基于激光处理的双玻光伏组件分层机理研究

《Journal of Environmental Management》：Investigations on the delamination mechanism of double-glass photovoltaic modules based on laser treating

　　

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  预热拓宽了稳定激光分层处理的加工窗口。
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  激光能量密度主导EVA/Si界面四种分层状态。
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  EVA脱乙酰化、SiN_x烧蚀和Si再熔化削弱界面结合力。
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  界面气体压力可能辅助裂纹的引发和扩展。
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  合适的能量窗口可实现玻璃和硅的低损伤回收。

引言

在碳中和目标的推动下，近年来全球光伏（PV）产业迅速扩张。与此同时，早期部署的光伏系统已接近其典型的约25年使用寿命末期，使得报废光伏组件的管理日益紧迫（Seo et al., 2021; Wang et al., 2022; Meena et al., 2024）。这些组件蕴含着潜在的环境风险，但也具有可观的资源回收价值，因为它们含有银和硅等贵重材料。若不进行有效回收而直接废弃，将导致资源流失并带来额外的环境负担（Deng et al., 2022; Su et al., 2024）。因此，高效回收报废光伏组件中的材料对于减轻环境负担和推动光伏行业循环经济至关重要。

常规晶体硅光伏组件通常具有"玻璃—封装料—电池片—封装料—背板"的五层结构。盖板玻璃提供机械保护和光学透过性，封装料将太阳能电池粘结固定并保护其免受外部环境侵袭，背板则提供电气绝缘、防潮和耐候保护（Trivedi et al., 2023; Wang et al., 2024）。此外，太阳能电池通常涂覆一层SiN_x减反射层，该层可减少硅表面的光学反射、增强光吸收，从而提升光电转换效率（Wan et al., 2013）。因此，选择性地分离该多层结构中的异质界面对于高效组件回收至关重要。近年来，双玻光伏组件的市场份额持续增长，其以后置玻璃层替代聚合物背板，形成"玻璃—封装料—电池片—封装料—玻璃"结构（Xu et al., 2025）。与常规背板光伏组件相比，双玻光伏组件具有更高的机械强度、耐湿热性能、长期可靠性以及双面发电兼容性，因此在大型地面光伏电站及其他户外应用中展现出广阔前景（Sun et al., 2018; Hwang et al., 2023; Mahim et al., 2024）。然而，额外增加的一层玻璃使多层封装结构更加复杂、界面耦合更为紧密，从而增加了选择性分层分离和高价值材料回收的难度。

光伏组件回收主要依赖机械、热和化学方法。机械处理结合破碎、研磨和物理分离来回收组成材料（Granata et al., 2014; Ko et al., 2023）。虽然该方法简单且成本低廉，但缺乏界面选择性，往往使玻璃和太阳能电池片破碎，限制了材料纯度和回收质量。热处理通过高温热解、燃烧或气化去除封装料（Deng et al., 2022; Dias et al., 2017），但需要大量能源和排放控制。近期的低温热辅助方法通过软化EVA来降低界面结合力，有望减少能源消耗和环境影响（Surowiak and Wahman, 2024; Wahman and Surowiak, 2026）。然而，其效果取决于封装料特性和组件结构，双玻组件的选择性分层仍具挑战性。化学方法使用有机溶剂或酸碱溶液使封装料溶胀、溶解或降解，以促进分离（Azeumo et al., 2019; Bruton, 1994; Kim and Lee, 2012）。其应用受限于反应动力学缓慢、化学品消耗及二次污染等问题。采用可回收或环境友好溶剂的更绿色策略旨在克服这些局限（Yang et al., 2024; Zheng et al., 2025），但溶剂回收和工艺复杂性仍阻碍其规模化应用。这些局限性促使我们开发高效、选择性更强且环境影响更低的回收方法，尤其是针对双玻光伏组件。

