連続レーザーを用いて寿命終了した両面ガラス型太陽光モジュールからシリコンセルを分離する

なぜ古い太陽光パネルが重要なのか

太陽光発電は屋根や砂漠地帯で急速に普及していますが、輝くパネルが永遠に続くわけではありません。初期世代のソーラーファームが寿命を迎えるにつれて、何百万トンもの寿命終了パネルが安全に処理される必要があります。埋め立てや焼却を行うと有害物質が漏れたり、価値のある金属や高純度シリコンが無駄になったりします。本研究は、両面ガラスモジュールと呼ばれる新しいタイプのパネルを、重要部品を廃棄せず回収・再利用できるように、制御されたレーザー光を用いてよりクリーンに分解する方法を検討します。

これらのパネルが従来品と異なる点

従来のパネルは片側から光を集め、通常はプラスチックの裏板を持ちます。これに対して両面モジュールは両面がガラスで構成され、前面と背面の両方から光を取り込めるため発電量が増えます。ガラス層の間には薄いシリコンセルが挟まれ、EVAと呼ばれる透明なプラスチックで固定され、光の取り込みを助ける反射防止コーティングが施されています。ガラスやコーティングを追加することは製造コストを押し上げますが、パネルの寿命にわたる1キロワット時当たりのコストは下がります。両面設計が急速に普及する中で、寿命終了時に複雑な積層体を安全かつ効率的に解体する方法を見つけることが急務となっています。

現在のリサイクル手法が不十分な理由

現在、リサイクル業者は主に三つの方法でパネル内部の層を分離しています。熱処理はパネルを加熱してEVAを分解させる方法で効果はありますが、多くのエネルギーを消費し、有害な煙を発生させるため追加処理が必要になります。化学的手法はEVAを溶解または膨潤させる有機溶剤に浸すもので、時間がかかり高価な薬品を大量に使い、汚染された液体廃棄物が出ます。物理的手法はパネルを破砕して大きさや帯電、密度で分離しますが、材料が混ざり合い、無傷の高価値シリコンセルの回収が難しくなります。これらのアプローチはいずれも、二重ガラスの両面モジュールのような、きれいに分離しにくい構造には最適とは言えません。

精密工具としてのレーザー光の利用

研究チームは別の戦略を開発しました：強力だが精密に制御された連続レーザーをガラスとEVA越しに照射し、主にシリコンセルで吸収されるようにするというものです。処理中はパネルに配線が接続されていないため、吸収された光はセル表面で熱に変わります。レーザー出力、周波数、オン・オフのタイミングを調整することで、プラスチックを燃やしたり煙を発生させたりすることなく、結合を弱めるのに十分な局所温度上昇を実現しました。最適化された設定（1200 W 出力、2000 Hz 周波数、5% デューティサイクル）では、レーザーは薄い反射防止コーティングを破裂させ、セルに接する非常に薄いEVA層をわずかに変化させます。この二重の作用により、EVAがシリコンに食い付く“グリップポイント”が除去され、プラスチックとガラスの大部分は損なわれません。

パネル内部で起きていること

顕微鏡画像と表面化学の測定により、レーザー照射側では窒化シリコンでできた反射防止コーティングが徐々に破壊され、一部が酸化シリコンに変わることが示されました。そのコーティングが消失するにつれて、EVAをセルから剥がすのに必要な力はほぼゼロに近づきます。同時に、EVAの試験では影響を受けるのは非常に薄い界面層だけで、いくつかの化学結合が切れて酢酸のような小分子が放出されて粘着性が一時的に低下するものの、ポリマーの主要なネットワークは健全なままであることがわかりました。実際には、処理されたパネルを開くと、レーザー側のガラスとEVAがきれいに剥がれ、シリコンセル上にはほとんど残留物が残りません。シリコンセルは粉々になるのではなく、未処理側のEVA層にほぼ無傷の片面として付着した状態で残ります。

成長余地のあるより環境に優しいリサイクル

より広い影響を評価するため、著者らはライフサイクルアセスメント（LCA）を用いて、自らのレーザー手法と従来の化学的・熱機械的リサイクル方式を比較しました。実験室規模で同じ質量のパネル材料を処理する場合、レーザー法は溶剤や高温炉の使用を避けられるため、化石燃料の使用と気候変動、大気汚染、毒性に関連する排出を削減しました。処理が迅速であり、スキャンヘッドを大面積モジュール上で移動させて自動化できるため、工業ラインへのスケールアップが可能です。トレードオフはレーザー設備への追加投資と、この方法がシリコンセルのある箇所でのみ機能する点です。総じて、本研究は光を賢く使うことで古い両面太陽光パネルを再利用可能なシリコンとガラスのよりクリーンな供給源に変え、設置から廃棄まで太陽光発電の持続可能性を高める可能性を示しています。

引用: Zhang, C., Zhao, Z., Wang, R. et al. Separate silicon cells from end-of-life bifacial glass photovoltaic modules using continuous lasers. Sci Rep 16, 4986 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35277-z

キーワード: 太陽光パネルのリサイクル, 両面型太陽光発電, レーザー加工, シリコンセルの回収, 電子廃棄物