DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-35277-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41520005
تاريخ النشر: 2026-01-10
المؤلف: Chenglong Zhang وآخرون
الموضوع الرئيسي: أنظمة الطاقة الشمسية والاستدامة
نظرة عامة
تناقش هذه القسم استراتيجية فصل جديدة تعتمد على الليزر لإعادة تدوير وحدات الطاقة الشمسية ثنائية الوجه (PV)، والتي تتميز بقدرتها على التقاط الضوء من الجانبين. تسلط الدراسة الضوء على الزيادة المتزايدة في إنتاج وحدات الطاقة الشمسية في نهاية عمرها (EoL)، والتي تحتوي على مواد قابلة لإعادة التدوير قيمة مثل السيليكون والمعادن. تستخدم الطريقة المقترحة ليزرًا بقوة 1200 واط، وتردد 2000 هرتز، ودورة تشغيل بنسبة 5% لتحقيق فصل كامل لخلايا السيليكون عن طبقة الإيثيلين فينيل أسيتات (EVA). كشفت تحليلات التوصيف أنه بينما تضررت الطلاءات المضادة للانعكاس (ARCs) على خلايا السيليكون وانخفض محتوى السيليكون النيتريد، فإن الهيكل المتشابك لـ EVA ظل سليمًا، مما يشير إلى أن الفصل تم تسهيله من خلال تدهور ARCs وقطع الروابط.
تشير تقييمات دورة الحياة لهذه الطريقة المعتمدة على الليزر إلى أنها أكثر صداقة للبيئة مقارنة بالطرق الحرارية والكيميائية التقليدية، حيث تقلل من المشكلات المتعلقة بخلط المنتجات وفرزها التي تكون شائعة في تقنيات الفصل الميكانيكي. على الرغم من أن طريقة الليزر تتطلب تكاليف معالجة أعلى بسبب الحاجة إلى معدات متخصصة واستهلاك الطاقة المحتمل من تشغيل عدة ليزرات، إلا أنها تقدم مسارًا سريعًا وفعالًا للأتمتة على نطاق واسع في إعادة تدوير وحدات الطاقة الشمسية ثنائية الوجه في نهاية عمرها. ومع ذلك، يُلاحظ أن هذه الطريقة قد لا تكون مناسبة لجميع أنواع وحدات الطاقة الشمسية، خاصة تلك التي تحتوي على مناطق تفتقر إلى إمكانية الوصول لاختراق الليزر.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على النمو السريع لصناعة الطاقة الشمسية العالمية (PV) والتحدي الوشيك لإدارة النفايات، مع توقعات تشير إلى أن حجم نفايات وحدات الطاقة الشمسية قد يصل إلى ما بين 1.7 إلى 8 مليون طن بحلول عام 2030 ويتصاعد إلى 60 إلى 78 مليون طن بحلول عام 2050. أدت وجود المواد الخطرة، وخاصة الرصاص، في وحدات الطاقة الشمسية في نهاية عمرها (EoL) إلى تصنيفها كنفايات خطرة من قبل الاتحاد الأوروبي، مما يستلزم ممارسات إعادة تدوير والتخلص المناسبة. تحتوي وحدات الطاقة الشمسية في نهاية عمرها، المصنفة إلى أنواع أحادية الوجه وثنائية الوجه، على مواد قيمة مثل المعادن والزجاج المقسى، مما يجعل إعادة تدويرها أمرًا حيويًا للحفاظ على الموارد وحماية البيئة.
من المتوقع أن تهيمن وحدات الطاقة الشمسية ثنائية الوجه، التي تستخدم الزجاج بدلاً من الألواح الخلفية وتلتقط الضوء من الجانبين، على السوق بحصة متوقعة تبلغ 85% بحلول عام 2032. ومع ذلك، لا يزال البحث حول إعادة تدوير الوحدات ثنائية الوجه محدودًا، حيث تركز معظم الدراسات على الوحدات المعتمدة على الألواح الخلفية. تتضمن عملية إعادة التدوير عادةً إزالة ميكانيكية لصناديق التوصيل والألواح الخلفية، تليها تفكيك الطبقات من خلال المعالجة الحرارية أو العمليات الكيميائية أو الطرق الفيزيائية. تقدم كل طريقة تحديات، مثل إطلاق الغازات السامة أثناء المعالجة الحرارية والحاجة إلى معدات على نطاق واسع، مما يبرز ضرورة المزيد من البحث في استراتيجيات إعادة التدوير الفعالة لوحدات الطاقة الشمسية ثنائية الوجه.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد والطرق المستخدمة في تجاربهم. تشمل المعدات الرئيسية ليزر هونغبين HB-C1500 المستمر، الذي يعمل عند طول موجي مركزي يبلغ 1080±10 نانومتر. يتم تركيب هذا الليزر على سكة توجيه تتحكم فيها محركات سيرفو، مما يسمح له باتباع مسار محدد مسبقًا بسرعة ثابتة، كما هو موضح في الشكل S1. تستخدم الدراسة وحدات الطاقة الشمسية ثنائية الوجه التي تم إيقافها تجاريًا، الموضحة في الشكل S2، وتدمج منصة تسخين مقاومة نقية تم بناؤها ذاتيًا للتحكم الدقيق في درجة الحرارة، والتي يتم تنظيمها بواسطة محول (الشكل S3).
