Waste Photovoltaic Panels for Ultrapure Silicon and Hydrogen through

May 15, 2017 - Circulation technology of waste photovoltaic panels for production of ultrapure silicon and energy in the form of hydrogen storage was ...
0 downloads 0 Views 492KB Size
Subscriber access provided by CORNELL UNIVERSITY LIBRARY

Article

Waste photovoltaic panels for ultrapure silicon and hydrogen through the low temperature magnesium silicide Pavel Dytrych, Jakub Bumba, Frantisek Kastanek, Radek Fajgar, Martin Kostejn, and Olga Šolcova Ind. Eng. Chem. Res., Just Accepted Manuscript • Publication Date (Web): 15 May 2017 Downloaded from http://pubs.acs.org on May 21, 2017

Just Accepted “Just Accepted” manuscripts have been peer-reviewed and accepted for publication. They are posted online prior to technical editing, formatting for publication and author proofing. The American Chemical Society provides “Just Accepted” as a free service to the research community to expedite the dissemination of scientific material as soon as possible after acceptance. “Just Accepted” manuscripts appear in full in PDF format accompanied by an HTML abstract. “Just Accepted” manuscripts have been fully peer reviewed, but should not be considered the official version of record. They are accessible to all readers and citable by the Digital Object Identifier (DOI®). “Just Accepted” is an optional service offered to authors. Therefore, the “Just Accepted” Web site may not include all articles that will be published in the journal. After a manuscript is technically edited and formatted, it will be removed from the “Just Accepted” Web site and published as an ASAP article. Note that technical editing may introduce minor changes to the manuscript text and/or graphics which could affect content, and all legal disclaimers and ethical guidelines that apply to the journal pertain. ACS cannot be held responsible for errors or consequences arising from the use of information contained in these “Just Accepted” manuscripts.

Industrial & Engineering Chemistry Research is published by the American Chemical Society. 1155 Sixteenth Street N.W., Washington, DC 20036 Published by American Chemical Society. Copyright © American Chemical Society. However, no copyright claim is made to original U.S. Government works, or works produced by employees of any Commonwealth realm Crown government in the course of their duties.

Page 1 of 9

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Industrial & Engineering Chemistry Research

Waste photovoltaic panels for ultrapure silicon and hydrogen  through the low temperature magnesium silicide  Pavel Dytrych, Jakub Bumba, Frantisek Kastanek, Radek Fajgar, Martin Kostejn, Olga Solcova*  *Institute of Chemical Process Fundamentals of the CAS, v. v. i., Rozvojova 135/1, Prague 6, Czech Republic   

 

ABSTRACT: Circulation technology of waste photovoltaic panels for production of ultrapure silicon and energy in the form  of hydrogen storage was designed and verified. Preparation of magnesium silicide from waste photovoltaic panel’s silicon  and partially oxidized magnesium was thoroughly studied. Work was focused on process optimization, thus, three groups  of reactors were tested, namely the continuously evacuated open reactor, pre‐evacuated batch reactor and semi‐opened  reactors. The influence of reaction temperature was evaluated in the range of 330 – 630 °C for various reaction atmospheres;  argon and/or air at pressures of 5 kPa, 33 kPa and 100 kPa; and vacuum in the range of 5 ‐ 30 Pa. The effect of nitrogen and  oxygen presence in the atmosphere on the resulted reaction and reaction rate was also thoroughly studied. The minimum  reaction time guaranteeing the total conversion of silicon for two purities of used magnesium was also determined. The  produced materials were analyzed by dispersive Raman spectroscopy, Scanning Electron Microscopy with Energy Disper‐ sive X‐Ray Spectroscopy and X‐Ray Diffraction. Finally, the reactor filling, which significantly influenced the formation of  magnesium silicide, was tested and established minimally at 30% of reactor´s volume. Hydrolysis of obtained magnesium  silicide by diluted acid for silicon hydrides’ (silanes) production and their subsequent thermal decomposition into the ul‐ trapure silicon and hydrogen were also successfully verified.

1.

argon as working gas at temperatures above 450 °C, in the  case of magnesium silicide. For pure alkali metals, e. g. so‐ dium  or  potassium,  the  reaction  starts  at  temperatures  above  700  °C.6‐8  The  reaction  time  for  many  alkali/alkali  earth metals is more than one day, and this reaction also  leads to an increase of volume of the reacting species. Tra‐ ditional  Hohmann  method  involves  the  synthesis  of  sili‐ cides in a corundum beaker with argon as working gas. The  reaction occurs in a metallic reactor, whereas the external  source  of  heat,  the  gas  burner,  is  used.  Magnesium  and  other alkali metals are added in 200‐300 % excess.9 Classi‐ cal Moissan's process utilizes the high exothermic reaction  of  alkali  metals  with  silicon.10,  11  The  reaction  mixture  is  heated above the melting point of alkali/alkali earth met‐ als, but the alkali/alkali earth metal reacts also with the re‐ actor´s walls and gases leading to a low quality product and  low  yield.  The  starting  materials  are  mainly  pressed  into  pellets and then thermally treated with temperatures be‐ tween  1100  ‐  1500  °C  and  hydraulic  pressure  of  about  100  MPa.12, 13 A powder form of magnesium silicide can also be  prepared at the laboratory scale by utilizing tantalum reac‐ tors  (beakers)  during  the  solid‐solid  phase  reaction,  whereas  mono‐crystals  are  prepared  by  Bridgman  method.14,  15  Other  methods  have  also  been  employed  to  prepare  high  purity  magnesium  silicide,  e.  g.  mechanical  alloying16, spark plasma treatment17, fluidized bed rector18,  repeated plastic working19, milling in a planetary mill20, ball 

