Dans un contexte de transition énergétique, la gestion des équipements arrivés en fin de vie est devenue une vraie question. Ainsi, dans la foulée du projet Solarcycle, Comet Traitements et Recma ont décidé de s’associer afin de proposer une solution de recyclage au gisement croissant de panneaux photovoltaïques. Grégory Lewis, Ingénieur R&D chez Comet Traitements, nous partagera la vision industrielle de la problématique liée à la filière et au recyclage du photovoltaïque. Frédéric Boschini présentera, quant à lui, les principaux résultats de recherche du laboratoire GREEnMat (ULiège) relatifs à la désencapsulation et à l’extraction des différentes fractions. Cette rencontre sera également l’occasion de mieux cerner les possibilités de valorisation du silicium issu du recyclage comme matériau d’anode pour la conception de batteries Li-ion. Ensemble, nos deux intervenants identifieront les défis liés à l’extraction et à la purification des différents matériaux contenus dans un panneau photovoltaïque et évoqueront dans quelle mesure les efforts R&D en cours ouvrent la voie vers de nouvelles filières de valorisation dès l’horizon 2024.

1. Vendredi 28 mai 2021
Les panneaux photovoltaïques : vers de
nouvelles filières de valorisation
Dr Frédéric Boschini R&D Powder Manager GREEnMat,
ULiège)
Grégory Lewis Ingénieur R&D (Comet Traitements)

2. LIEGE CREATIVE, en partenariat avec :

3. Liège Créative – 28 mai 2021
Gregory Lewis
(Groupe COMET)
Les panneaux photovoltaïques : vers
de nouvelles filières de valorisation

4. La donne photovoltaïque…
Une source
d’énergie infinie
Un gisement en
pleine croissance
Environnement
régulatoire
UE - RW
Utilisation de
métaux précieux
Mise en place d’une
nouvelle filière

5. Parc photovoltaïque en croissance continue
11%
Nécessité de développer
des processus de recyclage
*EU Market Outlook For
Solar Power 2020-2024
Solar Power Europe
2020

6. Cadre législatif
2012
• Directive DEEE
élargie aux PV
2014
• Entrée en
vigueur en BE
2021
• Région wallonne
• VL : 2016 BXL : 2019
2018
80% Recyclage
85% Valorisation
2016
• PV Cycle BE
• 2 € / PV

7. Un projet de recherche : Solarcycle
2012 - 2017
Caractérisation
des surfaces
Caractérisation
des matériaux
Traitement et
revalorisation
des déchets
industriels
Tri et revalorisation des
déchets ménagers et
industriels via
l’insertion
professionnelle

8. Un projet de recherche : Solarcycle
2012 - 2017
Centre(s) de regroupement
Procédés de
démantèlement
Raffinage et purification
des matériaux

9. Un projet de recherche : Solarcycle
2012 - 2017
Evaluer quatre approches
technologiques différentes
Innovations industrielles /
désencapsulation
Deux dépôts de projet R&D en
cours
Win2Wal
(silicium &
batteries)
EU H2020
(métaux
précieux)
Traitement
minéralurgique
Polissage
Bio-
hydrométallurgie
Surfassage

10. Solarcycle
2018
Constitution d’un
Groupement d’intérêt
économique à finalité
sociale

11. Les composantes du PV

12. Cadre et supports
: aluminium

13. Connectique:
cuivre, métaux
précieux

14. Protection : verre

15. Cellules,
gaufrettes: cuivre,
silicium ,etc.

16. ‘Backsheet’ :
organique - plastique

17. Démantèlement & traitement

18. Collecte & stockage

19. Démantèlement avec aide robotique

20. Désencapsulation

21. Désencapsulation & valorisation des fractions
Verre
Connecteurs
inter-cellules
Concentré
métallique
fin
Fragments
de silicium

22. Démantèlement & traitement
86%

23. Solarcycle, premier recycleur wallon
Un interlocuteur et différents gisements

24. Evolution des volumes traités par Solarcycle
Panneaux traités
(fin 2020):
48.850 PV
2016-2018 2019 2020
25 000
20 000
15 000
10 000
5 000
0
2.320
21.530
25.000

25. ENJEUX
Poursuivre les
efforts de
recherche
Développer de
nouvelles filières
de débouchés
Développer les
volumes issus du
marché local

26. Liège Créative – 28 mai 2021
Gregory Lewis
(Groupe COMET)
Merci de votre
attention
Les panneaux photovoltaïques : vers
de nouvelles filières de valorisation

27. Dr Frédéric Boschini
Comment valoriser les panneaux photovoltaïques arrivés
en fin de vie ?
28 mai 2021
GREEnMat, Specialist in powders

