淺析報(bào)廢晶硅太陽(yáng)能電池二次利用現(xiàn)狀

張賀 巴彥濤 王剛

摘要：太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和光伏技術(shù)的不斷進(jìn)步，必然會(huì)引起大批量老舊太陽(yáng)能光伏組件的報(bào)廢，2000年-2012年，晶硅太陽(yáng)能電池產(chǎn)量占全球太陽(yáng)能電池產(chǎn)量的市場(chǎng)份額保持在80%至90%左右，在報(bào)廢的組件中大部分將是晶硅太陽(yáng)能電池。而如何將這些報(bào)廢的晶硅太陽(yáng)能電池變廢為寶，將其中的材料回收利用，降低光伏電池的制造價(jià)格，減少光伏電池后期環(huán)境污染將是一個(gè)極具前景的研究課題。

關(guān)鍵詞：晶硅太陽(yáng)能電池；回收；二次利用

1.太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

（1）國(guó)外太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展

歐洲光伏工業(yè)協(xié)會(huì)（EPIA）預(yù)測(cè)，2020年光伏發(fā)電可提供345 GW 的裝機(jī)容量，2030 年可提供1081 GW 的裝機(jī)容量。

2008年年初，以Ken Zweibel為首的3位太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)專家提出了極富前瞻性并具有切身現(xiàn)實(shí)意義的“大太陽(yáng)能計(jì)劃”Solar Grand Plan（SGP），美國(guó)太陽(yáng)能資源豐富，單只美國(guó)西南部適合采集太陽(yáng)能的25萬(wàn)平方英里的面積，每年便可以收集4.5×1018 Btu（英制熱單位）的太陽(yáng)能。如果只轉(zhuǎn)換其中2.5%的能量到電能就可以替代美國(guó)2006年全國(guó)的耗能量。SGP計(jì)劃描述了2050年前實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能替代69%電能（相當(dāng)于35%整體能耗）的遠(yuǎn)景目標(biāo)。，2100年前全美有望實(shí)現(xiàn)可再生能源100%承擔(dān)電能及90%整體能耗的目標(biāo)。硅板光伏電池目前占有市場(chǎng)的絕大多數(shù)份額，預(yù)測(cè)在未來(lái)10年間（2017年前）仍將是主流光伏材料。硅板光伏技術(shù)提供了最低的生產(chǎn)成本并且最可靠實(shí)用。

（2）國(guó)內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展

我國(guó)具有良好太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境。根據(jù)年均太陽(yáng)輻射量、峰值小時(shí)數(shù)可將中國(guó)分為五類地區(qū)，以多晶硅太陽(yáng)多晶硅太陽(yáng)能電池系統(tǒng)為例，其能量回收期介于2年到6年之間，無(wú)論組件安裝在哪個(gè)地區(qū)這個(gè)數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其使用壽命（按25年算），即使是在日照資源最不豐富的五類地區(qū)。從節(jié)約能源和可持續(xù)發(fā)展的角度看，在中國(guó)發(fā)展晶硅太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)是明智的選擇[1]。

我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)近幾年來(lái)迅速崛起，產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，在產(chǎn)業(yè)上游、中游、下游形成了一定自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)業(yè)鏈，在國(guó)際市場(chǎng)產(chǎn)生了重要的影響。從2008年起，我國(guó)光伏組件制造量就占據(jù)了全球光伏組件制造量的半壁江山，而且保持了快速增長(zhǎng)；截至2010年，我國(guó)已有16家光伏企業(yè)在海外成功上市，并且在全球光伏電池生產(chǎn)商前5強(qiáng)中，中國(guó)企業(yè)占到了4家，在全球光伏組件生產(chǎn)商前5強(qiáng)中，中國(guó)企業(yè)占到了3家；2011年和2012年兩年間，即使在全球光伏市場(chǎng)低迷、貿(mào)易保護(hù)主義抬頭、歐美“雙反”政策打壓的不利境下，我國(guó)光伏產(chǎn)品依然占據(jù)了全世界近50%的份額，并取得了37%的年增幅；總體來(lái)看，我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)從2005年誕生以來(lái)，在短短的10年間內(nèi)，從年產(chǎn)值從不到一千萬(wàn)元成長(zhǎng)為年產(chǎn)值超過(guò)5000億元。

（3）光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展

光伏發(fā)電技術(shù)種類眾多，以晶硅太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)最為成熟且發(fā)電效率較高。2015年12月天合光能采用PERC 雙面鈍化技術(shù)的p 型單晶硅電池光電轉(zhuǎn)化效率達(dá)到22.13%，刷新全球大面積PERC 電池轉(zhuǎn)換效率世界紀(jì)錄。晶澳實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的p型單晶PERC電池平均光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到20.4%。中電電氣采用Al2O3/SiNx背面鈍化、離子注入、納秒或皮秒激光開(kāi)孔燒結(jié)、背面局部金屬化等先進(jìn)工藝，實(shí)現(xiàn)p 型單晶硅PERC電池量產(chǎn)的平均效率超過(guò)20.2%，實(shí)驗(yàn)室最高效率20.8%。尚德電力的PERC 電池平均轉(zhuǎn)換效率量產(chǎn)達(dá)20.5%。

光伏電池的主要難點(diǎn)就是需要大幅度的去降低光伏電池元件的制造價(jià)格，還需要相對(duì)的減輕目前所用的種類的電池對(duì)我們生活環(huán)境所帶來(lái)的污染。

