如何更好回收太陽能電池板

在威尼斯工業(yè)區(qū)的一個集裝箱內(nèi)，意大利初創(chuàng)公司9-Tech正在嘗試解決一個迫在眉睫的全球性問題：如何負(fù)責(zé)任地回收5400萬至1.6億噸太陽能組件，這些組件預(yù)計將在2050年達(dá)到其生產(chǎn)壽命?；厥者@些材料不會容易。太陽能面板被設(shè)計用來在地球上的任何環(huán)境中持續(xù)20到30年，即使在陽光下放置了三十年，硬件也很難拆卸。事實(shí)上，大多數(shù)回收設(shè)施都會丟棄硅、銀和銅——舊太陽能電池板中最有價值但最難獲得的材料——只回收鋁框架和玻璃板。

LUIGI AVANTAGGIATO

隨著世界越來越多地部署太陽能，對回收的需求只會增加。全球已經(jīng)部署了超過1.2太瓦的太陽能發(fā)電。根據(jù)美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）研究人員的文獻(xiàn)分析，太陽能電池板目前以每年超過400吉瓦的速度分布，預(yù)計到2030年，這一速度將增加到每年3太瓦。

為了阻止堆積如山的光伏垃圾堆積，研究人員正在尋求更好的回收方法。迄今為止提出的最先進(jìn)的方法可以回收晶體硅光伏組件中至少90%的銅、銀、硅、玻璃和鋁。但這些過程成本高昂，而且通常涉及有毒化學(xué)品。NREL首席環(huán)境工程師Garvin Heath表示，沒有一種回收方法被證明像垃圾填埋場那樣便宜，而且很少有工業(yè)規(guī)模的回收方法。Garvin Heath管理著一個由國際能源機(jī)構(gòu)指派的國際專家小組，分析光伏的可持續(xù)性。

9-Tech的創(chuàng)始人說他們有更好的方法。他們的過程是一個嘈雜的過程，涉及燃燒爐、超聲波浴和機(jī)械分揀，其振動會震動一個普通貨運(yùn)集裝箱的地板，他們已經(jīng)在那里測試了近兩年的操作。該公司不使用有毒化學(xué)品，不向環(huán)境中釋放污染物，并回收太陽能電池板中高達(dá)90%的材料，9-Tech首席技術(shù)官Francesco Miserocchi說。

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如何回收太陽能電池板

該公司將其工藝定制為晶體硅太陽能電池板，該電池板占全球光伏市場的97%。這些面板通常由摻雜硼和磷的硅晶片陣列組成，頂部涂有氮化硅的抗反射涂層。銀導(dǎo)體絲網(wǎng)印刷在晶圓表面，銅導(dǎo)體以網(wǎng)格圖案焊接到陣列上。為了保護(hù)材料免受潮濕和損壞，制造商將整個陣列層壓在粘合劑聚合物中，通常是乙烯-醋酸乙烯酯。然后，他們將夾層陣列包裹在鋼化玻璃板中，用鋁框住整個東西，密封邊緣，并在背面連接一個接線盒。

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當(dāng)需要回收面板時，最具挑戰(zhàn)性的步驟之一是去除粘附在所有物體上的聚合物?！斑@不僅僅是邊緣或幾個膠水點(diǎn)。它是整個聚合物表面（幾平方英尺），”Heath 說。聚合物可以被燒掉，但這會釋放出一氧化碳、氫氟酸和其他有害污染物。分離銀導(dǎo)體也被證明是具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)樗鼈儽煌吭诤鼙〉囊粚印蠹s10到20微米——牢固地附著在硅上。去除它們通常涉及有毒試劑，例如氫氟酸、硝酸或氫氧化鈉。

9-Tech的團(tuán)隊(duì)通過兩種方式應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。他們使用超聲波而不是有毒化學(xué)物質(zhì)回收銀，盡管他們?nèi)紵酆衔?，但他們捕獲了排放的污染物。

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該公司中試工廠的流程始于工人手動拆除鋁框架、接線盒和鋼化玻璃。這組成了由聚合物、硅片和金屬導(dǎo)體構(gòu)成的三明治結(jié)構(gòu)。沒有框架或玻璃，三明治層會彎曲，將脆弱的硅粉碎成小塊。工人們敲開鋼化玻璃，然后將所有材料送入連續(xù)燃燒爐，這些材料大多由于聚合物而仍然存在。加熱到400°C以上，聚合物蒸發(fā)，過濾器捕獲污染物。該系統(tǒng)還可以從爐子中捕獲熱量并重復(fù)利用以提高能源效率。