28. © ULg - GREENMAT
2
Réutilisation vs Recyclage
-comment gérer la récupération ?
-quelles garanties offrir ?
Caractérisation/certification
Protocole/formation opérateurs
Mise en place d’une filière locale pour réduire
les coûts

29. © ULg - GREENMAT
3
Composition d’un panneau photovoltaïque
Polymère encapsulation (EVA)
Cadre
Film protection
Polymère encapsulation (EVA)
Verre
Modules
Backsheet (PET/PVF)
Argent
Couche anti-reflet
Silicium
Aluminium

30. © ULg - GREENMAT
4
Valeur économique hors silicium 750€/t
Composition d’un panneau photovoltaïque
70% masse d’UPV = verre
18% masse d’UPV = l’aluminium mais 30% de
la valeur économique
88 wt%
0,05 % Ag et représente plus de 50% de la valeur économique
0,15 €/kg

31. © ULg - GREENMAT
5
Silicium au centre de l’attention
- La gaufrette de silicium représente 50% du coût de production d’un module
- Si > 50% de l’empreinte environnemental de la construction d’un UPV
Nature Energy, 2020
11Mwh/t
150Mwh/t
70Mwh/t
4.2 T Silice
1,5 T Si (99%)
1T Si (99,9999%)
0,3 T Gaufrettes
20 T pétrole

32. © ULg - GREENMAT
6
Réutilisation vs Recyclage
Démantèlement primaire
Démantèlement secondaire
Fortement endommagés
Faiblement endommagés
Récupération des cellules Délamination
Hydrométallurgie
Hybride: recyclage/réutilisation

33. © ULg - GREENMAT
7
Solution hybride: une fausse bonne solution?
-Analyse des UPV avant traitement
-Etablir et disposer d’ une classification des panneaux
par fabricant, par année, par type,…pas de historique!
-Eviter les contraintes mécaniques lors des
démantèlements primaire et secondaire
(cadre/jonction)
- Réduction des cadences de traitement et des
volumes de traitements
- Mise en place de procédure de désencapsulation
contrôlées à base de solvants*
trichloroéthylène 80°C/10 jours ou dichlorobenzène
à 70°C*
* Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2001, 67, 397–403 et Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2012, 98, 317–
322.

34. © ULg - GREENMAT
8
Recyclage UPV
Recyclage = SolarCycle
Démantèlement primaire
Démantèlement secondaire
Fortement endommagés
Faiblement endommagés
Récupération des cellules Délamination
Hydrométallurgie
+

35. © ULg - GREENMAT
9
Techniques de démantèlement secondaires
Traitement thermique
Perte partielle Ag et contamination
du silicium et oxydation des métaux
EVA pyrolyse 500°C

36. © ULg - GREENMAT
10
Peak Ret. time (min) Area (%) Compound Mol. weight
1 5.34 3.51 2-Butene 56
2 5.58 3.14 1-Pentene 70
3 5.96 6.58 4-Penten-1-ol 86
4 6.11 5.16 1-Hexene 84
5 6.74 1.44 1,4-Hexadiene 82
6 6.82 1.15 5-Hexen-1-ol 82
7 6.89 1.58 Methyl vinyl ketone 70
8 7.07 3.84 1-Heptene 98
9 7.16 2.7 2,4-Hexadiene 82
10 7.32 2.07 Benzene 78
11 7.61 1.61 2-Methyl-1,4-hexadiene 96
12 7.89 13.69 Acetic acid 60
13 8.22 1.06 Pentanal 86
14 8.44 2.96 1-Octene 112
15 8.8 1.65 Toluene 92
16 9.18 1.54 Cyclohexaneethanol 128
17 9.7 0.94 Hexanal 100
18 9.87 1.91 1-Nonene 126
19 11.05 1.73 1-Decene 140
20 11.94 2.16 1-Undecene 154
21 12.63 2.52 1-Tetradecene 168
22 13.2 2.13 1-Tridecene 182
23 13.7 2.24 1-Pentadecene 210
24 14.18 1.5 1-Heptadecene 238
25 14.25 1.15 Dodecanal 184
26 14.65 1.3 1-Nonadecene 266
27 15.13 1.38 1-Heneicosene 294
28 15.65 1.19 1-Docosene 308
Perte totale des organiques 12 wt%
Emissions gazeuses importantes
Présence de fluorures
Ruixue Wang, RSC Adv., 2019, 9, 18115
Traitement des gaz
EVA pyrolyse 500°C
Verre
Connecteurs Fraction fine
Gaufrettes

