浅谈光伏组件的回收再利用技术

许海园 刘子靖 梁东义 张兴 郭婧滢

摘要：随着光伏发电装机容量和发电量比重的快速提升，光伏组件的报废量迅速增长，研究光伏组件的回收技术迫在眉睫。现根据光伏产业发展现状及光伏组件回收现状，分析并对比了热处理法、化学处理法和物理回收法3种主流的光伏组件回收利用技术，并对光伏组件的回收再利用前景进行了展望。

关键词：光伏组件;回收;资源化;光伏产业链

0 引言

自20世纪70年代的全球石油危机后，各国开始寻找可以替代传统化石能源的清洁能源，新能源得以正式发展，太阳能成为各国一致认为潜力最大的一次能源。在各类太阳能利用技术中，光伏组件由于在发电期间无噪声、无二氧化碳，操作维护简单而受到各国青睐。随着经济的不断发展以及政策的推动，我国光伏发电技术和成本控制均具有明显的竞争优势。据统计，2019年全球光伏累计装机容量达627 GW，其中我国光伏累计装机容量为204.7 GW，远超“十三五”规划目标。光伏产业在飞速扩张的同时，也面临着新的严峻问题：光伏组件的寿命一般为25年，未来我国光伏组件的废弃量将剧增，而光伏组件中含有少量的银、碲、铟、镓等稀有金属，以及硅、玻璃、铝、EVA胶等可利用资源，有非常高的回收价值。如果废弃的光伏组件处理不当，不仅会造成资源浪费，还会对生态环境造成不可预估的危害。目前国内关于光伏组件的回收利用技术尚未成熟，为了推进光伏产业的健康可持续发展，开展对废弃光伏组件的回收再利用研究刻不容缓。

1 光伏产业发展现状

随着新能源需求的不断增加以及半导体技术的发展，光伏产业作为新兴的朝阳产业，发展潜力巨大，全球增长态势明显。2010—2019年，全球光伏发电累计装机容量从40 GW提升至627 GW，规模持续扩张，且光伏供应链各环节主要产品价格均持续下降，组件价格下降幅度超90%，系统成本随之下降。国际可再生能源署（IRENA）发布的《2019年可再生能源发电成本报告》称，过去10年间，在各类可再生能源中，光伏发电平均成本降幅最大，超过80%。近10年来，我国光伏装机量位居全球榜首，占据相当大的规模，已经具备完善的光伏产业链。

光伏发电的核心是将太阳能转化为电能。基于光伏效应原理，市场上采用的主流原材料是硅，晶体硅太阳能电池占据的市场份额最大。光伏产业链分为上游（太阳电池片）、中游（光伏组件）和下游（光伏系统）三部分。上游包括对晶硅原材料的提纯、晶体硅生产和晶硅片生产，目前主要分为单晶硅片和多晶硅片两种。中游包括太阳能电池及光伏组件的制造，其制造工艺流程主要有切片、制绒、扩散、刻蚀、沉积减反射膜、电极印刷、烧结等。下游包括光伏发电系统的集成与运营，通过将光伏组件与控制器、逆变器、配电箱等设备进行组合，形成离网型或并网型的光伏发电系统。

在光伏产业制造端各环节中，我国多晶硅产能达到46.2万t，硅片产量134.6 GW，电池片产量108.6 GW，组件产量98.6 GW。光伏组件以25年的寿命计算，预计到2042年，我国光伏废弃物将达到1 250万～1 650万t[1]。

太阳能电池组件的制备需要将电池串、钢化玻璃、热融胶黏膜（EVA）和热塑聚氯乙烯复合膜（TPT）层压粘接在一起，再封装铝框、接线盒后，形成完整的光伏组件。光伏组件中九成以上的材料都可以回收再利用，经过无害化处理和有效资源的回收再利用，能够有效避免组件产生有毒气体，还可以保护生态环境，促进光伏产业的可持续发展。

2 光伏组件回收技术

目前国内光伏产业中各企业的关注热点在于提高光伏组件的产能效率，研究热点是提高太阳电池片的转换效率，均缺乏对废弃组件处理的重视。而在国外，欧洲一些国家已经成立了相关组件回收组织，如PV Cycle，该组织基于经济、可行的回收网络，已经回收了上万吨的废弃光伏组件，具有一定的借鉴意义。

