｜ 論文 ｜廃太陽光パネルのリサイクルのための構造調査と特性評価
Structural survey and characterization of waste photovoltaic panel for recycling
ABSTRACT

稲野 浩行 *・富田 恵一 *Photovoltaic (PV) panel becomes popular recently, its lifetime

INANO Hiroyuki*, TOMITA Keiichi*

used panel near future. PV panel is composed of cover glass,is about 25 years. And it is expected mass emission of theSi cell, Cu wire, backsheet, and EVA resin as encapsulant.

Recycling of each materials needs study of separation and受付：2021 年 11 月 22 日

recovery methods based on PV panel structure and each

受理：2022 年 5 月 19 日
*material properties. In this study, a cross-section structure of

循環資源部 環境システムグループ

most popular crystalline Si type PV panel was observed andanalyzed with an optical digital microscope and a scanning

Corresponding Author INANO Hiroyuki

electron microscope. And each material was characterized.

inano-hiroyuki@hro.or.jp

The chemical compositions of several cover glasses werecategorized into soda-lime silicate glasses similar to sheet

glass. It was found by thermal analysis that EVA resin
disappeared over 500℃ in air and N2 flow. This information

contributes development of PV panel recycling technology.

Keywords: Photovoltaic panel, Cover glass, EVA, SEM/EDS
analysis

はじめに2011 年の東日本大震災以降，日本では太陽光パネルの設

湿式比重選別機による選別 7），加熱した刃で封止剤を切断す置が急速に普及した．太陽光パネルの耐用年数は 25 年程るホットナイフ分離法 4），粒状の投射材料をカバーガラスに度と言われており，2030 年代後半には大量廃棄が予想され吹き付けて剥離するブラスト工法 2），加熱して封止剤を分解る．これについて、いくつかの試算が示されており，新エすることで各部材を分離する熱分解法 5）などがある．素材

ネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）推計によれば，の分別方法検討のためには，太陽光パネルの構造を詳しく知2035 ～ 37 年頃にピークを迎え，全国で年間 17 ～ 28 万トることが必要である．

ンの太陽光パネルが排出されると予想されている ．

環境負荷の低減を考えると，パネルの中で重量割合が一番6）

回収された太陽光パネルの資源化についてはいくつかの課

大きいガラスを再資源化することが重要になるが，ガラスは題がある．2016 年には，「太陽光発電設備のリサイクル等その化学組成，性質，異物の割合などのカレット（屑ガラス）に向けたガイドライン（第一版） 」が環境省から公表され，品質により再資源化できる方法が異なる．そのため，まずガ

2018 年には第二版 2）が公表された．この中で，太陽電池モラスについて化学組成を調べることが必要である．また，解ジュールは，多くの種類があり，実用化されているものとし体し各素材を分離するためには，封止剤である EVA の性質てはシリコン系（結晶系，薄膜系）と化合物系に大別され，を調べることが重要となる．

3）

それぞれ構造が異なること，ガラス，金属，プラスチックな本研究では，太陽光パネルの再資源化のために，一番普及どで構成され，それらが EVA（Ethylene vinyl acetate, エチ

している結晶シリコン系太陽光パネルの構造についてのマイレン酢酸ビニル）樹脂で封止された複雑な構造であること，クロスコープや電子顕微鏡観察による調査と，カバーガラス鉛等の有害物質を含むことが指摘されている．の化学成分分析や EVA 樹脂の熱分析による評価を行ったので，その結果について報告する．

リサイクルのためには，太陽光パネルを解体し各素材に分別することが必要である．現在検討されている主な解体，分別方法としては，シュレッダーによる破砕後，風力あるいは-3-第 2 号（2022）

エネルギー・環境・地質研究所研究報告 Research Institute of Energy, Environment and Geology Bulletinることがわかったことと，700℃以上の温度では残渣成分の実験ガラスが溶着するためである．
３． カバーガラス，シリコンセル，EVA 樹脂の評価

