摘要
在“双碳”目标牵引下，光伏产业快速发展，与此同时光伏组件报废数量也急剧增加。中国光伏产业起步于2000年，按照晶硅光伏组件使用寿命为20-30年估算，第一代晶硅光伏组件即将大规模退役。据统计，中国光伏废弃物至2030年将达到150万吨，至2050年将达到2000万吨，光伏废料处理及回收方案亟待解决。晶硅光伏组件中既包含高价值成分又包含有害成分，合理地处理晶硅光伏组件在环境保护和资源再利用方面具有重要意义，尤其对高附加值硅的回收具有极高的经济价值。由于晶硅光伏组件被EVA粘结成一个整体，实现各部分拆解是实现硅材料回收的关键步骤。与热分解和化学溶胀方法相比，机械破碎具有成本低、无污染等优点，适合工业化大规模生产。但是粉碎后不同组分混合、难以分离是机械破碎应用受限的主要原因。因此在机械破碎产物中实现高价值组分的分离和回收非常重要。本论文采用机械破碎对晶硅光伏组件进行预处理，对破碎产物的组成和分布进行了详细分析。针对破碎后的粉体，采用高压静电分选富集硅材料，通过酸洗和定向凝固提纯硅富集产物。本研究的主要结果如下： (1)晶硅光伏组件机械破碎后，硅和玻璃等脆性材料主要以粉体形式存在，而背板、EVA胶膜和汇流带等塑性材料主要以块体形式存在。观察发现，EVA胶膜上仍粘有少量硅碎片，HF可以与硅和EVA胶膜粘结界面处的氮化硅减反射膜反应，从而使碎硅片从EVA胶膜上脱落。分析得到此部分硅占晶硅光伏组件总硅量的17.2wt.%。而剩余82.8wt.%的硅被粉碎成粉体。对粉体进行研究发现，硅及金属更易集中在较细粒径的粉体中。由于不同粒径粉体中玻璃均为主要组成部分，因此需要通过高压静电分选去除大部分玻璃，对硅进行富集回收。 (2)高压静电分选实验探究了颗粒粒径、静电电压和辊轮转速对静电分选硅富集效果的影响。实验发现，静电分选富集硅的最佳粒径为F3粉体(0.30-0.45mm)，在该粒径下电压15kV，转速30rpm时具有最佳的分选效果，此时富集产物中硅占比为91.0%，硅回收率达到48.9%。粉体粒径过小易产生吸附效应，硅及玻璃颗粒均粘附在辊轮上难以实现分离；粉体粒径过大，玻璃与硅颗粒均在重力作用下垂直下落，无法实现有效分离。此外，电压增加将增大玻璃颗粒所受静电力，延长硅颗粒的电荷导出时间，导致颗粒脱离位置后移；转速增加将增大硅颗粒和玻璃颗粒所受离心力，导致颗粒脱离位置前移。 (3)高压静电分选得到的硅富集产物中除了含有少量玻璃外，还含有Fe、Al、Ag、Pb、Sn等金属杂质，本论文采用酸洗及定向凝固对硅富集产物进行提纯。其中采用HNO3-王水酸洗去除金属杂质的效果最优，熔融硅锭中金属夹杂相由酸洗前的“树枝条状”变成“零星散点状”。之后通过定向凝固对剩余少量金属及玻璃进行了去除，最终ICP-OES检测得到柱状晶区硅的纯度达到99.97%。此外，硅富集产物中的玻璃在定向凝固过程中起到了减缓坩埚侧壁散热的作用，使得铸锭顶端形貌呈现凸形，有利于硅生长过程中晶粒粗化，促进金属杂质的高效富集。此研究为废旧晶硅光伏组件中硅的工业化回收提供了一个新的选择。
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