【太陽能板回收能滿足循環經濟嗎？】
#矽的回收是關鍵 ＃現有技術的回收經濟效益不高
太陽能光電模組（PV）的生命週期約為20-30年，出乎意料的是，目前全球尚無針對壽命結束的PV元件設計完整的規劃，到了2030年，報廢的PV模組總量估計將達8百萬噸；到2050年數字可能會翻十倍（8千萬噸），屆時將佔全球電子廢棄物的一成。其中，佔PV總重八成的鋁材和玻璃易於回收，問題在剩餘二成金屬材料的回收難度很高，加上矽材的回收純度不夠，無法建立有效的循環經濟模式。
鑒於PV垃圾的指數成長危機，美國國家再生能源實驗室進行了一次全球規模的評估，試圖找出回收PV原件的最佳方案，並將研究成果以《滿足循環經濟之矽光電模組回收模式的研發重點》為題，發表在NATURE的副刊《NATURE ENERGY》上，以下是報告的論點摘要。
🔍️報告全文：https://reurl.cc/MvqvWv
▋降級回收無誘因
光電板通常在使用20-30年後，仍可維持70%到80%的效能，雖然不差，但已不符大型電力系統的標準，理論上可以對舊元件進行翻新再繼續使用，或轉換到效率需求較低的用途， 即降級回收（downcycling）。可是如同其他電子工業的回收困境，由於建置新的光電板很便宜，翻修與測試退役元件的成本超過了生產新模組的成本，因此PV的降級回收缺乏經濟誘因。
▋現有PV模組的回收概況
既然光電板的二次使用難以建立循環模式，下一個選擇就是回收。在政府推動下，回收業務在歐洲和日本等地早已建立，WEEE是歐盟關於廢棄電子設備的回收法令，在2012年就增設PV回收的類目；美國較為落後，聯邦政府目前尚無光電板回收的規範或獎勵，州政府中也只有華盛頓州要求業者需負PV廢棄物的收集與回收之責；其他國家如澳洲、南韓與印度，近年也開始制定法律。強制回收以外，也有一些業者的自發性回收，如美國太陽能工業協會（SEIA）自2016年起，已減少3600公噸的太陽能相關廢棄物進入掩埋場。
但今天全世界的PV回收系統由於缺乏整合與優化，#經濟效益與高純度材料的回收率都很低，即使在有法律強制PV處理的歐盟，專門回收的設施也很少，回收效率的公開資訊又難以取得。根據論文，歐盟和其他國家的標準做法，是透過現有的玻璃與金屬回收產線，以物理方式分離出玻璃、鋁製框架、外部銅線等所謂的散裝材料（bulk material），靠這些材料滿足WEEE規定的75%回收率的要求。但散裝材料的經濟價值不高，具最大潛在經濟效益的銀、錫、銅、鉛等金屬無法從該流程回收。
▋金屬回收的困境
細部來看，回收光電板分三個主要步驟：1⃣以機械方式拆除面板的框架與接線盒。2⃣藉熱力學或化學反應分離玻璃和矽晶圓。3⃣透過電化學方法將矽晶圓與特殊金屬（銀、錫、鉛、銅）加以分離及純化。
目前的回收困境在步驟3⃣，特殊金屬雖佔不到PV模組總質量的1%，回收過程卻極為耗能、其廢棄管理也不容易（因其化學毒性），又得支出較大的勞動力，導致回收成本十分昂貴，不過它們的經濟價值很高，且含化學毒性，廢棄物若處置不當，#在所有光電元件中對環境殺傷力最大，因此論文作者認為應該投入研發、將上述步驟的回收過程以「技術經濟分析（TEA）」以及「生命週期評估（LCA）」等前瞻性工具加以優化，盡可能使高比率的金屬能被回收。
▋矽材回收的困境
除了高價值金屬，步驟3⃣中的矽也是問題的核心：矽元素是PV模組中成本最高的物質，質量占比也僅次於散裝材料（玻璃和鋁框架），檢視太陽能板的整體耗能、碳足跡與製造成本，矽的生產過程都佔了一半的比重，#因此矽材回收在經濟與環境面上都是達成循環經濟的關鍵，能回收更多高純度的矽，使之回流PV元件的製造，就能減少原料的開採、碳足跡，並降低成本。
問題是：目前的技術無法輕易分離出高純度的矽，只能得到純度98%的冶金級矽（Metallurgical Grade），不適合重新用於電子產品、半導體工業或新的太陽能電板。學者認為，回收並純化出可重新投入PV元件等級的高純度矽材，在技術上辦得到，但不符經濟效益，因為市場上原始矽晶（virgin silicon）充裕，加上現有回收設備的能耐有限，使回收出來的矽材在短期內恐怕只能應用於某些金屬合金（metal alloys）的製造。不過，考量矽材在PV產業中的關鍵角色，作者把矽的純化列為未來的研發重心，#從使用過的PV晶圓中提煉高純度的回收矽來建立太陽能產業的循環經濟，建議投資大量R&D，但報告中也承認此過程涉及的複雜度很高。
▋避開「完整」矽晶圓的回收
另外，儘管在實驗室裡能達到整塊矽晶圓（intact silicon wafer）的回收與再利用，但在現實中要達到大規模的高純度水平，仍存在許多障礙：整塊矽晶圓電池經常破裂，加上今天的矽晶圓電池越做越薄，九零年代以前規格是400μm，今天的厚度降到只有180μm，晶圓愈薄、破裂的風險愈高，因此矽工業對整塊回收的矽晶圓不感興趣，論文作者建議不要在該領域太過著墨。#根據業界的製程趨勢調整PV回收的研發走向，是報告提供的一項建議。
▋永續的初始設計
PV模組難以回收的另一個原因，來自工程師將產品設計的重心擺在效率和耐用上，付出的代價就是不利於拆卸與回收。為了提高市場競爭力，PV系統過去的設計宗旨都在追求最低的「發電均化成本（LCOE）」，只看生產電力的成本，但現在許多工業開始拋棄線性思維，考慮產品從源頭到終點的完整生命週期、其對環境的影響，及易於回收的程度。報告建議廠商該嘗試達到「搖籃到搖籃認證（C2C certification™）」或NSF/ANSI 457（光電元件的永續領導標準）等門檻，使消費者在選購PV模組時可以辨識產品的可回收級別。歐洲生態設計指令（European ecodesign directive）是EU制定的另一種強制業者走向循環設計的法規。
透過研究發現，若從太陽能的回收現況看來，再生能源雖然被稱為綠色能源，但其優勢來自於發電時的低碳排，「綠色」與永續性（sustainability）、可回收性（recyclability）以及循環經濟（circular economy）等概念 #不能畫上等號，要建立能源產業的循環與永續，綠能仍有一段長路要走。
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▋參考資料：
https://reurl.cc/KkV01n
https://reurl.cc/V6yM6N
光電素子接線 在 [2之1]PNP、NPN感測器選擇與接線 - YouTube 的美食出口停車場
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