Исследователи Томского политехнического университета (ТПУ) и Севастопольского государственного университета (СевГУ) разработали инновационный двухэтапный метод переработки отслуживших фотоэлектрических модулей. В отличие от существующих подходов, новая технология позволяет получать не просто утилизированное сырье, а высокоценный продукт — карбид кремния, который находит применение в производстве силовой электроники, абразивных инструментов и огнеупорной керамики.
Анна Абрамова
Источник фото: пресс-служба Томского политехнического университета
Ключевое достижение исследователей — содержание карбида кремния в конечном твердом продукте достигло 61%. Для сравнения: при использовании традиционных методов этот показатель редко превышает 40–50%, а полученный материал часто содержит множество примесей, делающих его непригодным для промышленного использования.
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (грант № FSWW-2025–0003). Результаты опубликованы в высокорейтинговом журнале Silicon (Q2, импакт-фактор 4,1), что подтверждает научную значимость и новизну предложенного подхода.
Солнечная энергетика: обратная сторона медали
Несмотря на то, что солнечная энергия считается экологически чистым источником, фотоэлектрические панели имеют ограниченный срок службы — 20–30 лет. По истечении этого периода они превращаются в сложные многокомпонентные отходы, требующие специализированной переработки. В состав отработавших модулей входят:
- стекло (до 75% массы);
- алюминий (до 10%);
- кремний (до 5%);
- медь (до 1%);
- полимерные материалы и другие компоненты.
Существующие методы переработки — химические, термические и механические — обладают рядом серьезных недостатков. Они требуют применения дорогостоящих и зачастую токсичных реагентов, потребляют значительное количество энергии, а полученный продукт имеет низкое качество и не может быть повторно использован в высокотехнологичных отраслях.
Как работает новая технология
Ученые предложили оригинальный двухэтапный метод, который позволяет извлекать из отслуживших панелей материал с высокой добавленной стоимостью — карбид кремния. Этот материал обладает уникальным сочетанием свойств:
- высокая твердость (сопоставима с алмазом);
- термостойкость (выдерживает температуры до 2000 °C);
- устойчивость к коррозии и химическим воздействиям;
- отличная теплопроводность;
- полупроводниковые свойства.
Карбид кремния широко применяется при создании абразивов, огнеупорных изделий, керамики, нагревательных элементов, а также в производстве силовой электроники — например, для изготовления высоковольтных транзисторов и диодов, работающих в экстремальных условиях.
Процесс переработки проходит в два этапа:
Этап 1 — Пиролиз. Отслужившую поликристаллическую солнечную панель нагревают до 500 °C. В результате происходит разложение полимерной прослойки, и кремний отделяется от остальных компонентов. На этом этапе одновременно решаются несколько задач: удаляются мешающие переработке полимеры, образуется твердый углеродный остаток, а также собираются газообразные продукты.
Этап 2 — Синтез. Полученный кремнийсодержащий материал смешивают с техническим углеродом и подвергают воздействию безвакуумной электрической дуги при температуре 1800 °C. В результате высокотемпературного синтеза образуется карбид кремния. Примечательно, что весь процесс получения ценного соединения занимает всего одну минуту — это значительно быстрее традиционных методов, которые могут занимать часы.
Преимущества пиролиза: почему это важно
Как поясняет ассистент отделения материаловедения ТПУ Жанар Болатова, пиролиз выполняет несколько ключевых функций, которые невозможно осуществить другими способами:
- Удаление полимеров — полимерная прослойка мешает дальнейшей переработке, и пиролиз эффективно ее устраняет.
- Получение углеродного остатка — твердый углерод, образующийся при разложении полимеров, становится источником углерода для последующего синтеза карбида кремния.
- Сбор газообразных продуктов — при пиролизе выделяются ценные газы, которые можно использовать в других технологических процессах.
Расчеты ученых показали, что средний выход углеродного остатка составил 45,8% от массы обрабатываемого материала. Максимальная концентрация метана в газовой смеси достигла 5%, а угарного и углекислого газов — около 0,6%. Эти данные указывают на высокую эффективность пиролиза как предварительной стадии.
Особо важным результатом стало то, что после предварительной обработки в конечном продукте полностью исчезала фаза силицида железа — нежелательной примеси, которая снижает качество карбида кремния. Это подтверждает, что пиролиз позволяет значительно улучшить чистоту и однородность получаемого материала.
Влияние углерода: тонкая настройка процесса
Ученые провели дополнительные исследования и выяснили, как количество углерода влияет на образование карбида кремния. Результаты оказались впечатляющими:
| Содержание углерода | Доля карбида кремния | Свободный кремний | Диоксид кремния |
|---|---|---|---|
| 0% | 46% | 19,7% | 3% |
| 30% | 61% | 8,3% | следовые количества |
Эти данные демонстрируют четкую закономерность: добавление углерода позволяет вовлечь большее количество кремния в нужную химическую реакцию, что напрямую повышает выход целевого продукта. При этом содержание нежелательных примесей снижается в разы.
Практические перспективы и экологическая значимость
Разработанная технология имеет огромный потенциал для промышленного внедрения. Она позволяет решать сразу несколько важных задач:
- Экологическая безопасность — вместо захоронения отходов на свалках панели перерабатываются с пользой;
- Экономическая выгода — карбид кремния является дорогостоящим материалом, спрос на который постоянно растет;
- Замкнутый цикл — материалы, извлеченные из отслуживших панелей, используются для создания новых продуктов.
По данным Международного энергетического агентства, к 2030 году объем отходов от солнечных панелей в мире может достичь 8 миллионов тонн. Разработка томских и севастопольских ученых может стать ключом к решению этой надвигающейся проблемы.
Кто работал над проектом
В исследовании принимали участие специалисты нескольких научных подразделений:
- Лаборатория газификации твердых топлив;
- Лаборатория перспективных материалов энергетической отрасли Инженерной школы энергетики;
- Отделение материаловедения Инженерной школы новых производственных технологий Томского политеха;
- Севастопольский государственный университет.
Совместная работа ученых из разных областей — материаловедов, энергетиков, химиков — позволила создать технологию, которая объединяет в себе экологическую ответственность, экономическую эффективность и высокий научный потенциал. В ближайшей перспективе исследователи планируют масштабировать технологию и провести испытания на промышленных образцах, чтобы подтвердить ее готовность к коммерческому внедрению.
Ранее журнал «Химагрегаты» писал о том, как томские инженеры придумали превращать мусор в топливо. Подробнее — по ссылке.