废旧晶体硅光伏组件回收方式浅析

孙泽洋

(中国电能成套设备有限公司，北京 100080)

0 引言

随着能源紧张、环境污染、气候变化等问题日益突出，由清洁能源替代传统能源的能源革命正在悄然上演，而太阳能是最具潜力的清洁能源之一。在太阳能发电技术中，光伏发电一直占据行业主导地位。得益于国家政策的大力支持，我国的光伏产业发展迅速。2020年9月21日，国家主席习近平在第75届联合国大会一般性辩论上做出了“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值、2060年前实现碳中和”的承诺，该承诺有助于促进我国光伏产业另一个发展黄金期的到来。“十四五”期间，据保守估计，我国光伏发电新增装机容量将达到355 GW，预计年均光伏发电新增装机容量为71 GW；据乐观估计，我国光伏发电新增装机容量将达到440 GW，预计年均光伏发电新增装机容量为88 GW。

在光伏发电技术中，根据所用材料的不同，太阳电池可分为晶体硅太阳电池、薄膜太阳电池和聚光太阳电池。其中，晶体硅太阳电池因技术成熟、光电转换效率高、成本低等优势，占据了绝大多数的市场份额。晶体硅光伏组件通常含有铅、镉及其他有毒化学物质，废旧的晶体硅光伏组件将对环境造成不可预估的破坏。同时，由于晶体硅光伏组件中还含有少量的银、碲、铟、镓等稀有金属，以及硅、玻璃、铝、EVA胶等可再利用资源，因此，废旧的晶体硅光伏组件具有很高的回收价值[1]。按照光伏组件的设计寿命为25年计算，到2030年，将会有巨量待回收的废旧光伏组件。比利时的微电子研究中心(IMEC)与从事可再生能源与智慧能源技术研究的机构EnergyVille在报告中均指出：到2030年，全球废旧晶体硅光伏组件的量将超过500万t。因此本文针对废旧晶体硅光伏组件的回收处理现状、主流回收方式，以及遇到的困难进行了分析，并展望了废旧晶体硅光伏组件回收行业的未来。

1 废旧晶体硅光伏组件的回收处理现状

相对于国内的光伏产业而言，由于国外发达国家较早进入光伏产业，也较早建设光伏电站，所以更早地关注到废旧光伏组件的回收问题。

2003年2月13 日欧盟议会和理事会发布《关于报废电子电气设备指令》(即“WEEE指令”)，并于2005年8月13日正式实施，该指令明确要求制造业从业者负责回收其生产的可能污染环境的产品，并对报废的电子电气设备的处理方式进行了说明且提出了要求[2]。2012年7月24日，欧盟议会和理事会发布了WEEE指令2.0版本，明确将光伏组件列入到其适用范围当中，并要求自2014年起，凡是要进入欧盟市场的光伏组件都必须加贴由WEEE指令2.0统一设计的“wheelie bin”标志。

2007年，欧盟设立了全面运作晶体硅光伏组件回收与循环利用的机构——PV CYCLE。PV CYCLE根据不同国家的政策，致力于为各级企业提供完善的废旧晶体硅光伏组件回收和循环利用服务，并联合物流运输公司等合作伙伴一起组建回收网络。该机构目前已在欧洲范围内设立了数百个回收点，并已回收了超过1万t的废旧晶体硅光伏组件。与PV CYCLE类似的组织还有总部位于巴黎的CERES组织。

2018年，在法国南部的Roosset市，PV CYCLE、威立雅环境集团及法国可再生能源工会联合建设了一座回收工厂，利用智能机器人专门对废旧晶体硅光伏组件进行分拆、分拣、处理及回收。通过新工艺、新技术的运用，目前，该工厂对于废旧晶体硅光伏组件的回收率高达95%，这一回收率远高于光伏组件回收再利用行业及WEEE指令2.0的标准。同时，PV CYCLE于2017年还开拓了晶体硅光伏组件翻新业务，致力于对损坏的晶体硅光伏组件进行检修翻新，重复利用。我国国内的企业也已开始积极加入PV CYCLE，截至当前，PV CYCLE中一半的会员都是我国的企业。

