来源:Frontiers in Energy 发布时间:2024/2/26 14:35:16
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FIE | Mini Review:光伏晶硅废料回收再生利用现状及前景

论文标题:Status quo on recycling of waste crystalline silicon for photovoltaic modules and its implications for China’s photovoltaic industry

期刊:Frontiers in Energy

作者:Yichen Zhou, Jia Wen, Yulin Zheng, Wei Yang, Yuru Zhang, Wenxing Cheng

发表时间:24 Nov 2023

DOI:10.1007/s11708-024-0923-y

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文章亮点

(1)本研究综述了晶硅光伏组件分离回收工艺的研究现状,晶硅光伏电池组件已有一套较为完备的分离回收流程,除Ag、Cu、Al等金属元素外,硅的价值不可忽视。

(2)着重探讨了晶硅的再生利用途径,废光伏组件晶硅相较于光伏硅基废料有着更高的硅纯度与良好的晶体结构,被重复利用于高纯硅需求行业的可能性更大。

(3)分析了现阶段光伏回收行业的发展瓶颈,并对光伏行业的可持续发展提出了一些展望。光伏回收的经济性并不理想,开发先进的回收技术是推进光伏组件可持续发展的关键,高效、低能耗和低处理成本的工艺流程将有助于光伏组件回收项目的进一步发展。

研究背景及意义

不可再生能源的不断开发利用不仅将导致能源短缺,制约经济增长,产生的大量碳排放也引起了全球性的气候变暖,世界各国正加速推动能源结构转型,扩大清洁能源生产。在风能、核能、太阳能等众多环境友好型可再生能源中,太阳能资源取之不尽、分布广泛、安全无污染。太阳能光伏系统因其较为低廉的成本,成为了增长速度最快的清洁能源之一。中国幅员辽阔,具有丰富的太阳能资源,光伏技术应用市场潜力巨大。在政策的鼓励与能源转型的时代背景下,我国已然成为光伏装机增速最快、容量最多的国家。然而,光伏组件的寿命一般为20到30年,光伏装机量规模不断扩大的同时,也预示着未来将有大量使用寿命终结的光伏组件面临报废。光伏废物中不但含有镉(Cd)、铅(Pb)等危害性重金属元素,光伏废物也是一个潜在的资源库,其中含有大量铝(Al)、玻璃等常见材料,以及铜(Cu)、银(Ag)、硅(Si)等高价值材料。对光伏废物进行科学合理的回收处理,不仅降低了潜在的环境风险,还避免了有价值材料的损失,减少了新材料生产的需求,对光伏产业的可持续发展具有重要意义。

现有太阳能电池主要可分为晶硅电池和薄膜电池,由于晶硅电池生产成本较低且发电效率高,在过去几十年至现在始终以高份额(85%–90%)主导着光伏市场。光伏晶硅回收后可再利用于航空航天、电子电器、能源、农业、环保等各个领域。本研究对现有光伏组件的回收技术进行论述,并着重对硅的再利用途径进行总结,对现阶段光伏回收行业的困境进行分析,以期为废太阳能电池回收利用技术的发展及其产业化利用提出参考与建议。

主要研究内容及结论

一、分离回收方法

晶硅电池内部光伏组件呈现夹层结构,前后需要经过分离工艺和提取工艺才能真正实现报废光伏组件的回收与再利用。物理处理是指通过破碎、切割等方式,机械化、大规模高效处理光伏组件,该方式所得产物往往以混合物的形态存在。热处理可高效去除乙烯-醋酸乙烯酯共聚(EVA),但同时伴随着烯烃、烷烃以及部分有害金属进入气相。光伏组件中有价值的金属元素与硅元素的回收,需要通过化学的手段对其进行提取与精炼,常采用HF、HNO3等试剂,以提取Si与有价值金属元素。通过有机结合各种方法,可构成完整的组件回收工艺流程。

