Entwicklung eines Recyclingverfahrens für Perowskit‐Module
Projektdurchführung
Zentrum für Sonnenenergie- u. Wasserstoff-
Forschung Baden-Württemberg (ZSW)
MAT: Photovoltaik-Materialforschung
Meitnerstr. 1
70563 Stuttgart
Zielsetzung
Ziel von PeroCycle ist es, ein industrietaugliches Recyclingverfahren für Perowskitmodule zu entwickeln. Da Perowskitmodule umwelt- und gesundheitsschädliches Blei enthalten, sollte bereits jetzt an die Entsorgung der Module nach Erreichen der Lebensdauer gedacht werden.
In unserem Projekt sollen Perowskit-Minimodule am ZSW hergestellt und verkapselt werden. Dadurch, dass unterschiedliche Arten von Modulen recycelt werden sollen, wird gleichzeitig die Praxistauglichkeit des Recyclingverfahrens geprüft.
Die verkapselten Perowskit-Module sollen bei der Solar Materials GmbH mittels thermo-mechanischer Verfahren aufgetrennt werden. Getestet werden soll eine Auftrennung so, dass der Glas-Polymer-Verbund, und damit das Glas als Ganzes, effektiv vom Absorbermaterial getrennt wird. Somit soll im Gegensatz zum gängigen Schreddern keine Vermischung mit den anderen Materialien erfolgen. Das Glas kann daher erneut zu Flachglas verarbeitet werden. Das Perowskit-Absorbermaterial wird sortenrein eingesammelt und es muss lediglich 1/3000 der Gewichtsmenge eines Moduls chemisch aufbereitet werden.
Nach der Trennung der Materialien erfolgt die Entwicklung und Optimierung eines Perowskit-Recyclingverfahrens beim assoziierten Partner Solaveni GmbH. Für den Recyclingprozess werden selbstentwickelte nicht brennbare, kostengünstige und umweltfreundliche Lösungsmittelsysteme eingesetzt, die den Einsatz von toxischen Lösungsmitteln obsolet machen und auf den Einsatz von extremen Bedingungen, wie bspw. hohen Temperaturen verzichten. Dieser Ansatz soll es ermöglichen, die Kosten und die Umweltauswirkungen zu minimieren, indem der Energieverbrauch und die Abfallproduktion reduziert und die Kreislaufwirtschaft gefördert wird. Das angedachte Verfahren umfasst chemische und physikalische Bearbeitungsverfahren, wobei mindestens 90% der alten Absorbermaterialien zurückgewonnen werden sollen, die nach dem Recyclingprozess eine Reinheit von ≥99% aufweisen.
Am ZSW sollen aus den recycelten Absorbermaterialien (sowie mit den recycelten TCO-beschichteten Gläsern) neue Perowskitmodule hergestellt werden. Die Module aus den recycelten Materialien sollen mindestens 90% des Wirkungsgrads der frisch hergestellten Referenzproben aufweisen.
Arbeitsschritte
Im ersten Schritte wurden am ZSW innerhalb der ersten Projektmonate Perowskit-Minimodule aus der Lösung hergestellt und verkapselt.
Im zweiten Schritt erfolgte die Auftrennung der verkapselten Perowskit-Module beim Industriepartner Solar Materials mittels thermomechanischer Verfahren. Zur Trennung wurden IR-Strahler (Sondergerätebau der Firma ROVAK, max. Temperatur 850°C) eingesetzt, um mittels thermischer Erhitzung die Verkapselung aufzuweichen und die Gläser zu trennen. Die Temperaturen wurden dabei zwischen 120°C und 165°C variiert. Die eigentliche Trennung erfolgte durch Werkzeuge wie Spachtel und Fühlerlehren. Die Proben wurden hinsichtlich Bruchverhalten und Handhabbarkeit bewertet.
Nach der Trennung der Materialien erfolgte Schritt drei: die Entwicklung und Optimierung eines Perowskit-Recyclingverfahrens bei Solaveni. Das entwickelte Recyclingverfahren umfasst chemische und physikalische Bearbeitungsverfahren. Die wieder aufgetrennten beschichteten Substratgläser wurden mit wenigen Millilitern Methylammoniumformiat (MAF) benetzt, wodurch sich die Perowskit-Schicht sofort, ohne zusätzlichen Druck, mechanische Unterstützung und bei Raumtemperatur, direkt vom Glas ablösen und abwaschen ließ. Anschließend wurden die Glasträger mit einer kleinen Menge VE-Wasser nachgespült, um verbleibende Reste des grünen Lösungsmittels vollständig zu entfernen. Bei Modulen, die Flächenverkapselt waren, wurde zusätzlich 10% Salzsäure verwendet, um die Verkapselungsrückstände zu entfernen. Die Randversiegelung konnte entfernt werden, indem die Gläser in Ehylacetat (ein umweltfreundliches Lösemittel) eingelegt wurden und mittels Ultraschall behandelt wurden. Bei manchen Substraten war zusätzlich noch eine mechanische Behandlung nötig, um Butylreste zu entfernen. Das Bleiiodid wurde nach dem zum Patent angemeldetenProzess (Patentnummer EP4663786A1 “A method for recovering a component from a perovskite structure“, 2025) von Saule S. A. aus dem Methylammoniumformiat mittels Wasser ausgefällt und getrocknet.