１． 試料
現在実用化され普及している太陽光パネルは，図 1 のよ試料に用いたパネルは使用中に衝撃等によって表面のカうにシリコン系と化合物系に大別される．さらにシリコン系バーガラスが破損したものである．通常太陽光パネルには強には，結晶系である単結晶，多結晶と，アモルファス（非晶化ガラスが使用されるため，一点に強い衝撃を与えた場合，質）や微結晶の薄膜系がある . 国内で一番普及しているのは全体が細かく割れる．強化の程度とガラス破片の大きさを評

シリコン系結晶系パネルであり，国内市場の約 90％を占め価するために 10 cm 角の部分２か所について破片の数を数ると推定される 4）．

えた．

本研究の対象としては，シリコン系結晶系パネルとした．

成 分 分 析 は， 全 自 動 蛍 光 Ｘ 線 分 析 装 置（ リ ガ ク 製 ZSX

表面および断面の観察，強熱減量測定，シリコンセルの評価，Primus Ⅱ）を使用し蛍光 X 線分析法（XRF）によりファン

EVA 樹脂の熱分析は，メガソーラーに使用されたシリコンダメンタルパラメーター法で半定量分析を行った．パネルを系結晶系多結晶パネルを使用した．

直径 50 mm の試料ホルダーに入る大きさに切断し，サンドブラストにより表面コーティングを除去し，さらに超音波洗ガラスの成分分析には，それに加えシリコン系結晶系単結晶，多結晶パネルを使用した．

浄により砂を除去したものを測定試料とした．構造調査に用２．PV パネルの構造調査いたものの他に，３種類のシリコン系太陽光パネルも同様に測定した．また，同様に建築用板ガラスも測定し，結果を比パネルの一部を切断し，ポリエステル樹脂に埋没させて固較した．

定し，パネル断面に対し垂直に切断した．自動研磨機を使い断面を耐水ペーパーにより鏡面研磨し，最終的に粒子径 9

また，強熱減量を求めたときに得られた残渣ガラスについμ m のダイヤモンド含有研磨液を浸み込ませた研磨布によて，表と裏の表面形状をデジタルマイクロスコープで観察しり研磨し，観察試料とした．

た．加熱後，分離して得られたシリコンセルについては，デジタルマイクロスコープで観察し，銀色の線の間隔および線その試料をデジタルマイクロスコープ（ハイロックス社製幅を計測した．また電子顕微鏡観察を行い，EDS によって銀KH-1300）で観察し，計測を行った．

色の線の元素分析を行った．

同じ試料を炭素で蒸着し，走査型電子顕微鏡 (SEM，日本電子製 JSM-6610LA) で観察し，付属のエネルギー分散型 X

封止材として使われている EVA 樹脂の熱特性を評価する

線分光分析装置 (EDS，日本電子製 JED-2300) によって元素ために示差熱熱重量同時測定装置 ( セイコーインスツルメン

分析と面分析 ( マッピング ) を行った．

ツ社製 TG/DTA6300) を用いて熱分析 (TG/DTA) を行った．

太陽光パネルの強熱減量を測定した．切断した太陽光パネ

直径 5mm，高さ 2.5mm のアルミニウム製試料容器を用い，

ル 300 g をアルミナ 95％るつぼに入れ，２か所に穴を開け試料量 2.5 mg，昇温速度 5 ℃ /min，空気通気量 100 ml/

ムライト管を高温用無機系接着剤で接着した蓋をのせファイmin（酸化雰囲気）および窒素通気量 300 ml/min（不活性バーキャストでるつぼと密閉させた．電気炉に設置し，ムラ雰囲気）の条件で測定を行った．

イト管の一方から空気を 500 ml/min で流し，もう一方から結果排気しながら 600℃１時間加熱した．室温まで冷却後，残渣の質量を測定し，強熱減量を求めた．600℃で加熱した理

１． PV パネル構造

由は，後述する熱分析の結果，500℃で EVA 樹脂が燃焼す○ デジタルマイクロスコープによる観察
断面全体を観察した写真を図 2 に示す．全体の厚みは4.5mm であった．PV パネルは , カバーガラス，EVA 樹脂，シリコン系
太陽光パネル
化合物系

結晶系
薄膜系

インターコネクタ（銅配線），シリコン，バックシート等が単結晶層状に積層されている構造をしていることがわかった．
また，多結晶ガラスの下からバックシートまでを拡大した写真を図 3 に示す．ガラスの上部は平面であったが，EVA 樹脂と接してCIS 系いる下面は平面ではなく波打っていた．各部材について厚みを計測したところ（図 4），カバーガラス

CdTe 系

図１：太陽光パネルの分類
Fig. 1 Types of photovoltaic panels.

