光伏组件回收技术综述

1.   光伏产业发展情况及回收的必要性

近年来，随新能源行业不断发展，光伏组件需求与比重越来越大。截止2019年底，我国光伏新增装机30.1GW，累计装机205GW。随光伏市场不断扩大，可预期未来寿命期满后退役晶硅光伏组件数量将急剧增加。如何处理废弃组件成为关注重点。

依据科技部“十二五”863 项目研究成果，2030年我国退役光伏组件预计将超 60 GW，产生玻璃、塑料、铝、铜、硅、银等组分总质量超过200万吨。国际可再生能源署（IRENA: International Renewable Energy Agency）、国际能源署（IEA-PVPS）2016年也联合发布《End-of-Life Management: Solar Photovoltaic Panels》报告，预测世界光伏组件报废量到2050年将达到7800万吨；以价值计，到2030年，可从光伏组件回收技术中获取原材料累计可达4.5亿美元（按2016年价格），到2050年，可回收物累计将超过150亿美元，这相当于目前生产6000万块新组件所需原材料的价值。

光伏组件材料包含玻璃、硅、银、铜、铝等有价值组分，大部分物质通过适当回收，实现循环再利用，可有效缓解生态环境压力、降低光伏全产业链能耗等指标，进一步优化光伏组件全生命周期的绿色节能特性。因此，光伏组件的回收与无害化处理是产业界和环境界核心问题之一。

图1-1 全球范围内退役组件数量预测

图1-2  2050年各国光伏组件报废量

2.    各国光伏组件回收现状

世界各国纷纷布局光伏组件回收技术与产业。欧盟、日本和韩国等在光伏组件回收上起步较早，自 2009 年在物理法、化学法等技术路线上持续开展实验技术研究、中试示范及配套体系建设。欧盟2007年在布鲁塞尔成立了“PV Cycle”组织，PV CYCLE 是一家成立于2007年的非盈利性协会，旨在支持欧洲的光伏生产商、供货商、安装商和进口商以简单而经济有效的方式履行废旧物处置的强制义务。2014 年将光伏组件纳入“报废电子电气设备指令 (WEEE Directive: Waste Electrical and Electronic Equipment Directive)”，作为消费性电子产品实施强制回收；2017年进一步颁布了针对光伏组件回收的欧盟标准，并建设了一条产能为 3000 吨/年的化学法示范线和一条产能200吨/年的物理法/化学法综合示范线。法国2018年8月在Roosset市建成了欧洲首座光伏组件回收工厂，该工厂能够回收晶硅光伏板中95%的材料。日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO: The New Energy and Industrial Technology Development Organization)也支持了物理法和化学法的多个示范项目。韩国正在开展产能 800 吨/年的光伏组件回收示范项目的研究工作。

我国 “十二五”期间，光伏组件回收工作依托科技部“863计划”，实验研究了热解化学法和深冷物理法两种技术路线，获得了晶硅光伏组件回收量的预测数据与回收技术的初步结果。2019年4月，国家科学技术部高技术研究发展中心进一步发布“‘十三五’国家重点研发计划-可再生能源与氢能技术重点专项”2018年度立项项目，以中科院电工所高级工程师、中国可再生能源学会光伏专委会秘书长吕芳作为项目首席科学家，基于在“十二五”光伏回收实验室研究的基础上，联合13家光伏企业、研究所、院校，共同承担了“晶硅光伏组件的回收处理成套技术和装备”项目。这是国内首个国家级针对光伏组件回收技术和关键装备的研制项目，该项目目的在于通过低能耗、低污染的技术路线实现晶硅组件中主要高价值组成材料的回收，采取逆向解粘结机理，以晶硅光伏组件低成本绿色拆解和组分分选为重点，旨在形成物理法、化学法的晶硅光伏组件环保处理示范线，并创建与之相关的回收标准体系、监管机制以及探索光伏组件绿色设计和制造趋势。

3.    光伏组件回收技术方法

（1）报废光伏组件的当前处理方法：一般流程

目前，世界上大多数国家/地区将光伏组件归类为一般或工业废弃物，而欧盟已采用了针对光伏组件的废弃物法规。尽管目前全球废物市场上仅有少量的光伏废料，但专门的光伏组件回收厂已开始运营，通过处理现有有限的报废组件、保修退货及产线废品，以优化和验证回收技术、回收链架构、回收流程的运作合理性和效率。

光伏组件处理一般流程如图3-1所示。该流程始于将报废光伏组件运输到由回收商运营的工厂；核心步骤在于工厂产线基于专门工艺，分离光伏组件有价值材料，包括玻璃、金属及其化合物；产业链下游企业（诸如金属精炼公司等材料制造商）经提纯和精炼分离后的回收物，形成高价值材料再次进入市场（不限于光伏行业）。对于回收及精炼链条产生的无价值材料，可采用环保填埋技术进行处理。值得注意的是，在处理流程中，组件中某些材料（如EVA等聚合物）处理中可产生热量，采用先进工艺回收后可形成可观的能源动力。

