.08달러로 추산되므로 ^{[ 20 ]} 실제 비용은 재활용할 PV 셀의 양에 따라 달라집니다.

운송

이상적으로는 재활용 시설이 CIGS PV 셀 제조 공장 바로 옆이 아니라 매우 가까운 곳에 위치해야 하므로 운송 비용과 에너지 소비를 최소화할 수 있습니다. 이렇게 하면 지게차만 사용해도 될 가능성이 있습니다. 최근 웨스턴 미시간 대학교의 연구에 따르면 태양광 충전소와 더 나은 배터리를 사용하면 지게차로 하루 동안 작업하는 데 필요한 에너지를 충분히 공급할 수 있는 것으로 나타났습니다. ^{[ 41 ]} 이것이 지속 가능한 것으로 입증되면 운송에 필요한 에너지와 비용을 최소화할 수 있습니다.

발전소 완공에 필요한 장비에 대한 자세한 내용은 위의 섹션을 참조하십시오.

• 이러한 수익성은 CIGS를 태양광 전지에 재활용하는 것이 실현 가능하다는 것을 입증하므로, 이제 프로젝트는 사용 후 재활용의 잠재력에 초점을 맞추고 있습니다.

• 생산자 책임 및 태양광 모듈 재활용