エグゼクティブサマリー
- 1990年代に設置された第1世代の太陽光発電（PV）パネルが寿命を迎えつつあり、現在の設置ペースに基づくと、2050年には世界で7,800万トンのPVパネル廃棄物が発生する可能性があります。専用のリサイクルプログラムがなければ、その多くが埋め立て地に廃棄されることになり、太陽光発電の環境面での意義が損なわれてしまいます。
- 一般的なシリコンパネルは、銀、鉛、銅、スズのインターコネクトを備えたシリコンウェハーで構成され、これらがエチレン酢酸ビニル（EVA）で封止され、ガラスとアルミニウムフレームで保護されています。銀はパネル質量の1%未満ですが、回収された材料の価値の約47%を占めており、効率的な銀の回収はリサイクルの経済性において特に重要です。
- 現在、主に3つのリサイクル手法が用いられています。熱的剥離（最も安価で一般的だが、エネルギー消費が大きく有毒ガス排出の懸念がある）、化学的剥離（効果的だが時間がかかり化学廃棄物が出る）、そして機械的剥離（最も単純だが封止材の除去効率が低い）です。現在、この分野では学術論文よりも特許出願が上回っており、より優れたプロセスに対する商業的な関心の高さがうかがえます。
設置容量が 210ギガワット に達する太陽光エネルギーは、今や米国のエネルギー情勢に欠かせない存在です。2024年上半期の米国における新規発電容量のうち、太陽光発電が67%を占めました。世界全体では、太陽光発電量は 1300テラワット時 に迫っています。
This is an unequivocal benefit for the planet and emissions-reduction efforts, but the maturation of the solar panel industry also brings new questions, specifically what to do with all those photovoltaic (PV) panels once they reach their end of life (EOL). In fact, the first generation of PV panels, installed in the 1990s, are now reaching their EOL since solar panels have an approximate 30-year lifespan. With the amount of PVs being installed today, it’s possible that the world will be handling 78 million tons of PV panel waste by 2050.
PV廃棄物は、貴重な材料をいかにリサイクルし回収するかという多くの課題を突きつけています。専用のリサイクルプログラムがなければ、太陽光パネルの構成部品は埋め立て地に廃棄され、環境を汚染することになります。これは、太陽光発電が広く普及した本来の目的と矛盾するものです。
こうした課題は、より循環型のエネルギーソリューション、新しいパネル製造のための原材料の確保、そして変化する政府規制へのより高い適合性といった広範な機会も提供します。科学情報の最大規模の人間によるキュレーションデータベースである CAS Content CollectionTM を分析した結果、PVのEOL研究がどこに向かっているのか、そして私たちがどのようにしてより持続可能な道を見出せるのかが明らかになりました。
太陽光パネルはリサイクル可能か？
結論から言えば、可能です。現在、3つの手法が存在します。一般的なPVは、シリコンウェハーと、銀、鉛、銅、スズのインターコネクトで構成されており、通常は両面をエチレン酢酸ビニル（EVA）で封止されています（図1参照）。すべての構成部品の中で、銀が最も価値の高い材料です。銀は PV質量の1%未満 ですが、回収される全材料の価値の47%を占めています。
現在のリサイクルプロセスは、以下の4つのステップで行われます。
- アルミニウムフレーム、銅ケーブル、ジャンクションボックスの解体
- ガラス層の除去
- ポリマー封止材の除去
- シリコンおよび金属の回収
最も困難なプロセスは、接着剤を使用して封止された太陽電池セルに貼り付けられているガラス層の除去（剥離）です（図2参照）。
現在行われている3つの太陽光パネルリサイクル手法には、それぞれ利点とトレードオフが存在します（図3を参照）。
