Ученые из Сколтеха совместно с коллегами из Московского государственного университета разработали новый способ переработки кремниевых пластин. Результаты исследования были опубликованы в ACS Sustainable Chemistry & Engineering.

Большинство фотоэлектрических ячеек используют кремний, а объемы их производства растут с каждым годом. Обычно срок эксплуатации солнечных панелей составляет 25–30 лет. Со временем панели деградируют и вырабатывают все меньше и меньше электричества, в связи с этим ученым необходимо найти способ повторного использования отработанного кремния. Если не обращаться к переработке, то к 2050 году мир столкнется с 60 миллионами тонн отработанных фотоэлектрических пластин.

Преобразование кремния в наночастицы оксида кремния является экологически важной задачей, поскольку она не только решает проблему переработки отработанного кремния, но и предлагает новый источник наночастиц для различных областей науки и промышленности.

Группа ученых под руководством старшего научного сотрудника Сколтеха Станислава Евлашина продемонстрировала простой способ конвертации кремниевых панелей в наночастицы в водном растворе со 100% эффективностью. Это открытие может помочь отыскать экологичный способ утилизации кремния без использования токсичных реагентов.

Поскольку изменение условий процесса преобразования позволяет контролировать размер полученных частиц, то конвертированные в наночастицы кремниевые панели могут быть повторно использованы в оптике, фотонике, медицинских применениях и других областях.

«Для преобразования панелей в наночастицы использовался метод гидротермального синтеза в водной среде. Процесс хорош тем, что не требует большого количества оборудования, однако позволяет контролировать размер частиц в пределах 8–50 нм», — поясняет старший научный сотрудник Центра проектирования производственных технологий и материалов Сколтеха Станислав Евлашин.

В эксперименте использовались три вида кремниевых пластин: HR (кремний с высоким удельным сопротивлением), N-тип (легированный азотом) и P-тип (легированный фосфором). Расчеты с использованием теории функционала плотности показали, что Si-H связи формировались на поверхности HR-пластин даже в отсутствии аммиака, который выступает в качестве катализатора. Помимо аммиака, скорость реакции также могут увеличить примеси, такие как легирующие фосфор и бор, и молекулярные дефекты (в случае использования солнечных панелей).

«Подавляющее большинство методов синтеза наночастиц оксида кремния являются восходящими, то есть в них алкоксиды используются в качестве прекурсора для синтеза частиц. Описанный в нашей работе процесс является нисходящим и использует объемные кремниевые пластины в качестве источника, за счет этого он обладает рядом преимуществ, таких как простота, масштабируемость и возможность контролировать размер частиц. Основными параметрами синтеза являются температура и время гидролиза, именно они влияют на распределение частиц по размерам. Мы заметили, что увеличение pH имеет сильное влияние на скорость формирования частиц, поэтому в экспериментах был использован аммиак, который значительно ускорял реакцию, протекающую в водной среде», — объясняет аспирантка Cколтеха Юлия Бондарева.

«Помимо всего прочего, мы решили разобраться в механизме процесса формирования наночастиц. Для этого мы использовали модель гетерогенной нуклеации, в которой конечное число центров нуклеации распределено по поверхности кремниевого источника», — говорит старший научный сотрудник Сколтеха Тимур Аслямов.

В экспериментах, помимо чистого кремния, были использованы и промышленные солнечные панели, основанные на Si-ITO гетероструктуре, которые вели себя так же, как и кремниевые пластины, и были успешно переработаны в наночастицы. Результаты этого исследования представляют собой важнейший шаг в направлении экологичной утилизации кремниевых отходов и создания новых источников наночастиц оксида кремния.