废旧晶体硅光伏组件回收利用技术及其环境经济效益分析
赵志杰，赵艳祥，白柳杨*
黄淮学院能源工程学院，河南驻马店
收稿日期：2022年3月16日；录用日期：2022年4月19日；发布日期：2022年4月26日
摘要
关键词
废旧晶体光伏组件，资源回收，政策
AnalysisonRecyclingTechnologyandEnvironmentalandEconomicBenefitsofWasteCrystallineSiliconPhotovoltaicModules
ZhijieZhao,YanxiangZhao,LiuyangBai*
CollegeofEnergyEngineering,HuanghuaiUniversity,ZhumadianHenan
Received:Mar.16th,2022;accepted:Apr.19th,2022;published:Apr.26th,2022
ABSTRACT
Inrecentyears,thesolarphotovoltaicindustryhasusheredinvigorousdevelopment,andthesolarpowergenerationtechnologyisbecomingmoreandmoremature,graduallyreplacingtraditionalthermalpowergeneration,effectivelyalleviatingthecurrentshortageoffossilenergysuchascoal,greatlyreducingcarbonemissions,andImprovingtheproblemofurbanairpollution.Atthesametime,theresultingwastephotovoltaicmodulesalsobringagreatthreattotheentiresocialenvironment.Recyclingandrecyclingwastephotovoltaicmodulescannotonlysolvetheabove-mentionedenvironmentalproblems,butalsomakeupfortheshortageofresourcesandproduceconsiderableeconomicbenefits.Basedontheanalysisofthecompositionandstructureofcrystallinephotovoltaicmodules,thispaperanalyzesandcomparesthreemainstreamphotovoltaicmodulerecyclingtechnologies:heattreatment,chemicaltreatmentandphysicalrecycling.TherelevantpoliciesonrecyclingofwastephotovoltaicmodulesinChinaarestudied,andtheprospectsfortherecyclingandreuseofphotovoltaicmodulesareprospected.
Keywords:WasteCrystalPhotovoltaicModules,Recycle,Policy
ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY4.0).
1.引言
2.晶体硅光伏组件的组成和回收价值
Figure1.Basiccompositiondiagramofcrystallinesiliconphotovoltaicmodule
Table1.Materialweightdistributionofcrystallinesiliconphotovoltaicmodules
在通过对国内外废旧光伏组件回收技术进行分析后发现，回收的主要难点在于如何高效的去除晶体硅光伏组件中的EVA层。EVA是乙烯和醋酸共聚而成的。一般醋酸乙烯(VA)的含量在5%~40%，与聚乙烯(PE)相比，EVA由于在分子链中引入醋酸乙烯单体，从而降低了高结晶度，提高了韧性、抗冲击性、填料相溶性和热密封性能。在晶体硅光伏组件中EVA充当了粘合剂，把晶体硅片固定在玻璃板和背板之间。如果能将EVA层高效的破坏掉，就可以使晶体硅片最大程度的保留完整性，为后续的回收带来便利[8]。
3.回收技术
废旧晶体硅光伏组件的回收一般分为：拆卸运输、消除EVA层、刻蚀电池和金属提取[9]这套回收流程不仅可以回收铝边框、玻璃、晶体硅太阳电池，以及铟、镓、锗、碲等稀有金属外，还能最大程度上的处理掉有害物质[8]。
现今较为成熟的废旧晶体硅光伏组件回收处理技术主要包括物理法、化学法和热处理法。
3.1.物理法
物理法俗称机械法，指将晶体硅光伏组件中可会回收再利用的部分通过机械设备将其切割成小块或研磨成小颗粒后，通过筛分不同直径的颗粒，对含有EVA的部分进行热处理再进行回收，该方法一般需要先将铝边框拆除后进行。
Figure2.Aftercrushing,thematerialsseparatedfromthefilterscreenwithdifferentdiametersd