INTRODUCTION  

A new issue concerning old used photovoltaic panels has  currently become a serious challenge. The lifetime of the  first generations of photovoltaic panels based on polycrys‐ talline or monocrystalline silicon has come to an end.1 Gen‐ erally,  the  recovery  process  involves  dismantling  of  the  panel with orientation towards separation of plastic, glass  and  metallic  parts.2  The  next  steps  are  predominantly  blending and thermal treatments of the material.2, 3 Chem‐ ical  treatment  of  crystalline  silicon  solar  cells  is  another  possible recovery method of pure silicon from photovoltaic  modules.4 The remaining silicon has to be treated by high  temperature  processes;  however,  concerning  energy  and  material these processes are generally highly demanding.5  Moreover, only silicon with relatively high value of impu‐ rities and dopants (e.g. oxides, N2, B, P, Al) can be obtained  by  the  above  mentioned  recovery  processes.  Therefore,  similar processes are unsuitable for both reutilization and  economic circulation. In fact, no process which results in  silicon with high purity has been mentioned yet.   A metallurgical grade silicon is used as a source for produc‐ tion of ultrapure silicon, nowadays. Silicides seem to be an‐ other promising materials except of metallurgical grade sil‐ icon. The traditional approach alkali/alkali earth metal sil‐ icides is based on the reaction of small grained alkali/alkali  earth  metals  with  silicon  powder  under  vacuum,  or  with 

A

ACS Paragon Plus Environment

Industrial & Engineering Chemistry Research

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

milling21, etc. Commonly used particle sizes for silicon and  magnesium  were  in  10‐300  µm  range  for  all  above  men‐ tioned syntheses. These processes require: Mg, Si of ultra‐ high purity, mechanical treatment by pressurizing or mill‐ ing, advanced devices, long time of above 3 hours to a few  days;  therefore,  they  are  usually  exceedingly  expensive.  Concerning magnesium silicide optimization, procedure of  reaction conditions was reported by Ioannou at al. 22, who  focused  on  solid‐state  synthesis  of  Mg2Si  via  short‐dura‐ tion ball‐milling and low‐temperature annealing from ul‐ trapure substances. In this work, magnesium powder was  milled  under  argon  atmosphere  with  grain  sizes  in  the  range of 149‐841 µm for 30 min or 60 min and pressed into  pellets with diameters of ca. 5‐10 mm at 500 MPa. The pel‐ lets were heated at temperatures above 400 °C with maxi‐ mal time of 300 h. Ioannou at al. mentioned that minimal  time for initiation of Mg2Si forming had been 1 hour. It can  be  concluded  that  existing  methods  are  significantly  en‐ ergy‐intensive;  therefore,  there  is  no  realistic  hope  they  could be implemented in eco‐recycling of solar panels.  

Page 2 of 9

below  10  %,  (Solartec).  Silicon  scraps  were  milled  into  a  powder form in a mortar. The particle size of obtained sil‐ icon  powder  was  smaller  than  50  µm.  After  milling,  the  starting materials were mixed in molar ratios Mg : Si = (2 –  2.5) : 1. The weight of the starting materials was 0.6g – 10.2  g for magnesium and 0.3 g – 5.9 g for silicon. The excess of  magnesium was used to compensate evaporation of mag‐ nesium and the higher content of silicon oxide, which can  react with magnesium and produce magnesium oxide. The  mixture of starting materials was homogenized, filled into  reactor and heated under various conditions. 

2.2. Types of reactors and its arrangement  Figure 1 shows four reactors which were tested for prepa‐ ration of magnesium silicide; a) ceramic boat, b) batch re‐ actor,  c)  semi‐opened  reactor  with  valve,  and  d)  semi‐ opened tube reactor.  The experiments in a ceramic boat (Figure 1a) were realized  under  argon  atmosphere  at  approx.  33  kPa  and  500  °C.  Magnesium (1.1 g; 97 %) and silicon (0.6 g) were given in  molar ratio 2.1:1 into the boat and and inserted into a quartz  tube. After evacuating the pressure lower than 30 Pa, argon  was introduced. The reaction time was 5 minutes. 