- 熱剥離法：このプロセスでは、太陽光パネルを300〜650℃の温度で熱分解します。これによりガラスが分離され、接着剤が分解されます。これは最も費用対効果が高く一般的なPVリサイクル手法ですが、高温で処理するためエネルギー消費量が多く、有毒ガスが発生するという課題があります。
- 化学剥離法：このリサイクル手法は、ガラスや太陽電池を損傷させずに処理できるという利点があります。しかし、プロセスで使用する有機溶剤や無機酸・塩基が接着剤や封止材と反応するまでに時間がかかり、処理に最大10日を要します。また、使用する化学薬品が高価であり、廃液の処理も複雑です。
- 機械剥離法：解体した太陽光パネルを破砕し、粉砕・分離する手法です。3つの手法の中で最も単純ですが、封止材であるポリマーの除去効率が低いという欠点があります。
太陽光パネルリサイクルの課題
すべてのPVリサイクル手法には一長一短があるため、研究者はその改善策を模索しています。現在の研究状況を分析すると、特許公開が最も多く、これらのプロセスに対する商業的な関心の高さがうかがえます（図4を参照）。
詳細を見ると、熱処理、熱分解、加熱、焼成といった熱剥離法に関連する概念が最も多くインデックスされています（図5を参照）。
しかし、耐用年数を迎えるパネルの急増に対応するためには、PVリサイクルを大規模化する上で多くの課題を克服しなければなりません。前述の通り、有毒ガスの排出や有害な化学廃棄物の処理が、現在のリサイクルプロセスを複雑にしています。もう一つの問題は、回収されたシリコンが他の元素で汚染されていることが多く、新しい太陽光パネルには再利用できない点です。ウェハー製造プロセスでシリコンを再利用するには、6N（純度99.9999%）から11Nの高純度まで精製する必要があります。
PV製造プロセスにおいてシリコン製造がエネルギー消費の半分以上を占めているため、メーカーがシリコンを再利用できるようにすることは極めて重要です。さらに、30年前に製造されたシリコンウェハーは、現在のものほど品質が高くないという事実が、このプロセスをより困難にしています。
最後に、PVリサイクルの費用対効果には不確実性が伴います。最近の調査では、リサイクル材料はバージン材料よりもはるかに安価であるという結果が</w1><w2>示されました。PV用のバージン材料は90米ドル/m2と算出されたのに対し、FRELP（Full Recovery End of Life Photovoltaic）プロジェクトを通じて回収されたリサイクル材料はわずか12.43米ドル/m2でした。リサイクルの環境的利益を分析に含めると、そのコストは1.19米ドル/m2までさらに低下します。しかし、パネル内に高価値な元素が不足しているため、リサイクルは採算が取れないという逆の結果を示す研究もあります。この経済的な不確実性を克服することが、PVリサイクル事業を拡大する鍵となります。
持続可能な太陽光パネルリサイクルの機会
メーカー、廃棄物処理業者、政府、その他の関係者は、太陽光パネルリサイクルのコストと利益をどのように正しく理解すべきでしょうか。その出発点となるのは、より包括的な技術経済分析（TEA）とライフサイクルアセスメント（LCA）を実施することです。これらの調査により、最新の費用対効果情報を共有し、変動する商品価格やその他の要因を考慮に入れることが可能になります。
リサイクルプロセスには改善の余地があります。研究開発をさらに進めることで、現在のプロセスよりも効率的に原材料を回収できる手法を発見できるはずです。例えば、銀の回収率を高めることで、リサイクルの費用対効果を向上させることができます。また、Icarusのようなプロジェクトは、シリコン精製のブレークスルーをもたらし、廃棄物の削減や、新しい太陽光パネル用原材料の効率的な利用に貢献する可能性があります。
研究者は、リサイクル性を考慮した革新的なパネル設計を開発することも可能です。設計段階から解体や材料回収を計画しておくことで、より効率的な材料回収が可能となり、エネルギー消費や化学廃棄物の削減にもつながります。
政府の政策も重要な役割を果たします。EUの廃電気電子機器（WEEE）指令は、他の国や地域にとっての出発点となり得ます。政府がPVリサイクルを奨励することで、規模の経済を促進できます。国際再生可能エネルギー機関（IRENA）も指摘しているように、廃棄物処理パートナーを巻き込むことは、ビジネスの成長を促し、収益や雇用機会を拡大させ、クリーンエネルギーの拡大と経済成長の好循環を生み出すことにつながります。
