执行摘要
- 20 世纪 90 年代安装的第一代光伏（PV）电池板现已接近使用寿命终点。目前的安装率表明，到 2050 年，全球可能需要处理 7800 万吨光伏电池板废弃物。如果没有专门的回收计划，大部分材料将最终进入垃圾填埋场，从而削弱太阳能作为环保能源的优势。
- 典型的硅基电池板包含硅片以及银、铅、铜和锡互连件，所有组件均封装在聚乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）中，并由玻璃和铝框架保护。银的质量占比不到 1%，但其回收价值约占总回收材料价值的 47%，因此高效的银回收对于回收经济性尤为重要。
- 目前主流的回收方法有三种：热分层法（成本最低且最常用，但能耗高且易产生有毒排放）、化学分层法（有效但速度慢且化学浪费严重）以及机械分层法（最简单但去除封装材料的效率最低）。目前该领域的专利申请数量已超过期刊论文发表量，表明商业界对更优工艺有着浓厚的兴趣。
凭借近 210 吉瓦 的装机容量，太阳能已成为美国能源格局中的固定组成部分。2024 年上半年，太阳能占美国新增发电容量的 67%。在全球范围内，太阳能发电量已接近 1300 太瓦时。
这对地球和减排工作而言无疑是巨大的利好，但太阳能电池板行业的成熟也带来了新的问题，即如何处理这些光伏（PV）电池板的使用寿命终点（EOL）。事实上，由于太阳能电池板的寿命约为 30 年，20 世纪 90 年代安装的第一代光伏电池板现已接近其使用寿命终点。按照目前的光伏安装量，到 2050 年，全球可能需要处理 7800 万吨 光伏电池板废弃物。
光伏废弃物带来了诸多挑战，主要是如何回收和再利用有价值的材料。在缺乏专门回收计划的情况下，太阳能电池板的组件将最终进入垃圾填埋场并污染环境，这与推广使用太阳能的初衷背道而驰。
这些挑战也为实现更循环的能源解决方案、获取更充足的原材料以制造新电池板，以及更好地遵守不断变化的政府法规提供了广阔机遇。我们对 CAS Content CollectionTM（全球最大的经人工标引的科学信息库）的分析揭示了光伏寿命终点研究的发展方向，以及我们如何找到一条更可持续的前进道路。
太阳能电池板可以回收吗？
简短的回答是肯定的，目前有三种回收方法。典型的光伏电池板由硅片以及银、铅、铜和锡互连件组成，通常在两侧封装有聚乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）（见图 1）。在所有组件中，银的价值最高。它 占光伏电池板质量的不到 1%，但其回收价值却占所有回收材料价值的 47%。
目前的回收过程包括四个步骤：
- 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
- 回收硅和金属
最具挑战性的过程是去除玻璃层，该层通常使用粘合剂粘贴在封装好的太阳能电池上，这一过程也称为分层（见图 2）。
目前的三种太阳能电池板回收方法各有利弊（见图 3）：
- 热分层法： 在此过程中，光伏组件在 300-650 °C 的温度下进行热解。这会导致玻璃分离和粘合剂分解。这是目前最具成本效益且最常见的光伏回收类型，但由于其运行温度高，热分层法需要消耗更多能源，并会导致有毒烟雾排放。
- 化学分层法： 这种回收方法在不损坏玻璃和太阳能电池的情况下非常有效。然而，该过程中使用的有机溶剂以及无机酸或碱需要较长时间才能与粘合剂和封装材料发生反应，从而将处理时间延长至 10 天。该过程中使用的化学品价格昂贵，且产生的化学废料需要复杂的处理流程。
- 机械分层法： 该方法包括将拆解后的太阳能电池板进行粉碎，随后进行研磨和分离。虽然机械分层法是这三种工艺中最简单的一种，但去除封装聚合物的效率较低。
太阳能电池板回收面临的挑战
由于所有光伏回收方法都各有利弊，研究人员正在寻求改进方案。我们对当前研究格局的分析显示，专利出版物最为常见，这表明商业界对这些工艺有着广泛的兴趣（见图 4）。
深入观察发现，与热分层法相关的概念（如热处理、热分解、加热和煅烧）是被索引次数最多的（见图 5）。
然而，要成功扩大光伏回收规模以应对即将达到报废期（EOL）的电池板浪潮，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使当前的回收过程变得复杂。另一个问题是，回收的硅通常会被其他元素污染，无法用于制造新的太阳能电池板。为了在晶圆制造过程中重复利用硅，必须对其进行提纯以达到高纯度，纯度范围从 6N（99.9999% 纯度）到 11N 不等。
光伏制造商能够重复利用硅至关重要，因为硅制造过程占光伏生产能耗的一半以上。使这一过程更加复杂的是，30 年前制造的硅晶圆质量不如当今的产品。
Lastly, there is uncertainty around the cost-effectiveness of PV recycling. A recent study found that recycled materials were much cheaper than virgin materials: those virgin materials for a PV were calculated at 90 USD/m2 whereas recycled materials recovered via the full recovery end of life photovoltaic project (FRELP) cost just 12.43 USD/m2. That cost drops even lower, to 1.19 USD/m2, when the environmental benefits of recycling are included in the analysis. Yet other studies found the opposite result, namely that recycling is unprofitable because of the lack of high-value elements in the panels. Overcoming this economic uncertainty will be crucial to scaling PV recycling operations.
可持续太阳能电池板回收的机遇
制造商、废物管理机构、政府和其他利益相关者如何才能更好地了解太阳能电池板回收的成本与收益？一个切入点是开展更全面的技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA）。这些研究可以分享更新的成本效益信息，并考虑大宗商品价格的变化及其他因素。
回收工艺仍有改进空间——通过更多的研发，我们可以发现比现有工艺更高效地回收更多原材料的方法。例如，回收更多的银可以提高回收的成本效益。诸如Icarus之类的项目也可能在硅提纯方面取得突破，从而减少浪费，并更高效地为新太阳能电池板提供原材料。
研究人员还可以开发考虑到可回收性的创新电池板设计。在设计阶段规划拆解和材料回收，可以使回收过程在材料回收方面更有效，同时减少能源消耗和化学废料的产生。
政府政策也将发挥作用。欧盟的报废电子电气设备（WEEE）法规可以作为其他国家和地区的参考起点。通过鼓励光伏回收，政府可以帮助促进规模经济。正如国际可再生能源署所指出的，引入废物处置合作伙伴可以推动业务增长，扩大收入和就业机会，从而为清洁能源扩张和经济增长形成良性循环。