Nevertheless, magnesium silicide can be really utilized as  a  raw  material  for  silane  production.  There  are  existed  method in with magnesium silicide is slowly dropped into  a glass tube with dilute hydrochloric acid. Resulting gase‐ ous  product  spontaneously  burns  in  contact  with  air,  which indicates the formation of silanes.23. Silane is com‐ monly used for a chemical vapor deposition of thin silicon  layers24, 25. A pure silicon nano‐powder from silane can be  obtained by the radiofrequency thermal plasma decompo‐ sition26  or  by  the  pyrolysis  of  silane27,  28.  Based  on  above  mentioned information, we designed a new three step pro‐ cess which includes a low temperature preparation of mag‐ nesium silicide, its hydrolysis by a phosphoric acid and a  subsequent  thermal  decomposition  of  prepared  silanes.  The process enables recycling of waste photovoltaic panels  (after  removal  of  plastic’s  parts)  to  product  an  ultrapure  silicon in combination with hydrogen and magnesium salt  fertilizer as byproduct after hydrolysis of magnesium sili‐ cide. The article is mainly focused on optimization of mag‐ nesium silicide preparation such as a reaction temperature,  time,  atmosphere  and reactor types.  An  acidic hydrolysis  and thermal decomposition of resulting silane to produce  ultrapure  silicon  and  hydrogen  was  also  tested  and  veri‐ fied. Thus, design of a low temperature process in which a  relatively small amount of heat and materials are needed  for reutilization of waste silicon by using scrap magnesium  is reported.  

The batch reactor (Figure 1b) was made of temperature re‐ sistant  glass  with  an  approximate  volume  of  50  cm3  with  glass thickness of ca. 1 mm. Magnesium (0.9 g – 1.0 g; 97 %)  and silicon (0.5 g) in molar ratio in the range of (2.1‐ 2.3):1  was inserted into the reactor and the air was pumped out  by a rotary pump to decrease the pressure below 30 Pa and  the ampule was sealed with a burner. For first experiments  with reaction time of 15 or 45 minutes, 0.9 g of magnesium  and 0.5 g of silicon were applied; and for 120‐minute exper‐ iment, 1 g of magnesium and 0.5 g of silicon.   The reaction was performed at 500 °C in a furnace (Figure  1c). The semi‐opened reactor with a valve, which enables  controlled communication with atmosphere, possessed an  approximate  volume  of  50  cm3.  For  these  experiments,  weights of starting materials were 3.5 g of 97 % magnesium  and 1.8 g of silicon in molar ratio 2.2:1; resp. 6.3 g and 3.7 g  in molar ratio 2:1, and in the third experiment 10.2 g and  5.9 g in molar ratio 2:1. The mixture of starting materials  was filled into the reactor, evacuated and then put into the  furnace  with  controlled  atmosphere.  Within  the  first  ar‐ rangement, atmosphere consisted of ca. 78 % nitrogen and  21 % oxygen at 5 kPa. 

2. EXPERIMENTAL  2.1. Materials and experimental conditions  Partially oxidized magnesium and silicon from end of life  photovoltaic  panels  were  used  as  starting  materials  for  preparation  of  magnesium  silicide  (Mg2Si).  Magnesium  possessed the particle size of less than 200 µm, two purities  of 90 and 97 % with Mg‐O content 10 % and 3 % respec‐ tively (Sigma Aldrich, Fichema s.r.o.) and the silicon scraps  particle size varied between a few millimeters to several  

Figure 1. a) Ceramic boat b) Batch reactor c) Semi‐opened  reactor with valve d) Semi‐opened tube reactor 

B

ACS Paragon Plus Environment

Page 3 of 9

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Industrial & Engineering Chemistry Research

The second arrangement was obtained by the addition of  argon up to 100 kPa. The reactions of both arrangements  were performed at 570 – 630 °C.  

XPS spectra were charge corrected by C 1s spectral compo‐ nent binding energy set to 284.8 eV for Si, SiOx, Mg, MgOx,  Mg2Si samples. The spectra were fitted using a Gaussian– Lorentzian line shape, Shirley background subtraction and  a damped non‐linear least square procedure. Spectra were  taken over Si 2p, Mg 2p, O  1s, C  1s, and  valence band re‐ gions. Samples were repeatedly sputtered with Ar+ ions at  1  kV  with  current  of  10  µA  for  30  s  to  remove  superficial  layers. The SEM with mounted EDS was used for composi‐ tion evaluation of products based on intensity ratios of Mg  Kα, Si Kα. Tungsten substrates were used as a support of the  layers measured by EDS at acceleration voltage 10 ‐ 15 kV.  The tungsten plates with a thin layer of studied material on  the  surface  were  attached  using  adhesive  material  to  the  non‐diffracting  sample  holders.  To  provide  the  exact  dif‐ fracting plane, we used the XYZ stage coupled with correc‐ tion  lasers.  The  measurements  were  carried  out  with  a  Bruker  D8  Discover  diffractometer  equipped  with  a  sili‐ con‐strip  linear  LynxEye  detector  and  a  germanium  pri‐ mary  monochromator  providing  CuKα1  radiation  (λ  =  1.54056 Å). Data were collected in two steps: 1. 2ϴ range of  5  ‐  99°  with  a step  size  of  0.016  and  a  counting  time  of  1  second at each step; 2. 2ϴ range of 5 ‐ 42° with a step size  of  0.016  and  a  counting  time  of  5  seconds  at  each  step.29  The  FTIR  spectra  of  gaseous  hydrolysis  products  before  cooling  and  silane  decomposition  were  measured  on  Ni‐ colet Impact spectrometer with spectral resolution of 1 cm‐ 1  with 100 repetitions The gas chromatography–mass spec‐ troscopy (Shimadzu QP 5050 mass spectrometer), using a  25  m  long  PoraBOND  capillary  column,  programmed  to  30–220 °C with temperature increase of 10 °C/min, with in‐ jector  temperature  of  130  °C  and  sampling  by  a  gas‐tight  syringe after He (atmospheric  pressure) was used  for  de‐ tection of hydrolyzed products. 