二、硅的再生利用途径

通过特殊工艺回收的完整硅电池再经化学纯化,其晶硅厚度、电阻率、载流子寿命等指标均与标准商业硅晶组件相似。废晶硅通过掺杂磷、锗等元素改性,也可应用于热电组件。硅阳极理论容量为4200 mAh/g,被认为是取代石墨(372 mAh/g)的最佳储能材料。通过球磨将硅纳米化,同时掺杂石墨等材料可用于制备电池电极。硅的纳米化是保证良好电池循环寿命的关键,硅尺寸是硅基阳极电化学性能的决定性因素。同时,晶硅太阳能电池中Al、Ag的不完全去除将影响硅的纳米化,对再生硅阳极性能也将产生影响。

三、回收瓶颈

光伏组件回收存在巨大的生产价值,但近些年的发展现状却不尽人意。根据很多废旧光伏组件回收企业的营收情况来看,光伏回收的经济性并不理想,主要原因在于一是回收成本高,二是集中回收量不足。由于顶层设计不足,光伏板退役路径没有明确政策导向,造成回收获取难、跨地区流动难、回收技术参差不齐和循环路径不畅通等问题。进而影响了企业回收积极性和光伏回收市场发展动力。

原文信息

Status quo on recycling of waste crystalline silicon for photovoltaic modules and its implications for China’s photovoltaic industry

Yichen Zhou, Jia Wen*, Yulin Zheng, Wei Yang, Yuru Zhang, Wenxing Cheng

Author information:

1. College of Environmental Science and Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China

2. Key Laboratory of Environmental Biology and Pollution Control of Ministry of Education, Hunan University, Changsha 410082, China

Abstract:

As a clean and efficient renewable energy source, solar energy has been rapidly applied worldwide. The growth rate of China’s installed capacity ranks first in the world. However, the life span of photovoltaic (PV) modules is 25 to 30 years, and the rapid development of installed capacity indicates that a large number of PV modules will be decommissioned in the future. Therefore, the ongoing treatment of the scrapped PV waste cells in the near future requires urgent plans and countermeasures. Proper recycling and disposal of decommissioned PV modules is a practical requirement for the sustainable development of the country and industry. Crystalline silicon (c-Si) solar cells currently occupy 85%–90% of the market share, and some scholars have begun to seek the utilization pathways of the waste Si in and outside the PV industry. In this paper, the research status of the separation and recycling process of crystalline Si PV modules is reviewed, and the recycling ways of crystalline silicon are particularly focused on. In addition, the current bottlenecks in the PV recycling industry in China are analyzed and some suggestions on the sustainable development of the PV industry are proposed.

Keywords:

waste photovoltaic (PV) modules, crystalline silicon (c-Si) battery, separation and recovery, sustainable development

Cite this article

Yichen Zhou, Jia Wen, Yulin Zheng, Wei Yang, Yuru Zhang, Wenxing Cheng. Status quo on recycling of waste crystalline silicon for photovoltaic modules and its implications for China’s photovoltaic industry. Front. Energy, https://doi.org/10.1007/s11708-024-0923-y

通讯作者简介

文嘉,湖南大学副教授,岳麓学者,博士生导师。主要研究方向是土壤污染修复、固体废物污染控制及资源化研究、重金属的环境毒理性。申请人以第一/唯一通讯作者身份已在Coordination Chemistry Reviews、Chemical Engineering Journal、Water Research、Journal of Hazardous Materials等环境领域知名学术期刊上发表高水平论文40余篇,H因子17,授权/申请发明专利6项。

详情:

https://ee.hnu.edu.cn/info/1007/26633.htm

Frontiers in Energy (SCI),能源领域综合性英文学术期刊,于2007年创刊,现为中国工程院院刊之一 (Transactions of CAE)。翁史烈院士和倪维斗院士任名誉主编。中国工程院院士黄震、周守为、苏义脑、彭苏萍任主编,加拿大皇家科学院、加拿大工程院、中国工程院外籍院士张久俊、美国康涅狄格大学校长、教授Radenka Maric、法国普瓦捷大学教授Nicolas Alonso-Vante和上海交通大学教授巨永林任副主编。

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