文章來源：Frontiers in Energy

論文標(biāo)題：Status quo on recycling of waste crystalline silicon for photovoltaic modules and its implications for China’s photovoltaic industry

期刊：Frontiers in Energy

作者：Yichen Zhou, Jia Wen, Yulin Zheng, Wei Yang, Yuru Zhang, Wenxing Cheng

發(fā)表時間：24 Nov 2023

DOI：10.1007/s11708-024-0923-y

微信鏈接：點擊此處閱讀微信文章

識別二維碼查看全文

文章亮點

（1）本研究綜述了晶硅光伏組件分離回收工藝的研究現(xiàn)狀，晶硅光伏電池組件已有一套較為完備的分離回收流程，除Ag、Cu、Al等金屬元素外，硅的價值不可忽視。

（2）著重探討了晶硅的再生利用途徑，廢光伏組件晶硅相較于光伏硅基廢料有著更高的硅純度與良好的晶體結(jié)構(gòu)，被重復(fù)利用于高純硅需求行業(yè)的可能性更大。

（3）分析了現(xiàn)階段光伏回收行業(yè)的發(fā)展瓶頸，并對光伏行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提出了一些展望。光伏回收的經(jīng)濟(jì)性并不理想，開發(fā)先進(jìn)的回收技術(shù)是推進(jìn)光伏組件可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，高效、低能耗和低處理成本的工藝流程將有助于光伏組件回收項目的進(jìn)一步發(fā)展。

研究背景及意義

不可再生能源的不斷開發(fā)利用不僅將導(dǎo)致能源短缺，制約經(jīng)濟(jì)增長，產(chǎn)生的大量碳排放也引起了全球性的氣候變暖，世界各國正加速推動能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，擴(kuò)大清潔能源生產(chǎn)。在風(fēng)能、核能、太陽能等眾多環(huán)境友好型可再生能源中，太陽能資源取之不盡、分布廣泛、安全無污染。太陽能光伏系統(tǒng)因其較為低廉的成本，成為了增長速度最快的清潔能源之一。中國幅員遼闊，具有豐富的太陽能資源，光伏技術(shù)應(yīng)用市場潛力巨大。在政策的鼓勵與能源轉(zhuǎn)型的時代背景下，我國已然成為光伏裝機(jī)增速最快、容量最多的國家。然而，光伏組件的壽命一般為20到30年，光伏裝機(jī)量規(guī)模不斷擴(kuò)大的同時，也預(yù)示著未來將有大量使用壽命終結(jié)的光伏組件面臨報廢。光伏廢物中不但含有鎘（Cd）、鉛（Pb）等危害性重金屬元素，光伏廢物也是一個潛在的資源庫，其中含有大量鋁（Al）、玻璃等常見材料，以及銅（Cu）、銀（Ag）、硅（Si）等高價值材料。對光伏廢物進(jìn)行科學(xué)合理的回收處理，不僅降低了潛在的環(huán)境風(fēng)險，還避免了有價值材料的損失，減少了新材料生產(chǎn)的需求，對光伏產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

現(xiàn)有太陽能電池主要可分為晶硅電池和薄膜電池，由于晶硅電池生產(chǎn)成本較低且發(fā)電效率高，在過去幾十年至現(xiàn)在始終以高份額（85%–90%）主導(dǎo)著光伏市場。光伏晶硅回收后可再利用于航空航天、電子電器、能源、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等各個領(lǐng)域。本研究對現(xiàn)有光伏組件的回收技術(shù)進(jìn)行論述，并著重對硅的再利用途徑進(jìn)行總結(jié)，對現(xiàn)階段光伏回收行業(yè)的困境進(jìn)行分析，以期為廢太陽能電池回收利用技術(shù)的發(fā)展及其產(chǎn)業(yè)化利用提出參考與建議。