37. © ULg - GREENMAT
11
Traitement en voie liquide en milieu hydrothermal
Objectifs :
-améliorer la pureté des fractions;
-enlever le verre et la backsheet fluorée;
-réduire les effluents;
Monitoring pression traitement hydrothermal H2O
Température (°C)
0 50 100 150 200 250
Pression
(bar)
0
5
10
15
20
25
Solarfun
Sunpower
Ulica
WurzE
Solarfabriek
Pautogène H2O
Travailler dans un domaine de
pression industrielle acceptable
Pas de dégagement gazeux
Indépendant de la marque des
UPV traités

38. © ULg - GREENMAT
12
Panneau
photovoltaïque
Délamination
Fractions
ICP-MS -> 0,2 % Sb
-> Cu, Ag < 0,002 %
-> Sn, Pb < 0,001 %
Réutilisation
de la solution
Polymères non fluorés : < 0,02 mg/l
Polymères fluorés : ~ 0,35 mg/l

39. © ULg - GREENMAT
13
Traitement du laminât : oxydation en voie aqueuse
Oxydants
Libération des connecteurs et du silicium
Oxydation de l’EVA et dépolymération
Oxydation des métaux
Extraction et valorisation
du silicium

40. © ULg - GREENMAT
14
Valorisation du silicium
Silicium solaire
-accroissement de la pureté du silicium : 6N à 9N
-présence de la couche d’anti-reflet SiN (surface cellule)
-présence d’impuretés issues des étapes de recyclages (Ag, Pb, Al,…)
Silicium de grade « métallurgique »
11Mwh/t
150Mwh/t
70Mwh/t
20 T pétrole

41. © ULg - GREENMAT
15
Valorisation alternative du silicium: poudre de silicium
Gaufrette de silicium = 10 g
Panneau à 72 cellules
→ Si ~ 700 g/panneau
Valeur métaux contenus dans un panneau recyclé: 15€/panneau
Firmes Pureté (%) Granulo (µm) Prix (€/Kg)
Goodfellow 97,5 150 281
Aldrich 99 45 216
Goodfellow 99,5 45 321
Johson Matthey 99,5 45 770
Poudre de silicium
-Prix inversement proportionnel à la taille des particules de silicium
-Valeur théorique poudre Si: 150 €/panneau (216€/kg-99% pureté)
-Opportunité de valorisation et financement de procédés avancés

42. © ULg - GREENMAT
16
Valorisation poudres de silicium comme matériau d’anode
pour batteries Li-ion
Anode materials Silicon Graphite
Size/ morphology
Micro particles of silicon,
Nanoparticles of silicon
Graphene layers,
crystalline, anisotropic
Theoretical capacity 3579 mAh/g 372 mAh/g
Voltage Vs Li (V) 0.4 0.05
Accroissement de la capacité de la batterie par une
substitution partielle du graphite par le silicium

43. © ULg - GREENMAT
17
Problématiques: anode au silicium
Expansion volumique
Délamination
Passivation (réaction)
Stratégie : réduire la taille des particules (nm), encapsuler les particules et
les fixer sur l’électrode
Formation d’un
composite Si@C
Accroitre la valeur
du Si

44. © ULg - GREENMAT
Lixiviation du
silicium
Broyage des
gaufrettes
Mise en
suspension
Séchage
agglomération
Calcination
Confidentiel
Procédé de
valorisation du Si
comme matériau
d’anode
Mise en place d’une méthode générique d’encapsulation:

45. © ULg - GREENMAT
19
Ø Haute capacité: 1C/1400 cycles
Ø Incorporation de 30% de silicium
Ø Possibilité d’utiliser du silicium de grade (gaufrette)s pour la conception d’un matériau
hybride d’anode à haute valeur ajoutée
Démonstration que les gaufrettes de silicium utilisées pour la
conception d’UPV peuvent être utilisées
Mise en place d’une méthode générique d’encapsulation du Si: EP3654413
Evaluation électrochimique du Si@C

46. © ULg - GREENMAT
20
Perspectives
1. Mettre en place à l’échelle pilote la fabrication de poudre de Si@C à
partir de différentes sources de silicium (2021/2022)
Gramme au kilogramme / semaine
2. Prouver la faisabilité d’utiliser du silicium recyclé issu de panneaux
photovoltaïques hors d’usage et étudier l’influence des impuretés sur les
propriétés électrochimiques des batteries
Projet PureSilicon (septembre 2021-2024)

47. © ULg - GREENMAT
21
Remerciements
Partenaires
Les chercheurs du GREEnMat
Audrey Nicolas Vincent Abdel
Dr F. BOSCHINI
GREEnMat-Uliège
Allée du 6 Août, 13-B6A
www.greenmat.be
frederic.boschini@uliege.be