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- 30년 전 시장에 출시된 최초의 실리콘 태양광 패널은 이제 수명이 다해 교체 필요
- 현재 실리콘 웨이퍼 폐기물 관리하는 효율적인 기술 없어. 태양광 모듈은 매립지에 버려져
- 재활용 첫 번째 단계: 태양광 모듈을 150도에서 3분 동안 열처리 EVA캡슐화를 부드럽게
- 독성 용매 대신 물, 성능 저하시키지 않고 모든 부품을 새로운 페로브스카이트 태양 전지에서 재사용할 수 있는 방법 개발

사용된 태양 전지의 재활용 방법
새로운 채굴 방법은 태양광 발전소에서 나오는 엄청난 양의 폐기물을 피하는 것을 목표로 한다.

쓰레기 문제는 해결됐나?
새롭게 개발된 재활용 방법을 사용하면 페로브스카이트 태양 전지를 환경에 해로운 용매를 사용하지 않고도 부드럽고 완벽하게 구성 요소로 분해할 수 있다. 이런 식으로 회수된 구성 요소와 재료는 새로운 태양광 모듈로 재활용될 수 있다. 이 재활용된 태양 전지는 원래 태양 전지와 거의 같은 효율성을 보였다. 

▲ 연구자들은 페로브스카이트 태양 전지의 모든 부품을 재활용하는 방법을 개발했다. © Thor Balkhed

에너지 전환에는 태양광, 풍력과 같은 재생 가능 에너지원으로부터 엄청난 양의 전기가 필요하며, 이에 따라 많은 수의 풍력 및 태양광 시스템이 필요하다. 하지만 이로 인해 새로운 문제가 발생한다. 즉, 사용된 태양광 모듈의 환경친화적인 재활용이라는 문제다. 30년 전 시장에 출시된 최초의 실리콘 태양광 패널은 이제 수명이 다해 교체가 필요하다.

“현재 실리콘 웨이퍼 폐기물을 관리할 수 있는 효율적인 기술은 없다. 그렇기 때문에 오래된 태양광 모듈은 매립지에 버려지게 된다. "우리가 아무것도 할 수 없는 엄청난 양의 전자 폐기물이 산더미처럼 쌓여 있다"고 린셰핑 대학의 수석 저자인 쉰 샤오가 설명했다.

▲ a, 물 기반 용액을 사용한 재활용 프로세스 계획. 세 가지 주요 첨가제(NaOAc, NaI 및 H3PO2)를 추가하여 물 용액에서 페로브스카이트 용해도, 상 순도 및 용액 안정성 문제를 해결한다. (출처:관련논문 Published: 12 February 2025 / Aqueous-based recycling of perovskite photovoltaics / nature)

오래된 태양 전지는 어떻게 처리해야 하나요?

이로 인해 다음과 같은 의문이 제기된다. 새로운 태양광 시스템에도 같은 일이 곧 일어날까? 아니면 재활용이 가능할까? 현대의 태양전지는 실리콘으로 만들어지지 않고, 페로브스카이트나 그 둘의 혼합물로 만들어진다. 페로브스카이트는 가격이 저렴하고, 가공이 쉽고, 가볍고, 유연하며, 무엇보다도 투명하다. 이를 통해 페로브스카이트 셀을 더 다양한 표면에 적용할 수 있다. 현재 이러한 태양전지의 성능은 실리콘 전지와 유사하다. 두 전지 모두 태양에너지의 최대 25%를 전기로 전환한다.

하지만 이러한 태양열 시스템은 아직 충분히 재활용되지 않아 향후 대부분 전자 폐기물이 될 것이다. 다만 일부 국가에서는 엄격한 재활용 법률을 시행하고 있다. 수명도 실리콘 전지보다 짧다. 하지만 샤오의 팀은 이제 일반적인 페로브스카이트 태양 전지를 완전히 재활용하고 재생성할 수 있는 방법을 개발했다.

▲ a, 환원제가 요오드염, 용해 용매가 EA, 반용매가 에탄올인 스피로-OMeTAD의 재활용 과정 계획. b, 다양한 재활용 구성 요소에 따른 통계적 장치 효율 결과. c, 신선 및 5차 재활용 장치의 통계적 효율 차트. 특정 재활용 구성 요소와 달리 재활용 장치는 장치 제작에 사용된 모든 재료(페로브스카이트, 스피로, SnO2 + ITO 기판 및 금 포함)가 재활용된다는 것을 의미한다. d, 85°C의 주변 공기에 보관한 신선 및 5차 재활용 장치의 효율 손실. e, 질소에서 50°C의 1차 태양 빛 흡수 시 작동 안정성. 오차 막대는 5개의 독립적인 측정에서 얻은 표준 편차를 나타낸다. 모든 장치는 캡슐화되지 않고 개방 회로 상태입니다. PCE, 전력 변환 효율.

층의 점진적인 분리

새롭게 개발된 방법의 첫 번째 단계는 태양광 모듈을 150도에서 3분 동안 열처리하여 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 캡슐화를 부드럽게 하는 것이다. 연구팀은 이어서 이 장치를 화학 물질과 용매를 사용해 여러 단계에 걸쳐 층층이 재활용하여 덮개 유리, 전하 전달층, 금 전극, 페로브스카이트 결정 및 주석 산화물(SnO2)로 코팅된 인듐 주석 산화물 기판을 회수한다고 설명했다.

샤오는 "우리는 유리, 전극, 페로브스카이트 층, 그리고 전하 전달 층 등 모든 것을 재활용할 수 있다"고 말했다. 세척수와 용매도 일부 재활용이 가능하다.

▲ a, 제안된 재활용 전략을 수명 종료 시나리오로 고려한 LCA의 시스템 경계.

