在太阳能板可回收之前，从太阳能中获取能量是不可再生的。詹姆斯·米切尔·克罗采访了科学家们
在经常出现的关于气候变化和碳排放的悲观消息中，光伏太阳能技术的迅速普及是一个亮点。除了最乐观的预测，每年新安装的光伏组件的数量继续超过所有的预测。光伏安装预测由国际能源机构(IEA)和国际可再生能源机构(IRENA)等机构在过去五年内做出的报告，已经证明低估了该技术的发展。
位于科罗拉多州的美国国家可再生能源实验室的研究员加文·希斯说:“光伏的吸收继续以快速的速度增长。”他是国际能源署促进光伏可持续性的专家组的负责人，该专家组被称为光伏发电系统技术协作计划任务12。从2000年的1.4吉瓦累计总容量2010年，中国光伏装机容量达到约50GW，到2020年初超过600GW。吸收的速度仍在加快。
但是，光伏行业的领导者都很清楚，通往可持续能源发电的道路还没有完成。一个典型的光伏组件预计有25-30年的工作寿命。如今光伏发电装机的快速增长，在未来几十年里也将反映在即将退役的光伏电池板数量的同样急剧增长上。希斯和他的任务12同事已经估算到2030年，全球将面临800万吨报废光伏组件的累积质量，到2050年将达到8000万吨，届时将占全球电子垃圾的10%以上。
美国亚利桑那州立大学的太阳能研究员孟Tao说:“很多人都有一个误解，认为在屋顶上安装太阳能电池板就能解决可持续能源发电的问题。”“但有两个因素。一方面是拥有可持续的能源，另一方面是拥有可持续的技术来利用这种资源。“如今，大多数使用的光伏最终都被扔进了垃圾填埋场，这几乎不是一个可持续的解决方案。但是，循环光伏经济的工作正在顺利进行。
聚焦硅
寿命终结的光伏问题已得到广泛认可。在欧盟，光伏已经被纳入废旧电气和电子设备(WEEE)法规，该法规要求回收使用过的模块。专门的光伏回收设施现在正在运行。但这些工艺是基于将电池板粉碎，而不是试图清洁地提取其所含的高质量硅和其他有价值的材料。普遍的共识是，硅光伏循环经济仍然是一项正在进行中的工作。“尽管进行了研究，但我们还没有达到终点，”希斯说。
在过去的30年里，已经制造了30 - 40000种不同的硅模块
正在进行的改进寿命结束模块管理的努力直接针对晶体硅。首先，晶体硅长期以来一直是占主导地位的光伏技术，目前占有95%的市场份额。其次，因为晶体硅最接近的PV竞争对手，薄膜碲化镉已经被有效回收。
全球最大的碲化镉光伏制造商第一太阳能公司(First Solar)十多年来一直在改进其报废组件的回收过程——考虑到碲，尤其是镉的毒性，这是必要的。希斯说:“因为名字里有镉这个词，所以第一太阳能公司从一开始就对镉的整个生命周期进行了细致的研究。”“他们现在已经有了第三个版本的回收系统，是目前世界上最大的光伏组件商业回收商。”
硅光伏回收提出了不同的挑战。尽管碲化镉光伏由一家制造商主导，但许多公司都生产硅光伏组件，每个都有自己的设计。希斯说:“在过去的30年里，大约有30 - 40000种不同型号的晶体硅模块被制造出来。”他说，市场上有很多变化。硅光伏组件没有一个化学公式。”
有一件事是可以依赖的是，模块不容易分开。“光伏组件的设计可以在恶劣的室外环境中承受30年的风雨，”Heath说。“从它们中提取物质是一个具有挑战性的问题是有原因的。”
把它分解
