廢舊晶硅太陽(yáng)能組件回收技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

趙江英，王剛

（青海民族大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，青海西寧810000）

由于汽油價(jià)格的連續(xù)增長(zhǎng)、CO2排放量的持續(xù)升高及環(huán)境污染等問題，能源供應(yīng)必須從化石燃料向清潔的可持續(xù)能源轉(zhuǎn)變。在清潔的可持續(xù)能源中，晶硅太陽(yáng)能電池由于其使用壽命長(zhǎng)、可再生及無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為光電池能源的主力。同時(shí)光伏組件在發(fā)電過(guò)程中不產(chǎn)生噪聲，也不產(chǎn)生有毒氣體，排除了由于化石燃料燃燒造成的高環(huán)境成本[1]。目前國(guó)內(nèi)外把如何有效提高太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)化效率作為研究的重點(diǎn)。

太陽(yáng)能的發(fā)展和利用有效地解決了我國(guó)能源短缺和環(huán)境污染等問題，由于各種政策補(bǔ)助及鼓勵(lì)，我國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)得到了迅速發(fā)展。到2011年底，中國(guó)光伏累計(jì)裝機(jī)已達(dá)3 300 MWp。在未來(lái)，我國(guó)的發(fā)展目標(biāo)為[2]：到2020年，太陽(yáng)能光伏發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到50 GWp。

雖然太陽(yáng)能電池的壽命周期一般為25年，但由于在發(fā)電過(guò)程當(dāng)中，電池片隱裂或封裝材料受損等造成電池轉(zhuǎn)化率降低，因此面臨著報(bào)廢更新。而且2012年1月，歐盟會(huì)議將光伏組件正式列為電子廢棄物，太陽(yáng)能電池作為光伏組件必須進(jìn)行有效的回收利用[3]。根據(jù)中國(guó)可再生能源協(xié)會(huì)對(duì)太陽(yáng)能電池廢棄量的預(yù)測(cè)推算可知，從2020年之后，我國(guó)的太陽(yáng)能電池的固體廢棄物會(huì)出現(xiàn)大幅度增長(zhǎng)，累計(jì)廢棄量也會(huì)逐漸增加。據(jù)有關(guān)報(bào)道,到2030年,我國(guó)廢棄的光伏組件能夠產(chǎn)生 110萬(wàn) t玻璃、145萬(wàn) t碳鋼、54萬(wàn) t塑料、17萬(wàn) t銅、26萬(wàn) t鋁、5萬(wàn) t硅及550 t銀[4]。從這些數(shù)據(jù)中可以看出,未來(lái)報(bào)廢的晶體硅太陽(yáng)能電池中蘊(yùn)藏著不可小覷的資源價(jià)值。其次電池片的生產(chǎn)成本占光伏組件的60%，硅片占光伏電池生產(chǎn)成本的65%[5]。因此回收硅片及電池片中的有價(jià)金屬，可以降低電池片的生產(chǎn)成本。

1 晶硅太陽(yáng)能電池的發(fā)展現(xiàn)狀

太陽(yáng)能電池是通過(guò)光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。在硅系電池、多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池、聚合物多層修飾電極型太陽(yáng)能電池、納米晶太陽(yáng)能電池等中晶體硅太陽(yáng)能電池技術(shù)目前發(fā)展最成熟，在發(fā)電應(yīng)用中占主導(dǎo)地位。我國(guó)生產(chǎn)的太陽(yáng)能電池中硅系電池占了90%以上，其中絕大多數(shù)為單晶硅和多晶硅電池組件。

據(jù)歐洲光伏工業(yè)協(xié)會(huì)（EPIA）預(yù)測(cè),在可再生能源的利用中,到 2030年,太陽(yáng)能光伏發(fā)電將占到10%以上,到2040年,占到20%以上[6]。同時(shí),據(jù)世界觀察研究所預(yù)測(cè),光伏產(chǎn)業(yè)將成為未來(lái)全球發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)之一,到了21世紀(jì)中期,太陽(yáng)能將成為用于光伏發(fā)電的主要能源之一[7]。

太陽(yáng)能電池的發(fā)展中，晶硅太陽(yáng)能電池占據(jù)著80%～90%的市場(chǎng)份額。為了確保晶硅太陽(yáng)能電池產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)當(dāng)著手研究低成本的回收技術(shù)，有效回收晶硅太陽(yáng)能電池[8]。

2 晶硅太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)組成

晶體硅又分為多晶硅和單晶硅，它們均具有金剛石晶格，晶體硬而脆，具有金屬光澤，能導(dǎo)電，具有半導(dǎo)體性質(zhì)。一般市場(chǎng)上的晶硅太陽(yáng)能電池有單晶硅和多晶硅太陽(yáng)能電池2種形式。它們的主要結(jié)構(gòu)組成包括5個(gè)部分,分別為:金屬外框、蓋板玻璃、晶體硅片、背板、封裝膠膜。如圖1所示。