The semi‐opened tube reactor had a screw‐thread with a  little hole of 1.2 mm. (Figure 1d). The reactor volume was  36 cm3. The hole permitted the gaseous and adsorbed spe‐ cies to be pumped out of the reactor and its small diameter  prevented evaporation of magnesium during heating. The  reactor was filled with the reaction mixture, inserted into  a quartz tube connected to a vacuum pump and heated to  330 °C ‐ 630 °C for 15 ‐ 120 minutes under pressure below  30 Pa.  The weights of  starting  materials were for magne‐ sium  (2.7  g;  97  %)  and  silicon  (1.5  g)  in  molar  ratio  2.1:1,  resp. 6.5 g and 3.5 g in molar ratio 2.1:1.    

2.3. Magnesium silicide hydrolysis  Magnesium silicide prepared as described in 2.2., was used  as  a  starting  material  for  hydrolysis  by  solution  of  phos‐ phoric acid. The purity of magnesium silicide was 97.8 %  and concentration of phosphoric acid 25 %. The laboratory  apparatus  consisted  of  a  two‐neck  round‐bottom  flask  equipped with the dropping funnel for an acid and with the  connector to a vacuum pump and a cuvette, which enabled  vacuum inside the flask and also a silane’s collection. For  the experiment 0.1 g of magnesium silicide was filled into  the flask. The dropping funnel was filled with phosphoric  acid and the apparatus was evacuated by the vacuum pump  through the connector until constant pressure 6 Pa. In the  next step the connector to vacuum pump was closed and  phosphoric  acid  was  dropped  inside  the  flask.  Generated  silicon hydrides were collected into the connected cuvette.  The gaseous mixture was then cooled down in acetone (‐ 20 °C) to condensate water and higher silanes and to purify  silane for other use.  

3. Results and Discussion 

 

The reaction on solid‐solid interface of magnesium and sil‐ icon particles predominantly depends on reaction temper‐ ature and time as well as on the contact between magne‐ sium and silicon particles. Moreover, it can also be influ‐ enced by reaction atmosphere, mainly the presence of ox‐ ygen or nitrogen, evaporation of magnesium and another  various  factors.  (To  observe  the  influence  of  reaction  at‐ mosphere’s composition (Ar, O2, N2, vacuum) and its time  of contact with raw mixture on magnesium silicide synthe‐ sis,  various  constructions  and  arrangements  of  reactors  were chosen.) For that reason, this study is focused on op‐ timization  of  these  mentioned  factors.  The  standard  for‐ mation  enthalpy  at  temperature  25  °C  is  approximately  ‐ 77.8 to ‐79.1 kJ/mol in solid‐solid reaction according (1) and  ‐373.5 kJ/mol according reaction 2:30, 31 

2.4. Silane decomposition  Pure  silane  (>99.9  %)  separated  from  obtained  gaseous  product  of  hydrolysis  was  inserted  into  an  evacuated  cu‐ vette (50 cm3) equipped with a thin platinum wire (d = 0.1  mm, l = 10 cm). The starting pressure of silane was 1000 Pa  at ambient temperature. The voltage of 5.2 V with the cur‐ rent of 1 A was applied for 130 minutes for heating of the  platinum wire. 

2.5. Analysis procedure  Products were observed visually, by dispersive Raman Ni‐ colet Almega XR Spectrometer and SEM with EDS (Scan‐ ning  Electron  Microscope  with  Energy  Dispersive  X‐Ray  Spectroscopy probe, Tescan Indusem). All Raman disper‐ sive spectra were collected in 256 exposures with excitation  wavelength of 473 nm (power of 8‐10 mW) and resolution  of 2 cm‐1. The purity of starting materials was determined  by XPS (X‐Ray Photoelectron Spectrometer, Kratos ESCA  3400) and SEM with EDS. The base pressure inside the XPS  chamber was lower than 5.0 10‐7 Pa and as a source of X‐ Ray, the polychromatic Mg Kα at 1253.4 eV was used. The 

2 Mg (s) + Si (s) ‐> Mg2Si (s) 

 

 

(1) 

2 Mg (g) + Si(s) ‐> Mg2Si (s) 

 

 

(2). 

In all experiments the excess of magnesium was applied to  compensate evaporation of magnesium and occurrence of  silicon oxide, which together with the relatively high evap‐ oration of magnesium limits the reaction rate and energy 

C

ACS Paragon Plus Environment

Industrial & Engineering Chemistry Research

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Table 2. Semi‐opened reactor with a valve – influence of  added nitrogen to the reaction atmosphere 

required for a successful progress of reaction. The oxygen  content  in  the  reaction  atmosphere  also  limits  the  for‐ mation  of  Mg2Si  similarly  as  the  presence  of  nitrogen,  which  can  lead  to  magnesium  nitrides  production.  Thus,  argon atmosphere, which suppresses intrusion of water, ni‐ trogen and oxygen from outside to the reactor, can be ap‐ plied; nevertheless, the price of argon is not favorable for  scale up and a real application. Vacuum usage seems to be  the  best  choice  as  it  allows  desorption  of  adsorbed  gases  and water from the surface of starting materials. Vacuum  also affects phase transition of magnesium, which rapidly  increases the reaction rate caused by the gas‐solid reaction  rather than the solid‐solid one. Thus, both vacuum and ar‐ gon atmospheres were tested. 

