废旧光伏组件回收再利用研究现状回顾及展望

邓 鑫，邢 芸，罗 多，余国保，路欢琪，杨 光（珠海兴业绿色建筑科技有限公司，广东 珠海 519060）

废旧光伏组件回收再利用研究现状回顾及展望

Situation and Future on Recycle of Waste Photovoltaic Module

邓 鑫，邢 芸，罗 多，余国保，路欢琪，杨 光（珠海兴业绿色建筑科技有限公司，广东 珠海 519060）

近年来，我国光伏事业有了突飞猛进的发展，根据国家能源局2016年2月5日发布的 《2015年光伏发电相关统计数据》，截至2015年底，我国光伏发电累计装机容量43.18GW，成为全球光伏发电装机容量最大的国家。分析了废旧光伏组件的回收需求、回收标准、回收机构以及回收方法，总结了目前回收存在的问题，并提出了建议。

光伏组件；废弃量；回收；湿式拆解法；干式拆解法

近年来，我国光伏事业有了突飞猛进的发展，根据国家能源局 2016 年 2 月 5 日发布的《2015 年光伏发电相关统计数据》，截至 2015 年底，我国光伏发电累计装机容量43.18 GW，成为全球光伏发电装机容量最大的国家。其中2015 年新增装机容量 15.13 GW，占全球新增装机的 1/4以上，占我国光伏电池组件年产量的 1/3。虽然目前国内光伏组件的废弃量不大，但如果按照目前市场上光伏组件标称的 25 a 使用寿命来估算，到 21 世纪中期，光伏组件的报废量将必然会出现激增。相关研究表明，2020 年后我国晶硅光伏组件的废弃量开始显著增加，在运营维护良好的情况下，到 2034 年累计废弃量将达到近 60 GW，在运营维护状况一般的情况下，预计到 2034 年累计废弃量将超过 70 GW。屈介时，废弃光伏组件的处理将会成为十分现实的问题。另外，目前市场上组件厂家生产水平参差不齐，据测算，大约有 10% 的已经投入使用的组件将在其标称的使用寿命到达之前报废，而这些组件假如处理不当也将给环境、社会带来负担，从而使原本“绿色”的初衷变得不再“绿色”。

从另一个方面考虑，处理废弃光伏组件的方法中无论是焚烧掩埋还是粉碎掩埋，都会对环境造成二次污染，并且还会有能源消耗和污染物排放。因此，只有最大限度地对其进行回收和再利用方能利用好其中纯度仍然很高的晶体硅材料，才能在减少污染的情况下实现其商业价值的最大化，才能实现光伏组件全寿命周期内的真正绿色。

另外，大规模应用太阳能光伏发电技术，会大幅度增加一些稀有金属的应用。比如晶体硅电池的电极制备需要消耗银，碲化镉、铜铟镓硒、砷化镓等新型太阳能电池，也依赖碲、铟、镓等稀有材料的使用。这些材料在其他尖端技术应用领域也有着广泛应用前景，因而被作为战略性材料受到学术和政策领域的重点关注。如果这些材料没有得到恰当的回收与循环利用，将会造成极大的浪费。不仅如此，如果这些材料在废弃时不经过妥善处理，当成普通的生活垃圾随意丢弃，则会给自然环境带来严重污染。

1 光伏组件回收需求

光伏回收的需求主要来自以下几个方面：

(1) 组件中的电池片结构已经破坏，或回收处理时，电池片结构不完整，则需要将电池片粉碎，提纯硅以后再熔再生。这类再回收的多晶硅主要供应给硅片制造商。

(2) 回收的电池片表面结构完整，仅有轻微的龟裂纹或隐裂，则只需要整片电池片取出后表面再处理。这类再回收的电池片主要供应给电池片制造商。

(3) 最理想的回收是提取出了完整结构，效率衰减极少甚至没有衰减的电池片。这类再回收的电池片无须修复处理，可直接重新封装，主要供应给组件制造商

2 光伏组件回收标准

目前，无论是 ISO 还是 IEC，暂时都没有专门针对光伏组件回收再利用的国际标准。

在欧洲，各国政府已经着手从标准法规层面出台强制回收光伏组件的规定。2012 年最新修订的《欧盟废弃电子电器产品管理条例》(Directive on Waste Electrical and Electronics Equipment，WEEE)率先将太阳能光伏组件纳入管理范围。根据修订，2019 年以前电子产品回收率需要达到 85% 以上，其中材料的再循环率要达到 80% 以上。

