一种清洁、绿色的太阳能电池板回收方式

LUIGI AVANTAGGIATO

在威尼斯工业区的一个集装箱内，意大利初创公司9-Tech正在尝试解决一个迫在眉睫的全球性问题：如何负责任地回收5400万至1.6亿吨太阳能组件（https://www.nature.com/articles/s41567-023-02230-0），这些组件预计将在2050年达到其生产寿命。回收这些材料不会容易。太阳能面板被设计用来在地球上的任何环境中持续20到30年，即使在阳光下放置了三十年，硬件也很难拆卸。事实上，大多数回收设施都会丢弃硅、银和铜——旧太阳能电池板中最有价值但最难获得的材料——只回收铝框架和玻璃板。

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随着世界越来越多地部署太阳能，对回收的需求只会增加。全球已经部署了超过1.2太瓦的太阳能发电（https://www.irena.org/Data/View-data-by-topic/Capacity-and-Generation/Statistics-Time-Series）。根据美国国家可再生能源实验室（NREL）研究人员的文献分析，太阳能电池板目前以每年超过400吉瓦的速度分布（https://iea-pvps.org/wp-content/uploads/2024/04/Snapshot-of-Global-PV-Markets-1.pdf），预计到2030年，这一速度将增加到每年3太瓦。

为了阻止堆积如山的光伏垃圾堆积，研究人员正在寻求更好的回收方法。迄今为止提出的最先进的方法可以回收晶体硅光伏组件中至少90%的铜、银、硅、玻璃和铝。但这些过程成本高昂，而且通常涉及有毒化学品。NREL首席环境工程师Garvin Heath表示，没有一种回收方法被证明像垃圾填埋场那样便宜，而且很少有工业规模的回收方法。Garvin Heath管理着一个由国际能源机构指派的国际专家小组（https://iea-pvps.org/research-tasks/pv-sustainability/），分析光伏的可持续性。

9-Tech的创始人说他们有更好的方法。他们的过程是一个嘈杂的过程，涉及燃烧炉、超声波浴和机械分拣，其振动会震动一个普通货运集装箱的地板，他们已经在那里测试了近两年的操作。该公司不使用有毒化学品，不向环境中释放污染物，并回收太阳能电池板中高达90%的材料，9-Tech首席技术官Francesco Miserocchi说。

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如何回收太阳能电池板

该公司将其工艺定制为晶体硅太阳能电池板，该电池板占全球光伏市场的97%（https://www.iea.org/energy-system/renewables/solar-pv）。这些面板通常由掺杂硼和磷的硅晶片阵列组成（https://www.epa.gov/hw/solar-panel-recycling#How%20Solar%20Panels%20are%20Recycled），顶部涂有氮化硅的抗反射涂层。银导体丝网印刷在晶圆表面，铜导体以网格图案焊接到阵列上。为了保护材料免受潮湿和损坏，制造商将整个阵列层压在粘合剂聚合物中，通常是乙烯-醋酸乙烯酯。然后，他们将夹层阵列包裹在钢化玻璃板中，用铝框住整个东西，密封边缘，并在背面连接一个接线盒。

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当需要回收面板时，最具挑战性的步骤之一是去除粘附在所有物体上的聚合物。“这不仅仅是边缘或几个胶水点。它是整个聚合物表面（几平方英尺），”Heath 说。聚合物可以被烧掉，但这会释放出一氧化碳、氢氟酸和其他有害污染物。分离银导体也被证明是具有挑战性的，因为它们被涂在很薄的一层——大约10到20微米——牢固地附着在硅上。去除它们通常涉及有毒试剂，例如氢氟酸、硝酸或氢氧化钠。

9-Tech的团队通过两种方式应对这些挑战。他们使用超声波而不是有毒化学物质回收银，尽管他们燃烧聚合物，但他们捕获了排放的污染物。

9-Tech

该公司中试工厂的流程始于工人手动拆除铝框架、接线盒和钢化玻璃。这组成了由聚合物、硅片和金属导体构成的三明治结构。没有框架或玻璃，三明治层会弯曲，将脆弱的硅粉碎成小块。工人们敲开钢化玻璃，然后将所有材料送入连续燃烧炉，这些材料大多由于聚合物而仍然存在。加热到400°C以上，聚合物蒸发，过滤器捕获污染物。该系统还可以从炉子中捕获热量并重复利用以提高能源效率。