T [°C]    570  630  570  630 

Table  1:  Reaction  parameters  for  Boat  and  Batch  type  of  reactors  Si 

Mg  (97%) 

Pressure [kPa]    100  100  5  5 

Mg2Si    Yes + nitride  Yes + nitride  Yes + nitride  Yes + nitride 

The  reaction  was  retarded  by  impurities;  adsorbed  water  evaporating  during  the  heating  period;  oxygen,  nitrogen  and  those,  which  cannot  be  eliminated  by  continuous  evacuation (SiOx, MgOx, etc.). Obtained results confirmed  that  neither  an  open  reactor  (ceramic  boat),  nor  a  batch  reactor was a suitable arrangement for the preparation of  magnesium silicide. To overcome the oxygen influence on  the reaction, which limits the formation of Mg2Si, higher  reaction temperatures of 570°C and 630°C, at reaction time  of 2 hours were applied. Two arrangements, with and with‐ out Ar, were used for testing (see Experimental part). Ob‐ tained results are summarized in Table 2. Magnesium sili‐ cide with small fraction of Mg3N2 was obtained and Raman  spectra  of  prepared  samples  were  identical  for  all  cases.  Figure  2  shows  Raman  spectra  of  prepared  samples  and  pure  magnesium  silicide,  which  illustrates  a  reference  spectrum. Characteristic phonon modes demonstrate  the  presence  of  both  magnesium  silicide  and  nitride  in  pre‐ pared  samples.  These  modes  are  summarized  together  with reference phonon modes obtained from literature32, 33,  34  data in Table 3. These results confirmed the fact that even  a small amount of nitrogen negatively influenced the pu‐ rity of reaction products,  where not  only desired  magne‐ sium silicide was formed but also the magnesium nitride.  Nevertheless, the abundance of magnesium nitride was be‐ low 5 mass %. It was also found that the argon atmosphere  inhibited evaporation of adsorbed species on magnesium  and silicon surface, which suppressed formation of magne‐ sium silicide. Therefore, the final optimization of reaction  conditions was performed in the semi‐opened tube reactor  (Figure  1d)  under  continuous  vacuum.  Determination  of  the lowest reaction temperature and time belongs to the  

 

Mg2Si 

Reac‐ tor 

Pres‐ sure 

type 

[Pa] 

Boat 

30 



0.3 

0.6 

Partially 

 

30 

15 

0.3 

0.6 

Partially 

 

30 

30 

0.3 

0.6 

Yes 

[min.]  [g] 

Atmosphere    Ar + air  Ar + air  air  air 

 

To obtain information on above mentioned reaction con‐ ditions, four reactors were suggested, designed and applied  (see  Figure  1).  In  fact,  they  could  be  divided  into  three  groups based on various abilities to affect reaction condi‐ tions; continuously evacuated open reactor (ceramic boat),  batch  pre‐evacuated  reactor  and  semi‐opened  reactors.  First, a ceramic boat (evacuated open reactor) (see Figure  1a) and a batch reactor (see Figure 1b) were applied. Reac‐ tion conditions of all experiments are summarized in Table  1 including information on magnesium silicide formation.  As  can  be  seen,  the  reaction in  the combustion boat was  relatively fast; nevertheless, conversion on magnesium sil‐ icide was low. It is supposed that a prompt start of reaction  could  be  caused  by  the  magnesium’s  ability  to  evaporate  quickly. Thus, even a small deviation in temperature or ho‐ mogeneity of magnesium and silicide mixture could cause  a  local  massive  evaporation  of  magnesium  resulting  in  stopping  the reaction. Therefore, continuously evacuated  semi‐opened reactors in two arrangements were designed:  a  semi‐opened  reactor  with  a  valve,  see  Figure  1c,  and  a  semi‐opened tube reactor, see Figure 1d. The construction  of semi‐opened reactor with a valve enabled a controlled  addition of air; thus, the influence of nitrogen and oxygen  on the reaction rate and purity of products could be tested. 

Time 

Page 4 of 9

[g] 

Batch 



15 

0.5 

0.9 

No 

 



45 

0.5 

0.9 

Partially 

 



70 

0.5 

0.9 

Partially 

 



120 

0.5 

1.0 

Yes 

  Figure 2. Raman spectra of Mg2Si and Mg3N2  

D

ACS Paragon Plus Environment

Page 5 of 9

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Industrial & Engineering Chemistry Research

Table  3.  Phonon  modes  comparison  of  prepared  sample  Mg3N2 + Mg2Si from Figure 2 and magnesium nitride from  literature  Subst. 