تتم قياسات درجة الحرارة باستخدام مقياس حرارة بالأشعة تحت الحمراء (IR) لشرائح الطاقة الشمسية ومزدوجات حرارية لخلايا السيليكون (الشكل S4). بالإضافة إلى ذلك، يتم إجراء الكشف عن المركبات العضوية المتطايرة (VOC) باستخدام جهاز مراقبة محمول MiniRAE 3000+، الذي يحتوي على دقة استشعار تبلغ 0.1 جزء في المليون (الشكل S5). يتم تنفيذ قياسات قوة التقشير باستخدام جهاز اختبار الشد DK-F200S من Deka (الشكل S6). تسهل هذه الإعدادات الشاملة المراقبة الدقيقة وتحليل وحدات الطاقة الشمسية تحت ظروف تجريبية متنوعة.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب أو التحليلات التي تم إجراؤها. عادةً ما يتضمن بيانات كمية، وتحليلات إحصائية، وتمثيلات بصرية مثل الرسوم البيانية أو الجداول التي توضح النتائج. غالبًا ما تتم مقارنة النتائج مع الفرضيات أو الدراسات السابقة لتسليط الضوء على الاتجاهات أو الشذوذات الهامة.
في هذا القسم، قد يذكر المؤلفون فعالية الطرق أو التدخلات المقترحة، موضحين مقاييس مثل الدقة، والضبط، أو مؤشرات الأداء ذات الصلة الأخرى. بالإضافة إلى ذلك، يتم مناقشة أي علاقات أو علاقات سببية تم تحديدها من خلال البحث، مما يوفر رؤى حول تداعيات النتائج في السياق الأوسع للمجال. بشكل عام، تخدم النتائج في التحقق من أهداف البحث وتساهم في مجموعة المعرفة الحالية.
مناقشة
تسلط قسم المناقشة في ورقة البحث الضوء على التحديات المرتبطة بالطرق الحالية لفصل خلايا السيليكون عن وحدات الطاقة الشمسية (PV)، بما في ذلك استهلاك الطاقة العالي، وكفاءة المعالجة المنخفضة، وتوليد النفايات الكبيرة. تقدم الدراسة تقنية فصل تعتمد على الليزر تستفيد من النفاذية العالية للضوء لمواد الطاقة الشمسية، وخاصة الزجاج ومواد التغليف من الإيثيلين-فينيل أسيتات (EVA)، لفصل خلايا السيليكون بشكل انتقائي. تعمل طاقة الليزر بشكل أساسي على تسخين خلايا السيليكون، مما يسهل فصلها عن EVA مع تقليل الضرر على مادة التغليف. من الضروري في هذه العملية الحفاظ على درجة الحرارة أقل من عتبة التحلل لـ EVA البالغة 243 درجة مئوية لتجنب توليد الغازات النفايات.
تظهر النتائج التجريبية أن معالجة الليزر يمكن أن تفصل بشكل فعال خلايا السيليكون عن EVA دون ترك بقايا، خاصة عندما يتم تحسين معلمات الليزر. تكشف الدراسة أن الضرر الذي يلحق بالطلاءات المضادة للانعكاس (ARCs) على خلايا السيليكون، الناتج عن إشعاع الليزر، يضعف التصاق EVA، مما يعزز كفاءة الفصل. تشير تقييمات دورة الحياة (LCA) إلى أن الطريقة المقترحة بالليزر أكثر صداقة للبيئة من الطرق الكيميائية والفيزيائية-الحرارية التقليدية، مما يقلل بشكل كبير من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون واستهلاك الوقود الأحفوري. ومع ذلك، يشير المؤلفون إلى أنه على الرغم من أن تقنية الليزر تظهر وعدًا، إلا أنها قد تتطلب تكاليف معالجة أعلى بسبب الحاجة إلى معدات متخصصة، خاصة في التطبيقات على نطاق واسع.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-026-35277-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41520005
Publication Date: 2026-01-10
Author(s): Chenglong Zhang et al.
Primary Topic: Photovoltaic Systems and Sustainability
Overview
This section discusses a novel laser-based separation strategy for recycling bifacial photovoltaic (PV) modules, which are notable for their ability to capture light from both sides. The study highlights the increasing output of End-of-Life (EoL) PV modules, which contain valuable recyclable materials such as silicon and metals. The proposed method utilizes a laser with a power of 1200 W, frequency of 2000 Hz, and a 5% duty cycle to achieve complete separation of silicon cells from the Ethylene Vinyl Acetate (EVA) interlayer. Characterization analyses revealed that while the anti-reflection coatings (ARCs) on the silicon cells were damaged and the silicon nitride content decreased, the cross-linked structure of EVA remained intact, indicating that separation was facilitated by the degradation of ARCs and bond cleavage.
