How to improve solar panel recycling
美国太阳能发电的装机容量已接近2100亿瓦，成为其能源版图中的一大特色。2024年上半年，太阳能占美国新增发电能力的67%。在全球范围内，太阳能发电量已接近1300万亿瓦时。
这对减排工作和地球生态无疑是有利的，但太阳能电池板行业的成熟也带来了新的问题，特别是一旦这些光伏（PV）电池板达到使用寿命（EOL），我们该如何处理它们。事实上，上世纪90年代安装的第一代光伏电池板现在已经达到了使用寿命，因为太阳能电池板的使用寿命大约为30年。以目前安装的光伏数量来看，到2050年，全球可能需要处理7800万吨光伏电池板废弃物。
光伏废弃物带来了许多挑战，譬如如何回收和再利用有价值的材料。如果没有专门的回收方式，太阳能电池板的组件最终会被填埋并污染环境，而这与它们被广泛使用的初衷是相悖的。
这些挑战也为更多的循环能源解决方案、更易获得的制造新电池板的原材料以及更好地遵守不断变化的政府法规提供了广泛的机会。我们对权威的人工标引科学信息内容合集CAS Content CollectionTM进行了分析，揭示了PV EOL研究的方向以及我们该如何找到更可持续发展的道路。
太阳能电池板是可回收的吗？
答案是肯定的，且目前有三种方法可以做到。典型的PV由硅晶片以及银、铅、铜和锡组成，通常在两侧封有乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）（见图1）。在所有组成成分中，银是最有价值的。它占光伏质量的不到1%，但却占所有可回收材料价值的47%。
图1：典型硅太阳能电池板的设计
目前的回收流程包括四个步骤：
拆卸铝框架、铜电缆和接线盒
去除玻璃层
去除聚合物封装材料
硅和金属的回收
其中最具挑战性的一步是去除玻璃层，而玻璃层通常会被粘合剂粘贴在封装好的太阳能电池上，这个过程也称为剥离（见图2）。
图2：太阳能电池板生命周期中的各个步骤，重点是回收过程
目前的三种太阳能电池板回收方法各有利弊（见图3）：
热分解处理：在这个过程中，PV在300-650°C的温度下进行热解。这会导致玻璃的分离和粘合剂的分解。这是最具成本效益和最常见的PV回收方式，但由于其工作温度高，热剥离需要更多的能量，而这会导致有毒烟雾的产生。
化学处理：这种回收方法有效且不会损坏玻璃和太阳能电池。然而，该工艺中使用的有机溶剂和无机酸或碱需要较长时间与粘合剂和封装剂发生反应，使加工时间长达10天。在这个过程中使用的化学品也很昂贵，并且使用过的化学废物需要一个复杂的处理过程。
机械拆解：这包括粉碎拆卸的太阳能电池板，然后研磨和分离。虽然机械是三种工艺中最简单的，但此法去除封装聚合物的效率很低。
图3：三种分离工艺的优缺点
太阳能电池板回收的挑战
由于所有的光伏回收方法都有优缺点，研究人员正在寻找改进它们的方法。我们对当前研究形势的分析表明，专利出版物是最常见的出版物类型，这说明相关的回收过程具有广泛的商业价值（见图4）。
图4：与太阳能电池板回收相关的出版物数量的年度变化及其专利和期刊的分布。来源：CAS内容合集。
当我们仔细观察时，我们发现与热分解处理相关的文献核心研究点，如热处理、热分解、加热和煅烧，是被标引最多的（见图5）。
图5：CAS内容合集中与热分解处理相关的数量最多的出版物中，涉及的物质（柱状图）和核心研究点（气泡图）
然而，要成功地扩大光伏回收规模，以处理大量达到EOL的电池板，必须克服许多挑战。如前所述，有毒烟雾的排放和危险化学品的处置复杂化了目前的回收过程。另一个问题是，回收的硅通常被其他元素污染，不能用于新的太阳能电池板的制作。为了在晶片制造过程中重复使用硅，必须对其进行精炼以达到6N（99.9999%纯度）到11N的高纯度。
硅的重复利用对光伏制造商而言至关重要，因为硅制造过程的能耗占整个光伏生产中使用的能源的一半以上。使这一过程更加复杂的是，30年前生产的硅晶片质量不如现如今生产的高。
最后，光伏回收的成本效益存在不确定性。最近的一项研究发现，回收的材料比原始材料便宜得多：根据计算，用于光伏发电的原始材料价格为90美元/平方米，而通过FRELP项目（full recovery end of life photovoltaic project）回收的材料成本仅为12.43美元/平方米。如果将回收的环境效益考虑在内，成本甚至会下降到1.19美元/平方米。然而，其他研究却发现了相反的结果，即由于电池板中缺乏高价值元素，回收是无利可图的。克服这种经济不确定性对于扩大光伏回收业务至关重要。
可持续太阳能电池板回收带来的机会
制造商、废物管理人员、政府和其他利益相关者如何更好地了解太阳能电池板回收的成本和收益？首先要进行更全面的技术经济分析（TEAs）和生命周期评估（LCAs）。这些研究可以提供更多最新的成本效益信息，并为不断变化的商品价格和其他因素提供支撑。
回收过程仍有提升的空间 - 随着相关研发的增加，我们会发现比当前流程更有效地回收更多原材料的方法。例如，回收更多的银可以使整个过程更具成本效益。像 Icarus 这样的项目也可能在硅纯化方面实现重大突破，从而减少浪费并提高新太阳能电池板的原材料使用效率。
研究人员还可以开发具有可回收性的创新电池板。在设计阶段对拆卸和材料回收进行规划，可以更有效地回收材料，使用更少的能源，产生更少的化学废物，从而使得回收流程更加高效。
政府政策也将发挥作用。欧盟的报废电子电气设备（WEEE）法规可以为其他国家和地区提供借鉴。通过鼓励光伏回收，政府可以帮助刺激规模经济。正如国际可再生能源机构也指出的那样，让废物处理合作伙伴参与进来可以推动业务增长，扩大收入和增加就业机会，从而形成清洁能源扩张和经济增长的正向反馈循环。
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