©︎ Hokkaido Research Organization

3 mm，シリコンセル 0.2 mm，インターコネクタ（銅配線）0.27 mm，（幅 1.24mm）EVA 樹脂 0.5 mm，バックシート 0.3 mm であった．

-4-

図 3 ：太陽光パネル断面のガラス下部からバックシートまでのマイクロスコープ像
Fig.3 Microscopic image of cross-section of photovoltaicpanel(from lower part of glass to backsheet).

図 2：太陽光パネル断面全体のマイクロスコープ像
Fig. 2 Microscopic image of cross-section of photovoltaic panel.

○ SEM/EDS による観察と元素分析
SEM による太陽光パネル断面の二次電子像と C，O，Si，Cu の元素マッピングを図 5 に示す．この像は上記マイクロスコープ画像と同様に上がカバーガラス，下がバックシートである．画像の左横にあるカラーバーが図中の元素濃度を示しており，バーの上方にある色ほど濃度が高いことを示している．
炭素 C が存在するのは樹脂部分である．シリコンセルの上下にある EVA 樹脂と，その下にあるバックシートの樹脂
では炭素の濃度が異なっている．銅 Cu が存在するのはインターコネクタの部分であった．酸素 O が存在するのはガラス部分と，バックシートの部分である．ケイ素 Si が存在す
るのはシリコンセル部分と，ガラス部分である．
さらに，シリコンセル，インターコネクタ部分を拡大し，

図 4：上記図 3 についての寸法計測結果
Fig. 4 Results of dimensional measurement of Fig. 3 area.

その部分について，元素マッピングを行った結果を図 6 に示

２． ガラスの評価

す．アルミニウム Al がシリコンセルの下に存在した．上記○ 割れ方，破片計数

結果と同様に，炭素 C は EVA 樹脂部分に，銅 Cu はインター

図 8 に割れたカバーガラスの写真を示す．カバーガラス

コネクタ部分に，Si はシリコンセル部分に存在した．鉛 Pbは全体的に細かく割れており，強化ガラスが割れたときのは銅の周りを囲うように存在していた．

特徴的な破損パターンを示していた．割れたカバーガラス○ PV パネルの焼成と強熱減量測定

100mm × 100mm 中の破片の個数は 568 個であった．「JIS太陽光パネルの破片をるつぼにいれたもの，電気炉へのR3206 強化ガラス」では , 厚さ 4 mm および 5 mm 以上の設置，加熱後の写真を図 7 に示す．加熱前 300g だった試

場合 ,「50 × 50mm の正方形の領域内の破片数は，40 個料は，加熱後 258g になっていた．インターコネクタは黒く以上とする」1) となってるため , このカバーガラスは厚さ 3なっており銅が酸化したことがわかる．しかしその量は全mm で適応範囲外ではあるが , 十分に強化されているといえ体からするとわずかであり，それを無視すると，空気中のる . また面積と破片の数から計算すると，1 破片あたりの平加熱によって消失した EVA 樹脂やバックシート等の樹脂分均面積は 17.6mm2 である．現在回収されている太陽光パネは 42g であり，全体の 14% である．残渣を目開き 2mm のルはガラスが破損したものが大半であるが , そこから分離し篩いで篩い分けしたところ，篩上に残ったのは，銅線を除くたガラスはさらに粉砕しなければこの程度の大きさになる .とほとんどがカバーガラスの破片であり，その質量は 228g

○ カバーガラスの化学成分分析であった．これより太陽光パネルの構成物質としてガラスはA ～ D まで４社の太陽光パネルに使われていたカバーガ76％以上あることがわかった．

ラスおよび比較のため建築用板ガラスの蛍光 X 線分析法に-5-

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エネルギー・環境・地質研究所研究報告 Research Institute of Energy, Environment and Geology Bulletin

図 5：太陽光パネル断面の走査型電子顕微鏡二次電子像 (a) と EDSによる元素マッピング像 (b) 炭素 C, (c) 酸素 O, (d) ケイ素
Si, (e) 銅 Cu
Fig.5 Sanning electron microscopic secondary electron image ofcross-section of photo voltaic panel(a), and its elemental
mapping results of (b) C, (c) O, (d) Si, (e) Cu.