在日本，2000 年 4 月，日本太阳能发电协会(JPEA)组建了太阳能电池循环再利用实施小组。之后，该小组积极进行太阳能电池使用后处理方法的调查并设课题进行研究。在该小组的努力下，2004 年，日本全国发行《关于太阳能电池类物品废弃处理的法律事项》；2006 年 3 月该小组针对使用后的太阳能电池回收的问题做了报告；2007 年 3 月其又作了关于太阳能电池回收再利用方案的报告。这些都为日本的太阳能电池回收工作提供了数据及理论依据。

在我国，尚未有光伏组件回收再利用的相关标准，仅有一本国家标准《光伏组件回收再利用通用技术要求》已经立项，但尚未编写完成。

3 光伏组件回收机构

早在 2002 年，德国环境保护部结合德国太阳能公司与在佛来堡的 TU Bergakademie 研究中心设立了一项研究计划，主要任务在于研发出环保且具经济效益的太阳能电池回收方法，希望通过现代科技，不仅能回收退役的太阳电池，也能再利用制造过程中所产生的废料和破损的太阳能电池，形成一个良性的资源循环链。

2012 年，欧盟已经将光伏组件纳入了《欧盟废弃电子电器产品管理条例》(WEEE)，并成立了“PV CYCLE”和“CERES CYCLE”等回收组织负责处理境内的废旧光伏组件。PV CYCLE 是一家成立于 2007 年的非盈利性协会，旨在支持欧洲的光伏生产商、供货商、安装商和进口商以简单而经济有效的方式履行废旧物处置的强制义务。CERES CYCLE 是一家成立于 2011 年的非盈利组织，总部位于巴黎。CERES cycle 开创了废旧光伏组件回收的创新性方案，对终端用户不收取任何费用。废旧光伏组件可被丢弃在注册的回收点，并由再利用合作方进行处理。

全球最大的碲化镉薄膜光伏电池制造商——美国 First Solar (第一太阳能)公司，有一套完整的产品回收机制。这一套机制的重点在于当 First Solar 每卖出一套产品，就划拨一定比例的销售收入作为回收基金。这个基金由独立的第三方机构所管理。当购买 First Solar 光伏电池组件的任何客户在产品使用寿命结束时提出回收要求，第三方基金设立的回收公司会将产品回收，并负担回收和循环利用这些产品的成本。由于第三方基金独立运作，不受 First Solar 运营状况好坏的影响，因此可以保证光伏电池组件产品全部回收，不会在产品超过使用年限后被任意丢弃。同时，第三方基金设立的回收公司将回收的光伏电池组件产品精炼后，把其中的部分稀有材料(如碲元素)再卖给 First Solar，供其再利用。

我国中山大学太阳能研究所的团队也对光伏组件回收再利用进行了相关课题的研究，但国内尚无专门的太阳能电池回收厂。

4 光伏组件回收方法

晶硅太阳能电池组件从上到下一般的结构为超白钢化玻璃→EVA→太阳能电池片→EVA→TPT 背板。薄膜太阳电池组件，以铜铟镓硒太阳电池为例，其典型结构为面板玻璃→封装材料(EVA/PVB)→TCO→CdS→CIGS→Mo→玻璃衬底。由于单纯的使用手工和借助工具无法达到将太阳能电池板拆解的目的，所以很多学者对太阳能电池的拆解方法进行了探索。拆解技术的核心是如何有效破坏 EVA/PVB 胶膜。目前常用的拆解方法可以分为两类，利用有机溶剂使EVA/PVB 胶膜溶解或者利用高温使 EVA/PVB 胶膜发生热解，即湿式拆解法或干式拆解法。