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當(dāng)剩余的材料離開熔爐時，輥?zhàn)訒C(jī)械地把銅剝離出來。一系列篩子根據(jù)厚度對破碎的玻璃和硅碎片進(jìn)行分類。硅片仍然鑲有銀，它們被浸泡在有機(jī)酸的水浴中，用超聲波處理以松開元素之間的鍵。超聲波的工作原理是將聲波傳播到酸浴中，從而產(chǎn)生交替的高壓和低壓循環(huán)。9-Tech的首席執(zhí)行官Pietrogiovanni Cerchier解釋說，如果波足夠強(qiáng)烈，它們就會產(chǎn)生空化氣泡，與材料機(jī)械地相互作用，導(dǎo)致銀從硅中脫落。

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最后，工作人員用網(wǎng)狀網(wǎng)從超聲波浴中取出硅碎片。這會在溶液中留下細(xì)小的銀粉，可以通過過濾或離心機(jī)回收?？偠灾珻erchier說，9-Tech的試驗(yàn)工廠可以從光伏組件中回收90%的銀、95%的硅以及99%或更多的銅、鋁和玻璃。此外，這種材料被認(rèn)為是高度純凈的，這增加了它可以重復(fù)使用的應(yīng)用類型。

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這家初創(chuàng)公司的回收過程比僅回收鋁和玻璃的現(xiàn)有方法更昂貴。但是，高純度硅、銀和銅的提取應(yīng)該可以抵消額外的成本，Miserocchi說。此外，它比挖掘原始元素更有效。他說，你可以從一噸太陽能電池板中提取大約500克銀，但從一噸礦石中只能提取165克銀?！肮夥姵匕逶谄涫褂脡勖Y(jié)束時仍然有很多東西可以提供，”Miserocchi說，“它可以被認(rèn)為是一個珍貴元素的小礦山?！?/p>

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數(shù)十種回收光伏電池板的新方法

9-Tech團(tuán)隊(duì)將在未來18個月內(nèi)建造一個更大的示范設(shè)施后，更多地了解其方法的盈利能力。該工廠將與集裝箱位于威尼斯的同一工業(yè)區(qū)，每天將能夠處理多達(dá)800個太陽能組件。他們的試驗(yàn)工廠每天只處理大約七個模塊。

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該公司的方法是正在開發(fā)的晶體硅光伏電池板的眾多回收方法之一。今年4月發(fā)表在《清潔生產(chǎn)雜志》上的一篇綜合綜述指出，全球還有數(shù)十種其他努力，包括熱、化學(xué)、機(jī)械和光學(xué)方法。最常見的方法是將硅、金屬和聚合物層研磨成小塊，按密度將它們分離，然后通過熱或化學(xué)過程回收硅和金屬。其他工藝包括激光照射、高壓脈沖、光學(xué)分選、熱解、化學(xué)溶劑、蝕刻和用熱刀分層。

推動這一創(chuàng)新的部分原因是歐盟在2012年通過的法規(guī)。該規(guī)則要求歐盟的所有光伏電池板制造商開展回收或回收計劃，或與其他回收計劃合作。因此，擁有歐洲最多太陽能發(fā)電容量的德國擁有世界上最大的光伏回收系統(tǒng)之一。

但回收是一項(xiàng)大批量業(yè)務(wù)，除了摧毀太陽能發(fā)電站的災(zāi)難性天氣事件外，廢舊太陽能組件以相對涓涓細(xì)流的方式到達(dá)回收商手中。此外，還有一個挑戰(zhàn)，即在回收材料后為它們尋找第二次生命——供應(yīng)鏈尚未得到很好的發(fā)展。

First Solar是一家總部位于亞利桑那州坦佩的全球光伏制造商，通過在五個國家/地區(qū)建立七家工廠的內(nèi)部回收計劃，大規(guī)模解決了這兩個問題。該公司生產(chǎn)碲化鎘薄膜太陽能電池板，買家可以購買，并內(nèi)置回收價格。在電池板使用壽命結(jié)束時，買家將它們送回First Solar進(jìn)行回收，制成新產(chǎn)品。據(jù)該公司稱，這種半導(dǎo)體材料可以回收多達(dá)41次，使用壽命超過1200年。但這種玻璃的純度不足以在太陽能組件中重復(fù)使用，因此該公司計劃將其供應(yīng)給浮法玻璃制造商，用于門窗。

回收利用的挑戰(zhàn)激發(fā)了研究人員重新思考晶體太陽能電池板的制造方式。例如，一些制造商正試圖減少或消除難以回收的銀，用其他導(dǎo)電金屬代替它。NREL的一個團(tuán)隊(duì)在2月份展示了一種通過激光焊接玻璃板來消除光伏電池板中聚合物的方法，這可能會更好地密封水分。該技術(shù)可能適用于鈣鈦礦太陽能組件，這是一種特別容易受到潮濕和腐蝕的有前途的技術(shù)。

“回收不應(yīng)該是唯一的策略，”Heath說。他說，在訴諸回收之前，人們應(yīng)該考慮其他方法來修復(fù)或重復(fù)使用太陽能電池板以延長使用壽命。

審核編輯：彭菁