鄧 鑫，邢 蕓，羅 多，余國(guó)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(guó)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(lái)，我國(guó)光伏事業(yè)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，根據(jù)國(guó)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(jì)數(shù)據(jù)》，截至2015年底，我國(guó)光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量43.18GW，成為全球光伏發(fā)電裝機(jī)容量最大的國(guó)家。分析了廢舊光伏組件的回收需求、回收標(biāo)準(zhǔn)、回收機(jī)構(gòu)以及回收方法，總結(jié)了目前回收存在的問(wèn)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(lái)，我國(guó)光伏事業(yè)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，根據(jù)國(guó)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(jì)數(shù)據(jù)》，截至 2015 年底，我國(guó)光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量43.18 GW，成為全球光伏發(fā)電裝機(jī)容量最大的國(guó)家。其中2015 年新增裝機(jī)容量 15.13 GW，占全球新增裝機(jī)的 1/4以上，占我國(guó)光伏電池組件年產(chǎn)量的 1/3。雖然目前國(guó)內(nèi)光伏組件的廢棄量不大，但如果按照目前市場(chǎng)上光伏組件標(biāo)稱(chēng)的 25 a 使用壽命來(lái)估算，到 21 世紀(jì)中期，光伏組件的報(bào)廢量將必然會(huì)出現(xiàn)激增。相關(guān)研究表明，2020 年后我國(guó)晶硅光伏組件的廢棄量開(kāi)始顯著增加，在運(yùn)營(yíng)維護(hù)良好的情況下，到 2034 年累計(jì)廢棄量將達(dá)到近 60 GW，在運(yùn)營(yíng)維護(hù)狀況一般的情況下，預(yù)計(jì)到 2034 年累計(jì)廢棄量將超過(guò) 70 GW。屈介時(shí)，廢棄光伏組件的處理將會(huì)成為十分現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題。另外，目前市場(chǎng)上組件廠家生產(chǎn)水平參差不齊，據(jù)測(cè)算，大約有 10% 的已經(jīng)投入使用的組件將在其標(biāo)稱(chēng)的使用壽命到達(dá)之前報(bào)廢，而這些組件假如處理不當(dāng)也將給環(huán)境、社會(huì)帶來(lái)負(fù)擔(dān)，從而使原本“綠色”的初衷變得不再“綠色”。

從另一個(gè)方面考慮，處理廢棄光伏組件的方法中無(wú)論是焚燒掩埋還是粉碎掩埋，都會(huì)對(duì)環(huán)境造成二次污染，并且還會(huì)有能源消耗和污染物排放。因此，只有最大限度地對(duì)其進(jìn)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(shí)現(xiàn)其商業(yè)價(jià)值的最大化，才能實(shí)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(yīng)用太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)，會(huì)大幅度增加一些稀有金屬的應(yīng)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(yáng)能電池，也依賴(lài)碲、銦、鎵等稀有材料的使用。這些材料在其他尖端技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域也有著廣泛應(yīng)用前景，因而被作為戰(zhàn)略性材料受到學(xué)術(shù)和政策領(lǐng)域的重點(diǎn)關(guān)注。如果這些材料沒(méi)有得到恰當(dāng)?shù)幕厥张c循環(huán)利用，將會(huì)造成極大的浪費(fèi)。不僅如此，如果這些材料在廢棄時(shí)不經(jīng)過(guò)妥善處理，當(dāng)成普通的生活垃圾隨意丟棄，則會(huì)給自然環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重污染。

1 光伏組件回收需求

光伏回收的需求主要來(lái)自以下幾個(gè)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(shí)，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(lèi)再回收的多晶硅主要供應(yīng)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(lèi)再回收的電池片主要供應(yīng)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(méi)有衰減的電池片。這類(lèi)再回收的電池片無(wú)須修復(fù)處理，可直接重新封裝，主要供應(yīng)給組件制造商

2 光伏組件回收標(biāo)準(zhǔn)

目前，無(wú)論是 ISO 還是 IEC，暫時(shí)都沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)光伏組件回收再利用的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。

在歐洲，各國(guó)政府已經(jīng)著手從標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)層面出臺(tái)強(qiáng)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?xiàng)l例》(Directive on Waste Electrical and Electronics Equipment，WEEE)率先將太陽(yáng)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(dá)到 85% 以上，其中材料的再循環(huán)率要達(dá)到 80% 以上。

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

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

3 光伏組件回收機(jī)構(gòu)