图3-1 光伏组件处理一般流程

（2）晶硅光伏组件回收处理

光伏发电市场的迅猛发展催生了对光伏系统寿命期后可持续利用技术的研究需求：对寿命期后光伏设备，尤其是占据世界市场份额达80%以上的晶硅电池材料及组分（硅、铜、铝、银、玻璃、塑料等）进行无害化处理、乃至回收利用，以期一定程度上缓解光伏器件原材料短缺问题，并降低资源浪费与生态环境污染。晶硅电池板每kW功率对应的材料组分质量如表3-1所示。

表3-1太阳电池（晶硅电池）电池板材料组分质量（Kg/kWp）

为回收和循环利用光伏组件中材料，晶硅组件回收技术分为组件拆解和组分回收两个步骤。

a) 组件拆解

组件拆解以三种技术为主：机械法拆解、热解法拆解、化学法拆解。

机械法通过操作机械，将玻璃与其他元件分离，以达到回收玻璃的目的。

热解法通过加热分解玻璃和光伏电池之间的EVA封装层，分离回收玻璃；组件中的塑料在惰性气体环境下可热解为乙酸、丙烷、丙烯、乙烷、甲烷和其他可燃油和气体。

化学法通过将聚合物封装层溶解在化学溶剂中，实现玻璃分离。一种可行方案是将组件浸入硝酸24小时，另一种是将组件浸入三氯乙烯、并在80摄氏度下持续10天，均可实现EVA胶膜溶解。化学法可实现无损回收光伏组件中的电池片，但有些有机溶剂无法彻底除去残留在电池片上的EVA胶膜。

b) 组分回收

传统晶硅退役组件的电池回收，主要依托选择性浸提、沉淀、萃取等方法，将电池片中贵重金属（银、铜等）分别回收。

另外，对于从组件拆解下来的完整电池片，可考虑进行电池片修复工序，使其恢复可使用的光电转换效率，再次进入光伏应用链条。

4.    国内组件回收项目研究进展

国家重点研发计划可再生能源与氢能专项《晶硅光伏组件回收处理成套技术和装备》项目近期在晶硅光伏组件回收方面研究取得重要进展。据项目组介绍，该项目于2019年4月正式立项实施，项目实施的第一年期间，在基于物理法对光伏组件环保处理成套工艺技术及关键装备研究方面，物理法产线研发出组件玻璃切割技术及关键装备，通过调节聚合物EVA粘结胶膜与晶硅组件玻璃的界面相变特性，实现玻璃低损或无损剥离；所获玻璃组件可直接用于建筑、屏障等领域。

研发出组件边框低成本拆解技术及关键装备；所获边框铝材可重新铸造成型，广泛用于各行业。同时，也研发出组件胶膜、混合粉体（硅、银、铜等）各组分环保分离技术及关键装备，通过温度控制与外能场协同作用，驱动粘结胶膜从碎电池片上有效脱离，通过精细研磨-分级筛选实现硅、银、铜组分高效分离；所获EVA等胶膜可通过本项目的高分子改性创新技术，重新用于塑料构件行业，所获硅、银、铜各组分则可用于建材、金属铸件等领域。本项目集成、优化各相关设备，建成我国首条基于物理法的晶硅光伏组件低成本环保处理产线，产线指标预期达到：产能≥10 MW/年，能耗≤25 kWh/kW 组件；实现质量回收率≥93%，银回收率≥93%，硅回收率≥96%，铜回收率≥97%，将对组件回收行业起到示范、引领作用。

在基于化学法对光伏组件环保处理成套工艺技术研究方面，项目已形成了基于热解和化学处理等核心技术的一体化综合示范量产方案。同时在基础技术开发方面取得了重要突破，EVA胶膜的去交联方式是项目的关键难题之一。通过匀流热场的特殊设计形成区块化的热解激活能，从而在光伏组件样品这样的大尺寸条件下最大限度的平衡反应进行的时间和剧烈程度；EVA热失重过程中产生的不均匀热量释放及裂解中间产物带来的量产工艺挑战，本项目通过中温引流的方式舒缓热能排出量和废气排出速度，从而解决了巨大温差带来的反应不可控，由此设计牵引出的长程降温需求也同步促成了对排放高危废物（如重金属等）有足够时间和空间进行物理收集，进一步将回收技术绿色化、无害化。在晶体硅电池片的化学法回收方面，通过实验室级的精细化开发，已实现了核心材料银≥90%、硅≥90%、 铜≥90%的回收率，形成了可量产化的实现方案。