据了解，国内对于废旧晶体硅光伏组件通常是采用直接填埋或将组件粉碎后填埋的处理方式，基本都不进行回收。这种处理方式会使晶体硅光伏组件中的银、铅等重金属及辅助材料中的有害物质和致癌物质对环境造成不良影响。2021年3月9日，国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会联合发布了GB/T 39753-2021《光伏组件回收再利用通用技术要求》，填补了国内在废旧光伏组件回收政策和法规方面的空白。该标准将于2022年2月1日正式实施。

2 废旧晶体硅光伏组件的主流回收方式及回收处理工艺成本

传统的晶体硅光伏组件主要由玻璃、背板、铝边框、晶体硅太阳电池、EVA和接线盒等组成[3]。晶体硅光伏组件的组成材料包括质量分数为65%～75%的玻璃、10%～15%的铝、10%的塑料(PPO及EVA或POE等)和3%～5%的硅。

国际上对于废旧晶体硅光伏组件的回收，一般要经过以下几个处理环节：1)拆卸运输。把废旧的晶体硅光伏组件拆卸后运输到回收机构。2)拆解。将晶体硅光伏组件的铝边框和接线盒进行拆除。3)分离。拆解后的晶体硅光伏组件是由前玻璃、太阳电池、背板(或背玻璃)及EVA(或POE)所组成的层压件，分离这部分层压件，分拣出具有价值的材料，是组件回收技术中最关键的步骤，涉及到组件的回收效果及收益。4)再利用。将分拣出的不同材料送往相应行业进行再利用，比如，玻璃回收后送往玻璃制造业，铝边框送往铝精炼厂，废塑料(PPO及EVA或POE)可作为燃料送往水泥厂，硅可以送往贵金属制造厂，剩下的接线盒线缆和接头在压碎取铜后送往铜制品工厂进行回收再利用。目前，根据层压件分离方式的不同，废旧晶体硅光伏组件的回收方式可分为热处理法、化学溶解法及物理分离法3种。

2.1 热处理法

热处理法分为低温热处理法和高温热处理法。低温热处理法是利用EVA或POE经过加热后会逐渐软化的特点，通过加热层压件来软化其中的EVA或POE，实现层压件中前玻璃、太阳电池及背板(或背玻璃)的分离。目前采用该处理方法时，加热设备一般使用流化床反应器，也有使用射频电流加热板或红外加热器的。虽然低温热处理法较为简单、实用，但存在EVA或POE的去除不够彻底、玻璃和太阳电池的表面常有少量残留的情况。

高温热处理法是利用EVA或POE在高温下会逐渐分解的特点从而去除EVA或POE。目前，高温热处理法主要分为无氧高温热处理法和有氧高温热处理法，采用这2种处理方法时EVA或POE的去除率均已达到99%以上，并已被一些企业应用在实际处理过程中。但采用高温热处理法时要保持加热过程的均匀性，否则若出现局部过热会造成层压件内部的太阳电池碎裂[4]，从而减少完整太阳电池的回收率。同时，虽然采用高温热处理法可使EVA或POE的去除率达到99%以上，但仍会残留一些有机物。

2.2 化学溶解法

化学溶解法是利用EVA或POE在化学溶剂中会氧化和分解的特点，通过在化学溶剂中浸泡层压件来实现层压件的分离。按照溶剂的性质不同，化学溶解法可分为无机酸溶解法和有机酸溶解法。无机酸溶解法一般使用硝酸和过氧化氮混合酸。有机酸溶解法一般使用三氯乙烯、苯、甲苯、邻二氯苯或丙酮等[4]，利用有机溶剂使EVA或POE膨胀，以达到分离层压件的目的。使用化学溶解法时，硅的回收和再利用率一般可以达到90%以上，且该方法能够得到完整的硅片；但是化学溶剂的消耗量过大且反应速度非常慢，同时，废液还需进一步处理，且工艺过程如果控制不当，会造成EVA或POE过度膨胀，从而挤碎太阳电池，因此大规模应用具有一定的难度。