The life cycle assessment of this laser-based approach indicates that it is more environmentally friendly compared to traditional thermal and chemical methods, as it mitigates issues related to product mixing and sorting that are common in mechanical separation techniques. Although the laser method incurs higher processing costs due to the need for specialized equipment and potential energy consumption from operating multiple lasers, it offers a rapid and efficient pathway for large-scale automation in the recycling of EoL bifacial PV modules. However, it is noted that this method may not be suitable for all types of PV modules, particularly those with regions lacking accessibility for laser penetration.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the rapid growth of the global photovoltaic (PV) industry and the impending challenge of waste management, with projections indicating that the volume of waste PV modules could reach between 1.7 to 8 million tons by 2030 and escalate to 60 to 78 million tons by 2050. The presence of hazardous materials, particularly lead, in End-of-Life (EoL) PV modules has led to their classification as hazardous waste by the European Union, necessitating proper recycling and disposal practices. EoL PV modules, categorized into monofacial and bifacial types, contain valuable materials such as metals and tempered glass, making their recycling crucial for resource conservation and environmental protection.
Bifacial PV modules, which utilize glass instead of backsheets and capture light from both sides, are projected to dominate the market with an expected share of 85% by 2032. However, research on the recycling of bifacial modules remains limited, with most studies focusing on backsheet-based modules. The recycling process typically involves mechanical removal of junction boxes and backsheets, followed by laminate dissociation through thermal treatment, chemical processes, or physical methods. Each method presents challenges, such as the release of toxic gases during thermal treatment and the need for large-scale equipment, underscoring the necessity for further research into effective recycling strategies for bifacial PV modules.
Methods
In this section, the authors detail the materials and methods employed in their experiments. The primary equipment includes a Hongben HB-C1500 continuous laser, which operates at a central wavelength of 1080±10 nm. This laser is mounted on a servo motor-controlled guide rail, allowing it to follow a predefined trajectory at a consistent speed, as depicted in Fig. S1. The study utilizes commercially retired bifacial photovoltaic (PV) modules, illustrated in Fig. S2, and incorporates a self-constructed pure resistance heating platform for precise temperature control, regulated by a transformer (Fig. S3).
Temperature measurements are conducted using an infrared (IR) sensor thermometer for the PV strips and thermocouples for the silicon cells (Fig. S4). Additionally, volatile organic compound (VOC) detection is performed with a MiniRAE 3000+ portable handheld monitor, which has a sensor resolution of 0.1 ppm (Fig. S5). Peeling force measurements are executed using a DK-F200S tensile tester from Deka (Fig. S6). This comprehensive setup facilitates accurate monitoring and analysis of the PV modules under various experimental conditions.
Results
The “Results” section of the research paper presents key findings derived from the conducted experiments or analyses. It typically includes quantitative data, statistical analyses, and visual representations such as graphs or tables that illustrate the outcomes. The results are often compared against hypotheses or previous studies to highlight significant trends or anomalies.
In this section, the authors may report on the effectiveness of the proposed methods or interventions, detailing metrics such as accuracy, precision, or other relevant performance indicators. Additionally, any correlations or causal relationships identified through the research are discussed, providing insights into the implications of the findings within the broader context of the field. Overall, the results serve to validate the research objectives and contribute to the existing body of knowledge.
Discussion
The discussion section of the research paper highlights the challenges associated with current methods for separating silicon cells from photovoltaic (PV) modules, including high energy consumption, low treatment efficiency, and significant waste generation. The study introduces a laser-based separation technique that capitalizes on the high light transmittance of PV materials, specifically glass and ethylene-vinyl acetate (EVA) encapsulants, to selectively separate silicon cells. The laser energy primarily heats the silicon cells, facilitating their separation from EVA while minimizing damage to the encapsulant. Critical to this process is maintaining the temperature below EVA’s pyrolysis threshold of 243 °C to avoid generating waste gases.
Experimental results demonstrate that laser treatment can effectively separate silicon cells from EVA without leaving residues, particularly when the laser parameters are optimized. The study reveals that the damage to anti-reflection coatings (ARCs) on silicon cells, induced by laser irradiation, weakens the adhesion of EVA, thereby enhancing separation efficiency. Life cycle assessment (LCA) indicates that the proposed laser method is more environmentally friendly than traditional chemical and physical-thermal separation methods, significantly reducing CO2 emissions and fossil fuel consumption. However, the authors note that while the laser technique shows promise, it may incur higher processing costs due to the need for specialized equipment, particularly in large-scale applications.