よる分析値を表 1 に示す．太陽光パネルカバーガラスはい
ずれも SiO2，Na2O，CaO が主成分のソーダ石灰ガラスであり，板ガラスと似た化学組成である．
主成分は板ガラスと似ているが，微量成分に違いが見られる．板ガラスに比べ，Fe2O3 が少ない．これは，太陽光パネ
ルが太陽光の透過を高めるために着色成分である Fe2O3 が少図 6：太陽光パネル断面の走査型電子顕微鏡二次電子像 (a) と EDSによる元素マッピング像（高倍率）(b) 炭素 C, (c) 酸素 O, (d)アルミニウム Al, (e) ケイ素 Si, (f ) 銅 Cu (g), 鉛 Pb.
Fig. 6 Sanning electron microscopic secondary electron image ofcross-section of photo voltaic panel(a), and its elemental
mapping results of (b) C, (c) O, (d) Al, (e) Si, (f ) Cu, (g) Pb.

たところ（図 11）約 70 μ m であった．

ないガラス組成となっているためと考えられる．また，板ガ焼成後取り出した発電部分シリコンセルの SEM/EDS によ

ラスには含まれていない Sb2O3 が４試料すべてに含まれておる分析を行った．SEM 像と EDS マッピング結果を図 12 にり，また２試料には微量の As2O3 が含まれていた．

示す．シリコンセル表面の銀色の線の部分は Ag であった．

○ 表面形状３． TG/DTA 結果

カバーガラスの表面と EVA 樹脂に接している裏面をマイEVA 樹脂の TG/DTA 結果で , 酸化雰囲気を図 13 に , 不活クロスコープで観察した．表面は平坦な構造であった．EVA性雰囲気を図 14 示す． 酸化雰囲気では，200 ～ 350℃に樹脂と接している裏面は図 9 に示すように窪みが並んだ構

かけて小さな発熱があり，約 40％の重量減少がみられた．

造となっていた．断面観察でガラスと EVA 樹脂が接してい430℃から 530℃にかけて燃焼による大きな発熱と重量減少る面が波打っていたのはこのためである．

があり，重量減少は合計で 90％となった．

また，太陽光パネルを 600 ℃で加熱し EVA 樹脂を焼いた

不 活 性 雰 囲 気 で は，300 ℃ 付 近 か ら 350 ℃ に か け て 約後に残ったシリコンセルの表面をマイクロスコープで観察し20% の重量減少が見られた．さらに 380℃から 480℃にかた写真を図 10 に示す．シリコンセル表面の銀色の線は，間けて約 80％の重量減少が見られ，ほぼ 100% の重量減少と隔が 1.7mm であった．銀色の線部分を拡大し線幅を計測しなった．440℃で小さな発熱が見られたが，酸化雰囲気の測©︎ Hokkaido Research Organization-6-ab
図7c

太陽光パネルの焼成 前 後 の 写 真 (a)
焼成前 ,(b) 電気炉に設置 ,(c) 焼成後
Fig. 7 Photo of before
and after firingof photo voltaic
p a n e l . ( a )Before firing, (b)Installation in anelectric furnace,(c)After firing.

図 8：太陽光パネルの割れたカバーガラス 100mm × 100mm.
Fig. 8 Broken cover glass of photo voltaic panel 100mm ×100mm.

図 9：カバーガラス裏面のマイクロスコープ像
Fig.9 Microscopic photo of bottom side of cover glass.

図 10：シリコンセル表面のマイクロスコープ像
Fig.10 Microscopic photo of Si cell surface.

表 1：太陽光パネルに使われていたカバーガラスおよび建築用板ガラスの蛍光 X 線分析法による分析値（酸化物換算値 , 半定量値）
Table 1 XRF results of PV panel cover glasses and architectural
sheet glass (Oxide formula, semi-quantitative values).