早在 2002 年，德國(guó)環(huán)境保護(hù)部結(jié)合德國(guó)太陽(yáng)能公司與在佛來(lái)堡的 TU Bergakademie 研究中心設(shè)立了一項(xiàng)研究計(jì)劃，主要任務(wù)在于研發(fā)出環(huán)保且具經(jīng)濟(jì)效益的太陽(yáng)能電池回收方法，希望通過(guò)現(xiàn)代科技，不僅能回收退役的太陽(yáng)電池，也能再利用制造過(guò)程中所產(chǎn)生的廢料和破損的太陽(yáng)能電池，形成一個(gè)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?xiàng)l例》(WEEE)，并成立了“PV CYCLE”和“CERES CYCLE”等回收組織負(fù)責(zé)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(huì)，旨在支持歐洲的光伏生產(chǎn)商、供貨商、安裝商和進(jìn)口商以簡(jiǎn)單而經(jīng)濟(jì)有效的方式履行廢舊物處置的強(qiáng)制義務(wù)。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(kāi)創(chuàng)了廢舊光伏組件回收的創(chuàng)新性方案，對(duì)終端用戶(hù)不收取任何費(fèi)用。廢舊光伏組件可被丟棄在注冊(cè)的回收點(diǎn)，并由再利用合作方進(jìn)行處理。

全球最大的碲化鎘薄膜光伏電池制造商——美國(guó) First Solar (第一太陽(yáng)能)公司，有一套完整的產(chǎn)品回收機(jī)制。這一套機(jī)制的重點(diǎn)在于當(dāng) First Solar 每賣(mài)出一套產(chǎn)品，就劃撥一定比例的銷(xiāo)售收入作為回收基金。這個(gè)基金由獨(dú)立的第三方機(jī)構(gòu)所管理。當(dāng)購(gòu)買(mǎi) First Solar 光伏電池組件的任何客戶(hù)在產(chǎn)品使用壽命結(jié)束時(shí)提出回收要求，第三方基金設(shè)立的回收公司會(huì)將產(chǎn)品回收，并負(fù)擔(dān)回收和循環(huán)利用這些產(chǎn)品的成本。由于第三方基金獨(dú)立運(yùn)作，不受 First Solar 運(yùn)營(yíng)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(huì)在產(chǎn)品超過(guò)使用年限后被任意丟棄。同時(shí)，第三方基金設(shè)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(mài)給 First Solar，供其再利用。

我國(guó)中山大學(xué)太陽(yáng)能研究所的團(tuán)隊(duì)也對(duì)光伏組件回收再利用進(jìn)行了相關(guān)課題的研究，但國(guó)內(nèi)尚無(wú)專(zhuān)門(mén)的太陽(yáng)能電池回收廠。

4 光伏組件回收方法

晶硅太陽(yáng)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(yáng)能電池片→EVA→TPT 背板。薄膜太陽(yáng)電池組件，以銅銦鎵硒太陽(yáng)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(wú)法達(dá)到將太陽(yáng)能電池板拆解的目的，所以很多學(xué)者對(duì)太陽(yáng)能電池的拆解方法進(jìn)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(lèi)，利用有機(jī)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(duì)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(lèi)有機(jī)溶劑，如表 1 所示。

表1 溶解 PVB 膠膜的有機(jī)溶劑

對(duì)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(jī)溶劑中會(huì)發(fā)生物理性狀變化，如表2 所示。

表2 有機(jī)溶劑對(duì)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(jī)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(guò)熱分解除去 EVA 膠膜，將得到的光伏電池片浸在化學(xué)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(dá)到 99. 999% 的硅。

上述溶解 EVA 膠膜的有機(jī)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(méi)有任何損壞。

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

干式拆解法中，晶硅太陽(yáng)電池組件，以多晶硅太陽(yáng)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(guò)程，不需要昂貴和有毒的試劑，可快速、經(jīng)濟(jì)高效地拆卸組件，將金屬邊框、焊帶、電池片和玻璃進(jìn)行分離；第 2 步是將分離后的電池片進(jìn)行濕法化學(xué)處理，分離鋁背場(chǎng)、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(yáng)電池組件，以銅銦鎵硒太陽(yáng)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(guò)粉碎機(jī)和錘磨機(jī)對(duì)廢棄組件進(jìn)行機(jī)械處理，然后加入硫酸、雙氧水進(jìn)行氧化，將銅銦鎵硒和玻璃、EVA分離開(kāi)。經(jīng)過(guò)這次反應(yīng)，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(guò)物理化學(xué)反應(yīng)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(chēng)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(wèn)題是，焚燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生有害氣體，且回收不徹底。

