无框POE封装玻璃-玻璃光伏组件回收策略的生命周期影响与经济评估

《Solar Energy Materials and Solar Cells》：Life cycle impact and economic assessment of recycling strategies for frameless POE encapsulated glass–glass photovoltaic modules

　　

•评估了 POE 全玻璃光伏回收的环境和经济影响。
•对比了三种回收场景和两条化学工艺路线。
•针对性回收降低了工艺负担，但减少了回收材料的价值。
•回收材料的质量强烈影响环境效益。
•尽管银的质量极低，但它主导了回收材料的收入。

引言
太阳能光伏（PV）技术是低碳发电的主要贡献者之一。截至 2025 年底，全球累计光伏装机容量达到 2953 GWp，其中包括欧盟安装的 411 GWp [1]。为了满足可再生能源情景并实现气候目标，预计装机容量将继续增长 [1]。尽管光伏系统在运行期间提供环境效益，但装机容量增长也意味着未来退役（EoL）组件流逐渐增加 [2]。这带来了与材料需求、废物产生和退役光伏组件管理相关的挑战 [3]。因此，开发高效的回收策略对于避免不当处置并回收可重新引入工业价值链的材料至关重要 [4]。

晶体硅（c-Si）型光伏组件主导当前市场，因此在未来几十年中将占光伏废物的主要部分 [5]。这些组件由多层结构组成，其中玻璃、封装剂、太阳能电池、金属带和背材紧密粘合 [6]。这种结构在运行期间提供了耐用性，但使得退役阶段的材料分离变得复杂 [7]。典型的 c-Si 光伏组件主要由玻璃和铝（Al）组成；然而，它包含重要的相关材料，包括银（Ag）、硅（Si）和铜（Cu）[7]。尽管玻璃和铝的回收可能足以满足基于质量的回收目标 [8]，但硅、银和铜的回收对于提高回收的环境和经济价值很重要 [9]。这尤其相关，因为硅生产是能源密集型，光伏中使用的全局银份额显著，并且铜通过避免原生生产既贡献了材料价值又具有环境相关性 [10], [11], [12]。

已对 c-Si 光伏组件进行了几种回收方法的研究，包括机械、热、化学和联合处理路线 [13]。机械处理，如破碎、切碎和研磨，由于处理相对简单且能够处理大量废物，因此很方便 [14], [15]。机械处理方法通常用于低质量回收（降级回收），以回收铝框、铜电缆和玻璃 [6]。然而，仅机械处理通常会导致不同组件层的同时破碎，导致混合级分并降低回收材料的纯度 [16]。热处理可以分解封装聚合物和塑料背材，以干净地分离玻璃、太阳能电池和金属带 [17], [18]。然而，热分层是能源密集型的，并且可能根据处理条件和气体处理系统产生排放 [19]。化学处理可用于分层或从太阳能电池中选择性回收金属，使用酸性或碱性溶剂 [20], [21], [22], [23]。然而，化学路线可能需要大量试剂以及对废液或残余流的处理 [6]。

由于单一回收方法存在特定局限性，已探索混合回收路线以改进回收过程、回收效率和材料质量。在混合回收中，机械预处理可用于减少或浓缩需要后续热或化学处理的质量 [16]。然后热处理可协助去除封装剂残留物，暴露太阳能电池和金属带以进行进一步材料回收 [19]。最后可应用化学处理回收选定金属或提高特定级分的纯度 [24]。先前的研究表明，机械、热和化学步骤的组合可以实现从 c-Si 光伏组件中高度的材料回收率 [25]。然而，回收中的高回收率和纯度通常需要工艺复杂性，增加能源和处理材料的消耗 [26]。因此，仅回收效率不足以确定回收路线是否环境更优。

生命周期评估（LCA）是一种适合评估回收材料的效益是否超过与回收操作相关的负担的方法 [27]。在光伏回收研究中，LCA 允许将直接与电力和化学消耗相关的工艺影响与通过替代原生资源避免的回收材料影响进行比较 [28], [29], [30]。先前的 LCA 研究表明，光伏回收可以提供环境效益，尽管结果强烈取决于工艺配置、回收效率、材料质量、运输和背景能源系统 [31], [32], [33]。高效回收可能产生比降级回收更高的工艺负担，但这些影响可以通过回收高质量材料（如硅和银）来抵消 [34], [35]。一项中试规模的 LCA 研究进一步表明，回收环境效益的大小强烈取决于材料纯度和假设的替代路径 [36]。电力消耗也被确定为重要的敏感性参数，特别是在比较具有不同能源需求的处理场景时 [37]。

