光伏产业矿物循环策略：应对资源供应与废物管理的双重挑战

本研究针对光伏快速发展带来的资源短缺与废物管理难题，通过动态物质流分析评估了五种光伏技术在全球三种能源情景下的二次材料供应潜力。结果表明，到2050年累计材料需求达705-1879兆吨，废物产生量达238-529兆吨。循环策略可使二次材料年供应率从2020年的3.3%提升至2050年的43.4%-101.6%，银和碲可能出现过剩。该研究量化了人为矿物循环在降低金属关键性（减少6.6%-55.0%）、创造3210-7000亿美元经济价值和减少697.0-1546.1兆吨CO2当量排放方面的多重效益，为能源转型提供了重要见解。

　　

随着全球能源转型加速推进，太阳能光伏（PV）已成为最具潜力的清洁能源之一。从2000年的不足1吉瓦（GW）到2022年的1053.1吉瓦，光伏装机容量实现了超过800倍的增长，预计到2050年将成为全球最主要的电力来源。然而，这种爆发式增长背后隐藏着严峻挑战：一方面，光伏设备的大规模部署需要消耗大量矿产资源，特别是银（Ag）、碲（Te）、铟（In）等关键金属的供应安全令人担忧；另一方面，早期安装的光伏系统即将迎来报废高峰，如何妥善处理这些固体废物成为亟待解决的环境问题。

面对这一双重挑战，上海交通大学许振明教授团队在《Nature Communications》上发表的最新研究提出了创新解决方案：通过人为矿物循环（anthropogenic mineral circularity）策略，将报废光伏设备中的有价值材料重新引入供应链，实现从"资源-产品-废物"的线性模式向"资源-产品-再生资源"的循环模式转变。研究团队开发了定制化的建模框架，首次从全球尺度系统评估了五种主要光伏技术在不同能源情景下的二次材料供应潜力。

研究方法上，团队采用动态物质流分析（MFA）模型，结合国际能源署（IEA）的三种能源情景（既定政策情景SPS、可持续发展情景SDS、净零排放情景NES），基于历史安装数据和未来部署预测，使用威布尔（Weibull）分布函数模拟光伏组件寿命，量化了2000-2050年间全球光伏系统的材料流入和流出。研究还创新性地将平衡系统（BOS）组件（包括支架、电缆、逆变器）纳入分析范围，克服了以往研究仅关注光伏模块的局限性。

动态物质流分析

研究结果显示，光伏装机容量呈现显著增长趋势，到2050年，SPS、SDS和NES情景下的年新增装机容量分别达到约255吉瓦、656吉瓦和700吉瓦。材料流动分析揭示了一个重要现象：尽管装机容量持续增长，但由于技术进步带来的材料强度降低，年材料流入量增长呈现放缓趋势，特别是在SPS情景下，年材料流入量维持在约20兆吨（Mt）水平。

与此形成对比的是，材料流出量呈现指数增长，到2050年，SPS、SDS和NES情景下的年流出量预计分别达到15.9兆吨、25.1兆吨和44.8兆吨。研究发现，模块占总质量的57%，BOS组件占其余部分，其中晶体硅（c-Si）模块在整个研究期间占模块相关重量的80%-90%。

累计到2050年，材料总流入量预计达到706-1879兆吨，流出量达到238-529兆吨。基础材料和硅（Si）占总重量的99%以上，应是回收工作的重点目标，而银和碲等高价值材料虽然仅占0.04%，也应优先开发针对性的回收技术。

二次材料供应潜力

基于量化的材料流入流出数据，并结合当前回收技术的回收率，研究评估了二次材料的供应比例和考虑二次供应后的净材料需求。在SDS情景下，大多数材料的净需求在2035年后趋于平稳或下降，凸显了回收在缓解资源压力方面的作用。

银和碲表现出独特的时间动态特征。银的二次供应比例在2035-2040年间达到峰值，暂时超过需求出现供应过剩状态，这主要归因于早期阶段制造的银含量较高的组件达到报废期。碲的供应比例稳步增长，到2045年后在所有情景下均预计出现过剩条件。基础材料如铁（Fe）、铜（Cu）、铝（Al）和玻璃仍然是重点回收目标，但聚合物的低回收率仍是主要障碍。

到2050年，二次材料年供应比例在SPS、SDS和NES情景下分别达到70.5%、43.4%和101.6%。净材料需求相应变化：SPS下降至6兆吨，SDS在2035年左右达到峰值30兆吨后趋于稳定，NES到2050年降至接近零水平。这些结果突显了循环供应链在抵消初级需求方面日益增长的重要性，特别是在积极脱碳情景下。

区域分析显示，亚洲在光伏部署和回收需求方面均占主导地位，而非洲的份额最低。不同大洲需要制定针对性的策略，考虑基础设施准备情况、经济能力和部署成熟度。

人为矿物循环的多尺度效益

研究从三个关键视角评估了光伏系统回收的潜在激励：金属关键性缓解、经济潜力和碳减排。基于三维金属关键性评估框架的结果显示，回收的引入显著降低了供应风险和对供应限制的脆弱性维度，从而缓解了整体金属关键性。

经济潜力方面，三种能源路径下从2020年的6-13亿美元增长到2050年的115-259亿美元。基础材料和贵金属产生的经济回报最高，其中铝、银和铜贡献了主要价值。环境方面，回收提供了可观的碳减排效益，从2020年的130-180万吨CO₂当量增加到2050年的4250-17560万吨CO₂当量。

敏感性分析

研究对四个关键参数进行了敏感性分析：市场份额、重量功率比、寿命和回收率。结果显示，第三代光伏技术的扩张虽然对材料流出影响有限，但显著减少了材料流入和净需求。重量功率比的变化直接影响材料需求，寿命变化显著影响材料流出，变化幅度高达30%，而回收率的影响较小，通常在1%-3%范围内。

政策启示

研究分析了前十名光伏装机容量国家的监管框架，发现欧盟通过光伏特定报废指令实现了95%以上的回收率，而中国和美国由于缺乏统一法规，回收率较低。研究表明，在欧盟式的强政策框架下，全球95%的收集率到2050年可满足41.2%-96.5%的材料需求，而按照中国的低收集率，这一贡献仅为4.3%-10.2%。

基于研究结果，团队提出了三项政策建议：加强监管指令，在亚洲和北美等高二次供应潜力地区建立区域回收目标；部署有针对性的财政激励，如认证回收商补贴和押金返还计划；建设机构和基础设施能力，通过公私合作伙伴关系投资区域回收基础设施。

该研究首次在全球能源情景框架下，系统评估了退役光伏系统中人为矿物的二次供应潜力，涵盖了五种光伏技术和BOS组件。研究结果验证了循环策略在缓解长期能源转型材料约束方面的可行性，为政策制定者和行业参与者提供了科学依据，推动光伏产业向真正的循环经济模式转型。