Mg2Si  Mg2Si  Mg3N2 

Mg3N2 

Mg3N2 

Exp. [cm‐1]  272 

357 

227 

326,  357 

395 

Lit [cm‐1] 

340 

213 

338 

379 

259 

  Figure 4. SEM/EDS of Mg2Si prepared in semi‐open tube  reactor at 400 °C for 25 min  

most important reaction parameters. Therefore, the wide  temperature’s range between 330 °C ‐ 630 °C and time be‐ tween 15 – 50 minutes at p = 5 – 30 Pa were tested. 

However,  at  380°C  magnesium  silicide  was  partially  de‐ tected in the mixture of pure magnesium and silicon; and  finally, temperature above 400°C for 2 h guaranteed pure  magnesium silicide formation calculated against silicon.  

Moreover, magnesium of two purities (90 and 97 %) was  used to gain information concerning the influence of mag‐ nesium oxide on reaction speed. Obtained results for both  purities of magnesium are depicted in Figure 3, where axis  x  stands  for  reaction  temperature  and  axis  y  for  yield  of  magnesium silicide. The obtained data for yields were av‐ eraged from four experiments. It is evident that a critical  temperature  boundary  lies  in  a  narrow  interval  between  360°C – 400°C for both purities of Mg. There was almost no  evidence of magnesium silicide at 360°C. 

The  obtained  results  were  repeatedly  corroborated  by  other  experiments,  and  in  all  cases  at  least  three  experi‐ ments were performed. It is obvious from Figures 4, 5 and  Tables 4, 5 that the reaction led to a complete conversion  of silicon to Mg2Si, where only a small fraction of oxygen  could be seen on the surface of silicon.  The following experiments were focused on determination  of the lowest reaction time and magnesium purity inevita‐ ble for total conversion to magnesium silicide at the lowest  possible temperature of 400 °C (see Figure 3). 

  Table  4:  SEM/EDX  element  measurement  of  Mg2Si  pre‐ pared in semi‐open tube reactor at 400 °C for 25 min  Element 

Norm. C [wt.%] 

Atom. C [at. %] 

 

Error (1±σ)  [wt. %] 



3.16 

4.94 

0.67 

Mg 

64.68 

66.47 

2.23 

Si 

32.16 

28.60 

0.94 

Total 

100.00 

100.00 

 

Table 5: Composition of Mg2Si prepared in semi‐open tube  reactor at 400 °C for 25 min   Substance 

System 

Magnesium  Cubic  silicide 

Space group*  Comp.  [%]  Fm3m 

97.8 

Magnesium  Hexagonal  P63/mmc 

2.1 

Silicon 

 Mg3(PO4)2 (aq) + SinH(2n+2)           (3)  As can be seen from Figure 7 for 31 m/z fractions, the pre‐ dominant  gaseous  product  of  hydrolysis  was  silane  (ca  90%), followed by disilane (ca 8%) and trisilane (ca 1.5%),  which  can  be  easily  separated.  Elimination  of  water  and  higher silanes was verified by lowering temperature below  their boiling points.   Decomposition of silane over hot platinum wire, which is  the  third  step  of  the  new  process,  was  verified.  Time  de‐ pendence of decomposition is described by FTIR spectrum  (Figure 8). Rapid reaction rate at the beginning of the re‐ action can be explain by free surface of hot platinum wire.  Therefore, a pure crystalline silicon was quickly deposited  on the wire surface. The obtained results were repeatedly  corroborated by three other experiments. 

  Table 6: Time and Mg purity dependence on formation of  Mg2Si at 400 °C, 5‐10 Pa  Time 

Mg2Si /Mg 

Mg2Si /Mg 

[min] 

(97 %) 

(90 %) 

15 

Partially 

No 

25 

Yes 

No 

30 

Yes 

No 

40 

Yes 

Partially 

50 

Yes 

Yes 

  Table 7: Semi‐opened tube reactor, T= 400 °C, cont. vac‐ uum, p = 30 Pa, t = 30 min, reactor vol. 36 cm3  Si [g] 

 

 

 

 

Mg (97 %) [g] 

Mg2Si 

1.48 

2.7 

No 

3.54 

6.5 

Yes 

 

F

ACS Paragon Plus Environment

Page 7 of 9

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Industrial & Engineering Chemistry Research

at 1000 Pa in 50 cm3 cuvette. The reaction rate of silane de‐ composition was retarded by deposition of ultrapure sili‐ con on the surface of platinum wire.   The design of the whole process brings a new way of reuti‐ lization  of  waste  photovoltaic  panels  to  produce  an  ul‐ trapure silicon and energy or enables hydrogen storage in  the form of silanes using a pure waste‐less approach. The  formation of magnesium silicide proceeds at 200 °C lower  temperature in comparison to existing processes15‐17.. More‐ over, the traditional processes utilize high toxic and envi‐ ronmental unfriendly substances as hydrogen chloride, or  chlorine, which are highly corrosive and, thus, require the  expensive technological devices. It can be concluded that  the  new  designed  tree‐steps  technology  significantly  ex‐ ceeded traditional approaches in lower price and environ‐ mental impact as well in energy saving. 

Figure 8. FTIR of thermal decomposition of silane in time  over hot platinum wire. 