主要研究內(nèi)容及結(jié)論

一、分離回收方法

晶硅電池內(nèi)部光伏組件呈現(xiàn)夾層結(jié)構(gòu)，前后需要經(jīng)過分離工藝和提取工藝才能真正實現(xiàn)報廢光伏組件的回收與再利用。物理處理是指通過破碎、切割等方式，機(jī)械化、大規(guī)模高效處理光伏組件，該方式所得產(chǎn)物往往以混合物的形態(tài)存在。熱處理可高效去除乙烯-醋酸乙烯酯共聚（EVA），但同時伴隨著烯烴、烷烴以及部分有害金屬進(jìn)入氣相。光伏組件中有價值的金屬元素與硅元素的回收，需要通過化學(xué)的手段對其進(jìn)行提取與精煉，常采用HF、HNO3等試劑，以提取Si與有價值金屬元素。通過有機(jī)結(jié)合各種方法，可構(gòu)成完整的組件回收工藝流程。

二、硅的再生利用途徑

通過特殊工藝回收的完整硅電池再經(jīng)化學(xué)純化，其晶硅厚度、電阻率、載流子壽命等指標(biāo)均與標(biāo)準(zhǔn)商業(yè)硅晶組件相似。廢晶硅通過摻雜磷、鍺等元素改性，也可應(yīng)用于熱電組件。硅陽極理論容量為4200 mAh/g，被認(rèn)為是取代石墨（372 mAh/g）的最佳儲能材料。通過球磨將硅納米化，同時摻雜石墨等材料可用于制備電池電極。硅的納米化是保證良好電池循環(huán)壽命的關(guān)鍵，硅尺寸是硅基陽極電化學(xué)性能的決定性因素。同時，晶硅太陽能電池中Al、Ag的不完全去除將影響硅的納米化，對再生硅陽極性能也將產(chǎn)生影響。

三、回收瓶頸

光伏組件回收存在巨大的生產(chǎn)價值，但近些年的發(fā)展現(xiàn)狀卻不盡人意。根據(jù)很多廢舊光伏組件回收企業(yè)的營收情況來看，光伏回收的經(jīng)濟(jì)性并不理想，主要原因在于一是回收成本高，二是集中回收量不足。由于頂層設(shè)計不足，光伏板退役路徑?jīng)]有明確政策導(dǎo)向，造成回收獲取難、跨地區(qū)流動難、回收技術(shù)參差不齊和循環(huán)路徑不暢通等問題。進(jìn)而影響了企業(yè)回收積極性和光伏回收市場發(fā)展動力。

原文信息

Status quo on recycling of waste crystalline silicon for photovoltaic modules and its implications for China’s photovoltaic industry

Yichen Zhou, Jia Wen*, Yulin Zheng, Wei Yang, Yuru Zhang, Wenxing Cheng

Author information：

1. College of Environmental Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China

2. Key Laboratory of Environmental Biology and Pollution Control of Ministry of Education, Hunan University, Changsha 410082, China

Abstract：

As a clean and efficient renewable energy source, solar energy has been rapidly applied worldwide. The growth rate of China’s installed capacity ranks first in the world. However, the life span of photovoltaic (PV) modules is 25 to 30 years, and the rapid development of installed capacity indicates that a large number of PV modules will be decommissioned in the future. Therefore, the ongoing treatment of the scrapped PV waste cells in the near future requires urgent plans and countermeasures. Proper recycling and disposal of decommissioned PV modules is a practical requirement for the sustainable development of the country and industry. Crystalline silicon (c-Si) solar cells currently occupy 85%–90% of the market share, and some scholars have begun to seek the utilization pathways of the waste Si in and outside the PV industry. In this paper, the research status of the separation and recycling process of crystalline Si PV modules is reviewed, and the recycling ways of crystalline silicon are particularly focused on. In addition, the current bottlenecks in the PV recycling industry in China are analyzed and some suggestions on the sustainable development of the PV industry are proposed.

Keywords：

waste photovoltaic (PV) modules, crystalline silicon (c-Si) battery, separation and recovery, sustainable development

Cite this article

Yichen Zhou, Jia Wen, Yulin Zheng, Wei Yang, Yuru Zhang, Wenxing Cheng. Status quo on recycling of waste crystalline silicon for photovoltaic modules and its implications for China’s photovoltaic industry. Front. Energy, https://doi.org/10.1007/s11708-024-0923-y