▲ b, Environmental Footprint(EF) v3.0 방식에 따른 재활용과 매립지 사이의 전체 스펙트럼 중간 영향 범주 비교(더 나은 비교를 위해 값은 매립지 시나리오로 정규화됨). CED, 누적 에너지 수요; MR, 물질 자원: 금속/광물; WU, 물 사용; LU, 토지 사용; ECF, 생태 독성: 담수; EM, 부영양화: 해양; EF, 부영양화: 담수; ET, 부영양화: 지상; AC, 산성화; POF, 광화학 산화제 형성: 인간 건강; IR, 이온화 ​​방사선: 인간 건강; PMF, 미세먼지 형성; HTN, 인간 독성: 비암 효과; HTC: 인간 독성: 암 효과; OD, 오존 고갈; CC, 기후 변화.

▲ c, 재활용(3회) 및 매립 시나리오에서 주거 및 유틸리티 규모 페로브스카이트 PV 시스템의 LCOE. 5년, 10년 및 15년의 세 가지 장치 수명이 고려된다. 따라서 세 가지 시나리오에 대한 반복 재활용을 고려할 때 총 서비스 시간은 5×3년 및 10×3년 및 15×3년이다. 이는 페로브스카이트 태양 전지의 경제적 효율성을 평가할 때 수명과 재활용 시간을 모두 고려하는 것의 중요성을 강조하기 위한 것이다. 오차 막대는 LCOE 추정치의 불확실성을 전달하며, 중요한 입력 요인에서 ±20% 변동을 반영합니다. 이러한 변동성에는 PV 모듈의 재활용, 재제조 및 재설치 프로세스에 필수적인 에너지 소비, 노동, 재료 및 장비와 관련된 비용이 포함된다. ETL, 전자 전달층; HTL, 정공 전달층.

독성 용매 대신 물

이 기술은 자원을 절약하고, 효율적이며, 환경친화적이다. 이전의 재활용 방법과 달리, 연구진은 페로브스카이트에서 요오드화 납(PbI2)의 흔적을 제거하기 위해 독성이 있는 디메틸포름아미드를 사용하지 않았다. 대신 그들은 아세트산 나트륨(NaOAc), 요오드화 나트륨(NaI) 및 차아인산(H3PO2)을 섞은 물을 사용했다.

샤오와 그의 동료들은 이 용액을 80도까지 가열한 다음 냉각했는데, 이때 페로브스카이트는 먼저 용해된 다음 다시 분리되었다. 연구팀은 이 기술을 사용하면 순수 페로브스카이트 결정의 99%를 수용액에서 끌어낼 수 있다고 보고했다. 이 과정에서 페로브스카이트의 납 이온은 먼저 아세트산 이온과 반응하여 물에 용해되고, 그다음 요오드화물 이온과 용해되어 결정화되고 페로브스카이트에서 침전되어 분리된다.

전하 전달층의 분리와 결정화는 에탄올과 에틸아세테이트와 같은 비교적 온화한 용매를 사용해서도 일어난다. 샤오와 그의 동료들의 보고에 따르면, 이 소재는 전도성을 잃지 않고 98% 재활용이 가능하다. 동시에, 이 단계에서 금 전극은 전하 전달층으로부터 분리된다. 그런 다음 간단한 원심분리로 고체를 분리할 수 있다. 연구원들은 주석 산화물로 코팅된 인듐 주석 산화물 기질을 자외선과 오존으로 처리했다.

재활용 소재로 만든 새로운 태양 전지

샤오와 그의 동료들은 페로브스카이트 태양광 모듈을 분해한 후, 재활용 과정에서 분리한 부품을 사용해 태양 전지를 다시 조립하고 그 특성을 테스트했다. 그들은 총 5차례의 분해 및 조립 작업을 수행하였고 그 사이에 태양 전지의 집중적인 사용을 시뮬레이션했다.

▲ 태양광 농장은 사회를 지원하기 위해 에너지를 생산하고 공급한다. 태양광 농장의 수명이 다한 태양광 모듈은 층층이 수리 및 재활용된다. 그런 다음 재활용된 재료를 사용하여 새로운 태양광 모듈을 제작하고 새로운 태양광 농장을 건설한다.

결과:
신선한 재료로 만든 패널과 비교했을 때 재활용 구성 요소로 만든 태양광 시스템은 여전히 ​​출력 전력의 99%를 제공한다. 연구팀은 “5차 재활용을 거친 기기들은 평균 에너지 변환 효율이 21.8±0.8%에 달하며, 최고치는 23.5%에 달한다. 이것은 새로운 소재로 만든 장치와 유사하다"고 밝혔다.

순환 경제에 기여하다

"우리는 새로운 태양 전지의 성능을 저하시키지 않고 모든 부품을 새로운 페로브스카이트 태양 전지에서 재사용할 수 있는 방법을 개발했다." 공동 저자인 린셰핑 대학의 니안셩 쉬(Niansheng Xu)가 말했다. 추가 테스트 결과, 재활용된 태양광 패널의 수명은 새로운 재료로 만든 시스템의 수명과 다르지 않은 것으로 나타났다.

다음 단계에서는 연구원들이 이 방법을 더욱 개발하고 조정하여 산업 공정에서도 대규모로 사용할 수 있도록 하려고 한다. 장기적으로, 연구팀은 이를 통해 페로브스카이트 태양 전지의 건설 및 재활용을 전문으로 하는 지속 가능한 순환 경제를 위한 전체적인 인프라와 공급망이 구축될 수 있기를 바라고 있다.
(Nature, 2025; doi: 10.1038/s41586-024-08408-7)
출처: Linköping University, Linköping(린셰핑), Sweden

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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