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焦點專欄

太陽光電板廢棄回收 機制介紹 I

  • 發佈日期:2019/1/24
  • 資料來源:本站
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前言
      太陽光電是一種可以直接將光能轉換能電能的再生能源發電設備,其太陽光電模組被設計成可以在戶外長期使用的設備,設備壽命約有20至25年左右,但即使設備的使用壽命長,還是會有使用年限屆期報廢的問題。故需要思考當大量太陽光電模組面臨報廢時,該如何將其回收再處理,減少太陽光電廢棄物的產生,同時降低對於環境的污染發生。

      我國自2010年實施FIT制度後,太陽光電設置呈現飛躍式的成長[圖1],截至2017年底我國太陽光電裝置容量達到1.7GW。依據REN21的報告[連結2],截至2017年底全球太陽光電累計裝置容量達402GW[圖2],自2009年至2017年太陽光電共成長了50倍左右,太陽光電經過多年推動已有相當成果。太陽光電模組的廢棄與回收也成為現今全球相當重視的議題,如何有效的回收處理廢棄太陽光電模組,避免大量廢棄模組造成環境的危害,是近年來各國相當重視的課題。

      依據吳曜杉(2018)[連結3]的整理說明,預估我國至2023年時將會有1萬公噸的太陽光電模組廢棄物,往後每年太陽光電模組廢棄物將以0.5至1萬噸的速度成長,預估至2036年太陽光電廢棄物總量將達到10萬噸、2045年將達18萬噸。因此我國應積極研擬相關回收機制及政策,確保未來能妥善處理太陽光電模組廢棄物,避免生態環境造成汙染。

太陽能電池技術與應用類型
      參考臺灣產業服務基金會的簡報資料[連結4],太陽光電發電系統主要由太陽光電模組、變流器(逆變器)及支架等組成[圖3],其中太陽能模組內有電池、鋁框、背板、玻璃、封裝材、鍍錫銅帶、背板及接線盒等,而電池的組成又包括矽晶片、導電膠。另外,太陽能電池可從電池類型、系統設置類型等面向進行分類,根據經濟部能源局所發布2016能源產業技術白皮書[連結5]的資料,一般常見太陽能電池類型大致可分為:

      矽晶太陽能電池:

矽晶太陽能電池效率高、特性穩定,為目前市場之主流,約占世界太陽能電池市場80%以上。矽晶太陽能電池係由矽原料所製成,目前常使用的矽晶太陽能電池又可分為單晶或多晶兩種型態[圖4],兩者除了生產方式不同外,在外觀上也會有明顯差異。單晶太陽能電池外觀上會呈現顏色均勻,晶圓結構單一結晶體;多晶太陽能電池則由許多小單晶體熔融而成,在電池上會看晶體間接縫痕跡。而在發電效率上單晶較多晶高些,但生產成本上多晶略較單晶低些。[連結6]


      薄膜太陽能電池:

矽薄膜類(非晶矽、微晶矽、堆疊型等)與化合物半導體類(銅銦鎵硒CIGIS、碲化鎘CdTe),其中CIGS化合物薄膜太陽電池[圖5]光電轉換效率已可達21.7%,膜厚僅需1-3微米,具有高光電轉換效率和低成本等優勢。



      染料敏化太陽能電池(DyesensitizedSolar Cells,簡稱DSSC)[圖6]:
被稱為新一代的太陽能電池,其構造為導電電極、奈米多孔性二氧化鈦、染料、電解質等。能在弱光環境下發電、適合室內與攜帶式消費型太陽光電產品應用以及可迎合時尚之太陽光電產品需求加入色彩元素。但光電轉換效率、染料壽命是目前這項技術有待克服之處。


      若以目前最常使用的矽晶太陽能電池或薄膜太陽能電池等類型,其應用方式又可分為的屋頂型(Roof PV Systems)與地面型(Ground–mounted PV Systems)、水域型(Floating Solar Power System),還有建築整合型(Building Integrated Photovoltaic, BIPV)等。參考經濟部能源局太陽光電單一服務窗口網站的資料[連結7],前述四類應用說明如下:


      屋頂型(Roof PV Systems):

