太陽光電模組之材料回收與資源循環技術(上)

 

刊登日期:2018/6/5
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太陽光電模組的回收使用到各種化學與物理的處理程序,這些處理程序其實早已實際應用在其他種類廢棄物的回收程序上,例如電子產品廢棄物或五金的回收處理,因此使用這些處理技術將有助於進行太陽光電模組的分解及回收。太陽光電模組中含有多種塑膠類封裝材料,例如聚乙烯-乙酸乙烯酯及聚氟乙烯,回收程序上首先要將塑膠材料移除,才有辦法進行後續的分解回收處理程序,然而當相同材料使用在不同種類的太陽光電模組時,所對應到的回收處理方式仍然會依不同的模組結構特性而有所差異。

本文將分上、下兩期,介紹幾種已經實際使用在大型發電站的太陽光電模組產品及其回收處理方法,並探討各種回收材料之經濟效益與環保效益。
(上集)
‧前言
‧太陽光電模組之回收方法
 1. 結晶矽太陽光電模組
 2. 矽薄膜太陽光電模組
(下集)
 3. CdTe太陽光電模組
 4. CIGS太陽光電模組
 5. III-V太陽光電模組
‧太陽光電模組回收之效益
‧結論

【內文精選】
太陽能發電是一種綠色能源,太陽光電模組被設計成可以長年使用,壽命長達20~25年,因此大量的廢棄模組也變成是在設置25年後才會開始產生,這使得在建構太陽能發電系統時,很容易忽略未來將會產生的垃圾量以及預先建置後續的處理流程。圖一是歷年來太陽能的設置量與未來預估的垃圾產生量。在本世紀初期太陽能的裝置量還非常低,從2007年開始太陽能的裝置量就以倍數成長,以結晶矽的太陽光電模組為例,260 W的模組平均重量約18~19公斤(30 0~350 W模組約24~26公斤),換算起來每1 MW的太陽光電模組將會產生71公噸的廢棄物,由於太陽光電模組的壽命長達25年,因此廢棄物將會在2023年開始出現,並且在10年內由2萬公噸增加到3,600萬公噸,因此廢棄太陽光電模組的分解回收(Recycle)技術是必須要預先建立的,以因應未來產生的大量太陽能廢棄物。

圖一、全球歷年太陽能設置量與廢棄物產出量之預估
圖一、全球歷年太陽能設置量與廢棄物產出量之預估

太陽光電模組之回收方法
太陽光電模組的主要構件為太陽能電池,太陽光電模組的區分取決於內部所使用的太陽能電池種類,太陽能電池可分為三大種類:矽基太陽能電池、化合物型太陽能電池與有機太陽能電池,圖四即為太陽能電池的分類。由於矽晶(Silicon)技術的成熟以及低廉的成本優勢,市場上90%的太陽光電模組使用結晶矽的太陽能電池。高效率的異質接面太陽能電池(Heterojunction with Intrinsic Thin Layer; HIT)雖然有著優異的性能表現,但是由於技術門檻高,市占率極低,矽薄膜電池由於光電轉換效率不及結晶矽的太陽能電池,因此市占率也不高。其他種類的薄膜太陽能電池包含碲化鎘(CdTe)與銅銦鎵硒(CIGS),這兩種太陽能電池目前的市占率小,而且裝置地點分布在國外,在台灣少見。III-V族太陽能電池的光電轉換效率高,在地面上一般會搭配聚光鏡片成為聚光型太陽能發電系統來使用。有機太陽能電池目前則是尚未運用在大型發電站。
1. 結晶矽太陽光電模組
結晶矽太陽光電模組有許多種類,但是其組成結構大多很相近,差異只是在裡面的電池具有不同的結構而已。太陽能電池的種類依照結構可分為:傳統結構電池、選擇式射極電池(Selective-emitter Solar Cell; SE)、金屬貫穿式電極電池(Metal-Wrapthrough Solar Cell; MWT)、交趾式背接觸電極電池(Interdigitated Back-contact Solar Cell; IBC)、雙面照光式電池(Bifacial Solar Cells)與PERC電池(Passivated-emitter Rear Cells)。圖五是上述六種類太陽能電池的結構,傳統太陽能電池具有簡單的p-n接面、表面抗反射層及金屬導電層;SE電池在表面多了一個n+層結構以提升正電極的接觸;MWT利用貫穿的孔洞把正面電極導向背面以增加正面的照光面積;IBC電池則是將電極全部製作在背面,讓電池的照光面積最大化;雙面電池的正反兩面都能照光發電;PERC電池則是將許多可提升電池特性的技術通通整合在一起。不論使用何種電池結構,電池都是使用單晶矽晶片或多晶矽晶片來製造的。

圖五、不同結構的結晶矽太陽能電池(a)傳統結構電池;(b) SE電池;(c) MWT電池;(d) IBC電池;(e)雙面電池;(f) PERC電池
圖五、不同結構的結晶矽太陽能電池(a)傳統結構電池;(b) SE電池;(c) MWT電池;(d) IBC電池;(e)雙面電池;(f) PERC電池

結晶矽太陽光電模組的製程包括矽晶生長、晶片切片、電池製造與模組封裝。從晶體到晶片大約有68%的矽材料損失,製程損失矽料包含長晶頭尾料、邊料、坩堝殘料與製程破片,這些損失矽料都會回收再重熔使用,甚至連切片產生的廢料也都有技術可以進行回收,此回收程序不會很複雜,因為這些矽廢料的成分很單純(矽純度99%以上),只要將裡面的微量雜質移除即可。但是製作成太陽光電模組後的回收程序就變得比較複雜,因為結晶矽太陽光電模組是由太陽能電池、玻璃板、Ribbon、EVA、背板與鋁框等多種物件所構成。

分解結晶矽太陽光電模組需要多個步驟,其中最困難的是封裝材料的移除,由於太陽能電池在模組中是被EVA整個包覆起來夾在背板與玻璃板之間,因此分離並不容易。曾經有研究使用有機化學溶液浸泡來分解EVA達到模組分離的目的,雖然結果顯示EVA可以被溶解,但是時間過長無法實際運用在大型模組。圖七所示的單片電池模組就需要花費數天才能讓化學液體完整滲透進入模組內部;如果是市面上長寬超過1米以上的模組,花費的時間可能長達數週;若將太陽光電模組直接絞碎以方便EVA的化學分解,之後再來進行其他成分的分離,會因結晶矽太陽光電模組的成分過於複雜,反而增加分離回收的難度。目前比較簡單的方式是用燃燒法(圖八),以500˚C以上的高溫熱處理直接將EVA與背板燒掉,剩下不會燃燒的玻璃板、太陽能電池片與Ribbon,再進行後續的回收處理程序。圖九是結晶矽太陽光電模組的回收處理流程,首先將...…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:王珽玉/工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」378期,更多資料請見下方附檔。


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