図 11：シリコンセル表面銀線のマイクロスコープ像
Fig.11 Microscopic photo of silver line on Si cell surface.

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図 13：酸化雰囲気での EVA 樹脂の TG/DTA 結果
Fig. 13 TG/DTA curve of EVA in oxidized atmosphere.

図 12：Si セルの走査型電子顕微鏡二次電子像 (a) と EDS マッピン
グ像 (b) 銀 Ag, (c) ケイ素 Si
Fig.12 Sanning electron microscopic secondary electron image ofSi cell(a), results of elemental mapping (b) Ag, (c) Si.

定時に見られた大きな発熱は見られなかった．そのため，不活性雰囲気では，２段階の樹脂の熱分解が起こっていると考えられる．

まとめ
本研究では，今後大量廃棄が予想され，処理が課題となるであろう太陽光パネルのうち，一番普及している結晶シリコン型の構造と各部材の評価（調査）を行った．
構造については，ガラス，シリコンセル，インターコネクタ，

図 14：不活性雰囲気での EVA 樹脂の TG/DTA 結果 .
Fig. 14 TG/DTA curve of EVA in inert atmosphere.

バックシートが EVA 樹脂で接着された構造であった．EDS
で元素分析を行った結果，インターコネクタの周辺部分に鉛引用文献が存在した．
600℃加熱によって強熱減量を調べたところ，大まかに樹1）日本産業標準調査会（2003）JIS R3206

脂は 14％で，ガラスは 76％以上と考えられる．

2）環境省環境再生・資源循環局総務課リサイクル推進室（2018）

カバーガラスはソーダ石灰ガラスであるが，板ガラスとは太陽光発電設備のリサイクル等の推進に向けたガイドライン

微量成分が異なることがわかった．

（第二版）https://www.env.go.jp/press/files/jp/110514.pdf

EVA の熱分析から，酸化雰囲気では燃焼によって，不活

3）環境省大臣官房廃棄物・リサイクル対策部企画課リサイクル性雰囲気では熱分解により樹脂が消失し，どちらも完全に消推進室 (2016) 太陽光発電設備のリサイクル等の推進に向け失させるためには 500℃以上が必要であることがわかった．

た ガイドライン（第一版）https://www.env.go.jp/press/files/

これらの得られたデータは，太陽光パネルの解体や各部材

jp/102441.pdfの分離，および再資源化や安全な処理方法を考える上で利用

4）村越まり（2018）ホットナイフ分離法によるガラスと金属のできると思われる．

リサイクルについて，化学工学，82（8）447-449.
5）齊藤寛（2018）太陽光発電システム低コスト汎用リサイクル
処理手法，化学工学 , 82（8）452-454.

©︎ Hokkaido Research Organization-8-太陽光発電設備の廃棄

7）使用済再生可能エネルギー設備のリユース・リサイクル・適対策について，第 10 回 総合資源エネルギー調査会 省エネル

正処分に関する検討会（2015）太陽光発電設備等のリユー

ギー・新エネルギー分科会／電力・ガス事業分科会 再生可能エ

ス・リサイクル・適正処分 に関する報告書，https://www.env.

ネルギー大量導入・次世代電力ネットワーク小委員会 https://go.jp/press/files/jp/27519s.pdf

6）資源エネルギー庁（2018）資料 3

www.meti.go.jp/shingikai/enecho/denryoku_gas/saisei_kano/pdf/010_03_00.pdf

要 旨
太陽光パネルは近年急速に普及してきたが，その耐用年数は約 25 年であり，今後大量廃棄が予想される．太陽光パネルは，カバーガラス，シリコンセル，銅配線，バックシート，EVA 樹脂などで構成されている．各部材の資源化のためには，太陽光パネルの構造を知った上で，各部材の分離回収方法を検討することが必要である．
本研究では，一般的に普及している結晶系シリコン型太陽光パネルの構造を，デジタルマイクロスコープや走査型電子顕微鏡で観察，分析した．さらに各部材の評価を行った．カバーガラスは板ガラスと類似のソーダ石灰ガラスであった．熱分析により，EVA 樹脂は空気および窒素気流中で 500℃以上で消失することがわかった．これらの情報を今後の太陽光パネルリサイクル技術開発に活用する．

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