时间: 2024-06-13 02:35:27 | 作者: 氟表面活性剂
在向碳中和能源系统过渡的过程中，硅（Si）太阳能电池板的生产和使用量飞速增加。为减少对环境的影响，迫切地需要开发一种高效的回收方法来处理报废的硅太阳能电池板。
在此，武汉大学尹华意与汪的华教授报告了一种简单的盐蚀刻方法，可在不使用有毒矿物酸和不产生二次污染的情况下回收报废硅太阳能电池板中的银和硅。这种蚀刻工艺得益于熔融氢氧化物的高腐蚀性，它通过自上而下的方向与硅晶片表面的SiNx、SiO2、Al2O3和Al自发发生反应，从而直接将Ag从硅晶片中分离出来。蚀刻过程仅需180秒，即可从报废硅太阳能电池板中回收大于99.0%的银和大于98.0%的硅。此外，硅太阳能电池板中的铜、铅、锡和铝也通过氧化、碱性浸出和电沉积相结合的方法得到了回收。总之，这项研究提出了一种可持续管理报废硅太阳能电池板的可行方法，为循环经济铺平了道路。相关研究成果以题为“Recycling of silicon solar panels through a salt-etching approach”发表在最新一期《Nature Sustainability》上。
文章详细的介绍了回收过程的战略设计，展示了处理报废硅光伏电池板的系统方法。该过程从拆卸面板开始，然后使用各种技术分离不同的组件，例如铝 (Al) 框架和玻璃的感应熔炼以及硅电池的熔盐蚀刻。这种多步骤流程确保了高纯度材料的高效回收，这些材料可以在新光伏电池板的生产中重复使用，从而形成材料供应链的闭环。
回收过程有几个不同的步骤：（1）拆卸： 首先拆解 EoL 光伏电池板，以分离晶体硅电池、铝框、玻璃和焊条。这包括热解交界处的有机物，以获得不同的组件。（2）感应熔化： 使用感应熔化器重新熔化铝框和玻璃，确保完全回收。（3）盐蚀刻：在熔融的 NaOH-KOH 中对晶体硅电池进行蚀刻，以去除表面涂层并剥离银线。这一步骤对于在不使用有毒化学品的情况下回收银和硅至关重要。（4）氧化和碱性浸出：将含有铜、铅和锡的焊锡条氧化并溶解在 NaOH 溶液中。这一步骤可分离出铜带，而铅和锡则通过电沉积回收。表征包括回收材料的效率和纯度，其中银的回收率超过 99.0%，硅的回收率超过 98.0%。
回收工艺的核心是利用熔盐蚀刻分离银和硅。文章详细的介绍了熔融NaOH-KOH如何选择性地与SiNx、SiO2和Al2O3等表面涂层发生反应，从而有效地将银线从硅晶片上剥离。这种方法快速缩短了加工时间，而且无需使用有毒的酸，是一种环保的替代方法。
文章中的图片说明了蚀刻前后硅电池的结构，显示了蓝色SiNx减反射层的去除和银丝的释放，这些银丝通过过滤被收集起来。蚀刻过程非常高效，硅的损失极小，确保了高回收率。
文章讨论了三种盐蚀刻方法，每种方法都适用于不一样的太阳能电池：（1）传统的Al-BSF电池：这些电池通过蚀刻去除氮化硅层并恢复银线）当前主流的PERC电池：PERC-I和PERC-II电池采用类似的蚀刻工艺，显示了该方法的多功能性。（3）新兴的TOPCon电池：该方法也适用于TOPCon电池，显示了其在未来光伏技术中的潜力。每种途径都涉及特定的条件和处理时间，以优化材料的回收。
本文对不一样太阳能电池的盐蚀刻工艺进行了详细比较，包括Al-BSF、PERC-I、PERC-II和TOPCon电池。根据结果得出，该方法适用于各种电池架构，且银和硅的回收率和纯度较高。本文中的图片展示了蚀刻前后电池的表面形貌和成分，突出了表面涂层的去除和硅晶片完整性的保持。
盐蚀刻的机理涉及熔融的NaOH-KOH与表面氧化物和氮化物之间的高反应性。该反应有助于去除SiNx、SiO2和Al2O3，从而使Ag线与Si晶片分离。该过程由热力学驱动，熔融盐为高效蚀刻和材料分离提供了必要条件。本文包括详细的化学方程式和反应途径来解释蚀刻机理，并得到了实验数据和微观分析的支持。
除了银和硅之外，回收工艺还针对焊料带中的其他有价值金属，如铜、铅和锡。该工艺包括：（1）氧化：焊料带被氧化，将铅和锡转化为各自的氧化物。（2）碱浸：将氧化物溶解在NaOH溶液中，分离铜带。（3）电沉积：通过逐步电沉积回收铅和锡，达到高纯度。文章中的图表说明了氧化过程和随后的金属回收，显示了该方法在处理多种材料方面的有效性。
本文包括生命周期评估(LCA)，以评估所提出的回收方法对环境的影响。LCA考虑了能源消耗、温室气体排放和材料回收效率等因素。根据结果得出，与传统回收方法相比，盐蚀刻法对环境的影响较小，这主要是由于消除了有毒化学物质和二次污染。
本文提出了一个概念，即利用盐蚀刻方法从EoL c-Si面板直接进行Ag-to-Ag转换，而不是目前的Ag-to-Ag+-to-Ag转换，同时全面回收硅、铜、铅、锡和铝。硅（例如，大于98.0%）和银（例如，大于99.0%）的高回收率归功于快速蚀刻速率带来的选择性蚀刻反应，以及硅太阳能电池和熔盐薄层之间的密闭性。铜、铅和锡的回收是通过碱性溶液中的选择性氧化、碱性浸出和分步电化学沉积实现的。必须要格外注意的是，盐蚀刻和焊料回收都只使用碱性溶液来驱动分离，从而大幅度减少了二次废物和环境足迹。生命周期评估分析表明，盐蚀工艺在碳排放、二次废弃物产生和能源消耗方面的环境足迹较小。因此，这种清洁的回收方法解决了马上就要来临的材料危机，有助于我们实现太阳能电池的可持续发展。
在实际应用中，应尽可能保持硅片的大尺寸，以促进银、硅分离，避免硅的过度腐蚀，同时应回收水和碱，以减少对环境的影响。从这个方面来看，太阳能电池的拆解对于整个回收过程的利用很重要。总之，这项工作提供了一种从 EoL 硅电池板中提取有价值元素的绿色方法，旨在释放材料供应危机的压力，减少碳足迹，实现材料闭环，以追求蒸蒸日上的光伏产业的可持续性和循环经济。
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