废旧晶硅太阳能组件回收技术的发展现状

赵江英，王刚

（青海民族大学化学化工学院，青海西宁810000）

由于汽油价格的连续增长、CO2排放量的持续升高及环境污染等问题，能源供应必须从化石燃料向清洁的可持续能源转变。在清洁的可持续能源中，晶硅太阳能电池由于其使用寿命长、可再生及无污染等优势，已经成为光电池能源的主力。同时光伏组件在发电过程中不产生噪声，也不产生有毒气体，排除了由于化石燃料燃烧造成的高环境成本[1]。目前国内外把如何有效提高太阳能电池的转化效率作为研究的重点。

太阳能的发展和利用有效地解决了我国能源短缺和环境污染等问题，由于各种政策补助及鼓励，我国的光伏产业得到了迅速发展。到2011年底，中国光伏累计装机已达3 300 MWp。在未来，我国的发展目标为[2]：到2020年，太阳能光伏发电总装机容量达到50 GWp。

虽然太阳能电池的寿命周期一般为25年，但由于在发电过程当中，电池片隐裂或封装材料受损等造成电池转化率降低，因此面临着报废更新。而且2012年1月，欧盟会议将光伏组件正式列为电子废弃物，太阳能电池作为光伏组件必须进行有效的回收利用[3]。根据中国可再生能源协会对太阳能电池废弃量的预测推算可知，从2020年之后，我国的太阳能电池的固体废弃物会出现大幅度增长，累计废弃量也会逐渐增加。据有关报道,到2030年,我国废弃的光伏组件能够产生 110万 t玻璃、145万 t碳钢、54万 t塑料、17万 t铜、26万 t铝、5万 t硅及550 t银[4]。从这些数据中可以看出,未来报废的晶体硅太阳能电池中蕴藏着不可小觑的资源价值。其次电池片的生产成本占光伏组件的60%，硅片占光伏电池生产成本的65%[5]。因此回收硅片及电池片中的有价金属，可以降低电池片的生产成本。

1 晶硅太阳能电池的发展现状

太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。在硅系电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池等中晶体硅太阳能电池技术目前发展最成熟，在发电应用中占主导地位。我国生产的太阳能电池中硅系电池占了90%以上，其中绝大多数为单晶硅和多晶硅电池组件。

据欧洲光伏工业协会（EPIA）预测,在可再生能源的利用中,到 2030年,太阳能光伏发电将占到10%以上,到2040年,占到20%以上[6]。同时,据世界观察研究所预测,光伏产业将成为未来全球发展最快的产业之一,到了21世纪中期,太阳能将成为用于光伏发电的主要能源之一[7]。

太阳能电池的发展中，晶硅太阳能电池占据着80%～90%的市场份额。为了确保晶硅太阳能电池产业的可持续发展，应当着手研究低成本的回收技术，有效回收晶硅太阳能电池[8]。

2 晶硅太阳电池的结构组成

晶体硅又分为多晶硅和单晶硅，它们均具有金刚石晶格，晶体硬而脆，具有金属光泽，能导电，具有半导体性质。一般市场上的晶硅太阳能电池有单晶硅和多晶硅太阳能电池2种形式。它们的主要结构组成包括5个部分,分别为:金属外框、盖板玻璃、晶体硅片、背板、封装胶膜。如图1所示。

图1 晶硅太阳能电池的基本组成图

盖板玻璃是低铁钢化玻璃，它的特点是高透光率、高强度、较好的机械性能、较长的使用寿命和稳定的化学性能。厚度一般为3.2 mm左右，由于普通玻璃中铁的含量较高且玻璃表面反射率较大，使得太阳能的利用率较低。