2.3 物理分离法

物理分离法主要是依靠物理手段，将层压件粉碎成较小的颗粒，分拣出玻璃颗粒和焊带后，把剩余部分再进行研磨，通过静电等分离法分离出金属、背板、EVA或POE等的颗粒。但是物理分离法不能100%分离出所有材料，分离出的金属颗粒、背板颗粒、EVA颗粒或POE颗粒等均会含有其他材料的杂质，导致获得的材料的纯度不高。

2.4 主流回收方法的工艺成本

根据相关调研，以1 kWp晶体硅光伏组件的回收为例进行分析。分别采用热处理法、化学溶解法和物理分离法这3种回收方法，计算不同方法耗费的电能、试剂及衍生污染物的处理费用(已去除设备折旧、人工成本等费用)，估算的回收成本如下：热处理法的回收成本为57元/kWp，化学溶解法的回收成本为44元/kWp，物理分离法的回收成本为34元/kWp。

以晶体硅光伏组件的价格1800元/kWp为例，针对废旧晶体硅光伏组件的各种回收方法的经济效益如下：热处理法回收的经济效益为333元/kWp，占晶体硅光伏组件价格的18.5%；化学溶解法回收的经济效益为321元/kWp，占晶体硅光伏组件价格的17.8%；物理分离法回收的经济效益为343元/kWp，占晶体硅光伏组件价格的19%[5]。综上可知，采用主流处理方式后，废旧晶体硅光伏组件回收的经济效益较好。因此，目前废旧晶体硅光伏组件回收还不能够实现较大收益的主要原因并不是主流处理方式具体过程中的成本过高，而是由于废旧光伏组件的回收还未形成相应的产业链，导致废旧光伏组件在拆卸运输、拆解等各个环节的成本依旧巨大。

3 废旧晶体硅光伏组件回收中的难点

从技术角度来看，回收废旧晶体硅光伏组件的过程必然会伴随着有害物质的产生，必须对这些有害物质进行无害化处理。而针对这些废气、废液、废物等的处理方式各有不同，必然会造成回收成本的增加。尤其是目前常规使用的含氟背板，在土壤中历经上千年都无法自然降解，同时氟化物还具有毒性，焚烧处理过程中还会产生氟化氢等毒性气体。从经济角度来看，虽然目前这几种主流回收方法在只考虑分离过程情况下的回收成本不高，但是若再考虑上处理过程中所用设备的折旧等因素后，回收的经济效益还是偏低。从政策法规方面来看，国内在回收处理废旧光伏组件方面的政策法规还处于起步阶段，尚未形成相应的产业链，需要相关政策加以指导和要求。

4 展望

废旧光伏组件的回收作为光伏产业最后的环节也是最必不可少的一个重要环节，关系到整个光伏产业的可持续发展，在光伏产业蓬勃发展的今天，重视废旧光伏组件的回收是必然趋势。随着回收技术的不断提高和精细化，废旧光伏组件的回收经济效益也会越来越好，再加上GB/T 39753-202《1光伏组件回收再利用通用技术要求》即将实施，会进一步促进回收再利用行业的发展。相信近几年内废旧光伏组件回收的产业链将不断完善，回收方法也将进一步拓展，各个回收环节的成本也将会进一步降低。去除掉设备折旧、人工成本等费用之后，目前废旧晶体硅光伏组件的回收收益均已达到300元/kWp以上，所以形成完善的废旧光伏组件回收产业链，降低回收成本是该行业必须努力的方向。预计到21世纪30年代，废旧光伏组件回收这一分支行业会得到更多的利润，诞生更多的独角兽企业。

5 结论

本文针对废旧晶体硅光伏组件的回收处理现状及热处理法、化学溶解法和物理分离法这3种主流回收方法进行了介绍。其中，热处理法的回收成本最高，为57元/kWp；物理分离法的回收成本最低，为34元/kWp，且该方法回收的经济效益最高，为343元/kWp。另外，本文还从技术角度、经济角度及政策法规方面分析了废旧光伏组件的回收难点，并对未来废旧光伏组件回收行业的发展进行了展望。