鄧 鑫，邢 蕓，羅 多，余國保，路歡琪，楊 光（珠海興業(yè)綠色建筑科技有限公司，廣東 珠海 519060）

廢舊光伏組件回收再利用研究現(xiàn)狀回顧及展望

Situation and Future on Recycle of Waste Photovoltaic Module

鄧 鑫，邢 蕓，羅 多，余國保，路歡琪，楊 光（珠海興業(yè)綠色建筑科技有限公司，廣東 珠海 519060）

近年來，我國光伏事業(yè)有了突飛猛進的發(fā)展，根據(jù)國家能源局2016年2月5日發(fā)布的 《2015年光伏發(fā)電相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)》，截至2015年底，我國光伏發(fā)電累計裝機容量43.18GW，成為全球光伏發(fā)電裝機容量最大的國家。分析了廢舊光伏組件的回收需求、回收標準、回收機構(gòu)以及回收方法，總結(jié)了目前回收存在的問題，并提出了建議。

光伏組件；廢棄量；回收；濕式拆解法；干式拆解法

近年來，我國光伏事業(yè)有了突飛猛進的發(fā)展，根據(jù)國家能源局 2016 年 2 月 5 日發(fā)布的《2015 年光伏發(fā)電相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)》，截至 2015 年底，我國光伏發(fā)電累計裝機容量43.18 GW，成為全球光伏發(fā)電裝機容量最大的國家。其中2015 年新增裝機容量 15.13 GW，占全球新增裝機的 1/4以上，占我國光伏電池組件年產(chǎn)量的 1/3。雖然目前國內(nèi)光伏組件的廢棄量不大，但如果按照目前市場上光伏組件標稱的 25 a 使用壽命來估算，到 21 世紀中期，光伏組件的報廢量將必然會出現(xiàn)激增。相關(guān)研究表明，2020 年后我國晶硅光伏組件的廢棄量開始顯著增加，在運營維護良好的情況下，到 2034 年累計廢棄量將達到近 60 GW，在運營維護狀況一般的情況下，預計到 2034 年累計廢棄量將超過 70 GW。屈介時，廢棄光伏組件的處理將會成為十分現(xiàn)實的問題。另外，目前市場上組件廠家生產(chǎn)水平參差不齊，據(jù)測算，大約有 10% 的已經(jīng)投入使用的組件將在其標稱的使用壽命到達之前報廢，而這些組件假如處理不當也將給環(huán)境、社會帶來負擔，從而使原本“綠色”的初衷變得不再“綠色”。

從另一個方面考慮，處理廢棄光伏組件的方法中無論是焚燒掩埋還是粉碎掩埋，都會對環(huán)境造成二次污染，并且還會有能源消耗和污染物排放。因此，只有最大限度地對其進行回收和再利用方能利用好其中純度仍然很高的晶體硅材料，才能在減少污染的情況下實現(xiàn)其商業(yè)價值的最大化，才能實現(xiàn)光伏組件全壽命周期內(nèi)的真正綠色。

另外，大規(guī)模應用太陽能光伏發(fā)電技術(shù)，會大幅度增加一些稀有金屬的應用。比如晶體硅電池的電極制備需要消耗銀，碲化鎘、銅銦鎵硒、砷化鎵等新型太陽能電池，也依賴碲、銦、鎵等稀有材料的使用。這些材料在其他尖端技術(shù)應用領(lǐng)域也有著廣泛應用前景，因而被作為戰(zhàn)略性材料受到學術(shù)和政策領(lǐng)域的重點關(guān)注。如果這些材料沒有得到恰當?shù)幕厥张c循環(huán)利用，將會造成極大的浪費。不僅如此，如果這些材料在廢棄時不經(jīng)過妥善處理，當成普通的生活垃圾隨意丟棄，則會給自然環(huán)境帶來嚴重污染。

1 光伏組件回收需求

光伏回收的需求主要來自以下幾個方面：

(1) 組件中的電池片結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞，或回收處理時，電池片結(jié)構(gòu)不完整，則需要將電池片粉碎，提純硅以后再熔再生。這類再回收的多晶硅主要供應給硅片制造商。

(2) 回收的電池片表面結(jié)構(gòu)完整，僅有輕微的龜裂紋或隱裂，則只需要整片電池片取出后表面再處理。這類再回收的電池片主要供應給電池片制造商。

(3) 最理想的回收是提取出了完整結(jié)構(gòu)，效率衰減極少甚至沒有衰減的電池片。這類再回收的電池片無須修復處理，可直接重新封裝，主要供應給組件制造商

