[论文解读] Towards long term sustainability of c-Si solar panels: the environmental benefits of glass sheet recovery

Marcos Paulo Belançon, Marcelo Sandrini+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2021

Photovoltaic Systems and Sustainability参考文献 37被引用 17

一句话总结

本研究提出一种热辅助机械方法，用于从使用寿命终结的晶体硅（c-Si）太阳能板中回收玻璃片，证明回收后的玻璃在结构和化学性质上保持完整，可直接再利用。该工艺无需重新熔炼，每年可减少超过200万吨的能源消耗和二氧化碳排放，为光伏产业实现长期可持续发展提供了可扩展、低影响的路径。

ABSTRACT

The cover glass in a silicon solar panel accounts for about 2/3 of the device's weight. Recycling these devices at their end-of-life is fundamental to reducing the industry's environmental impact. Here we investigate the recovery of these glass sheets by a heat-assisted mechanical process. A panel was delaminated, and we have utilized Fourier-transform infrared, Raman, and energy-dispersive spectroscopies to confirm the composition of the remaining components and identify aging signals. The results demonstrate that the panel's design was similar to most Silicon solar panels in the market, and we concluded that it would be feasible to recover the glass in most of these devices. Due to its chemical and mechanical strength, this glass would be ready to be reused without the need to melt it again, bringing substantial savings in its energy content and carbon emission related to its production. The glass sheet would be ready to be used as cover glass in another solar panel or architecture material. Our estimates showed that this could be a pathway to reducing the photovoltaic industry's carbon emissions by more than 2 million tonnes per year.

研究动机与目标

• 评估再利用使用寿命终结的c-Si太阳能板玻璃以减少环境影响的可行性。
• 开发并测试一种低能耗、非化学性的分层剥离工艺以实现玻璃回收。
• 评估回收玻璃在新太阳能板或建筑应用中的化学与机械完整性。
• 量化在光伏产业中大规模再利用玻璃所带来的碳排放减少潜力。
• 应对随着产业向太瓦级部署发展而日益严峻的c-Si太阳能板使用寿命终结废弃物挑战。

提出的方法

• 选取一块服役五年后的0.18 m² Kyocera KS20T c-Si太阳能板进行测试。
• 手动拆除铝制边框后，将组件预热至85 °C，持续30分钟，以软化EVA封装材料。
• 通过人工剥离方式，利用机械力将层压层（背板、电池片、互联条）从玻璃表面分离。
• 采用傅里叶变换红外光谱（FTIR-ATR）、拉曼光谱及扫描电镜/能谱仪（SEM/EDS）确认材料成分并检测老化效应。
• 该过程重点保护玻璃完整性，以实现无需再加工或重新熔炼即可直接再利用。
• 该方法设计具备可扩展性与环境友好性，避免使用有毒化学品或高能耗输入。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过热辅助机械工艺从使用寿命终结的c-Si太阳能板中完整回收玻璃片，且无需重新熔炼？
• RQ2 在户外环境中暴露数十年后，回收玻璃的化学与机械稳定性如何？
• RQ3 回收玻璃在多大程度上可直接用于新光伏组件或建筑应用？
• RQ4 与生产新玻璃相比，再利用玻璃可实现多大程度的能源节约与碳排放减少？
• RQ5 该回收方法在c-Si光伏大规模部署背景下的可扩展性与环境可持续性如何？

主要发现

• 通过FTIR、拉曼光谱与EDS分析，回收玻璃片未检测到明显劣化，其结构与化学完整性得以保持。
• 确认该玻璃可直接用于新太阳能板或建筑建材，无需再加工。
• 该剥离工艺仅通过加热与机械力，即成功将玻璃与EVA及其他层压材料分离。
• 该方法避免了重新熔炼，预计可节省每公斤玻璃2–3 kWh的能源，同时每公斤玻璃生产可减少0.2 kg的二氧化碳排放。
• 本研究估算，若广泛采用该玻璃回收方法，可使光伏产业每年减少超过200万吨的碳排放。
• 该方法具备可扩展性且环境友好，为提升c-Si太阳能板全生命周期可持续性提供了切实可行的路径。