在屋頂上設置太陽能發電系統,太陽能板裝設在屋頂上同時也兼具遮蔭降溫的效果。通常1kW(瓩)的太陽光電系統約需10平方公尺(約3坪)的設置面積,而在相同面積下,使用較高光電轉換效率的太陽光電模組產品,可裝設的系統容量也會較大。此外,在評估頂樓面積可裝設多少系統容量時,還須考慮到屋頂是否有女兒牆、水塔、樹木或附近是否有建築等會造成遮蔭的物體,以免降低系統發電量。[圖7]




      地面型(Ground–mounted PV Systems):
即主要設置於地面上的太陽能發電系統,國內臺中龍井太陽光電發電廠即為主要案例。[圖8]



      水域型(Floating Solar Power System):
水域型太陽光電系統[圖9]是將太陽能發電系統設置水面上,其設置型態可分為固定系統與漂浮系統,其中固定系統是將太陽光電系統支撐結構打入水域下層的土壤中,使太陽光電系統架空在水域上,適用於水位變化小且水深較淺的水域空間;漂浮系統則是在水面上建置浮動平台,再將太陽光電系統安置在平台上,其特色是平台可隨水位高低變化上下移動,適合於水位變化大且較水深的水域空間。


      建築整合型太陽光電(Building-Integrated Photovoltaic):
建築整合太陽能(BIPV)是使用太陽能板取代傳統建材的一種應用方式,以建築設計手法,將太陽光電板系統導入建築物外殼構造,使建築物本身成為一個大的能量來源。除了取代既有建材,並可降低初置成本,應用於大樓帷幕牆、屋頂、採光罩、遮陽棚、遮陽版、雨遮等,不僅可增加建築節能的效益,同時兼具美化外觀之功能。[圖10]



      目前我國比較常見的太陽光電系統應用方法,主要可分為獨立型系統、併聯型系統及混合電源型系統等,各項系統應用方式說明如下:


      獨立型太陽能發電系統:

以蓄電池作為儲能元件,於白天太陽能充足時,進行太陽光電發電,做為用電設備(負載)之電力來源。另外如電力有剩餘者,會將多餘電力儲存進蓄電池中。當夜間或日照不足時,再利用蓄電池來作為用電設備(負載)之電力來源。




      併聯型太陽能發電系統:
將市電網路視為一個大型能量池系統,太陽光電系統將太陽能轉換成電力,於負載未完全消耗時,將多餘電力送上市電網路。當太陽光電系統所轉換之電力,無法供應負載正常運轉需求時,由市電網路供應不足之電力。


      混合電源型太陽能發電系統:
混合型系統則為獨立型系統配置輔助發電機系統,如風力發電機組、柴油發電機組等。


太陽光電模組製程

      太陽光電模組的製程,需要將多種不同材料的元件組合在一起,以矽晶太陽光電模組為例,是由太陽能電池、玻璃板、銅箔銲線(Cell Ribbon)[註1]、EVA[註2]、背板、鋁框、接線盒等多種物件所構成。而製作模組需要經過多道程序,依據TSEC網站資料[連結8],矽晶太陽光電模組的產製主要程序分別為太陽能電池排列定位、焊接,再進行裁邊、層壓、上背板、EVA充填,最後進行封裝、安裝接線盒、出廠前檢查測試等流程[圖14]。



      薄膜太陽光電模組,其主要元件為玻璃基板、金屬層、透明導電層、接線盒、膠合材料、半導體層,參考郭哲瑋(2010)[連結9]及王珽玉(2018)[連結10]的文章,常見薄膜太陽電池模組為矽薄膜太陽光電模組與CIGS化合物薄膜太陽光電模組。其中矽薄膜太陽光電模組的構造,於玻璃基板下沉積一層透明導電薄膜(TCO)[註3],再將非晶矽與微晶矽等原料透過表面沉積技術附著在透明導電薄膜下,以沉積的方式製作背面電極,完成後利用EVA進行封裝作業[圖15]。而CIGS化合物薄膜太陽光電模組之組成有分別為玻璃基板/不鏽鋼基板、背電極、吸收層、緩衝層、透明導電層膜和上電極[圖16]。CIGS化合物薄膜太陽光電模組的產製主要程序,是在玻璃基板上利用表面沉積技術[註4]製作Mo(鉬金屬)薄膜背電極層,再利用雷射刻劃背電極層。並於刻劃後背電極層上在沉積上半導體材料(如銅、銦、鎵、硒等)形成吸收層,再利用機械劃線的方式切割吸收層,然後在吸收層上面以沉積技術製作透明導電薄膜的上電極層,再將透明導電薄膜層以機械劃線的方式切割,並進行EVA封裝並覆蓋玻璃基板,最後將正負電極拉出。