2 光伏組件回收標準

目前，無論是 ISO 還是 IEC，暫時都沒有專門針對光伏組件回收再利用的國際標準。

在歐洲，各國政府已經(jīng)著手從標準法規(guī)層面出臺強制回收光伏組件的規(guī)定。2012 年最新修訂的《歐盟廢棄電子電器產(chǎn)品管理條例》(Directive on Waste Electrical and Electronics Equipment，WEEE)率先將太陽能光伏組件納入管理范圍。根據(jù)修訂，2019 年以前電子產(chǎn)品回收率需要達到 85% 以上，其中材料的再循環(huán)率要達到 80% 以上。

在日本，2000 年 4 月，日本太陽能發(fā)電協(xié)會(JPEA)組建了太陽能電池循環(huán)再利用實施小組。之后，該小組積極進行太陽能電池使用后處理方法的調(diào)查并設課題進行研究。在該小組的努力下，2004 年，日本全國發(fā)行《關(guān)于太陽能電池類物品廢棄處理的法律事項》；2006 年 3 月該小組針對使用后的太陽能電池回收的問題做了報告；2007 年 3 月其又作了關(guān)于太陽能電池回收再利用方案的報告。這些都為日本的太陽能電池回收工作提供了數(shù)據(jù)及理論依據(jù)。

在我國，尚未有光伏組件回收再利用的相關(guān)標準，僅有一本國家標準《光伏組件回收再利用通用技術(shù)要求》已經(jīng)立項，但尚未編寫完成。

3 光伏組件回收機構(gòu)

早在 2002 年，德國環(huán)境保護部結(jié)合德國太陽能公司與在佛來堡的 TU Bergakademie 研究中心設立了一項研究計劃，主要任務在于研發(fā)出環(huán)保且具經(jīng)濟效益的太陽能電池回收方法，希望通過現(xiàn)代科技，不僅能回收退役的太陽電池，也能再利用制造過程中所產(chǎn)生的廢料和破損的太陽能電池，形成一個良性的資源循環(huán)鏈。

2012 年，歐盟已經(jīng)將光伏組件納入了《歐盟廢棄電子電器產(chǎn)品管理條例》(WEEE)，并成立了“PV CYCLE”和“CERES CYCLE”等回收組織負責處理境內(nèi)的廢舊光伏組件。PV CYCLE 是一家成立于 2007 年的非盈利性協(xié)會，旨在支持歐洲的光伏生產(chǎn)商、供貨商、安裝商和進口商以簡單而經(jīng)濟有效的方式履行廢舊物處置的強制義務。CERES CYCLE 是一家成立于 2011 年的非盈利組織，總部位于巴黎。CERES cycle 開創(chuàng)了廢舊光伏組件回收的創(chuàng)新性方案，對終端用戶不收取任何費用。廢舊光伏組件可被丟棄在注冊的回收點，并由再利用合作方進行處理。

全球最大的碲化鎘薄膜光伏電池制造商——美國 First Solar (第一太陽能)公司，有一套完整的產(chǎn)品回收機制。這一套機制的重點在于當 First Solar 每賣出一套產(chǎn)品，就劃撥一定比例的銷售收入作為回收基金。這個基金由獨立的第三方機構(gòu)所管理。當購買 First Solar 光伏電池組件的任何客戶在產(chǎn)品使用壽命結(jié)束時提出回收要求，第三方基金設立的回收公司會將產(chǎn)品回收，并負擔回收和循環(huán)利用這些產(chǎn)品的成本。由于第三方基金獨立運作，不受 First Solar 運營狀況好壞的影響，因此可以保證光伏電池組件產(chǎn)品全部回收，不會在產(chǎn)品超過使用年限后被任意丟棄。同時，第三方基金設立的回收公司將回收的光伏電池組件產(chǎn)品精煉后，把其中的部分稀有材料(如碲元素)再賣給 First Solar，供其再利用。

我國中山大學太陽能研究所的團隊也對光伏組件回收再利用進行了相關(guān)課題的研究，但國內(nèi)尚無專門的太陽能電池回收廠。

4 光伏組件回收方法

晶硅太陽能電池組件從上到下一般的結(jié)構(gòu)為超白鋼化玻璃→EVA→太陽能電池片→EVA→TPT 背板。薄膜太陽電池組件，以銅銦鎵硒太陽電池為例，其典型結(jié)構(gòu)為面板玻璃→封裝材料(EVA/PVB)→TCO→CdS→CIGS→Mo→玻璃襯底。由于單純的使用手工和借助工具無法達到將太陽能電池板拆解的目的，所以很多學者對太陽能電池的拆解方法進行了探索。拆解技術(shù)的核心是如何有效破壞 EVA/PVB 膠膜。目前常用的拆解方法可以分為兩類，利用有機溶劑使EVA/PVB 膠膜溶解或者利用高溫使 EVA/PVB 膠膜發(fā)生熱解，即濕式拆解法或干式拆解法。