無(wú)論是濕式拆解法還是干式拆解法，學(xué)者們研究的均是對(duì)光伏組件的回收。然而，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，戶(hù)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(cè)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(guò) 76.6 a 才衰減到 80%，遠(yuǎn)超過(guò) 25 a 達(dá) 80% 的廠家保證年限。經(jīng)過(guò)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(dǎo)電性能有所下降。為了應(yīng)對(duì)后期更長(zhǎng)時(shí)間的工作需要，有必要對(duì)舊光伏組件的舊接線盒進(jìn)行更換處理。對(duì)舊晶體硅組件翻新重新利用時(shí)，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(méi)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(wèn)題及建議

通過(guò)對(duì)廢舊光伏組件回收再利用的現(xiàn)狀進(jìn)行分析可知，目前我國(guó)在這方面的研究仍存在以下問(wèn)題。

(1) 技術(shù)層面：含氟背板、碳氟化合物異常牢固的化學(xué)結(jié)構(gòu)，通常的掩埋處理方法在 1 000 a 內(nèi)都無(wú)法降解該成分，必須對(duì)其進(jìn)行處理。然而，處理過(guò)程中產(chǎn)生的廢液、廢氣尚需進(jìn)行進(jìn)一步的處理，以免對(duì)環(huán)境造成二次污染。建議設(shè)立專(zhuān)門(mén)的研究機(jī)構(gòu)對(duì)此進(jìn)行深入研究。

(2) 經(jīng)濟(jì)層面：回收廢舊光伏組件的經(jīng)濟(jì)收益低，市場(chǎng)對(duì)光伏組件回收驅(qū)動(dòng)力不大。

表3 參考 McDonald 等人綜合不同數(shù)據(jù)來(lái)源對(duì)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(jì)效益相對(duì)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(guó)太陽(yáng)能電池行業(yè)市場(chǎng)前瞻與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示，2013 年，多晶硅太陽(yáng)能電池和薄膜太陽(yáng)能電池分別占整個(gè)太陽(yáng)能電池產(chǎn)量的 90.92% 和 9.08%。在中國(guó)則仍以多晶硅電池為主，占比約達(dá)到 78%，加上單晶硅電池，整個(gè)晶硅電池占比超過(guò) 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(yīng)地也就不大。

況且，盡管材料回收的價(jià)值具有一定的經(jīng)濟(jì)效益，但廢棄材料集中收集的過(guò)程還會(huì)產(chǎn)生一定的運(yùn)輸成本。從多晶硅與薄膜技術(shù)的特點(diǎn)看，前者以發(fā)展集中式電站較有優(yōu)勢(shì)，方便集中就地處理，經(jīng)過(guò)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(dǎo)體材料重量只占組件重量不到 2%，大大節(jié)約了運(yùn)輸成本。就光伏建筑一體化等分布式光伏的應(yīng)用，前瞻預(yù)計(jì) 5～10 a 后，薄膜電池將占據(jù) 50% 以上的市場(chǎng)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(jì)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(shè)備結(jié)為一體的，即使設(shè)計(jì)上做到易于分離拆解，仍然需要將整個(gè)組件回收后，再進(jìn)行集中處理。這個(gè)過(guò)程中，回收的難度大大增加，運(yùn)輸成本也要計(jì)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(guó)家的做法，設(shè)立專(zhuān)門(mén)的光伏組件回收機(jī)構(gòu)，對(duì)廢舊光伏組件進(jìn)行回收再利用。

(3) 法律角度：目前我國(guó)尚未發(fā)布專(zhuān)門(mén)的光伏組件回收標(biāo)準(zhǔn)，建議國(guó)家能重視這方面的研究，盡快發(fā)布相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范市場(chǎng)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(jià)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(dǎo)體材料的價(jià)格對(duì)于今天的光伏行業(yè)已經(jīng)不太適宜。當(dāng)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(rùn)的驅(qū)動(dòng)下光伏組件回收的技術(shù)也會(huì)迅速提升和發(fā)展，循環(huán)處理成本必然會(huì)降低。最重要的是組件回收再利用對(duì)于環(huán)境的貢獻(xiàn)意義更加重大、深遠(yuǎn)。

6 結(jié) 語(yǔ)

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(wú)論國(guó)際還是國(guó)內(nèi)，這方面的法律和標(biāo)準(zhǔn)都不多。因此，在目前回收機(jī)制不完善的大背景下需要有機(jī)構(gòu)用前瞻性的眼光站在社會(huì)和環(huán)境角度對(duì)組件回收的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)做進(jìn)一步研究。同時(shí)，這方面的技術(shù)缺失也意味著巨大的潛在市場(chǎng)，相信在這部分市場(chǎng)和回收技術(shù)進(jìn)步的刺激下，國(guó)內(nèi)外必將有更多的企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)投入這方面的研究。

TU50

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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(hào)，郵編：411100。