周末读：循环经济中的材料

今年早些时候，SoliTek的玻璃玻璃太阳能电池组件获得了从摇篮到摇篮的“银”认证。

摘自PV杂志09/2020

布法罗大学工程与应用科学学院的材料信息学专家克里希纳·拉詹教授（Krishna Rajan）致力于研究原子和分子尺度的材料。他说，人工智能的使用在他的领域早已司空见惯。

Rajan说：“在材料科学中使用AI方法现已成为词典的一部分。”“实际上，随着计算机变得越来越强大，这些使用起来非常复杂的工具变得越来越容易，越来越容易被接受。如果您将其扔进垃圾填埋场，我们将在各个领域开展工作，以了解这些材料如何降解。”

国际可再生​​能源机构（IRENA）估计，到2050年，将循环使用超过7800万吨的太阳能光伏组件废物。因此，在太阳能废物方面转向更循环的经济将是未来几年成功过渡到100％可再生和可持续经济的关键。

循环制造

循环制造一直是UP计划2020年第三季度季度主题的重点。我们研究了采用循环方法是否可以创造竞争优势并获得财务和声誉回报，以及调查太阳能行业已经在做的事情。发现我们所有的报道。

寻找能够替代有毒，不安全的材料（例如铅）的新材料是科学家的一项重大挑战。但是，某些材料（例如超纯纳米结构的硅）可以通过实用的方法从PV面板中回收，以用于EV电池。

也就是说，新材料正以越来越快的速度为提高太阳能效率做出贡献。正如Rajan所解释的那样，在光伏产业的最初几十年中，用于太阳能电池和组件生产的核心材料保持相对恒定。他承认，人们可能已经修改了工程参数，但是基本材料和基础基本上没有改变。“在过去的20年中，情况并非如此。制造新设备的新设备和新材料的出现速度已经非常迅速地增长。”

重用，重用

7月，美国国家可再生能源实验室（NREL）发布了有关光伏组件报废管理的新报告。研究人员研究了晶体硅的回收利用，并建议进一步努力寻找减少环境影响和回收成本的方法，同时仍要从面板中回收尽可能多的材料。

在世纪之交的光伏项目中，太阳能电池板的平均使用寿命已接近20年，这对环境和健康构成了严重威胁。但是，有必要在能源循环中关闭环路，并安全地回收或处理报废的PV产品。

重用，回收和增值用途是回收的一种替代方法，但是实现这一目标的途径是复杂且多方面的。澳大利亚莫纳什大学材料研究人员Mahdokht Shaibani等科学家的工作揭示了可能减少有害物质（如铅）使用的方法，同时还确定了从光伏组件中回收铜，银和硅的新方法以便在其他产品中重复使用和调整用途。

“从光伏废料中提取的太阳能级硅不仅可以用于太阳能电池板的二次使用，而且还可以有利地重新用于3b代锂离子电池阳极的增值应用，” Shaibani说。“硅具有极高的容量来容纳锂（理论上，给定重量的容量是传统石墨的十倍），因此硅已成为探索新阳极的理想选择。”

工业级硅的平均价格约为1-2美元/千克，但适用于电池应用的超纯纳米级硅的价格则高达20,000美元/千克。考虑到目前使用的石墨电极每公斤仅需花费10-20美元，因此这当然没有竞争力。因此，寻找便宜的高纯度硅来源显然很重要，但是Shaibani认为，找到支持价格竞争性的“电池级”硅合成方法也至关重要。

典型的晶体硅（c-Si）PV模块包含约5％的硅，鉴于其高纯度，这是有价值的。但是，从光伏废料中回收的大多数方法都涉及氢氟酸，氢氟酸是一种强力接触毒物，需要仔细处理和处置。Shaibani与比利时列日大学的Frederic Boschini领导的同事合作，已经确定了从太阳能电池板中提取超纯纳米结构硅的氢氟酸替代品。

巨大的挑战

但是，即使确定一种材料具有潜在的前景，研究人员和制造商仍然面临巨大的挑战。例如，立陶宛太阳能电池板制造商SoliTek正在采取多方面的方法，通过数字化，新的设计方法以及对太阳能电池板替代材料的研究，将循环原理应用于其生产运营，以减少有毒成分并促进更好的模块回收。

但是即使目标如此明确，前进的道路仍然充满挑战。SoliTek的一项重要研究领域是在焊接互连中潜在地使用铋代替铅。铋最初在这里显示出潜力，但是到目前为止，SoliTek的研究发现提出了有关可持续性和与回收有关的问题的更多问题。因此，它继续寻找无铅替代品。

这样的例子凸显了材料研究人员面临的挑战的规模。正如Rajan所指出的那样，太阳能光伏组件本身是一种复杂的材料混合。科学家继续发现和设计各种具有巨大潜力的太阳能转换系统。元素周期表中约有80种元素-显然不用担心放射性元素-研究人员可以选择多种选择。可能性几乎是无限的，但是时钟也在滴答作响。

“在医学科学领域，我们总是看到有必要快速提出解决方案。物理科学在采纳该概念方面一直较慢。但是我认为，当我们处理诸如太阳能和环境问题时，我们迫不及待要等待50年才能找到解决方案。”“我们需要应用这种加速发现的逻辑。”

化学足迹