4. Conclusion  Circulation  technology  of  waste  photovoltaic  panels  for  production of ultrapure silicon and energy in the form of  hydrogen storage was designed and verified. The influence  of reaction temperature, time, atmosphere, reactor’s type  and magnesium purity on formation of magnesium silicide  from  waste  silicon  photovoltaic  panels  was  thoroughly  studied.  Three  groups  of  reactors  were  applied:  continu‐ ously evacuated open reactor, batch pre‐evacuated reactor  and  semi‐opened  reactors.  It  was  found,  that  neither  the  opened nor the batch pre‐evacuated reactor was appropri‐ ate for successful treatment, because of strong magnesium  evaporation in the first case and retarding reaction by ad‐ sorbed impurities in the second one. These problems were  solved  by  newly  designed  semi‐opened  tube  reactors,  which enabled controlled communication between the re‐ actor and furnace atmosphere. Thus, magnesium evapora‐ tion was suppressed and free leaving of adsorbed impuri‐ ties was enabled. Magnesium silicide was successfully pre‐ pared both in vacuum and argon atmospheres; neverthe‐ less, it was also found that even a small addition of air re‐ sulted in production of magnesium nitride.  

 

AUTHOR INFORMATION  Corresponding Author  *[email protected], tel. 00420296780179 

ORCID  Olga Solcova: orcid.org/0000‐0001‐8327‐0257  ACKNOWLEDGMENT   The support of Grant Agency of the Czech Republic (grant  No. 15‐14228S) is gratefully acknowledged. 

ABBREVIATIONS  REFERENCES  1

Kang, S.; Yoo, S.; Lee, J.; Boo, B.; Ryu, H. Experimental in‐ vestigations  for  recycling  of  silicon  and  glass  from  waste  photovoltaic modules, Renewable Energy 2012 47, 152.  2 Granata, G.; Pagnanelli, F.; Moscardini, E.; Havlik, T.; Toro  L. Recycling of photovoltaic panels by physical operations,  Solar Energy Materials and Solar Cells 2014, 123, 239.  3 Radziemska,  E;  Ostrowski,  P.;  Cenian,  A.;  Sawczak,  M.  Chemical, thermal and laser processes in recycling of pho‐ tovoltaic silicon solar cells and modules. Ecological Chemis‐ try and Engineering. S 2010, 17.3, 385.  4 Klugmann‐Radziemska, E.; P. Ostrowski, P. Chemical treat‐ ment of crystalline silicon solar cells as a method of recov‐ ering  pure  silicon  from  photovoltaic  modules.  Renewable  Energy 2010, 35, 1751.  5 M. V. Fthenakis, M. V., End‐of‐life management and recy‐ cling of PV modules. Energy Policy 2000, 28, 1051.  6  Gire,  G.  Décomposition  thermique  des  siliciures  mag‐ nésium.  Comptes  Rendus  Hebd.  Seances  Acad.  Sci.  1933,  196, 1405.  7 Lebeau,  P;  Bossuet,  P.  Sur  le  siliciure  de  magnesium.  Comptes Rendus Hebd. Seances Acad. Sci. 1908, 146, 284.  8 Wöhler, L.;  Schuff,  W. Über  die Silizide  der  Erdalkalien.  Z.  Anorg. Allg. Chem. 1932, 201, 33.  9 E.  Hohmann,  Silizide  und  Germanide  der  Alkalimetalle.  Z.  anorg. Chem. 1948, 257, 113.  10  Kieffer,  R;  Benesovsky,  F.  Hartstoffe,  Springer,  Vienna,  1963, pp. 455‐548. 

The minimal reaction temperature which guarantee the to‐ tal conversion of silicon from photovoltaic panels to mag‐ nesium silicide was established at 400°C. It was also deter‐ mined  that  the  minimal  reaction  time  significantly  de‐ pends on magnesium purity. For 97 % magnesium, the to‐ tal conversion was achieved after 25 minutes; however, for  90 % magnesium, the required reaction time was twice as  long,  particularly  50  minutes.  Finally,  the  reactor  filling,  which  substantially  influenced  the  formation  of  magne‐ sium silicide, was evaluated and established minimally at  30%  of  reactor´s  volume.  In  all  experiments,  the  conver‐ sion  to  magnesium  silicide  related  to  silicon  was  at  least  99%, for both 90% and 97% purity of Mg.  Hydrolysis  of  prepared  magnesium  silicide  was  success‐ fully verified by 25 %w/w H3PO4. It was confirmed by GC‐ MS,  that  major  gaseous  product  is  silane  (>90  %),  which  was purified by elimination of water and higher silanes by  lowering  temperature  below  their  boiling  points.  Subse‐ quently, pure silane was totally decomposed into ultrapure  silicon and hydrogen on hot platinum wire during 130 min 