太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和光伏技術(shù)的不斷進(jìn)步，必然會(huì)引起大批量老舊太陽(yáng)能光伏組件的報(bào)廢，2000年-2012年，晶硅太陽(yáng)能電池產(chǎn)量占全球太陽(yáng)能電池產(chǎn)量的市場(chǎng)份額保持在80%至90%左右，在報(bào)廢的組件中大部分將是晶硅太陽(yáng)能電池。而如何將這些報(bào)廢的晶硅太陽(yáng)能電池變廢為寶，將其中的材料回收利用，降低光伏電池的制造價(jià)格，減少光伏電池后期環(huán)境污染將是一個(gè)極具前景的研究課題。

2廢舊晶硅太陽(yáng)能電池回收利用現(xiàn)狀

太陽(yáng)能電池的老化原因可以從兩個(gè)方面解析，一方面是由于電池片本身的性能退化；另一方面是用于封裝的材料老化引起組件光學(xué)性能和電學(xué)性能的退化。報(bào)廢的晶硅太陽(yáng)能電池中含有Pb、Cd、Cr、Bi多種重金屬，直接丟棄不僅會(huì)浪費(fèi)電池中價(jià)值不菲的高純Si，Ag等材料，還會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境。早在2002 年，德國(guó)環(huán)境保護(hù)部結(jié)合德國(guó)太陽(yáng)能公司與在佛來(lái)堡的TU Bergakademie 研究中心設(shè)立了一項(xiàng)研究計(jì)劃，主要任務(wù)在于研發(fā)出環(huán)保且具經(jīng)濟(jì)效益的太陽(yáng)能電池回收方法。

（1）國(guó)外研究現(xiàn)狀

在美國(guó)，Jun-kie Choi等，建立了一種數(shù)學(xué)模型分析回收技術(shù)的盈利能力，為光伏回收中心的最佳選址方案提供了可靠的建議。Vasilis-M-Fthenakis 從技術(shù)能力、經(jīng)濟(jì)效益和政策法規(guī)多方位地詳細(xì)闡述了廢舊晶硅太陽(yáng)能電池回收的可行性極強(qiáng)。

波蘭的Ewa Klugmann-Radziemska等利用化學(xué)和熱學(xué)的方法回收了廢舊晶硅太陽(yáng)能電池中的材料，并用這些材料重新制的新晶硅太陽(yáng)能電池組件，獲得了13%-15%的光電轉(zhuǎn)換效率。

（2）國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

楊紅等研究了晶硅太陽(yáng)能電池電極結(jié)合力對(duì)其功率衰減的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)結(jié)合力小于2N時(shí)晶硅太陽(yáng)能電池在濕熱老化實(shí)驗(yàn)中功率下降會(huì)遠(yuǎn)快于結(jié)合力大于2N的組件。

李菁華等利用HNO3，H2SO4酸液溶解研磨碎的廢舊晶硅太陽(yáng)能電池，在經(jīng)過(guò)過(guò)濾，沉淀，電解，還原反應(yīng)的方法分離廢舊晶硅太陽(yáng)能電池的玻璃，Si，Ag，Al成分，并得出濃度為18N的H2SO4與濃度為6N的HNO3混合后在27℃既能分離組件中的Ag，HCl和NaOH都能很好分離組件中的Al。

3.結(jié)論與展望

報(bào)廢晶硅太陽(yáng)能電池的二次利用不僅能夠減少或消除太陽(yáng)能電池退役處理時(shí)對(duì)環(huán)境的污染，還將有助于降低電池生產(chǎn)時(shí)所需原材料的價(jià)格，甚至可以把太陽(yáng)電池組塊在陽(yáng)光照射下的自然老化功率衰減做為一種特殊工藝，在二次利用時(shí)提高相關(guān)器件的穩(wěn)定性和可靠性。對(duì)此進(jìn)行研究意義深遠(yuǎn)。

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有完善有效的報(bào)廢太陽(yáng)能電池二次利用技術(shù)，僅在在實(shí)驗(yàn)室能做到晶硅太陽(yáng)能電池的拆解分離和部分材料的回收，回收效率低效果差。且僅研究材料回收過(guò)程，未見(jiàn)使用回收材料制作太陽(yáng)能器件的過(guò)程。在回收過(guò)程中大多使用化學(xué)方法，利用酸，有機(jī)試劑進(jìn)行拆解分離，極少用到物理方法進(jìn)行拆解?；瘜W(xué)試劑對(duì)環(huán)境影響較大，不利于相關(guān)技術(shù)推廣，引入物理方法有助于提高回收效率，降低環(huán)境影響。

晶硅太陽(yáng)能光伏技術(shù)已推廣多年，眾多以晶硅太陽(yáng)能電池為工作器件的電站已經(jīng)運(yùn)行了十年以上，而晶硅太陽(yáng)能電池組件壽命一般為20年，未來(lái)十年內(nèi)將有大量晶硅太陽(yáng)能電池組件面臨退役和報(bào)廢，由此，報(bào)廢晶硅太陽(yáng)能電池二次利用的相關(guān)技術(shù)亟待研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 羅付香，彭曉春，吳彥瑜，董家華. 廢舊晶硅太陽(yáng)能電池的回收拆解及進(jìn)展研究[J]. 環(huán)境科學(xué)與管理，2014（12）：162-173.

[2]顏蘇莉，孫婧豪.我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀、存在問(wèn)題及解決之道[J].華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)（社會(huì)科學(xué)版）2016，1.

（作者單位：青海民族大學(xué)）