尽管在细节上有很大的差异，硅光伏组件共享一个一致的总体设计。每个模块包含多个独立的硅太阳能电池，由银基金属网格覆盖。每个电池通过铜标签进行电连接，通常由锡铅焊料固定。这种结构的正面和背面都涂有一种聚合物密封剂，通常是聚乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)。
EVA的上表面粘在一块高清晰度的低铁玻璃上。模块底部最常用的是由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚乙烯醇(PVF)制成的背板密封，尽管趋势是在这里也转向玻璃。铝制框架环绕模块边缘，面板后部的接线盒作为电气连接点。
水分是光伏组件的终极敌人，也是最有可能导致故障的原因。在多年的天气中，水会慢慢渗透EVA密封剂，并腐蚀互连。冰雹的破坏或背板的分层会极大地加速这一过程。
澳大利亚新南威尔士大学(University of New South Wales)的光伏研究员理查德·科基什(Richard Corkish)说:“通常是组件死亡，而不是单个硅电池。”但该模块的硅电池组件本身会缓慢降解。光伏组件的运营商可能出于经济原因，决定在其性能低于阈值时更换工作模块。
PV循环经济的一种形式是重新使用旧的但有功能的模块，或者至少从被潮湿损坏的模块中提取功能单个的电池(参见框重用或回收?下文)。但是，即使它们的寿命可以延长，最终所有的模块都将在太阳下结束它们的寿命。
第一个问题是将使用过的光伏电池运输到一个集中回收设施，这可能会带来重大的财务和环境影响。但一旦到了那里，光伏组件回收的前几个步骤就很简单了。科克什说:“拆卸铝框架非常容易，而且废铝有现成的市场。”接线盒可以杠杆，可以进入正常的电子垃圾回收流，以回收它所含的铜。
科克什说:“然后你就剩下层压板了:玻璃、密封剂、电池、密封剂、贴片、背板。”从这里开始，事情变得更加困难。“你必须对这一事实做些什么，因为它们都是用密封剂粘在一起的。”
一个把一切都打碎，然后试图分离的过程对我来说并不合适
在位于欧洲的第一个商业化级别的硅光伏组件回收工厂，迄今为止的方法一直是压碎层压板。这是一种低成本的方法，但主要生产低品位、低价值、不纯的玻璃，称为玻璃碎屑。由于玻璃占模块质量的70-80%，铝占10%，这种方法确实回收了大部分模块。但收集的铜、铝和玻璃碎片每个模块只产生3美元，远远低于收集和处理模块的成本。填埋仍然是一个相当便宜的选择。
一些工厂还从压碎的层压板中提取低品位、低价值的硅。但是从材料和经济的角度来看，从大量高质量的玻璃和极纯硅电池来看，肮脏的硅和玻璃碎片似乎是一种糟糕的回报。科克希说:“我觉得那种把所有东西都捣碎，然后试图分离的过程不对。”
在为国际能源署制作了一系列关于光伏回收的技术报告后，Heath和他的Task 12同事们结合了他们所学到的所有经验教训研发路线图，制定了旨在从寿命结束的晶体硅光伏组件中提取更多价值的研究重点。希斯说:“就目前的方法而言，我们认为最有可能增值的材料是硅。”“从纯度约98%的冶金级硅，转向纯度为9N(99.9999999%)至13N的接近太阳能级硅，可以使价值增加数倍。”
根据孟的计算，如果你能从混合物中提取出高质量的硅，以及银和额外的铜，回收收入将大幅上升。孟说:“你可以获得9-10美元的材料，比现在收集的材料多三倍。”如何提高光伏回收的收入是我们研究的重点。
再利用还是循环利用?