湿式拆解法中，对于 PVB (聚乙烯醇缩丁醛)胶膜，可以将其溶解于大多数醇/酮/醚/酯类有机溶剂，如表 1 所示。

表1 溶解 PVB 胶膜的有机溶剂

对于 EVA(乙烯-乙酸乙烯共聚物)胶膜，在一定温度条件下，EVA 胶膜在有机溶剂中会发生物理性状变化，如表2 所示。

表2 有机溶剂对EVA物理性状的影响

Sukmin Kang 等人的研究表明，采用湿式拆解法，使用有机溶剂从废旧光伏组件中回收钢化玻璃，使 EVA 胶膜产生膨胀，然后通过热分解除去 EVA 胶膜，将得到的光伏电池片浸在化学腐蚀溶液中 20 min，在室温下辅以占溶液总重量 20% 的表面活性剂，可以回收 86% 纯度大约能达到 99. 999% 的硅。

上述溶解 EVA 胶膜的有机溶剂中，Takuya Doi 等人发现，将传统晶体硅光伏组件浸在 80℃ 的三氯乙烯溶剂中，10 d 后可成功回收晶硅电池而没有任何损坏。

采用湿式拆解法，目前存在的主要问题是，有机溶剂价格昂贵，且大多数有机溶剂有毒。

干式拆解法中，晶硅太阳电池组件，以多晶硅太阳电池组件为例，采用高温炉焚烧。其拆解回收的流程如图1所示。该方法第 1 步是热处理过程，不需要昂贵和有毒的试剂，可快速、经济高效地拆卸组件，将金属边框、焊带、电池片和玻璃进行分离；第 2 步是将分离后的电池片进行湿法化学处理，分离铝背场、银浆电极、减反膜和 PN 结，得到纯硅。

图1 多晶硅光伏组件再循环处理模型

薄膜太阳电池组件，以铜铟镓硒太阳电池组件为例，一般采用粉碎筛选，其拆解回收的流程如图 2 所示。首先，通过粉碎机和锤磨机对废弃组件进行机械处理，然后加入硫酸、双氧水进行氧化，将铜铟镓硒和玻璃、EVA分离开。经过这次反应，包含铜、铟、镓、硒的化合物以液态存在，玻璃、EVA 则以固态存在。所以下一步是固液分离，将这几种物质分别经过物理化学反应后转换成可利用的物质。

图2 铜铟镓硒薄膜光伏组件再循环处理模型

另外，相关研究表明，采用粉碎筛选的干式拆解法，以粉碎的废旧光伏电池为原料，采用自制的双辊式高压静电分选装置，利用称重法，可回收废旧光伏电池的金属与非金属。其研究结果表明：在电压 20 kV、电晕线与转辊间距60 mm、转辊转速为 60 r/min 的条件下，可得到最高的回收率，即金属的回收率为 17.40%，非金属为 18.29%。

采用干式拆解法，目前存在的主要问题是，焚烧过程中会产生有害气体，且回收不彻底。

无论是湿式拆解法还是干式拆解法，学者们研究的均是对光伏组件的回收。然而，相关研究发现，户外使用 20年的多晶硅光伏组件平均功率仅下降 6.1%，单晶硅光伏组件平均功率下降 13.0%，均能表现出良好的电性能。以测试的多晶硅组件的平均电性能衰减率 0.26% 为例，组件经过 76.6 a 才衰减到 80%，远超过 25 a 达 80% 的厂家保证年限。经过调查研究发现，这些旧光伏组件最易损坏的部分是光伏组件的接线盒，许多接线盒在光照、雨雪等环境因素的影响下腐蚀损坏，密封性能、导电性能有所下降。为了应对后期更长时间的工作需要，有必要对旧光伏组件的旧接线盒进行更换处理。对旧晶体硅组件翻新重新利用时，可以采取更换接线盒的方法以提高旧组件的输出电性能，通常情况下旧光伏组件的峰值输出功率 Pmpp 可提高1.8%～3.25%。如果没有很好的方法将旧接线盒与光伏组件剥离，采取保留旧接线盒，加装新接线盒的方法，其输出功率增加得更明显，约为去除旧接线盒工艺方法的 1.8 倍。