太陽光電模組材料組成
      而有關太陽光電模組的材料組成,參考廖原篁(2009)[連結11]與王珽玉(2018)[連結10]、馬先正(2018)[連結12]的文章,一個單位的矽晶太陽能模組,約62-68%為玻璃板、10-22%為鋁框、6-8%為EVA材料、3-4%為太陽能電池、1-4%為金屬導線等。而一個單位薄膜太陽光電模組,約84-86%為玻璃板、10-12%為鋁框、3-10%為EVA材料、0.1-2%為太陽能電池、1-2%為接線盒等,觀察薄膜太陽光電模組材料比重,其主要構成為玻璃板與鋁框等,剩餘材料約占總組成比重10%以下。觀察各類太陽能模組材料比重,其主要構成為玻璃板與鋁框等,剩餘材料約占總組成比重15%以下。[註5]

太陽光電模組回收技術說明
      為了避免太陽光電模組廢棄後,造成對環境的汙染,而透過回收處理技術還能將廢棄物資源化,達到資源永續循環利用之目的。無論是何種類型太陽光電模組,均由多種材料組合而成,而因應不同形式的太陽光電模組,其回收技術各有不同。
      根據IEK(2017) [連結13]的報告指出,我國的太陽光電產業結構主要以矽晶型、矽薄膜型及GIGS等為生產主力,其中以矽晶型太陽光電模組為生產大宗,全球市占率約為16.6%(全球排名第二);其次為矽薄膜型約占全球市占率2%左右;另外在GIGS部分,我國也有業者在進行生產。故本研究參考我國太陽光電模組產業結構並依據王珽玉(2018)[連結10]的資料,針對矽晶太陽能模組、矽薄膜太陽光電模組、CIGS化合物薄膜太陽光電模組等回收方法進行說明:

      矽晶太陽光電模組回收方法說明:

目前對於廢棄矽晶太陽光電模組的回收處理技術,係將太陽光電模組先進行拆解,去除鋁框與接線盒等物件,再將拆解後的太陽光電模組以燃燒法進行分解,透過500度以上的高溫將EVA與背板燒掉,再將剩餘無法燃燒的玻璃板、太陽能電池及銅箔銲線的物件進行第二階段回收處理。在第二階段的回收處理過程中,因已將EVA封裝材料燃燒處理掉了,故玻璃板與銅箔銲線都可自行分離回收再製。剩下太陽能電池片具有多層結構,其中包含了不同的矽晶本體還有導電金屬層等,需要透過化學程序來逐步分離回收,如利用鹽酸來溶解移除鋁導電層,再利用氫氟酸來移除抗反射層取得金屬銀回收料,最後剩下矽晶片廢料,此廢料可做為鋼鐵冶煉的添加材料,也可回收精煉成為矽晶棒產製之原料。[圖17]




      矽薄膜太陽光電模組回收方法說明:
矽薄膜太陽光電模組回收相對矽晶太陽光電模組簡單,係因為太陽能電池是直接沉積在玻璃基板上,因此只要以燃燒法將EVA及背板處理掉,再利用酸洗技術將太陽能電池層溶解於酸洗液中,再以過濾法分離玻璃及金屬離子溶液,最後再將金屬離子溶液以濕法冶金的方式進行回收。[圖18]


      CIGS化合物薄膜太陽光電模組回收方法說明:
CIGS化合物薄膜太陽光電模組製成與矽薄膜太陽光電模組相似,待拆除接線盒跟鋁框等部件後,直接將太陽光電模組利用錘磨機破碎,分選回收部分的EVA碎片。進行化學清洗程序,但因為模組內含有硒元素,故避免使用燃燒法造成硒的昇華外漏至環境當中,而採用低溫的化學溶液處理法來清除碎片上的EVA材料。再將完成EVA處理的溶液進行沉澱分離,分離出玻璃材料與金屬溶液,最後再利用濕法冶金的方式進行金屬回收。[圖19]


