太陽光パネルはここ数年、史上最も安い電力を生み出してきた。そして、当然ながら急速に普及している。世界最大の石炭消費国である中国も、現在は実際に太陽光からより多くのエネルギーを生み出している。太陽光が急成長し、化石燃料の市場シェアを奪っているため、化石燃料業界は最近、太陽電池廃棄物に大きな関心を向けている。アルバータ州はそれを理由に、太陽光パネルへの課税を義務付けさえした。太陽光パネルが廃棄物を生むのは事実だが、それは化石燃料による汚染に比べればごくわずかな割合にすぎない。とはいえ、太陽光産業が改善を進め、革新的なリサイクル方法を見いだせないという意味ではない。新たな方法の1つがある。シリコンは、より高い理論比容量を持つことから、リチウムイオン電池の負極に使われるグラファイトの有望な代替材料として提案されてきた。新たな研究では、結晶シリコン太陽電池の廃棄物から回収したシリコンを用い、オープンソースの3Dプリンティングによって、バッテリー用のシリコン・カーボン複合負極が作製された。
リサイクル太陽電池からバッテリーを作るには何度で加熱すべきか
具体的には、この研究は、リサイクル太陽電池から作られたバッテリー部材の構造的、電気的、電気化学的特性に対して、熱分解（酸素なしで加熱すること）温度が及ぼす影響を調べたものだ。狙いは、電気化学的に不活性な炭化ケイ素の生成を抑えることだった。先行研究では、リサイクルシリコンからバッテリーを作れることが示されていたが、加熱温度である1400 °Cで炭化ケイ素が見つかっていた。今回の目標は、高い電気伝導性と安定した構造を維持しつつ、役に立たない炭化ケイ素を避けることだった。材料はまず、デスクトップ型3Dプリンターを使って3Dプリントされた。3Dプリントされた負極は、800 °C、1100 °C、1200 °Cで熱分解された。その結果、熱分解温度が3Dプリント負極の微細構造と電気化学的性能の双方に影響することが示された。1200 °Cでの熱分解では、電気化学的に不活性な炭化ケイ素を生成することなく、高導電性のカーボンマトリックスが形成された。研究チームは結果を確認した。X線回折分析により、1200 °Cでは炭化ケイ素のピークが現れなかったのだ。さらに確認のため、他の材料科学的試験も実施した。この温度でラマンスペクトルに観察されたグラファイト化の進行と、電気化学インピーダンス分光法で示された電荷移動抵抗の低下を合わせると、カーボンネットワークが活性シリコン相を保ちながら高い電子伝導性を獲得したことを示している。
結論：スマホのバッテリーはリサイクル太陽電池から作れるようになった
リサイクルしたシリコン太陽電池材料を適切な温度で加熱したところ、その負極は約771 mAh g-1の初期比容量、99.9%のクーロン効率、120サイクル後に61%の容量維持率を示した。これは非常に良好な結果である。今回達成された性能は、1400 °Cで熱分解した従来のSLA方式（光造形）でプリントしたPVシリコン負極を上回る改善を示しており、最適な形態を得るには熱分解温度の調整が重要な戦略であることを裏付けている。次の段階は、プロセスをスケールアップし、より長期間にわたって試験し、スケールアップ時の経済性を詳細に検討することだ。寿命を迎えた太陽電池から、より価値の高い製品（バッテリー）を作るための有望な新手法に見える。
