Аналіз перспективних тонкоплівкових матеріалів для сонячних панелей на основі графену в процесах декарбонізації та циркулярної економіки

Abstract

The paper is devoted to a comparative analysis of the possibilities of recycling and utilization of two key technologies of solar power: conventional silicon panels, dominating the market, and advanced thin-film graphene-based ones. The analy-sis was conducted in the context of the transition to a circular economy and the rapid growth of photovoltaic waste volumes, which by 2030 may reach 78 million tons. The material composition of silicon panels was studied, which includes both valu-able components (silicon, silver, aluminum) and toxic substances (lead, cadmium), which creates significant environmental risks during disposal. Existing mature technologies for their recycling are described - a combination of mechanical, thermal and chemical methods that allow recovering up to 80 % of materials with a potential of up to 99 %. It is emphasized that the economic feasibility of this process is supported by the high cost of secondary raw materials, and its development is stimu-lated by state regulatory policies, such as the WEEE Directive in the EU, in contrast to the lack of such a legislative frame-work in Ukraine. Graphene thin-film elements are presented as a promising alternative. Their fundamental advantage lies in the potential absence of toxic substances, since they are carbon-based. This can radically simplify, reduce the cost and make recycling processes safer, shifting the focus from hazardous waste management to the recovery of non-toxic materi-als. Although the technology is still at the research stage, innovations in reducing the cost of graphene production open theway to its future commercialization. The future of sustainable solar power engineering depends not only on the efficiency of energy generation, but also on the creation of a closed life cycle. The development of non-toxic materials and the introduc-tion of mandatory producer responsibility for disposal are critical steps to prevent the environmental crisis and implement the principles of the circular economy.

Виконано порівняльний аналіз можливостей переробки та утилізації двох ключових елементів сонячної енергетики: традиційних кремнієвих панелей, що домінують на ринку, та перспективних тонкоплівкових на основі графену. Аналіз проведено в контексті переходу до циркурлярної економіки та стрімкого зростання обсягів фотоелектричних відходів, які до 2030 року можуть сягнути 78 мільйонів тонн. Досліджено матеріальний склад кремнієвих панелей, що включає як цінні компоненти (кремній, срібло, алюміній), так і токсичні речовини (свинець, кадмій), що створює значні екологічні ризики у разі захоронення. Описано існуючі зрілі технології їх переробки — комбінацію механічних, термічних та хімічних методів, що дозволяють відновити до 80 % матеріалів з потенціалом до 99 %. Підкреслюється, що економічна доцільність цього процесу підкріплюється високою вартістю вторинної сировини, а його розвиток стимулюється державною регуляторною політикою, як Директива WEEE в ЄС, на противагу відсутності такої законодавчої бази в Україні. Як перспективну альтернативу запропоновано графенові тонкоплівкові елементи. Їхня фундаментальна перевага полягає у потенційній відсутності токсичних речовин, оскільки вони базуються на вуглеці. Це може кардинально спростити, здешевити та убезпечити процеси переробки, зміщуючи фокус з управління небезпечними відходами на відновлення нетоксичних матеріалів. Хоча технологія ще перебуває на дослідницькій стадії, інновації у здешевленні виробництва графену відкривають шлях до її майбутньої комерціалізації. Майбутнє стійкої сонячної енергетики залежить не лише від ефективності генерації енергії, а й від створення замкненого життєвого циклу. Розвиток нетоксичних матеріалів та впровадження обов’язкової відповідальності виробників за утилізацію є критичними кроками для запобігання екологічній кризі та реалізації принципів циркулярної економіки.