濕式拆解法中，對于 PVB (聚乙烯醇縮丁醛)膠膜，可以將其溶解于大多數(shù)醇/酮/醚/酯類有機溶劑，如表 1 所示。

表1 溶解 PVB 膠膜的有機溶劑

對于 EVA(乙烯-乙酸乙烯共聚物)膠膜，在一定溫度條件下，EVA 膠膜在有機溶劑中會發(fā)生物理性狀變化，如表2 所示。

表2 有機溶劑對EVA物理性狀的影響

Sukmin Kang 等人的研究表明，采用濕式拆解法，使用有機溶劑從廢舊光伏組件中回收鋼化玻璃，使 EVA 膠膜產(chǎn)生膨脹，然后通過熱分解除去 EVA 膠膜，將得到的光伏電池片浸在化學腐蝕溶液中 20 min，在室溫下輔以占溶液總重量 20% 的表面活性劑，可以回收 86% 純度大約能達到 99. 999% 的硅。

上述溶解 EVA 膠膜的有機溶劑中，Takuya Doi 等人發(fā)現(xiàn)，將傳統(tǒng)晶體硅光伏組件浸在 80℃ 的三氯乙烯溶劑中，10 d 后可成功回收晶硅電池而沒有任何損壞。

采用濕式拆解法，目前存在的主要問題是，有機溶劑價格昂貴，且大多數(shù)有機溶劑有毒。

干式拆解法中，晶硅太陽電池組件，以多晶硅太陽電池組件為例，采用高溫爐焚燒。其拆解回收的流程如圖1所示。該方法第 1 步是熱處理過程，不需要昂貴和有毒的試劑，可快速、經(jīng)濟高效地拆卸組件，將金屬邊框、焊帶、電池片和玻璃進行分離；第 2 步是將分離后的電池片進行濕法化學處理，分離鋁背場、銀漿電極、減反膜和 PN 結(jié)，得到純硅。

圖1 多晶硅光伏組件再循環(huán)處理模型

薄膜太陽電池組件，以銅銦鎵硒太陽電池組件為例，一般采用粉碎篩選，其拆解回收的流程如圖 2 所示。首先，通過粉碎機和錘磨機對廢棄組件進行機械處理，然后加入硫酸、雙氧水進行氧化，將銅銦鎵硒和玻璃、EVA分離開。經(jīng)過這次反應，包含銅、銦、鎵、硒的化合物以液態(tài)存在，玻璃、EVA 則以固態(tài)存在。所以下一步是固液分離，將這幾種物質(zhì)分別經(jīng)過物理化學反應后轉(zhuǎn)換成可利用的物質(zhì)。

圖2 銅銦鎵硒薄膜光伏組件再循環(huán)處理模型

另外，相關(guān)研究表明，采用粉碎篩選的干式拆解法，以粉碎的廢舊光伏電池為原料，采用自制的雙輥式高壓靜電分選裝置，利用稱重法，可回收廢舊光伏電池的金屬與非金屬。其研究結(jié)果表明：在電壓 20 kV、電暈線與轉(zhuǎn)輥間距60 mm、轉(zhuǎn)輥轉(zhuǎn)速為 60 r/min 的條件下，可得到最高的回收率，即金屬的回收率為 17.40%，非金屬為 18.29%。

采用干式拆解法，目前存在的主要問題是，焚燒過程中會產(chǎn)生有害氣體，且回收不徹底。

無論是濕式拆解法還是干式拆解法，學者們研究的均是對光伏組件的回收。然而，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，戶外使用 20年的多晶硅光伏組件平均功率僅下降 6.1%，單晶硅光伏組件平均功率下降 13.0%，均能表現(xiàn)出良好的電性能。以測試的多晶硅組件的平均電性能衰減率 0.26% 為例，組件經(jīng)過 76.6 a 才衰減到 80%，遠超過 25 a 達 80% 的廠家保證年限。經(jīng)過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，這些舊光伏組件最易損壞的部分是光伏組件的接線盒，許多接線盒在光照、雨雪等環(huán)境因素的影響下腐蝕損壞，密封性能、導電性能有所下降。為了應對后期更長時間的工作需要，有必要對舊光伏組件的舊接線盒進行更換處理。對舊晶體硅組件翻新重新利用時，可以采取更換接線盒的方法以提高舊組件的輸出電性能，通常情況下舊光伏組件的峰值輸出功率 Pmpp 可提高1.8%～3.25%。如果沒有很好的方法將舊接線盒與光伏組件剝離，采取保留舊接線盒，加裝新接線盒的方法，其輸出功率增加得更明顯，約為去除舊接線盒工藝方法的 1.8 倍。

