Wetenschappers van Skoltech en hun collega's van de Lomonosov Moscow State University (MSU) hebben een nieuwe methode voor siliciumrecycling ontwikkeld. Hun onderzoek is gepubliceerd in ACS Duurzame Chemie &Engineering .

Het merendeel van de zonnepanelen die in steeds grotere hoeveelheden worden geproduceerd, gebruiken silicium. Zonnepanelen die doorgaans een levensduur van 25 tot 30 jaar hebben, hebben de neiging om na verloop van tijd te verslechteren en minder elektriciteit te produceren, waardoor recycling van siliciumafval een hot-button probleem wordt. Als we niets doen om siliciumafval te recyclen, onze planeet zal tegen 2050 vol zitten met 60 miljoen ton gebruikte fotovoltaïsche panelen. Het omzetten van silicium in siliciumoxide-nanodeeltjes heeft belangrijke gevolgen voor het milieu door het probleem van recycling van siliciumafval aan te pakken en een nieuwe bron van nanodeeltjes te bieden voor verschillende toepassingen in de wetenschap en industrie.

Een groep onderzoekers onder leiding van Stanislav Evlashin, een senior onderzoeker bij het Skoltech Center for Design, Productie en materialen (CDMM), demonstreerde een eenvoudige en 100% efficiënte methode om siliciumwafels om te zetten in nanodeeltjes in een waterige oplossing. Deze ontdekking kan helpen bij het vinden van een milieuvriendelijke manier om silicium te recyclen zonder gebruik te maken van giftige chemicaliën.

Het nieuwe controleerbare conversieproces maakt het mogelijk om de grootte van de nanodeeltjes te regelen die vervolgens kunnen worden hergebruikt in optica, fotonica, medicijn, en andere velden.

"De gebruikte panelen worden omgezet in nanodeeltjes met behulp van hydrothermische synthese in een waterige omgeving. Het goede aan dit proces is dat nanodeeltjesgroottes kunnen worden gecontroleerd binnen een bereik van 8 tot 50 nm zonder veel apparatuur te gebruiken, " legt Evlashin uit.

De onderzoekers gebruikten drie soorten siliciumwafels in het experiment:HR (High resistivity), N-type (met stikstof gedoteerd), en P-type (met fosfor gedoteerd). Hun theoretische berekeningen op basis van de dichtheidsfunctionaaltheorie toonden aan dat de Si-H-bindingen zich op het oppervlak van HR-platen vormen, zelfs zonder ammoniak als katalysator te gebruiken. De reactie kan ook worden versneld door toevoegingen, zoals fosfor- en boordoteringsmiddelen, en moleculaire defecten (in het geval van zonnepanelen).

"De overgrote meerderheid van de methoden die worden gebruikt om siliciumoxide-nanodeeltjes te synthetiseren, zijn gebaseerd op de bottom-upbenadering en, daarom, gebruik alkoxiden als voorloper. Daarentegen, de onze is een top-down methode die bulk silicium als bron gebruikt, wat een schat aan voordelen oplevert, zoals eenvoud, schaalbaarheid, en controleerbare deeltjesgrootteverdeling. Temperatuur en hydrolysetijd zijn de belangrijkste parameters van de synthese die de deeltjesgrootteverdeling beïnvloeden. We merkten dat een verhoging van de pH een sterk effect heeft op de deeltjesvormingssnelheid. Daarom hebben we ammoniak gebruikt, waardoor de reactie in een waterig medium veel sneller ging, " zegt Julia Bondareva, een Skoltech Ph.D. student.

"We besloten om uit te zoeken hoe nanodeeltjes zich vormen in het proces, onder andere. Om dit te doen, we gebruikten een heterogeen nucleatiemodel met een eindig aantal nucleatiecentra verdeeld over het siliciumbronoppervlak, " zegt Timur Aslyamov, een senior onderzoeker bij Skoltech.

Naast puur silicium, de wetenschappers gebruikten industriële zonnepanelen op basis van de Si-ITO-heterostructuur die zich op dezelfde manier gedroegen als siliciumpanelen en met succes werden omgezet in nanodeeltjes. Dit onderzoek markeert een belangrijke mijlpaal in de richting van milieuveilige recycling van siliciumafval en het creëren van nieuwe bronnen van siliciumoxide-nanodeeltjes.