如何有效实现固化有机胶膜解粘结是光伏组件拆解和构成组分材料分离的基础。为此，本项目正在深入开展固化EVA在多种物理化学因素作用下的解粘结机理研究。通过进行EVA胶膜老化实验并检测分析胶膜粘结微观界面，提出了粘结界面的氢键作用力模型。由于新型高效晶硅太阳电池组件在光伏市场中的占有率正逐年上升，针对这些未来拥有规模化市场份额的新型材料和新结构晶硅光伏组件开展环保处理新技术研究也是本项目的重要内容。围绕无损拆解高效电池和高价值封装玻璃板，已完成基于激光和热丝切割的组件拆解新技术原理验证，并针对晶硅异质结太阳电池的构成新材料开展银和铟的高价值回收。本项目进一步对回收后的高价值太阳电池进行修复再使用研究并开发回收含氟背板材料的高效环保无害化处理技术，填补现有光伏组件回收技术领域的空白。已对回收电池进行性能衰退因素诊断，形成了一套普适性检测方案。发现退役组件中晶硅电池性能下降的主要原因归于银栅线退化和电池体寿命下降，据此正深入开展太阳电池性能修复新技术。在含氟背板材料进行无害化处理上，本项目正走出一条基于共混改性和酯化再聚合的创新技术路线，变废为宝，将含氟背板转变为新型可用含氟材料。

在晶硅光伏组件的回收产业配套服务系统建设方面，项目组也进行了深入的调研与原创性的工作，包括回收过程对于环境影响的绿色评价方法、回收产业相关的原创性标准制定，以及为促进回收产业方法提出的政策建议等方面。首先，在绿色评价方法方面，项目组采用国际普遍认可的全生命周期评估方法对回收过程进行建模，并对回收过程本身产生的环境增益进行计算。光伏发电相对于火电等传统能源而言，单看碳排放一个指标，只有传统能源的1%，在回收过程，将原始生产过程耗能较高的硅材料、铝合金材料、玻璃等回收再利用，可以使其环境影响进一步降低。在全球循环经济发展的大趋势下，在光伏产业链中增加回收环节，无疑是促进其可持续发展的有力举措。其次，在原创性标准制定方面，光伏回收在国际上属新兴行业，国内外相关的标准制定均缺失，项目组经过深入调研初步建立了回收产业的标准体系并列出了标准明细表，并着重对晶硅组件回收判废标准、回收企业技术要求、回收企业产线能力认证等标准进行了细致的调研、科学的测试分析和广泛的听取意见。目前相关标准在立项编写过程中。最后，是对项目组的研究内容的总结并上报为政策建议。项目组作为我国首个成套的晶体硅光伏回收项目，研究内容包含市场分析、技术研发、配套服务等一揽子任务。将研究过程中的经验与得失，汇总成政策建议文件，对于光伏产业链中回收这一新环节的良好市场环境与政策环境的形成具有重要意义。

5.    光伏组件回收软环境进展

目前，大规模光伏组件将面临陆续退役问题，随着国内外对光伏回收技术和产业的持续关注与投入，将有望为原有的从硅材料提纯、拉棒铸锭和切片、电池生产到组件封装、平衡部件、系统集成的光伏产业链增添“退役回收”这一新环节。在全产业链的绿色制造方面，尚缺乏绿色评价技术、市场监督、标准规范、激励政策等制成体系，亟需在这些方面加大力度，积极引导未来光伏回收产业健康发展。

国际上，欧盟（EU - European Union）环境署已经在积极推动使用全生命周期评估（LCA - Life Cycle Assessment）的方法对光伏产品进行绿色评价与认证办法的研究。基于全生命周期评估方法制定的统一绿色产品评价方法，称为产品环境足迹指南（PEF Guide - Product Environmental Footprint Guide），并根据各种产品分别制定细则（PEFCR - Product Environmental Footprint Category Rules）。欧盟委员会将此方法推荐给欧盟各个成员国、公司、私人组织和金融机构等，帮助形成产品透明、真实、完整、清晰且有可比性的交流。2013年5月，欧盟启动了为期五年的试点过程，首批纳入试点的产品超过20种类别，产品涵盖各个领域，光伏产品也纳入了欧盟PEF的首批试点中，并已完成2013年至2018年春为期五年的试点过程，于2019年2月12日正式发布了针对光伏产品的PEF细则。欧盟对绿色产品认证的方法是，企业根据欧盟发布的PEF编制LCA报告，将各种环境影响类别数字化，根据数字将产品分为A、B、C、D、E五个等级，贴上标签Performance Label，供消费者辨识与选择。EPEAT（电子产品环境影响评估工具）是美国推出的针对电子产品的多维环境绩效标准，对电子产品在其生命周期中就环境的影响进行评估认证。在EPEAT认证下，可以根据光伏组件满足标准的百分比，将获证企业区分为金、银、铜三个不同的级别。

国内在绿色制造方面，缺乏培训和能力建设、舆论宣传和呼吁以及国际合作平台。基于此，中国绿色供应链联盟光伏专委会(ECOPV)于2020年1月正式成立，该平台致力以“光伏绿色供应链”为宗旨，在物料供应、生产制造、应用推广、报废处理的全生命周期内，打造我国光伏绿色技术和应用的合作交流平台。该联盟的成立有利于实现中国可再生能源比例的国家目标和减排义务，填补国内致力于光伏绿色供应链的第三方专业服务的空白，推动环保、新型光伏产品和材料的创新研究和应用，解决光伏全生命周期内的环境和生态风险。