High voltage fragmentation process for modern day photovoltaic solar cell recycling

Fossil fuel consumption has caused significant climate destabilisation, which has prompted many nations and companies to transition towards renewable energy sources. Solar energy, in particular through photovoltaic panels, is one of the dominant green energy sources, with a total installed global capacity of 1624 GW as of 2024. However, as solar energy installations increase, more PV panels are produced, which in time would require disposal, with recycling becoming the most viable end-of-life strategy for these panels. This thesis aims to investigate whether high voltage fragmentation - a novel technology used for particle liberation for composites - could be used as an alternative to traditional mechanical separation processes. Multiple tests were thus conducted on monocrystalline silicon panels using the SELFRAG machine. Camsizer was used to evaluate recyclate granulometry, while an X-Ray Diffractometer was used for chemical analysis of several samples in order to calculate the recyclate's market revenue. Through the Camsizer results, a correlation between abnormal experimental output mass and discrepancies with the statistical analysis was established, as well as establishing that by increasing input voltage and number of pulses, the recyclate particle median size decreased, while sphericity, symmetry and aspect ratio increase. The XRD however was not able to establish pertinent elemental concentrations, but was able to verify the presence of Silicon in samples using a SELFRAG 2mm grid, and the presence of Silicon and n-Paraffin in non-collected mass still in the experimental chamber. Additional SEM analysis was conducted to reinforce the chemical analysis. SEM managed to detect the presence of rare metals, notably Ag, Al, Cr, Sn, Pb, and Ni. The SEM, the granulometry and the morphology analysis established that grid selection has the highest influence on recyclate quality. Extrapolating from experimental results, processing one solar panel would yield 11.14kg of recyclates at a value of 8.34 euros, for a total cost of 3.70 euros by consuming 21.89kWh of electricity and 112L of water, while producing 7.25g of $CO_2$. A literature comparison demonstrated has HVF has a similar or worse performance than other methods for recycling PV panels; ultimately, HVF is not as competitive as traditional mechanical comminution with current technology. Multiple optimisations that would improve the results were nonetheless identified.

Il consumo di combustibili fossili ha causato una significativa destabilizzazione climatica, che ha spinto molte nazioni e aziende a passare a fonti di energia rinnovabili. L'energia solare, in particolare attraverso i pannelli fotovoltaici, è una delle principali fonti di energia verde, con una capacità globale installata totale di 1624 GW al 2024. Tuttavia, con l'aumento delle impianti di energia solare, aumenta anche la produzione di pannelli fotovoltaici, che nel tempo richiederebbero di essere smaltiti, con il riciclaggio che diventa la strategia più praticabile per i pannelli a fine vita. Questa tesi mira a indagare se la frammentazione ad alta tensione - una nuova tecnologia utilizzata per la liberazione di particelle per i compositi - potrebbe essere utilizzata come alternativa ai tradizionali processi di separazione meccanica. Sono stati quindi condotti test multipli su pannelli in silicio monocristallino utilizzando la macchina SELFRAG. Camsizer è stato utilizzato per valutare la granulometria del riciclato, mentre un diffrattometro a raggi X è stato utilizzato per l'analisi chimica di diversi campioni al fine di calcolare il valore di mercato del riciclato. Attraverso i risultati di Camsizer, è stata stabilita una correlazione tra la massa di output sperimentale anomala e le discrepanze con l'analisi statistica, nonché di stabilire che aumentando la tensione di ingresso e il numero di impulsi, la dimensione mediana delle particelle riciclate è diminuita, mentre sono aumentati la sfericità, la simmetria e la proporzione. Tuttavia, il diffrattometro non è stato in grado di stabilire le concentrazioni degli elementi pertinenti, ma è stato in grado di verificare la presenza di silicio nei campioni utilizzando una griglia SELFRAG da 2 mm e la presenza di silicio e n-paraffina nella massa non raccolta rimasta nella camera sperimentale. Sono state condotte ulteriori analisi SEM per rafforzare l'analisi chimica. SEM è riuscita a rilevare la presenza di metalli rari, in particolare Ag, Al, Cr, Sn, Pb e Ni. SEM, granulometria e analisi morfologica hanno stabilito che la selezione della griglia ha la maggiore influenza sulla qualità del riciclato. Estrapolando dai risultati sperimentali, l'elaborazione di un pannello solare produrrebbe 11,14 kg di riciclati a un valore di 8,34 euro, per un costo totale di 3,70 euro consumando 21,89 kWh di elettricità e 112 L di acqua, producendo 7,25 g di $CO_2$. Un confronto della letteratura ha dimostrato che HVF ha prestazioni simili o peggiori rispetto ad altri metodi per il riciclaggio di pannelli fotovoltaici; in definitiva, HVF non è competitivo quanto la tradizionale frantumazione meccanica con la tecnologia attuale. Sono state comunque identificate molteplici ottimizzazioni che migliorerebbero i risultati.