EVA橡塑制品是新型环保塑料发泡材料，具有良好的缓冲、抗震、隔热、防潮和抗化学腐蚀等优点，且无毒，不吸水。

晶体硅片有单晶硅片和多晶硅片两种，电池片前表面通过涂覆银浆作为正电极，为了减少硅片的发射光，在最上层需涂一层氮化硅的减反射层。电池片背部会涂层铝作为背电极。

背板一般都是TPT复合膜，它具有较好的防潮、防湿和耐候性能，白色TPT对光具有反射作用，可提高组件的工作效率，且具有提高红外反射率，降低组件工作温度的功能。

3 废旧晶硅太阳能电池的回收技术及工艺流程

目前国内对废弃晶体硅太阳能电池的研究主要侧重点在检修和维护,以及进行一些简单的物理分离操作上。当前国外已有的废弃晶硅太阳能电池回收处理技术,包括物理分离、有机溶剂溶解法、热处理与化学方法相结合等方法。

3.1 物理分离

物理拆解分离回收光伏组件是指将组件经破碎、金属剥离、湿法冶金分离来回收金属[9]。流程图见图2。

图2 物理分离回收晶硅电池的工艺流程图

3.2 有机溶剂溶解法

有机溶剂溶解法是指选择几种有机溶剂浸泡去除背板的晶硅电池片，用有机溶剂溶解封装材料EVA，达到玻璃与电池片的分离。此方法仅为了获取整块完整的电池片。Kim等[1]使用探针式超声波照射辅助有机溶剂溶解EVA，通过探针型超声波辐照,对邻二氯苯、甲苯、三氯乙烯、苯4种有机溶剂于不同温度、不同超声波功率、不同温度以及不同辐射条件下，对EVA的溶解情况进行了研究,研究结果得到邻二氯苯在同样的条件下相比于其他几种溶剂的溶解效率更好。Doi等[10]将自制的125×125 mm的组件浸泡在几种有机溶剂中，对各种有机溶剂的溶解情况进行了研究。最后发现在80℃时，用三氯乙烯浸泡10 d可以得到没有任何破损的完整硅片。流程图见图3。

图3 有机溶剂浸泡回收完整的硅片的工艺流程图

3.3 热处理与化学方法相结合法

热处理与化学方法相结合法是指把去除背板的电池板放在管式炉或者马弗炉中，将封装材料EVA去除干净，得到纯净的电池片。再使用化学方法把电池片表面的减反射层、银浆和铝去除，得到纯净的硅片。流程图见图4。

图4 热处理和化学方法相结合回收硅片的工艺流程图

对于废旧晶硅太阳能电池，手工拆解很难，目前的回收技术基本上是物理分离大体回收含杂质的硅片，有机溶剂浸泡获得完整硅片，以及热处理与化学方法结合缩短回收时间等，3种方法的优缺点如表1所示。

表1 回收废旧晶体硅太阳能电池的方法

4 结论

目前国内外对废旧晶硅太阳能电池的拆解回收的研究较少，大部分研究都把重点放在如何破坏EVA取出完整的硅片。一般是采用物理分离、有机溶剂溶解及物理方法与化学方法相结合等方法。其中物理方法中会燃烧EVA造成空气污染，所以要对尾气处理技术进一步研究。化学方法中的废液也得经过有效处理，防止污染环境，在之后拆解和回收金属时，应更多考虑采取适当的拆解方法回收有价组分。

[1] KIM Y，LEE J.Dissolution of ethylene vinylacetate incrystalline silicon PV modules using ultrasonic irradiationand organic solvent[J].Solar Energy Materials and SolarCells，2012，98(98)：317-322.

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[3]MCDONALD N C，PEARCE J M.Producer responsibilityand recycling solar photovoltaic modules[J].Energy Pol-icy，2010，38(11)：7 041-7 047.

[4] 汪韬，李蕊光伏组件回收将有150亿美元产值，中国政府仍空白[EB/OL].[2016-09-01].http://solar.ofweek.com/2016-09/ART-260009-8120-30033078.html.

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[6] 周涛，陆晓东，张明，等.晶硅太阳能电池发展状况及趋势[J].激光与光电子学进展，2013，50(3)：1-11.

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[8] 罗付香.废旧晶体硅太阳能电池板特性及LCA研究[D].广东：广东工业大学，2015.

[9] Vasilis M Fthenakis.End-of-life management and recycling of PV modules[J].Energy Policy，2000(28):1 051-1 058.

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