浅析报废晶硅太阳能电池二次利用现状

张贺 巴彦涛 王刚

摘要：太阳能光伏产业的发展和光伏技术的不断进步，必然会引起大批量老旧太阳能光伏组件的报废，2000年-2012年，晶硅太阳能电池产量占全球太阳能电池产量的市场份额保持在80%至90%左右，在报废的组件中大部分将是晶硅太阳能电池。而如何将这些报废的晶硅太阳能电池变废为宝，将其中的材料回收利用，降低光伏电池的制造价格，减少光伏电池后期环境污染将是一个极具前景的研究课题。

关键词：晶硅太阳能电池；回收；二次利用

1.太阳能发电技术产业现状

（1）国外太阳能产业发展

欧洲光伏工业协会（EPIA）预测，2020年光伏发电可提供345 GW 的装机容量，2030 年可提供1081 GW 的装机容量。

2008年年初，以Ken Zweibel为首的3位太阳能产业专家提出了极富前瞻性并具有切身现实意义的“大太阳能计划”Solar Grand Plan（SGP），美国太阳能资源丰富，单只美国西南部适合采集太阳能的25万平方英里的面积，每年便可以收集4.5×1018 Btu（英制热单位）的太阳能。如果只转换其中2.5%的能量到电能就可以替代美国2006年全国的耗能量。SGP计划描述了2050年前实现太阳能替代69%电能（相当于35%整体能耗）的远景目标。，2100年前全美有望实现可再生能源100%承担电能及90%整体能耗的目标。硅板光伏电池目前占有市场的绝大多数份额，预测在未来10年间（2017年前）仍将是主流光伏材料。硅板光伏技术提供了最低的生产成本并且最可靠实用。

（2）国内光伏产业发展

我国具有良好太阳能产业发展环境。根据年均太阳辐射量、峰值小时数可将中国分为五类地区，以多晶硅太阳多晶硅太阳能电池系统为例，其能量回收期介于2年到6年之间，无论组件安装在哪个地区这个数值远远小于其使用寿命（按25年算），即使是在日照资源最不丰富的五类地区。从节约能源和可持续发展的角度看，在中国发展晶硅太阳能电池产业是明智的选择[1]。

我国光伏产业近几年来迅速崛起，产业规模不断扩大，在产业上游、中游、下游形成了一定自主知识产权的产业链，在国际市场产生了重要的影响。从2008年起，我国光伏组件制造量就占据了全球光伏组件制造量的半壁江山，而且保持了快速增长；截至2010年，我国已有16家光伏企业在海外成功上市，并且在全球光伏电池生产商前5强中，中国企业占到了4家，在全球光伏组件生产商前5强中，中国企业占到了3家；2011年和2012年两年间，即使在全球光伏市场低迷、贸易保护主义抬头、欧美“双反”政策打压的不利境下，我国光伏产品依然占据了全世界近50%的份额，并取得了37%的年增幅；总体来看，我国光伏产业从2005年诞生以来，在短短的10年间内，从年产值从不到一千万元成长为年产值超过5000亿元。

（3）光伏产业技术发展

光伏发电技术种类众多，以晶硅太阳能发电技术最为成熟且发电效率较高。2015年12月天合光能采用PERC 双面钝化技术的p 型单晶硅电池光电转化效率达到22.13%，刷新全球大面积PERC 电池转换效率世界纪录。晶澳实现量产的p型单晶PERC电池平均光电转换效率达到20.4%。中电电气采用Al2O3/SiNx背面钝化、离子注入、纳秒或皮秒激光开孔烧结、背面局部金属化等先进工艺，实现p 型单晶硅PERC电池量产的平均效率超过20.2%，实验室最高效率20.8%。尚德电力的PERC 电池平均转换效率量产达20.5%。

光伏电池的主要难点就是需要大幅度的去降低光伏电池元件的制造价格，还需要相对的减轻目前所用的种类的电池对我们生活环境所带来的污染。

太阳能光伏产业的发展和光伏技术的不断进步，必然会引起大批量老旧太阳能光伏组件的报废，2000年-2012年，晶硅太阳能电池产量占全球太阳能电池产量的市场份额保持在80%至90%左右，在报废的组件中大部分将是晶硅太阳能电池。而如何将这些报废的晶硅太阳能电池变废为宝，将其中的材料回收利用，降低光伏电池的制造价格，减少光伏电池后期环境污染将是一个极具前景的研究课题。

2废旧晶硅太阳能电池回收利用现状

太阳能电池的老化原因可以从两个方面解析，一方面是由于电池片本身的性能退化；另一方面是用于封装的材料老化引起组件光学性能和电学性能的退化。报废的晶硅太阳能电池中含有Pb、Cd、Cr、Bi多种重金属，直接丢弃不仅会浪费电池中价值不菲的高纯Si，Ag等材料，还会严重污染环境。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。

（1）国外研究现状

在美国，Jun-kie Choi等，建立了一种数学模型分析回收技术的盈利能力，为光伏回收中心的最佳选址方案提供了可靠的建议。Vasilis-M-Fthenakis 从技术能力、经济效益和政策法规多方位地详细阐述了废旧晶硅太阳能电池回收的可行性极强。

波兰的Ewa Klugmann-Radziemska等利用化学和热学的方法回收了废旧晶硅太阳能电池中的材料，并用这些材料重新制的新晶硅太阳能电池组件，获得了13%-15%的光電转换效率。

（2）国内研究现状

杨红等研究了晶硅太阳能电池电极结合力对其功率衰减的影响，发现当结合力小于2N时晶硅太阳能电池在湿热老化实验中功率下降会远快于结合力大于2N的组件。

李菁华等利用HNO3，H2SO4酸液溶解研磨碎的废旧晶硅太阳能电池，在经过过滤，沉淀，电解，还原反应的方法分离废旧晶硅太阳能电池的玻璃，Si，Ag，Al成分，并得出浓度为18N的H2SO4与浓度为6N的HNO3混合后在27℃既能分离组件中的Ag，HCl和NaOH都能很好分离组件中的Al。

3.结论与展望

报废晶硅太阳能电池的二次利用不仅能够减少或消除太阳能电池退役处理时对环境的污染，还将有助于降低电池生产时所需原材料的价格，甚至可以把太阳电池组块在阳光照射下的自然老化功率衰减做为一种特殊工艺，在二次利用时提高相关器件的稳定性和可靠性。对此进行研究意义深远。

现阶段，国内外还没有完善有效的报废太阳能电池二次利用技术，仅在在实验室能做到晶硅太阳能电池的拆解分离和部分材料的回收，回收效率低效果差。且仅研究材料回收过程，未见使用回收材料制作太阳能器件的过程。在回收过程中大多使用化学方法，利用酸，有机试剂进行拆解分离，极少用到物理方法进行拆解。化学试剂对环境影响较大，不利于相关技术推广，引入物理方法有助于提高回收效率，降低环境影响。

晶硅太阳能光伏技术已推广多年，众多以晶硅太阳能电池为工作器件的电站已经运行了十年以上，而晶硅太阳能电池组件寿命一般为20年，未来十年内将有大量晶硅太阳能电池组件面临退役和报废，由此，报废晶硅太阳能电池二次利用的相关技术亟待研究。

参考文献

[1] 罗付香，彭晓春，吴彦瑜，董家华. 废旧晶硅太阳能电池的回收拆解及进展研究[J]. 环境科学与管理，2014（12）：162-173.

[2]颜苏莉，孙婧豪.我国光伏产业的发展现状、存在问题及解决之道[J].华北电力大学学报（社会科学版）2016，1.

（作者单位：青海民族大学）