浅谈太阳能电池回收

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  传统油源日渐枯竭,地球温室效应所带来的影响愈演愈烈,因应而起的再生能源产业成为可能拯救地球与振兴经济的方法,因此再生能源产业发展成为大家注目的焦点。以蓬勃发展的太阳能产业来看,德国研发使用太阳能电池(Photovoltaik-Module)已超过20年,且德国去年的太阳能装置容量达3GW,产电量更由2008年的4.4TWh增加至2009年的6.2TWh,发展迅速。
  随着全球太阳能产业的迅速成长,原物料的需求也随之升高,太阳能电池中重要的组成对象如:硅、锌、铅、铜、银等,若能透过技术加以回收再利用,不仅能降低产业成本,也可节省开发珍贵的矿藏,对于企业与地球而言都是一项利多。太阳能电池的开发与研究始于大约25年前,对于太阳能产业而言,由于太阳能电池使用寿命一般来讲相对较长,因此在太阳能电池刚萌芽时,产业间并未思考回收的范畴。然而随着时间流逝,过去几年中已有第一批太阳能电池相继到达除役阶段,预计到2015年,将会有为数相当可观的太阳能电池面临淘汰的问题,届时太阳能电池回收将成为重要的环保课题。
  
  回收先驱试验计划
  
  为正视未来物料短缺的问题,并为回收太阳能电池做好准备,德国环境保护部(Bundesum-weltministerium)已在2002年结合德国太阳能公司(Deutschen Solar AG)与在佛来堡(Freiburg)的TU Bergakademie研究中心成立一项研究计划。主要任务在于研发出环保且具经济效益的太阳能电池回收方法,希望透过现代科技,不仅能回收除役的太阳能电池,也能再利用制造过程中所产生的废料和破损的太阳能电池,形成一个良性的资源循环链。
  
  太阳能电池基本组成对象
  
  根据德国PV RECYCLE研究报告,太阳能电池主要可分为两大类:一为结晶状硅太阳能电池,二为非结晶状硅太阳能电池。它们的主要组成物质就是玻璃(二氧化硅)、铝、硅、聚合体、锌和铅等,非结晶状硅太阳能电池含硅量可高达90%,结晶状硅太阳能电池的硅含量大约为3%。
  现阶段待回收的9成太阳能电池为结晶状硅太阳能电池,其它10%的太阳能电池则包括薄膜太阳能电池在内的非结晶状硅太阳能电池,且薄膜太阳能电池的回收有可能在2020年达到所有太阳能电池回收数量的20%。
  随着科技的日新月异,至2020年时,有可能太阳能电池本身即以有机材料制成,因此所形成的除役太阳能电池就没有所谓回收的问题存在,但目前这些想法仍停留在试验阶段。虽然太阳能电池回收仍属于试验阶段,尚未成熟。但2008年整个欧盟即有3,800吨的废太阳能电池等待回收处理。至2030年预计将达到130,000吨,因此庞大的除役太阳能电池必须采取必要的回收方法。
  
  永续回收效益原则
  
  对厂商而言,如果不能将回收的太阳能电池再加以利用,而只是单纯的汰旧回收与换取费用,并没有实质意义。太阳能电池回收的效益主要在于,回收之后所拆下取得的对象能重新使用,不必再购进新货,或者更理想的是,若技术层次许可的话,能将所有零件分离至原物料的阶段,将是最符合回收成本效益的原则。例如回收获得纯硅,之后再熔铸成多结晶粒的浇铸块,而形成最后需要的晶圆。由此做起,比起由石英矿砂中提炼硅的高昂成本要显得实惠。
  原本所采定的回收目标是希望取得完好的电池再利用,但目前此一想法已被扬弃,原因在于现今的太阳能电池非常薄(小于180mμ),且容易于运送与建置时受损,因此回收整颗电池已不具商业意义。
  
  回收技术
  
  不同的回收技术决定太阳能电池的环保回收效益,以捻碎撕裂与燃烧方式所进行的回收,则取得铜与玻璃的回收率低。成品再利用的可能性也低,因此即便回收成本低廉,因为回收效益不良而不受到重视。
  在先前所提到的研究计划为架构之前提下,经过2002至2005年的试验研究后,在佛来堡成立了一个示范式的太阳能电池回收中心。实际运作原则在于,以符合环保条件与经济效益,回收处理太阳能电池内的硅,因为硅为制造太阳能电池重要的对象之一,虽然回收程序复杂,但由于回收的硅可以直接再使用,而使得回收深具环保与经济效益。除此之外,也着重于避免因采烧灼技术而产生对环保有害的有毒物质,并降低因回收其它对象的成本。
  该回收中心执行的回收程序主要可分为两种:一是以人工方式回收,生产力效率较低,成本高,回收率不尽理想;二是利用自动化机械回收则可达较高生产力,回收率高成本低,以下分别说明。
  一、人工回收
  在2002年开始运作的全世界首座太阳能电池回收厂,可回收不同厂商以不同技术所制造出的太阳能电池,其中还包括产自德国与比利时两国的第一批太阳能电池。该回收程序大致上可分为两个,首先是将太阳能电池分门别类为单结晶硅、多结晶硅和非结晶硅,再依以下两个步骤进一步拆开电池中的组件:一、利用电热法将电池中的塑料组件分离出来,玻璃和半导体也拆出来,加以分类并进行回收;二、以蚀刻法取得回收太阳能电池中的晶圆。
  二、自动化回收
  为要节省成本并增加回收效率,该回收厂也试验机械自动回收方式,该中心所采用的机械是比利时制造的自动化机械,其回收不论是破损或是完整的太阳能电池皆可回收,每年的处理量可达2万吨。目前工作人员仍努力提升自动化回收的效率及精准度,而所获得的硅被熔解做成晶圆重新运用在新太阳能电池中,节省了可观的原物料以及制造时的相关成本。
  
  薄膜太阳能电池回收
  
  薄膜太阳能电池的表面,分布非结晶的硅,必须靠精细的切离技术,使硅与面板分离以达到回收目的,因此它的回收成本也相对较为高昂。
  90年代后期,美国的第一太阳能公司(First Solar)开始回收薄膜太阳能电池,大致可回收90%的玻璃和95%的半导体,目前采用类似方法回收的厂家分别在美国和德国,回收的方式为:太阳能电池以捻碎机加以细碎化,再用研磨机将之磨成4~5mm的小块状,之后在不锈钢滚筒中注以酸剂,将薄膜和玻璃等分离出来,这时滚筒中的液体充满金属,以三段式的化学沉淀程序注入高碱中和清洗,最后以特殊的过滤器过滤出细层硅以重新利用。
  太阳能电池回收再利用对于环保而言非常有益,随着回收技术的成熟,未来的回收率可望达到95%,不论是在产业或是节能范畴上都具有正面意义。试想,制出太阳能电池里的硅所需要的能源与成本。为直接回收太阳能电池中的成品硅的3倍之多,而回收里头的晶圆也是如此,因此回收太阳能电池再利用值得成为大家努力的方向。
  另一方面,德国PV RECYCLE协会为要持续推动太阳能电池回收并将之产业化,在欧盟建立一套功能性强且具良好形象的回收系统,也成为现阶段刻不容缓的执行事项。
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