根据所述光伏组件的封装结构，在对光伏组件进行回收时需要对组件进行拆解，去除铝边框、钢化玻璃和TPT背板。其中，EVA胶膜与电池组的分离技术是组件回收中的关键技术。目前主流的回收技术主要有：热处理法、化学处理法和物理回收法，新兴的回收技術有震荡法、热刀热丝法等[2]。

2.1    热处理法

热处理法有固定容器和流化床反应器热处理法等，一般是对整个组件进行高温分解，可将EVA胶、电池组串、玻璃等层压部分分离，得到较完整的分离件。田建军[3]采用热重分析和傅里叶变换红外光谱（TGA-FTIR）联用技术对EVA的热稳定性和热分解产物进行了研究，通过热重分析计算出EVA中乙酸乙烯酯的含量，通过热重-红外光谱联分析得出逸出气体全部为挥发性脂肪烃，可能含有1-异丙烯、1-庚烯、3-癸烷等。

该方法可保持光伏组件本身的完整性，但在热处理过程中容易产生部分有害气体及其衍生物等有害物质，若可以将产生的废气二次利用，如作为热源使用等，将会有很好的前景。

2.2    化学处理法

化学处理法主要采用化学溶剂，如有机溶剂溶解（三氯乙烯等）和无极酸碱溶解（氢氧化钾等）。张雷[4]等针对废旧多晶硅太阳能电池的回收工艺进行了研究，去除电池的铝背和铝硅层后，再经去离子水洗净干燥，去除氮化硅减反射膜、磷扩散层以及金属杂质，可得到高纯硅片。该工艺路线回收的硅片进行检测发现，多晶硅的回收率为76.4%。董莉[5]等对晶硅太阳能电池的资源化回收路线进行了实验研究，采用20%的盐酸反应40 min去除铝，35%的硝酸反应30 min去除银，40%硝酸-6%氢氟酸反应75 min去除硅，通过对太阳电池的分步回收，实现了85.5%的硅回收率。

化学处理法技术较为成熟，但在处理过程中，会产生大量的酸性液体和有机废液，处理难度较大且会造成较为严重的环境污染。

2.3    物理回收法

该方法一般需要先拆除组件铝边框和接线盒，对无框组件进行机械粉碎处理，再对粉碎后的颗粒进行分离。国内英利集团率先进行了相关技术的探索[6]，提供了一种模块化光伏组件分解回收处理装置，可剪切并挤压拆除后的光伏组件中的电池，得到光伏电池颗粒，在低温环境下磨削EVA颗粒，最后振动筛分含硅、背板和EVA的混合颗粒。

相较于热处理法和化学处理法，物理回收的过程中不会造成环境污染，可实现无害化处理，但最终得到的是不同材料的混合物，无法实现单一组分的充分分离，因此该方法还处于优化阶段。

3 结语

我国对光伏组件回收再利用的探索起步较晚，在技术层面上尚未做到无害化处理，经济层面上成本高、收益低，政策层面上缺乏政策和法规的指导，因此尚无成熟可行的技术路线。根据上述对目前主流回收技术的介绍可以发现，不同的处理方法各有优缺点，且我国现有光伏组件的使用区域多集中在偏远郊区，在具体的实施过程中会增加不少运输成本。针对我国目前光伏组件的回收现状，首先要在思想上充分认识到光伏组件回收的必要性和紧迫性;其次，要增强与国外的调研合作，引进国外较成熟的回收路线，加快我国自主研发速度;最后，促进相关实验室的建设，加大研发投入力度，解决回收率低、有害物处理等技术难题，建立适合我国的光伏组件回收产业链。

[参考文献]

[1] 肖敏志，刘璐，宋巍巍.光伏废弃物及其回收技术综述[C]//

2019中国环境科学学会科学技术年会论文集（第二卷），2019：1076-1080.

[2] 郑璐，马昀锋，杨紫琪，等.晶硅光伏组件回收技术发展现状及展望[J].电源技术，2020，44（5）：778-780.

[3] 田建军，姜恒，苏婷婷，等.基于TGA-FTIR联用技术的EVA热解研究[J].分析测试学报，2003，22（5）：100-102.

[4] 张雷，吴翠姑，陈志军，等.废弃多晶硅太阳电池回收高纯硅片工艺研究[J].半导体技术，2017，42（8）：626-630.

[5] 董莉，冯晋尧，刘景洋，等.废晶硅太阳能电池资源化分类回收技術研究[J].环境污染与防治，2020，42（6）：678-681.

[6] 英利集团有限公司.一种光伏组件分解回收的方法及其装置：CN201210058374.X[P].2012-07-04.