Executive Summary
- 20 世纪 90 年代安装的第一代光伏 (PV) 电池板现已达到使用寿命终点，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，大部分材料最终将进入垃圾填埋场，从而削弱太阳能的环保优势。
- 典型的硅基电池板包含硅片以及银、铅、铜和锡互连件，所有这些都封装在聚乙烯醋酸乙烯酯 (EVA) 中，并由玻璃和铝框架保护。银在电池板质量中所占比例不到 1%，但其回收价值约占回收材料总价值的 47%，因此高效的银回收对于回收经济尤为重要。
- 目前主要有三种回收方法：热分层法（成本最低且最常用，但能耗高且易产生有毒排放物）、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）。目前该领域的专利活动已超过期刊发表数量，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，太阳能现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益处，但太阳能电池板行业的成熟也带来了新的问题，即如何处理所有达到使用寿命终点 (EOL) 的光伏 (PV) 电池板。事实上，20 世纪 90 年代安装的第一代光伏电池板现已达到其使用寿命终点，因为太阳能电池板的寿命约为 30 年 。随着当今光伏安装量的增加，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，即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，太阳能电池板中的组件最终将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、更易于获取制造新电池板的原材料以及更好地遵守不断变化的政府政策提供了广泛的机遇。我们对 CAS Content CollectionTMTM作为全球最大的人工收录已发表科学信息库，揭示了光伏组件寿命终止（PV EOL）研究的发展方向，以及我们如何寻找更可持续的未来路径。
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。典型的光伏组件由硅片以及银、铅、铜和锡互连线组成，这些组件通常在两侧封装在聚乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）中（见图1）。在所有组件中，银的价值最高。它 占 光伏组件质量的不到1%，但其价值却占所有回收材料的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的太阳能电池上，这一过程也称为分层（见图2）。
目前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。这是最具成本效益且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量，从而导致有毒烟雾排放。
- 化学分层法： 这种回收方法非常有效，且不会损坏玻璃和太阳能电池。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。此外，该过程所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，但去除封装材料 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各有利弊，研究人员正在寻求改进方案。我们对当前研究布局的分析显示，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）。
深入研究发现，与热分层相关的概念（如热处理、热分解、加热和煅烧）的索引量最高（见图 5）。
然而，要成功扩大光伏回收规模以应对大量达到报废期（EOL）的电池板，仍需克服诸多挑战。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 工艺变得复杂。另一个问题是，回收的硅通常会受到其他元素的污染，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 6N（99.9999% 纯度）至 11N 的高纯度。
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。此外，30 年前制造的硅晶圆质量不如当今产品，这也使该过程更加复杂。
最后，光伏回收的成本效益存在不确定性。一项近期研究 发现 回收材料比原生材料便宜得多：计算得出光伏原生材料的成本为 90 美元/平方米，2 而通过全生命周期光伏回收项目（FRELP）回收的材料成本仅为 12.43 美元/平方米，2。该成本甚至可进一步降至 1.19 美元/平方米2，当分析中纳入回收利用的环境效益时。然而，其他研究得出的 相反 结果表明，由于面板中缺乏高价值元素，回收利用并不划算。克服这种经济不确定性对于扩大光伏回收业务规模至关重要。
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和效益？一个切入点是进行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 R&D，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，回收更多的银可以使回收利用更具成本效益。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，并更有效地利用新太阳能电池板的原材料。
研究人员还可以开发出考虑可回收性的创新面板设计。在设计阶段就规划好拆解和材料回收，可以使回收过程在材料回收方面更有效，同时消耗更少的能源并产生更少的化学废物。
政府政策也将发挥作用。欧盟的 《报废电子电气设备指令》(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 废物处理 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。