来自澳大利亚悉尼新南威尔士大学(UNSW)的Richard Corkish说:“从环境的角度来看，在讨论回收之前，我们应该先讨论光伏的再利用。”“如果你有一堆旧的太阳能模块——可能是某人更换屋顶时留下的——其中一些可能还好，还有很多寿命。”我们有兴趣研究分类工具和流程，以便快速、廉价、高效地分离使用过的光伏组件，进行再利用、翻新和回收。”
Corkish认为，新南威尔士大学为新型光伏组件的质量控制首创的一些技术可以用于评估该领域的光伏电池板。“我们有一个很大的成像电池和模块的项目，特别是使用光致发光或电致发光光谱。“通过用光或电刺激太阳能电池，并测量发出的红外光，就可以评估电池板的性能。”科克什说:“光致发光可以让你远程做到这一点，只需要对着它光照。”“人们正致力于通过手持或无人机在现场监测使用情况。我们有兴趣将这些技术应用于生命终结。”
最大的梦想是提取细胞，通过氢化使它们恢复生命
理想情况下，Corkish希望将这项技术发展到可以形成二手组件认证计划基础的程度，从而促进二手光伏市场的发展。他说:“我们希望有一种说法，‘这个模块可以用10年，这是保修单’。“就像报废光伏处理的所有方面一样，我们面临的挑战是评估电池板的最低成本。”他说，我们必须在新模块一直越来越便宜的情况下这么做。“不仅更便宜，而且效率更高。
还有一些光伏组件本身已经失效，但其中的部分或全部硅电池仍能正常工作，甚至可以恢复。堆积在硅晶片上的缺陷可以用同样的氢化技术修复，氢化技术用于填充结构中的效率降低缺陷，从而提高新硅片的性能。科克什说:“最大的梦想是提取细胞，通过氢化作用使它们恢复生命。”
但在考虑氢化之前，有一个重要的问题是如何将硅电池从封装剂中解放出来，这些封装剂将它们困在太阳能组件的层压板中。大多数方法最终都是裂解脆弱的硅，尽管最近已经取得了一些进展，可以通过热解从封装剂中提取完整的硅电池。
然而，Heath和他的PV回收路线图的作者们并不认为提取和再利用完整的硅电池有很大的可能性。“我们说不要强调这个想法，因为我们没有看到增加的收入平衡超过额外成本的潜力，我们也没有看到市场。”“当它们被从屋顶上剥离并运送到回收设施时，大多数模块已经被破坏了。”即使完好无损，今天的电池模块使用的硅比二三十年前使用的硅更纯，尺寸也不同。“你为什么要试图找回没人想要的东西?”希斯总结道。
但随着硅光伏技术的成熟，总有一天我们会达到这样的地步，20年前制造的硅电池将与新发明的电池非常相似，Corkish计数器。他承认:“很多人已经放弃了提取完整的细胞。”“我还没有完全放弃，但我不确定我是对的。”
纯度问题
获取这些材料的第一步是干净地分开将玻璃前端与硅及其附属金属电极和互连连接的EVA层。人们尝试了各种方法，包括化学方法溶解EVA，以及在炉中选择性燃烧的热解方法。每种方法在过程成本和产生的排放或化学废物方面都有优缺点。
另一个选择,由日本NPC公司开发，就是用热钢刀切割电池和玻璃之间的聚合物。孟开发了一种工艺，可以从暴露的硅电池片中单独分离出硅和各种附着的金属。
最初，研究小组使用硝酸。孟说，这几乎溶解了所有的银、铅、铜和锡，只留下了硅。在锡析出后，一种称为电积的电化学过程将剩余的金属一个接一个地从硝酸中分离出来。“我们施加一个电压把银取出来。一旦它被移除，我们施加下一个电压把铜取出来。然后是最后一个电压，让导线出来。”
然而，该团队无法完全回收这些金属。孟说，我们只能从渗滤液中提取约70%的银和80%的铜。主要的问题似乎是，随着银在阴极上的积累，一些银会断裂并重新溶解。因此，该团队与光伏回收初创企业TG Technologies合作，寻找硝酸的替代品。孟说，关键在于，当银从阴极上分离出来时，它不应该再溶解在渗滤液中。孟表示，该团队已经证明银的回收率超过99%。他说，现在我们正在研究其他金属，以及我们可以用同样的想法证明的回收率。