Im vierten und letzten Schritt wurden aus den zurückgewonnenen Materialien am ZSW neue Perowskit-Module hergestellt. Dazu wurden das recycelte Perowskit-Absorbermaterial sowie die recycelten mit transparenten leitfähigen Kontakten beschichteten Gläser verwendet. Perowskit-Module, die aus den recycelten Materialien hergestellt wurden, erreichten bis zu 98 % des Wirkungsgrades der frisch hergestellten Referenzproben.
Ergebnisse
Zum Anfang des Projekts gab es einen Partnerwechsel, der ursprüngliche Partner FLAXRES stieg im Juli 2024 aus, aber glücklicherweise konnte mit Solar Materials rasch ein neuer Partner gefunden werden, der die Aufgaben von FLAXRES übernommen hat. Alle Arbeitspakete wurden wie geplant bearbeitet, nur Arbeitspaket 2.1 hat sich durch den Wechsel um ca. 4 Monate verzögert.
Alle Meilensteine wurden erfüllt. Beide PV-Recycling-Workshops wurden erfolgreich durchgeführt.
Bei Solaveni konnten 96% des PbI2 mit 99,96% Reinheit (bestimmt durch ICP-OES Analyse) zurückgewonnen werden.
Da ein Marktanteil von Silizium-Perowskit-Tandemzellen von 17% im Jahr 2036 wird erwartet wird und ca. 1 g Pb pro m2 Perowskitmodul enthalten ist und es momentan noch keine industrielle Recyclinglösung für Perowskitmodule gibt, hat PeroCycle hier einen entscheidenden Beitrag geleistet.
Es konnte am ZSW gezeigt werden, dass semitransparente Perowskit-Minimodule mit recyceltem PbI2 auf recycelten Substraten bis zu 98% des Wirkungsgrades der Referenz mit frischem PbI2 auf frischem ITO-Substrat erreichen können.
Öffentlichkeitsarbeit
- Pressemitteilung von ZSW am 19. September „Die Zukunft neuer Photovoltaik-Materialien bereits heute mitdenken“: https://www.zsw-bw.de/presse/aktuelles/detailansicht/news/detail/News/die-zukunft-neuer-photovoltaik-materialien-bereits-heute-mitdenken.html
- Photovoltaik-BetreiberBrief (Ausgabe 2/2024) vom Bundesverband WindEnergie mit dem Artikel: „Recyclingverfahren für neuartige Perowskit-Photovoltaik-Module“ https://www.betreiberbrief.de
- Interview mit Cordula Wessendorf von Sina Hoffmann (von Wortwert im Auftrag der Bethmann Bank für das Nachhaltigkeits-Magazin Te:nor) Der Artikel „Vom Dach auf die Deponie?“ erschien am 18.12.2024 online https://tenor.bethmannbank.de/nachhaltigkeit/solarmodule-recyceln
Vorträge:
- C. Wessendorf vom ZSW, MATSUS-Frühjahrskonferenz 2025 (2. – 7. März in Sevilla) innerhalb des Symposiums „Reliability and Circularity of Perovskite-Based Photovoltaics (#RECIPE25)“
- J. Bargel von Solar Materials, WORKSHOP: Zirkuläre Wirtschaft | Strategien für Nachhaltigkeit & Effizienz in der Oberflächen- und Dünnschicht-Technologie am 3.12.24 in Dresden
- C. Wessendorf, PV Recycling Workshop in Pirna am 12. November 2025
- C. Wessendorf, Future2 PV Workshop in Zypern (hybrid), 29. Juni 2026
Fazit
Innerhalb des Projektes konnte bei Solar Materials gezeigt werden, dass verkapselte Perowskit-Minimodule mittels thermo-mechanischer Verfahren wieder aufgetrennt werden können. Module nur mit Randversiegelung waren am einfachsten wieder aufzutrennen.
Substrate mit TCO konnten mit nahezu identischer Transmission und Leitfähigkeit zurückgewonnen werden, wenn die Module nur randversiegelt waren. Bei flächenverkapselten Modulen waren teilwiese aggressive Chemikalien zur Reinigung nötig, so dass das TCO angegriffen wurde. Je nach Strukturierung waren teilweise noch Silberrückstände in den P2-Strukturieungslinien vorhanden. Diese können z. B. mittels Bürstenreinigung entfernt werden.
Im EDX waren keine Spuren von Perowskit oder Zwischenschichten auf den gereinigten recycelten TCO-Substraten nachweisbar.
Bei Solaveni konnten 96% des PbI2 mit 99,96% Reinheit zurückgewonnen werden.
Beim ZSW wurden Perowskit-Minimodule auf recycelten ITO-Substraten hergestellt. Die Mittelwerte der Effizienzen wiesen 96% der Mittelwerte von Perowskit-Minimodulen auf frischen Substraten auf.
Im nächsten Schritt wurden semitransparente Perowskit-Minimodule mit recyceltem PbI2 auf recycelten Substraten hergestellt. Das beste recycelte Modul erzielte 14,5 % Wirkungsgrad und somit 98% des Wirkungsgrades der Referenz mit frischem PbI2 auf frischem ITO-Substrat, welches 14,8 % Wirkungsgrad aufwies.
Alle Meilensteine wurden erfüllt. Beide PV-Recycling-Workshops wurden erfolgreich durchgeführt.