圖1 晶硅太陽(yáng)能電池的基本組成圖

蓋板玻璃是低鐵鋼化玻璃，它的特點(diǎn)是高透光率、高強(qiáng)度、較好的機(jī)械性能、較長(zhǎng)的使用壽命和穩(wěn)定的化學(xué)性能。厚度一般為3.2 mm左右，由于普通玻璃中鐵的含量較高且玻璃表面反射率較大，使得太陽(yáng)能的利用率較低。

EVA橡塑制品是新型環(huán)保塑料發(fā)泡材料，具有良好的緩沖、抗震、隔熱、防潮和抗化學(xué)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，且無(wú)毒，不吸水。

晶體硅片有單晶硅片和多晶硅片兩種，電池片前表面通過(guò)涂覆銀漿作為正電極，為了減少硅片的發(fā)射光，在最上層需涂一層氮化硅的減反射層。電池片背部會(huì)涂層鋁作為背電極。

背板一般都是TPT復(fù)合膜，它具有較好的防潮、防濕和耐候性能，白色TPT對(duì)光具有反射作用，可提高組件的工作效率，且具有提高紅外反射率，降低組件工作溫度的功能。

3 廢舊晶硅太陽(yáng)能電池的回收技術(shù)及工藝流程

目前國(guó)內(nèi)對(duì)廢棄晶體硅太陽(yáng)能電池的研究主要側(cè)重點(diǎn)在檢修和維護(hù),以及進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的物理分離操作上。當(dāng)前國(guó)外已有的廢棄晶硅太陽(yáng)能電池回收處理技術(shù),包括物理分離、有機(jī)溶劑溶解法、熱處理與化學(xué)方法相結(jié)合等方法。

3.1 物理分離

物理拆解分離回收光伏組件是指將組件經(jīng)破碎、金屬剝離、濕法冶金分離來(lái)回收金屬[9]。流程圖見圖2。

圖2 物理分離回收晶硅電池的工藝流程圖

3.2 有機(jī)溶劑溶解法

有機(jī)溶劑溶解法是指選擇幾種有機(jī)溶劑浸泡去除背板的晶硅電池片，用有機(jī)溶劑溶解封裝材料EVA，達(dá)到玻璃與電池片的分離。此方法僅為了獲取整塊完整的電池片。Kim等[1]使用探針式超聲波照射輔助有機(jī)溶劑溶解EVA，通過(guò)探針型超聲波輻照,對(duì)鄰二氯苯、甲苯、三氯乙烯、苯4種有機(jī)溶劑于不同溫度、不同超聲波功率、不同溫度以及不同輻射條件下，對(duì)EVA的溶解情況進(jìn)行了研究,研究結(jié)果得到鄰二氯苯在同樣的條件下相比于其他幾種溶劑的溶解效率更好。Doi等[10]將自制的125×125 mm的組件浸泡在幾種有機(jī)溶劑中，對(duì)各種有機(jī)溶劑的溶解情況進(jìn)行了研究。最后發(fā)現(xiàn)在80℃時(shí)，用三氯乙烯浸泡10 d可以得到?jīng)]有任何破損的完整硅片。流程圖見圖3。

圖3 有機(jī)溶劑浸泡回收完整的硅片的工藝流程圖

3.3 熱處理與化學(xué)方法相結(jié)合法

熱處理與化學(xué)方法相結(jié)合法是指把去除背板的電池板放在管式爐或者馬弗爐中，將封裝材料EVA去除干凈，得到純凈的電池片。再使用化學(xué)方法把電池片表面的減反射層、銀漿和鋁去除，得到純凈的硅片。流程圖見圖4。

圖4 熱處理和化學(xué)方法相結(jié)合回收硅片的工藝流程圖

對(duì)于廢舊晶硅太陽(yáng)能電池，手工拆解很難，目前的回收技術(shù)基本上是物理分離大體回收含雜質(zhì)的硅片，有機(jī)溶劑浸泡獲得完整硅片，以及熱處理與化學(xué)方法結(jié)合縮短回收時(shí)間等，3種方法的優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 回收廢舊晶體硅太陽(yáng)能電池的方法

4 結(jié)論

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)廢舊晶硅太陽(yáng)能電池的拆解回收的研究較少，大部分研究都把重點(diǎn)放在如何破壞EVA取出完整的硅片。一般是采用物理分離、有機(jī)溶劑溶解及物理方法與化學(xué)方法相結(jié)合等方法。其中物理方法中會(huì)燃燒EVA造成空氣污染，所以要對(duì)尾氣處理技術(shù)進(jìn)一步研究。化學(xué)方法中的廢液也得經(jīng)過(guò)有效處理，防止污染環(huán)境，在之后拆解和回收金屬時(shí)，應(yīng)更多考慮采取適當(dāng)?shù)牟鸾夥椒ɑ厥沼袃r(jià)組分。

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