【论文链接】
https://doi.org/10.1016/j.solmat.2024.113381
【作者单位】
美国弗吉尼亚大学
【论文摘要】
铜铟镓硒（CIGS）薄膜光伏技术的兴起导致报废光伏（PV）产生的废弃物增多，这些废弃物中含有银（Ag）等有价值元素。目前，尚未建立起从CIGS电池中回收和再利用银的工业方法。本研究全面探讨了利用紫外（UV）皮秒激光和红外（IR）纳秒激光对CIGS太阳能电池中的银线进行烧蚀和剥离，以实现银的回收。研究发现，紫外皮秒激光通过生成银纳米粒子，在去除银线方面更为有效，而红外纳秒激光则更适合于大块银的剥离。本研究对激光参数进行了优化，包括波长、脉冲持续时间、扫描速度和功率。结果表明，使用功率为50W、脉冲持续时间为100ns的红外激光，在保持1200mm/s的扫描速度下，通过单次激光扫描在空气中完全剥离银，可获得最佳输出。紫外皮秒激光在水介质中，使用优化的实验参数，持续产生高纯度银纳米粒子。这些高纯度银纳米粒子呈球形。采用激光烧蚀和剥离法回收银的过程符合环保型光伏废弃物管理要求，因为该过程避免了回收过程中使用有害化学物质和长时间高温处理。该方法操作成本低，在大规模银回收方面具有巨大潜力。
【实验方法】
方法：
涉及CIGS太阳能电池的实验分别使用了红外（IR）和紫外（UV）激光，实验设置相同，。该设置包括一个激光源、一个电流计扫描头和EZCad软件，用于精确控制激光束在太阳能电池表面的扫描。在激光扫描之前，使用配有去离子水的超声波清洗器对太阳能电池样品进行彻底清洗，以去除灰尘颗粒等表面污染物，确保激光束直接与银线相互作用。实验在空气和水两种介质中进行了太阳能电池样品的测试。水在激光扫描过程中纳米粒子的产生中起着至关重要的作用。它有助于气化材料的快速冷却和凝固，促进成核和形成形状明确的纳米粒子。此外，它还有助于防止过度团聚，辅助纳米粒子的收集，并最大限度地减少激光烧蚀过程中对基板的热损伤。使用来自不同电池的样品，多次重复了包括激光剥离和纳米粒子生成在内的实验。
红外激光实验：对于红外激光实验，使用了maxphotonics MPF-50W-NAEBA4.0激光，其波长为1064纳米，可调平均最大功率为50瓦，脉冲宽度为100纳秒，脉冲重复频率为80千赫兹。
紫外激光实验：对于紫外激光烧蚀实验，使用了Spectra-Physics IceFyre UV30激光，其波长为355纳米，脉冲宽度为15皮秒，可调最大平均功率为20瓦，脉冲重复频率为500千赫兹。
在每次实验中，扫描前都使用可见参考激光光确认激光束在银线上的精确位置。采用光学显微镜评估样品的表面形态和激光扫描的影响。对于紫外和红外激光实验，激光扫描速度被系统地改变，同时根据每个实验的需要调整聚焦光斑大小。使用Hirox数字显微镜分析银接触线的表面特征和尺寸。使用扫描电子显微镜（SEM）和能量散射X射线光谱（EDS）在FEI Quanta 650场发射SEM上以10千电子伏特和20千电子伏特进行激光处理样品的形态和成分分析，包括生成的银纳米粒子和剥离的银线。对于纳米粒子的SEM分析，将含有纳米粒子的溶液超声处理15分钟后，滴涂到镜面抛光的硅基板上并自然干燥。
【图文摘取】
【主要结论】
本研究有效证明了激光技术在从CIGS太阳能电池中回收银方面的应用，展示了光伏行业在可持续材料回收方面的重大进展。实验采用了纳秒级红外激光和皮秒级紫外激光，两者均在不同条件下展现出实现银剥离和纳米粒子形成的能力。
纳秒级红外激光在从CIGS太阳能电池中剥离银的过程中发挥了重要作用。在理想条件下（包括1064纳米波长、100纳秒脉冲持续时间、80千赫兹重复频率、220微米光斑尺寸、50瓦平均功率和空气中1200毫米/秒的扫描速度），红外激光能够实现高效的一次性剥离，同时保持底层材料的完整性。相比之下，在优化条件下（包括355纳米波长、15皮秒脉冲宽度、20瓦最大平均功率、500千赫兹脉冲重复频率、水中500毫米/秒的扫描速度和45微米光斑尺寸），紫外皮秒激光在生成纯度为94重量%、形态一致的球形银纳米粒子方面表现出高效性。然而，由于其高峰值功率和快速能量传递，紫外激光不太适合进行干净的剥离，因为它要么导致混合回收（纳米粒子和剥离的银），要么导致大量银蒸发。
初步经济分析强调了这两种方法的成本效益，肯定了大规模实施的潜力。这些创新通过提高回收操作的经济可行性，为太阳能行业的可持续性做出了贡献。随着全球向可再生能源的转变不断扩大，此类先进的环保回收技术在促进能源行业的循环经济和有效废物管理方面将变得越来越重要。