与此同时，去掉金属，孟剩下的是硅，以任何通常的标准衡量，都被认为是非常纯的。挑战在于，太阳能级硅可能是人类创造的最纯净的材料，纯度可达13N或更高。即使有完美的萃取系统，报废光伏组件中的硅也不如新组件时纯净。希斯说:“这些模块在工作时界面上的化学传输过程会导致晶圆表面出现杂质。”更复杂的是，每个组件中存在的确切杂质可能各不相同，这就提出了一个问题，即提纯过程要经过多远才能得到太阳能级硅，回收的材料必须重新插入。如何处理回收的硅仍然是希斯和他的同事在他们的论文中强调的主要研究领域之一最近的路线图．
孟说:“最初，我们认为应该将硅回收为太阳能级，重新制造电池。”但是将硅的纯度恢复到那种水平的成本一直令人不快。目前，我们相信我们可以回收纯度为4N或5N的硅片。这比太阳能级硅纯度低，但比冶金级硅纯度高。但他补充说，目前冶金级和太阳能级之间的硅还没有市场。因此，我们正在寻找硅的其他市场，也许是锂离子电池。(参见下面的硅存储器)
储存硅
从寿命结束的光伏组件中回收的硅是否可以经济有效地重新转化为太阳能级硅仍然是积极研究的主题。但是，即使回收的硅被证明不适合用于可再生能源生产，它也可以在可再生能源储存中找到用途。
商用硅颗粒每克售价数百美元
澳大利亚维多利亚州迪肯大学(Deakin University)的电池研究员Ian Chen说，储能技术将在清洁能源经济中发挥关键作用。“但目前的锂离子电池在能量密度和充放电速度方面仍不尽如人意。他补充说，还有一个电池可持续性的问题。
陈和他的团队一直在研究硅在锂离子电池阳极中的潜力。硅比目前使用的石墨提供了更高的理论能量密度，但在充放电过程中，电极体积会发生极端变化，导致电池快速故障。一种解决方案是将硅纳米化。陈说:“我们已经用高级硅纳米颗粒研究了几年。”陈说:“但是商业硅颗粒每克要几百美元，所以我们想办法自己以极低的成本生产这些硅，然后我们又想到了从太阳能电池板中回收硅。”
该团队已经开发出一种将回收的硅转化为纳米颗粒用于电池的方法——这是一个想法其他研究人员也在研究．Chen和他的团队目前正致力于将硅纳米材料集成到石墨中，以形成一种坚固的复合材料。他说:“我们有正常运行的设备，一些性能相当不错。”
科克希指出，电池并不是唯一可以使用回收硅的能源存储技术。几家公司正在开发利用可再生电力加热硅的技术，并将能量储存起来。热硅可以用来驱动热机释放电流，或加热空气来驱动涡轮机在热电联产装置中。这两项技术的试验正在进行中。
再循环能力下降
孟认为，对光伏组件的可持续性产生最大影响的是更全面地考虑这个问题。他说:“上个世纪，我们过于关注技术进步，却没有考虑整个生命周期。”“太阳能组件的设计考虑了成本、效率和可靠性，但不考虑可回收性。”
如果说有什么不同的话，那就是太阳能电池的回收将变得更加困难，而不是更容易。一个行业趋势是使用双层玻璃“双面”模块，其中不透明的聚合物背板被第二层玻璃取代，这允许光线从面板的两侧进入，提高效率。“但在可回收性方面，你没有办法把这些东西分开，只能把玻璃压碎。”这样一来，除了玻璃、铝和铜，你就什么也提取不出来了。”
太阳能组件的设计考虑了成本、效率和可靠性，但不考虑可回收性
另一个问题是白银。在硅之后，银可能是组件中最昂贵的组件，因此光伏制造商一直在降低银的含量。但在回收方面，无论银的数量是少是多，回收银的内在成本都是一样的。你会发现，你所能回收的白银甚至无法弥补提取白银的成本。所以我们希望模块里有很多银，或者根本没有银。”
以铜为基础的替代品完全取代银的努力正在进行中。孟说:“我希望太阳能电池公司能成功，但我希望他们也能把可回收性纳入他们的组件设计中。”
詹姆斯·米切尔·克罗是澳大利亚墨尔本的科学作家
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