      回顧本節太陽光電模組回收技術及流程,本文所列之模組形式大都可透過回收處理方式來達到零廢棄的目標,但部分模組於回收過程中需要透過燃燒法來處理EVA封裝材料。雖EVA是屬於可燃燒處理的廢棄物,但燃燒過程恐容易伴隨其他物質所產生低濃度的有毒氣體,對此回收廠商仍需留意相關廢氣的再處理工作,避免造成環境二次汙染。另外,因回收過程會使用化學溶液進行溶解附著於玻璃上的金屬材料,而相關化學溶液的管理與再處理也是回收過程需要特別重視的。除為保障環境不受汙染而必須進行太陽光電模組回收外,經過回收處理的太陽光電模組材料,也大都可重新再利用,如鋁框或玻璃等都是可以百分百回收再製的材料。而用於太陽光電模組上的貴重稀有金屬,如CIGS化合物薄膜太陽光電模組的太陽能電池會使用銅、銦、鎵、硒等稀有金屬係為回收價值極高的材料,故透過模組廢棄回收還可作為稀有金屬原料供應來源。

      另外除本研究所列三種太陽光電模組回收技術外,針對碲化鎘(CdTe)太陽光電模組,因模組因含有鎘元素,如隨意棄置於野外或直接掩埋時,容易發生重金屬汙染情事,故近年也有人針對其模組進行回收處理技術之研究,然我國太陽光電系統大都採用矽晶太陽能模組、矽薄膜太陽光電模組、CIGS化合物薄膜太陽光電模組等三類,故本文未進行碲化鎘(CdTe)太陽光電模組回收處理機制之說明。

[註1]銅箔銲線Cell Ribbon:連接(焊接)太陽電池,組成太陽光電模組。
[註2]EVA:聚乙烯-乙酸乙烯酯(EthyleneVinyl Acetate)是用於固定太陽能電池及連接電路導線提供Cell絕緣保護之封裝材料。
[註3]透明導電膜:透明導電膜是一種可透光且可導電的材料,常見的材料可分為兩類,分別為薄金屬膜(如金、銀、鉑、銅、鋁、鉻、鈀、銠等金屬,其厚度小於10 nm時,均有某種程度的可見光穿透度)與金屬氧化物膜(如氧化銦(In2O3)、氧化錫(SnO2)、氧化鋅(ZnO)、氧化鎘(CdO)、氧化銦鎘(CdIn2O4)、氧化錫鎘(Cd2SnO4)、氧化錫鋅(Zn2SnO4)、氧化銦摻雜氧化鋅(In2O3-ZnO)等)。
[註4]表面沉積技術:將金屬、氧化物或氟化物等材料利用物理沉積(PVD)與化學沉積(CVD)的技術,使前述材料附著到基板表面上形成薄膜。
[註5]因每家太陽光電板生產廠商其所使用的材料比例不盡相同,本研究係以[連結10]、[連結11]與[連結12]之數據資料來推估各項太陽光電模組材料組成比重,各廠家太陽光電模組實際材料比重,請詳閱各廠商之太陽光電模組技術文件。


資料來源:
[連結1]台灣綠色產業報告-台灣太陽光電產業趨勢和市場現況
[連結2] RENEWABLES 2018 GLOBAL STATUS REPORT,REN21
[連結3]吳曜杉、王雨筠等人,日本太陽光電模組回收技術解析,工業材料雜誌,第381期,2018年9月。
[連結4]教育部所屬國立學校、機構之太陽光電發電設備聯合標租說明會簡報,台灣產業服務基金會
[連結5]經濟部能源局,2016能源產業技術白皮書,2016年9月。
[連結6]陳士偉,淺談矽晶太陽能電池,奈米通訊,第24卷之1,頁38-40,2017年3月。
[連結7]經濟部能源局太陽光電單一服務窗口
[連結8]TSEC網站
[連結9]郭哲瑋、張仁銓等人,銅銦鎵硒(CIGS)太陽電池濺鍍製程技術發展與現況,工業材料雜誌,第284期,2010年8月。
[連結10]王珽玉,太陽光電模組之材料回收與資源循環技術(上/下),工業材料雜誌,第379期,2018年7月。
[連結11]廖原篁,台灣地區太陽能電池與太陽能板流佈與管理之研究,台北科技大學環境工程與管理研究所碩士論文,2009年7月。
[連結12]馬先正,歐美PV模組回收機制與標準簡報,工研院量測中心,2018年4月30日。
[連結13]2017年新興能源產業年鑑-第V篇我國產業個論,IEK,2017年12月。

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