除了环境评估外，经济评估对于理解光伏回收的实际可行性也很重要。先前的研究表明，当处理成本超过从回收材料获得的收入时，回收过程可能面临经济限制，特别是在实验室规模、高电力和化学消耗、长处理时间和劳动密集型操作方面 [9], [38]。然而，其他研究表明，在规模化条件、提高效率以及回收材料价值更高的情况下，光伏回收可以变得经济可行 [39], [40]。回收材料的纯度和市场性起重要作用，因为高价值材料的回收可以改善环境和经济成果 [41]。即使没有详细的技术经济评估，简化的经济评估也可以提供成本与收入平衡的见解。因此，回收策略不仅要根据环境影响进行评估，还要根据其通过材料回收和价值保留支持循环性的能力进行评估。

大多数现有的光伏回收研究集中在封装有乙烯 - 醋酸乙烯酯（EVA）、含有塑料背材和铝框的传统光伏组件上。然而，新组件设计越来越多地使用聚烯烃弹性体（POE），特别是在双面和全玻璃配置中 [42]。最近的研究开始调查 POE 封装全玻璃组件的分层和混合回收方法 [43], [44], [45], [46]，表明其材料结构和封装剂行为需要适应性回收策略。无框结构代表一种单独的设计选择，不应被视为 POE 或全玻璃组件的固有特征。尽管铝框组件仍占主导地位，但最近的预测表明，无框组件预计在未来十年保持一个小但持续的市场份额 5% [42]。这使得它们成为一种相关的利基配置，应考虑其特定的退役影响。无框组件可以通过移除去框步骤简化回收过程 [47]，而铝框相对容易回收，并可为回收收入提供实质性贡献 [48]。相比之下，全玻璃架构增加了可回收玻璃的数量和重要性，并消除了塑料背材。因此，所研究的 POE 封装、全玻璃结构和无框设计的组合改变了所需的回收操作以及回收材料的相对环境和经济重要性。

由于所研究的 POE 封装光伏组件回收路线基于实验室规模实验数据，其评估可以在工业规模化之前支持识别热点和潜在改进机会。因此，基于先前报告的分层、化学和混合回收方法 [44], [46], [49]，本研究评估了其环境和初步经济性能。应用生命周期评估来比较基本组件处理路线与涉及机械分级、选择性热处理和选定材料级分化学回收的针对性及改进针对性场景。此外还进行经济评估，以评估回收材料价值的变化是否证明了选择性提高和工艺复杂性的合理性。通过比较替代化学路线和电力供应条件，本研究提供了工艺强度、回收投入、材料回收、环境性能和经济可行性之间权衡的见解。

章节片段
目标与范围定义
本研究的目标是评估无框 POE 封装全玻璃光伏组件回收场景的环境和初步经济性能。该评估被设计为基于先前开发的实验室规模回收结果的早期比较研究。
功能单元定义为回收一个总质量约为 27 公斤的完整光伏组件。应用“厂门到厂门”系统边界，涵盖组件回收阶段。
参考条件下的比较环境评估
首先在参考条件下评估回收场景的环境性能，即使用欧洲电力组合和 C1 化学处理路线。图 2 展示了选定类别的相对影响结果，其中每个类别中绝对量最高的场景缩放为±100%，其余场景按比例表示。负值表示净环境效益，意味着避免

结论
本研究对比了三种回收场景和两条化学处理路线，针对无框 POE 封装全玻璃光伏组件。S2 和 S3 中的针对性回收通过将热处理限制在选定级分来减少工艺相关负担，导致影响低于 S1。在针对性场景中，S3 通常实现了最低的处理负担。然而，由于其回收的更高，S1 在几个材料影响类别中保留了更强的环境效益

CRediT 作者贡献声明
Aistis Rapolas Zubas：撰写 - 审稿与编辑，撰写 - 原稿，可视化，方法论，调查，概念化。
Jolita Kruopien?：撰写 - 审稿与编辑，监督，方法论。
Gintaras Denafas：撰写 - 审稿与编辑，资源。
Floriana La Marca：撰写 - 审稿与编辑，概念化。
Alessandra Bonoli：监督，方法论，概念化。

数据可用性
数据可应要求提供。

写作过程中生成式人工智能及人工智能辅助技术的声明
在准备本工作期间，通讯作者使用 ChatGPT 和 Writefull 以提高文本的可读性和语言。使用这些工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对已发表文章的内容承担全部责任。

利益冲突声明
作者声明他们没有任何已知的竞争经济利益或个人关系，这些利益或关系似乎会影响本论文报告的工作。

致谢
作者感谢 Soli Tek R&D 为本工作提供材料。

Aistis Rapolas Zubas|Jolita Kruopien?|Gintaras Denafas|Floriana La Marca|Alessandra Bonoli