机械法的优点在于回收所需的成本非常低，尤其对于玻璃的回收率极高。但缺点也同样明显，其能够回收的成分很有限，硅和稀有金属并未被有效的回收。
有研究表明，在足够低的温度环境下(196℃)，晶体硅光伏组件“三明治”结构的边界会变得非常脆弱[12]中国英利公司研究出来一种载低温条件下处理晶体硅光伏组件的办法——深冷研磨法.该技术是先将废旧晶体硅光伏组件的铝框架拆除后，对其进行剪切、挤压和在低温下磨削，最后通过不同口径的滤网分离出硅、玻璃、EVA颗粒和背板颗粒。这种方法的优点在于能耗较低，且没有热处理过程，能有效的回收部分材料[13]。这种技术虽然过程较简单，无需进行化学反应，但得到的硅粉纯度不高，不能直接用于制造新的晶体硅板，所以还需对此技术加以改进。
采用物理方法对废旧晶体硅光伏组件进行回收，优势为回收过程中不使用化学试剂，污染小，能有效回收光伏组件中的玻璃、硅和部分金属。对机械设备的要求也不高，可实现自动化，大批量的回收废旧晶体硅光伏组件，这对于光伏回收企业来说，可有效的降低成本提升利润。缺点则在于回收到达玻璃、硅，金属等纯度较低，含有较多的杂志，需后续再处理才能提高产品价值。
3.2.化学法
普通的回收方法得到的材料纯度较低，为了得到高纯度的硅和金属，一般会使用化学试剂来处理光伏组件。此方法的原理是利用了EVA在化学试剂中会氧化和分解的特点[2]。(通过将层压片浸入化学溶剂中以实现层压件的分离。同时，化学溶解法又可分为无机酸溶解法和有机酸溶解法。无机酸溶解法一般采用硝酸和过氧化氮的混合物。有机酸溶解法一般采用、甲苯、三氯乙烯、苯、邻二氯苯或丙酮等溶剂[14]，利用机溶剂使EVA的膨胀，从而达到让层压件分离的目的。
在化学溶解方法中，硅的回收率和再利用率通常是可以高达90%以上，与此同时该方法可以获得完整的硅片[2]。在废旧晶体硅光伏组件的工业回收中，通常将光伏组件置于80℃的条件下的三氯乙烯中溶解10天，可达到不伤害晶体硅片的回收效果[8]。
化学法的优点在于，提取出来的硅和各种金属的纯对都很高，可直接运用到新产品的加工中，极大的提高了产品的价值。缺点是在溶解过程中，消耗的化学试剂量过多，且反应速度较慢，同时，此过程中产生的废液如果不妥善处理，将会对环境造成很大的危害。在工艺方面若控制不当，将会造成EVA的过度膨胀，从而压碎晶体硅板，因此无法做到系统化的大规模应用。
3.3.热处理法
热处理法通常指在加热条件下，对光伏组件中的EVA进行软化、剥离或者分解从而达到分离玻璃，晶体硅板和盖板的目的的方法。热处理法又分为低温热处理法和高温热处理法。
低温热处理法是利用了EVA在达到一定的温度时会软化易剥离这一原理，如DONI等[15]把光伏组件放置于一种射频电流加热板时，在功率为400W的条件下，加热15min，可将光伏组件上的大部分碎玻璃移除。ERCOLE等[16]则是使用的红外加热器，将晶体硅光伏组件放置于平板上加热至70~150℃，使EVA软化，最终达到盖板玻璃与晶体硅板分离的目的。这种方法优点为分离盖板玻璃和EVA比较简单，缺点是EVA不能彻底被分离，会有一部分EVA残留在玻璃和晶体硅板表面，去除率不高[1]。
高温热处理法则是利用了EVA在高温下会分解的特性，从而达到去除EVA的目的。高温热处理法可分为有氧热处理法和无氧热处理法。这两种方法对EVA的去除率都非常高，都达到了99%以上，目前已被部分企业应用到了实际的处理过程中[2]。不过在使用高温热处理法时，一定要保证光伏组件受热均匀，否则若造成局部过热，将会导致光伏组件内部的晶体硅板碎裂[17]，从而降低完整晶体硅板的回收率。
3.4.三种方法适应性分析
4.晶体硅光伏组件回收行业发展趋势
随着近些年来光伏产业的高速发展，我国光伏装机容量不断提高，国家已经开始重视退役后的光伏组件该如何回收的问题。2021年7月1日，国家发改委签发的《“十四五”循环经济发展规划》(以下简称为《规划》)中提到当前，我国循环经济发展仍面临重点行业资源产出效率不高，再生资源回收利用规范化水平低，回收设施缺乏用地保障，利用不充分综合利用产品附加值低等突出问题。动力电池、光伏组件等新型废旧产品产生量大幅增长，回收拆解处理难度较大。循环再利用品质与成本难以满足战略性新兴产业关键材料要求，亟需提升高质量循环利用能力。无论从全球绿色发展趋势和应对气候变化要求看，还是从国内资源需求和利用水平看，我国都必须大力发展循环经济，着力解决突出矛盾和问题，实现资源高效利用和循环利用，推动经济社会高质量发展。为响应《规划》的要求，2021年9月10日，国家发展改革委向社会公开征集《中华人民共和国循环经济促进法》的修订意见和建议，征求意见提纲中提到，我国将开始建设废旧物资特别是废弃电子信息产品、动力电池、风机叶片、光伏组件、汽车及零部件、废塑料、废旧纺织品等回收体系。
5.结论
6.展望
我国光伏产业正处于上升期，回收技术在不断的革新，国家也开始将目光放在光伏组件回收方面。陆续出台的政策，为发展光伏回收产业带来了巨大的动力和信心。在不久的未来，光伏回收产业一定会形成一条完整的产业链。在保护环境的同时，产生非常可观的经济效益。
基金项目
本研究得到国家自然科学基金(11875284)、河南省科技发展计划项目(212102311155)、河南省高校科技创新人才项目(21HASTIT020)等项目的支持。