Projektledare Glafo: Peter Sundberg
Projektstatus: avslutat

KARAKTERISERING AV SOLCELLSGLAS:
FÖRSTUDIE OM ANTIMONS MOBILA EGENSKAPER


Målet är att undersöka hur utlakning av antimon påverkar solcellsglas funktion och antimons miljöbelastning.

Bakgrund
Vid REACH registrering av glas har man studerat utlakningen av olika ämnen från glas. Lakstudien följde avfallsförordningen inom EU och gjordes på olika typer av krossat glas i vatten. Det enda ämne som lakade ut från de olika proverna var antimon från solcellsglaset. Detta har genererat ett ökat intresse för antimons mobila egenskaper i glas.

Glafo har tidigare studerat hur antimon lakas ut från dricksglas utsatta för klimatangrepp. Vi fann då att utlakningen ökade med ökade klimatangrepp.

Utförande
Studien har omfattat ett valsat solcellsglas med 0,25 % antimon (Sb₂O₅). Glasprovet har behandlats i kokande vatten för att påskynda reaktionen med fukt. Behandlingen har utförts vid 100°C i 100 minuter. Detta motsvarar utlakningen till vatten som sker på omkring sex veckor vid rumstemperatur (20 grader) och ännu längre tid vid utomhustemperatur. Som jämförelse har vi även studerat en opåverkad glasyta. Efter det accelererade angreppet har glasytan analyserats med "Surface Ablation Cell" (SAC) för att se om fördelningen av antimon i glasytan har påverkats. Efter analysen med SAC har provet studerats med en optisk profilometer.

Analysmetoden bygger på att en etsande syra pumpas genom SAC:en och löser upp glaset. För att få en god upplösning har vi använt en utspädd etssyralösning. Innehållet av trevärt antimon (Sb³⁺) samt totalhalten antimon (Sb³⁺+Sb⁵⁺) i etslösningen kvantifierades med modern analysteknik.

Då glas är i kontakt med vatten sker en växelverkan av joner i den yttersta glasytan. Detta skikt är runt 200 nm djupt och visar sig ofta vara utarmat på mobila joner och i vissa fall anrikat på de nätverksbildande elementen.

Fördelningen av antimon i glasytan
Resultaten från antimonbestämningen i etslösningarna redovisas för två olika prover nedan:


Figur 1. Valsat, obehandlat planglas (referens).

Figur 2. Valsat planglas efter behandling med kokande vatten i 100 minuter.

Graferna ovan anger antimonkoncentrationen (trevärt och totalhalt) i glaset som funktion av det beräknade djupet.

Den totala viktminskningen vid etsningarna var ungefär 6-7 mg, vilket innebär att det totala etsade djupet nominellt är runt 1 mikrometer (822 nm). Varje etsprov motsvarar därför ett nominellt djup på omkring 100 nm (se även nedan).

Etslösningarna som innehåller fluorid analyserades även med avseende på kalcium. Vi har använt kalcium för att uppskatta hur mycket glas som lösts upp i varje delprov. Dessa resultat är dock svårare att tolka och utvärdering pågår. Mätningarna är reproducerbara, men korrelationen med antimon är svag. Detta kan eventuellt bero på de ojämna valsade ytorna. En annan arbetshypotes är att kalciumfluorid separerar då mätningarna skett från fluorvätelösning och att detta försvårar en reproducerbar provberedning. Ett alternativ är att analysera kiselhalterna i proverna, men detta är svårt i en sur fluoridlösning.

Utlakning av antimon
Figur 1 och 2 visar fördelningen av antimon i glasytan. Efter att ha behandlats med vatten vid 98 ^oC/100 minuter sker en anmärkningsvärd anrikning av femvärt antimon nära glasprovets yta. Det normala är att mobila joner avtar i det yttersta glasskiktet.

Vår preliminära tolkning är att antimon migrerar som trevärt antimon, men att det oxideras vid glasytan till femvärt antimon som då är mindre mobilt. Sådan kunskap är viktig för att exempelvis kunna minska utlakningen av antimon från våra glasdeponier.

Glasytans utseende efter etsning med Surface Ablation Cell

Figur 3. Glasytan efter etsning. Man kan se en svag kant från teflondistansen som finns i SAC:en. Glasytan är mycket ojämnare än ordinärt floatglas.

Figur 4. Glasytan efter etsning. Man kan från X-profilen uppskatta kantens höjd till 7 mikrometer. Glasytan är mycket ojämnare än vanligt floatglas.

Den optiska profilometern har givit värdefull information om glasytan efter etsning. Figur 3 och 4 beskriver ytan som etsats i SAC. Ytorna är väldigt ojämnt etsade, men även den obehandlade oetsade glasytan är mycket ojämn och liknar inte alls ett floatglas. Det valsade glaset är därför svårare att studera med SAC. Etsningen verkar till stor del ha skett längs den använda teflondistansen (kanten). De ojämna ytorna påverkar analysresultaten och ger icke-reproducerbara mätningar. För att optimera etsningen bör man öka koncentrationen fluorvätesyra och samtidigt bibehålla den laterala upplösningen på 100 nm.

För att få optimala resultat från SAC när det gäller ytans sammansättning krävs en jämn yta efter etsningen vilket vi inte haft här. I fortsatta studier med SAC behöver vi använda plana glas kombinerat med en kraftigare etslösning.

Hur påverkas de optiska egenskaperna?
Hur påverkas glasytans optiska egenskaper av utlakningen av antimon? Frågan är viktig, men kan inte besvaras i denna korta förstudie.

Miljöaspekter på antimonutlakning
Antimons miljöbelastning diskuteras fortfarande inom ICG:s tekniska kommitteer. I en pågående studie har utlakningen till vatten efter 64 dygn studerats. Preliminära resultat visar att halterna är låga och under detektionsgränsen för många rutininstrument.

Fortsatt arbete
Förstudien visar att antimon kan kvantifieras direkt i etslösningen och att vi på så sätt kan få fram unika resultat för antimonfördelningen i den yttersta glasytan. Samtidigt visar den att det valsade glaset har en olämplig yta, och att studierna borde ske på planare ytor.

Att man kan minska utlakningen genom att oxidera upp antimon till femvärt, borde intressera konstglasindustrin. Medel till en fortsatt studie på konstglas borde därför undersökas med industrin. En fortsatt studie skulle kunna besvara de frågor som kommit upp under förstudien.

Det är svårt kvantifiera de mängder som lakas ut från glas över lång tid. Den omvända metoden som tillämpats här, att studera glasytans sammansättning efter lakningen, bör ge bättre resultat. Detta gäller speciellt för de låga halter och gränsvärden som gäller för antimon. Resultatet av förstudien bör presenteras på någon internationell glaskonferens som ICG (International Commission on Glass) eller ESG (European Society of Glass Science and Technology). Att kombinera SAC med kvantifiering av ett ämne i dess olika oxidationstal har inte gjorts tidigare.

På sikt vill vi gå vidare i EU-projekt med dessa och liknande studier. Att då kunna presentera en unik och relativt enkel (prisvärd) metod stärker våra chanser att få finansiering. Metoden kan även tillämpas på andra polyvalenta element i låga halter, som selen och arsenik.

 HEM - OM GLAFO - FORSKNING & UTVECKLING - UTBILDNING - OM NGF
BIBLIOTEK - OM GLASFORSKNINGSFÖRENINGEN GLAFO - FAQ - IN ENGLISH

All information på denna webbplats lyder under följande ansvarsfriskrivning och upphovsrättsskydd.