激光加工具有激光能量密度高、空间控制精确和非接触操作等特点，为光伏组件的选择性分层提供了一种潜在的光热途径（Phillips et al., 2015; Tumkur et al., 2025）。Li等人使用1064 nm纳秒脉冲激光照射去除背板后的单玻光伏组件背面EVA侧，实现了后封装料的机械剥离（Li et al., 2022）。然而，界面加热和结合力丧失机理未得到直接量化。Anwar等人使用355、532和1064 nm纳秒脉冲激光从玻璃侧照射模型层压件和单玻组件，量化了波长和处理参数对脱粘行为的影响（Anwar et al., 2024）。Sanathi等人使用1030和515 nm皮秒脉冲激光分离切片单玻组件中的多个界面（Sanathi et al., 2026）。这些研究证明了激光辅助光伏组件分层分离的可行性。然而，它们主要涉及单玻组件和小型或模型样品，侧重于加工窗口优化和分离质量，而非刚性双玻约束下的界面机理。对于双玻组件，Aninat等人采用近红外皮秒激光，随后进行温和加热和扭矩辅助分离，将分层归因于硅烧蚀引起的SiN_x去除（Aninat et al., 2026）。然而，该方法仍需激光后的热-机械辅助，且未研究EVA的化学改性。Zhang等人对双玻组件应用调制连续波激光，将分层归因于减反射涂层损坏和EVA脱乙酰化（Zhang et al., 2026）。然而，连续波照射仍可能在受限的双玻结构内引起热量积聚及相关热损伤。表S1中对所报道的激光辅助分层方法进行了详细比较。

本研究开发了一种预热辅助脉冲激光策略，用于双玻晶体硅光伏组件的界面分层分离，旨在高效、低损伤地将硅太阳能电池从组件中分离。辅助热源在受限的多层结构内建立了稳定的基线温度场，软化EVA封装料并降低EVA/Si界面激光诱发分层的有效阈值。随后，纳秒脉冲激光在目标界面产生瞬态局部加热，以削弱结合力并启动分层。系统研究了激光扫描参数对界面分层的影响，并利用微观和光谱技术表征了EVA/SiN_x/Si界面的结构演化。特别关注阐明不同分层状态相关的微观失效机理，以及建立光热响应、界面结构演化与宏观分离质量之间的关联。相关发现可为双玻光伏组件的高质量、低损伤、环境可持续回收提供机理基础和工艺设计指导。

章节摘要

材料与设备

本研究使用报废双玻晶体硅光伏组件，由晶澳太阳能有限公司制造。如图1a所示，组件主要由钢化玻璃、EVA封装层、晶体硅太阳能电池片、另一层EVA封装层和钢化玻璃组成。为进行对比实验，使用角磨机将全尺寸组件切割为约3 cm × 5 cm的试样，如图S1所示。

为便于回收

组件层状结构

图2a展示了未处理光伏组件的截面SEM图像，表明未处理组件总厚度约为5.3 mm，其中前、后钢化玻璃层分别约为2.05 mm和1.98 mm，EVA封装层和硅片分别约为543 μm和143.6 μm。相邻功能层之间的界面清晰且连续，各层厚度较为均匀。此外，EVA

结论

针对双玻晶体硅光伏组件的回收挑战，本研究提出了一种预热辅助脉冲激光处理策略，以实现受控的界面分层分离，并系统研究了相关的分层机理。主要结论如下：

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  预热通过软化EVA促进了激光诱发的分层分离，并降低了界面弱化所需的额外激光能量输入。增加预热

CRediT作者贡献声明

Chang Xiao：撰写—初稿，形式分析，数据整理，概念化。Shaojie Fu：资金获取，形式分析。Li Meng：撰写—审阅与编辑，资源，方法学，资金获取，形式分析。Beibei Zhu：形式分析，数据整理。Wenchang Xie：监督指导。Ruifeng Luo：监督指导，资源。Kaiwen Wei：可视化，资源。Li Niu：监督指导。Mingping Liu：监督指导。Xiaoyan Zeng：监督指导，方法学。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究得到湖北省科技计划项目（2025AFB635）的资助。所有物理和化学测试均由华中科技大学分析测试中心完成。

Chang Xiao|Shaojie Fu|Li Meng|Beibei Zhu|Wenchang Xie|Ruifeng Luo|Kaiwen Wei|Li Niu|Mingping Liu|Xiaoyan Zeng