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当剩余的材料离开熔炉时，辊子会机械地把铜剥离出来。一系列筛子根据厚度对破碎的玻璃和硅碎片进行分类。硅片仍然镶有银，它们被浸泡在有机酸的水浴中，用超声波处理以松开元素之间的键。超声波的工作原理是将声波传播到酸浴中，从而产生交替的高压和低压循环。9-Tech的首席执行官Pietrogiovanni Cerchier解释说，如果波足够强烈，它们就会产生空化气泡，与材料机械地相互作用，导致银从硅中脱落。

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最后，工作人员用网状网从超声波浴中取出硅碎片。这会在溶液中留下细小的银粉，可以通过过滤或离心机回收。总而言之，Cerchier说，9-Tech的试验工厂可以从光伏组件中回收90%的银、95%的硅以及99%或更多的铜、铝和玻璃。此外，这种材料被认为是高度纯净的，这增加了它可以重复使用的应用类型。

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这家初创公司的回收过程比仅回收铝和玻璃的现有方法更昂贵。但是，高纯度硅、银和铜的提取应该可以抵消额外的成本，Miserocchi说。此外，它比挖掘原始元素更有效。他说，你可以从一吨太阳能电池板中提取大约500克银，但从一吨矿石中只能提取165克银。“光伏电池板在其使用寿命结束时仍然有很多东西可以提供，”Miserocchi说，“它可以被认为是一个珍贵元素的小矿山。”

数十种回收光伏电池板的新方法

9-Tech团队将在未来18个月内建造一个更大的示范设施后，更多地了解其方法的盈利能力。该工厂将与集装箱位于威尼斯的同一工业区，每天将能够处理多达800个太阳能组件。他们的试验工厂每天只处理大约七个模块。

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该公司的方法是正在开发的晶体硅光伏电池板的众多回收方法之一。今年4月发表在《清洁生产杂志》（Journal of Cleaner Production）上的一篇综合综述指出（https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0959652624011090#bbib94），全球还有数十种其他努力，包括热、化学、机械和光学方法。最常见的方法是将硅、金属和聚合物层研磨成小块，按密度将它们分离，然后通过热或化学过程回收硅和金属。其他工艺包括激光照射、高压脉冲、光学分选、热解、化学溶剂、蚀刻和用热刀分层。

推动这一创新的部分原因是欧盟在2012年通过的法规。该规则要求欧盟的所有光伏电池板制造商开展回收或回收计划，或与其他回收计划合作。因此，拥有欧洲最多太阳能发电容量的德国拥有世界上最大的光伏回收系统之一（https://iea-pvps.org/wp-content/uploads/2024/03/IEA-PVPS-T12-27-Report-PV-Recycling-in-Germany.pdf）。

但回收是一项大批量业务，除了摧毁太阳能发电站的灾难性天气事件外，废旧太阳能组件以相对涓涓细流的方式到达回收商手中。此外，还有一个挑战，即在回收材料后为它们寻找第二次生命——供应链尚未得到很好的发展。

First Solar是一家总部位于亚利桑那州坦佩的全球光伏制造商，通过在五个国家/地区建立七家工厂的内部回收计划（https://www.firstsolar.com/en/Solutions/Recycling），大规模解决了这两个问题。该公司生产碲化镉薄膜太阳能电池板，买家可以购买，并内置回收价格。在电池板使用寿命结束时，买家将它们送回First Solar进行回收，制成新产品。据该公司称，这种半导体材料可以回收多达41次，使用寿命超过1200年。但这种玻璃的纯度不足以在太阳能组件中重复使用，因此该公司计划将其供应给浮法玻璃制造商，用于门窗。

回收利用的挑战激发了研究人员重新思考晶体太阳能电池板的制造方式。例如，一些制造商正试图减少或消除难以回收的银，用其他导电金属代替它。NREL的一个团队在2月份展示了一种通过激光焊接玻璃板来消除光伏电池板中聚合物的方法，这可能会更好地密封水分（https://spectrum.ieee.org/solar-panel-recycling）。该技术可能适用于钙钛矿太阳能组件，这是一种特别容易受到潮湿和腐蚀的有前途的技术。

“回收不应该是唯一的策略，”Heath说。他说，在诉诸回收之前，人们应该考虑其他方法来修复或重复使用太阳能电池板以延长使用寿命。

供稿：杨泓奕