5 回收存在的問題及建議

通過對廢舊光伏組件回收再利用的現(xiàn)狀進行分析可知，目前我國在這方面的研究仍存在以下問題。

(1) 技術(shù)層面：含氟背板、碳氟化合物異常牢固的化學結(jié)構(gòu)，通常的掩埋處理方法在 1 000 a 內(nèi)都無法降解該成分，必須對其進行處理。然而，處理過程中產(chǎn)生的廢液、廢氣尚需進行進一步的處理，以免對環(huán)境造成二次污染。建議設立專門的研究機構(gòu)對此進行深入研究。

(2) 經(jīng)濟層面：回收廢舊光伏組件的經(jīng)濟收益低，市場對光伏組件回收驅(qū)動力不大。

表3 參考 McDonald 等人綜合不同數(shù)據(jù)來源對光伏材料構(gòu)成及回收成本收益的估算結(jié)果，比較了每平米多晶硅(x-Si)與銅銦鎵硒(CIGS)光伏組件材料循環(huán)的成本收益，從中可以看出單位面積銅銦鎵硒薄膜組件材料回收的經(jīng)濟效益相對略高。

表3 單位面積多晶硅與銅銦鎵硒薄膜光伏組件的材料循環(huán)成本-收益比較

然而，前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2015—2020 年中國太陽能電池行業(yè)市場前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報告》數(shù)據(jù)顯示，2013 年，多晶硅太陽能電池和薄膜太陽能電池分別占整個太陽能電池產(chǎn)量的 90.92% 和 9.08%。在中國則仍以多晶硅電池為主，占比約達到 78%，加上單晶硅電池，整個晶硅電池占比超過 95%。銅銦鎵硒光伏組件材料循環(huán)的成本收益雖然較高，但其產(chǎn)量很少，其回收需求相應地也就不大。

況且，盡管材料回收的價值具有一定的經(jīng)濟效益，但廢棄材料集中收集的過程還會產(chǎn)生一定的運輸成本。從多晶硅與薄膜技術(shù)的特點看，前者以發(fā)展集中式電站較有優(yōu)勢，方便集中就地處理，經(jīng)過初步破碎分選之后，廢玻璃可以就近作為建筑材料循環(huán)利用，而回收的半導體材料重量只占組件重量不到 2%，大大節(jié)約了運輸成本。就光伏建筑一體化等分布式光伏的應用，前瞻預計 5～10 a 后，薄膜電池將占據(jù) 50% 以上的市場份額。盡管在材料回收處理環(huán)節(jié)銅銦鎵硒薄膜電池材料回收的經(jīng)濟效益更好，但在分布式的利用方式下，電池組件是與建筑或其他用電設備結(jié)為一體的，即使設計上做到易于分離拆解，仍然需要將整個組件回收后，再進行集中處理。這個過程中，回收的難度大大增加，運輸成本也要計入到回收處理的成本中去。

因此，建議由政府出面，效仿歐盟等國家的做法，設立專門的光伏組件回收機構(gòu)，對廢舊光伏組件進行回收再利用。

(3) 法律角度：目前我國尚未發(fā)布專門的光伏組件回收標準，建議國家能重視這方面的研究，盡快發(fā)布相關(guān)標準，規(guī)范市場上廢舊光伏組件的處理行為。

全球光伏行業(yè)的研究從未停止，技術(shù)日新月異，電池片的效率不斷提高，多晶硅的價格不斷下降。表 3 中的數(shù)據(jù)，尤其是峰值發(fā)電功率和半導體材料的價格對于今天的光伏行業(yè)已經(jīng)不太適宜。當然，光伏高速發(fā)展了近十年，回收的技術(shù)和商業(yè)模式也被提上日程，相信在政策和利潤的驅(qū)動下光伏組件回收的技術(shù)也會迅速提升和發(fā)展，循環(huán)處理成本必然會降低。最重要的是組件回收再利用對于環(huán)境的貢獻意義更加重大、深遠。

6 結(jié) 語

在光伏行業(yè)迅速發(fā)展的今天，組件回收和再利用的需求已迫在眉睫。然而，無論國際還是國內(nèi)，這方面的法律和標準都不多。因此，在目前回收機制不完善的大背景下需要有機構(gòu)用前瞻性的眼光站在社會和環(huán)境角度對組件回收的經(jīng)濟性和技術(shù)做進一步研究。同時，這方面的技術(shù)缺失也意味著巨大的潛在市場，相信在這部分市場和回收技術(shù)進步的刺激下，國內(nèi)外必將有更多的企業(yè)和研究機構(gòu)投入這方面的研究。

TU50

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1674-814X(2017)02-0041-04

2016-12-15

鄧鑫，現(xiàn)供職于珠海興業(yè)綠色建筑科技有限公司，主要從事綠色建筑及建筑用可再生能源方面的研究，E-mail：dengxin@zhsye.com。作者通信地址：廣東省珠海市金鼎鎮(zhèn)高新區(qū)科技創(chuàng)新海岸金珠路9號，郵編：411100。