G

ACS Paragon Plus Environment

Industrial & Engineering Chemistry Research

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

11 Kieffer, R; Benesovsky, F. Neuere Forschungsergebnisse auf  dem  Gebiete  der  hochschmelzenden,  metallischen  Hartstoffe. Z. Metall 1952, 6, 171.  12 Kieffer,  R.;  Cerwenka,  E.  Beitrag  zum  System  Molybdän‐ Silizium. Z. Metallkunde 1952, 43, 101.  13 G. V. Samsonov, Silicides and Their Use in Engineering [in  Russian], Izd‐vo AN UkrSSR, 1959.   14 P. W. Bridgman, Proceedings of the American Academy of  Arts and Sciences, Vol. 60, No. 6,1925, pp. 305‐383.  15 Yoshinaga, M; Iida, T.; Noda, M.; Endo T.; Takanashi Y. Bulk  crystal growth of Mg2Si by the vertical Bridgman method.  Thin Solid Films 2004, 461, 86.  16 Riffe, M.; J. Schilz, J. Mill setting and microstructural evolu‐ tion during mechanical alloying of Mg2Si. Journal of Materi‐ als Science 1998, 33, 3427.  17 Hu,  X.;  Mayson,  D.;  Barnett,  M.  R.  Synthesis  of  Mg2Si  for  thermoelectric  applications  using  magnesium  alloy  and  spark  plasma  sintering.  Journal  of  Alloys  and  Compounds  2014, 589, 485.  18 Li, J.; Luo, G.; Wei, F. Efficient production of Mg2Si in a flu‐ idized‐bed reactor. Powder Technology 2012, 229, 152.  19 Kondoh,  K.  et.  al;  In‐situ  synthesis  of  Mg2Si  intermetallics  via  powder  metallurgy  process.  Materials  Transactions  2003, 44.5, 981.  20 Xiaoping, N.; Lu L. Formation of magnesium silicide by me‐ chanical  alloying.  Advanced  Performance  Materials,  ,  4.3,  275.  21 Wang, L.; Qin, X.Y. The effect of mechanical milling on the  formation of nanocrystalline Mg2Si through solid‐state re‐ action. Scripta Materialia 2003, 49(3), 243.  22 Ioannou, M.; Chrissafis, K.; Pavlidou, E.; Gascoin, F.; Kyratsi,  Th.  Solid‐state  synthesis  of  Mg2Si  via  short‐duration  ball‐ milling  and  low‐temperature  annealing.  Journal  of  Solid  State Chemistry 2013, 197, 172.  23 Acharya,  H.  N.; Dutta,  S. K.  Production  of  magnesium  sili‐ cide  and  silane  from  rice  husk  ash. Solar  energy  materi‐ als 1980, 3, 441–445. 

Page 8 of 9

24 Keun‐Soo, S.; Hyunjun, L.; Tae‐Hee, K.; Sooseok, Ch.; Dong‐ Wha, P. Synthesis of silicon nanopowder from silane gas by  RF  thermal  plasma. Physica  Status  Solidi  A:  Applications  and Materials Science 2014, 211 (2), 310–315.  25 Pant, A.; Russell, T. W. F.; Huff, M. C.; Aparicio, R.; Birkmire,  R. W. Hot‐Wire Chemical Vapor Deposition of Silicon from  Silane:   Effect  of  Process  Conditions. Industrial  and  Engi‐ neering Chemistry Research 2001, 40 (5), 1377–1385.  26 Robertson, R.; Hils, D.; Gallagher, A. Silane pyrolysis. Chem.  Phys. Lett. 1984, 103 (5), 397–404.  27 Temple‐Boyer, P.; Rousset, B.; Scheid, E. Influences of dep‐ osition and crystallization kinetics on the properties of sili‐ con films deposited by low‐pressure chemical vapour dep‐ osition  from  silane  and  disilane. Thin  Solid  Films 2010, 518 (23), 6897–6903.  28 Pant, A.; Huff M. C.; Russell T. W. F; Reactor and Reaction  Model for the Hot‐Wire Chemical Vapor Deposition of Sili‐ con  from  Silane,  Ind.  Eng.  Chem.  Res.  2001  40(5),  1386‐ 1396  29 Pawley, S.G. Unit cell refinement from powders diffraction  scans. Journal of Applied Crystallography 1981, 14, 357  30 Chase, M.W. J. Phys. Chem. Ref. Data, monograph No. 9. In:  NIST‐JANAF Thermochemical Tables. 4th ed., 1998. p. 1562.  31 Wang, L.; Qin, X.Y.; Xiong, W.; Zhu, X.G. Fabrication and me‐ chanical  properties  of  bulk  nanocrystalline  intermetallic  Mg2Si. Materials Science and Engineering 2007, A459, 216.  32 Heynes, A.; Prinsloo, L.C.; Range, K.‐J.; Stassen, M. The Vi‐ brational  Spectra  and  Decomposition  of  Calcium  Nitride  (Ca3N2)  and  Magnesium  Nitride  (Mg3N2).  Journal  of  Solid  State Chemistry 1998, 137, 33  33 Malik,  M.  A.;  Braszczyńska‐Malik, K. N.;  Majchrzak, K.  Mi‐ crostructural  Characterization  of  Cast  Magnesium  Matrix  Composites by Raman Microscopy. Archives of Foundry En‐ gineering 2013, 13 (1), 95–98.  34 Chernev, I. M.; Shevlyagin, A. V.; Galkin, K. N.; Stuchlik, J.;  Remes, Z.; Fajgar, R.; Galkin, N. G. On the way to enhance  the optical absorption of a‐Si in NIR by embedding Mg2Si  thin film. Appl. Phys. Lett. 2016, 109, 043902–043902‐4. 

H

ACS Paragon Plus Environment

Page 9 of 9

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

Industrial & Engineering Chemistry Research

TOC

9

ACS Paragon Plus Environment