5 回收存在的问题及建议

通过对废旧光伏组件回收再利用的现状进行分析可知，目前我国在这方面的研究仍存在以下问题。

(1) 技术层面：含氟背板、碳氟化合物异常牢固的化学结构，通常的掩埋处理方法在 1 000 a 内都无法降解该成分，必须对其进行处理。然而，处理过程中产生的废液、废气尚需进行进一步的处理，以免对环境造成二次污染。建议设立专门的研究机构对此进行深入研究。

(2) 经济层面：回收废旧光伏组件的经济收益低，市场对光伏组件回收驱动力不大。

表3 参考 McDonald 等人综合不同数据来源对光伏材料构成及回收成本收益的估算结果，比较了每平米多晶硅(x-Si)与铜铟镓硒(CIGS)光伏组件材料循环的成本收益，从中可以看出单位面积铜铟镓硒薄膜组件材料回收的经济效益相对略高。

表3 单位面积多晶硅与铜铟镓硒薄膜光伏组件的材料循环成本-收益比较

然而，前瞻产业研究院发布的《2015—2020 年中国太阳能电池行业市场前瞻与投资战略规划分析报告》数据显示，2013 年，多晶硅太阳能电池和薄膜太阳能电池分别占整个太阳能电池产量的 90.92% 和 9.08%。在中国则仍以多晶硅电池为主，占比约达到 78%，加上单晶硅电池，整个晶硅电池占比超过 95%。铜铟镓硒光伏组件材料循环的成本收益虽然较高，但其产量很少，其回收需求相应地也就不大。

况且，尽管材料回收的价值具有一定的经济效益，但废弃材料集中收集的过程还会产生一定的运输成本。从多晶硅与薄膜技术的特点看，前者以发展集中式电站较有优势，方便集中就地处理，经过初步破碎分选之后，废玻璃可以就近作为建筑材料循环利用，而回收的半导体材料重量只占组件重量不到 2%，大大节约了运输成本。就光伏建筑一体化等分布式光伏的应用，前瞻预计 5～10 a 后，薄膜电池将占据 50% 以上的市场份额。尽管在材料回收处理环节铜铟镓硒薄膜电池材料回收的经济效益更好，但在分布式的利用方式下，电池组件是与建筑或其他用电设备结为一体的，即使设计上做到易于分离拆解，仍然需要将整个组件回收后，再进行集中处理。这个过程中，回收的难度大大增加，运输成本也要计入到回收处理的成本中去。

因此，建议由政府出面，效仿欧盟等国家的做法，设立专门的光伏组件回收机构，对废旧光伏组件进行回收再利用。

(3) 法律角度：目前我国尚未发布专门的光伏组件回收标准，建议国家能重视这方面的研究，尽快发布相关标准，规范市场上废旧光伏组件的处理行为。

全球光伏行业的研究从未停止，技术日新月异，电池片的效率不断提高，多晶硅的价格不断下降。表 3 中的数据，尤其是峰值发电功率和半导体材料的价格对于今天的光伏行业已经不太适宜。当然，光伏高速发展了近十年，回收的技术和商业模式也被提上日程，相信在政策和利润的驱动下光伏组件回收的技术也会迅速提升和发展，循环处理成本必然会降低。最重要的是组件回收再利用对于环境的贡献意义更加重大、深远。

6 结 语

在光伏行业迅速发展的今天，组件回收和再利用的需求已迫在眉睫。然而，无论国际还是国内，这方面的法律和标准都不多。因此，在目前回收机制不完善的大背景下需要有机构用前瞻性的眼光站在社会和环境角度对组件回收的经济性和技术做进一步研究。同时，这方面的技术缺失也意味着巨大的潜在市场，相信在这部分市场和回收技术进步的刺激下，国内外必将有更多的企业和研究机构投入这方面的研究。

TU50

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1674-814X(2017)02-0041-04

2016-12-15

邓鑫，现供职于珠海兴业绿色建筑科技有限公司，主要从事绿色建筑及建筑用可再生能源方面的研究，E-mail：dengxin@zhsye.com。作者通信地址：广东省珠海市金鼎镇高新区科技创新海岸金珠路9号，邮编：411100。