综述:异质结太阳能电池中铟的回收途径:工艺、挑战与前景

时间:2026年2月8日
来源:RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS

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铟是HJT太阳能电池关键材料,回收EoL HJT模块对资源安全和环保至关重要,但现有技术存在化学消耗大、回收率低等问题,需结合政策激励、生态设计和国际合作优化流程,推动循环经济和可持续发展。

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张振|刘明|王磊|曾向安|曹新月|严俊志|周彦芳
上海交通大学智能能源学院,上海,210240,中国

摘要

铟是异质结(HJT)太阳能电池中的关键原材料,但其有限的储量与不断增长的需求对可持续性构成了挑战。随着光伏发电的迅速发展,从报废的HJT组件中回收铟对于资源安全、经济价值及环境保护变得不可或缺。本文概述了铟回收的现状,包括先进的预处理技术、选择性浸出方法和高纯度精炼工艺,并比较了这些方法的效率、环境影响及经济可行性。尽管湿法冶金方法目前占主导地位,但其在化学消耗、有害排放物以及回收率方面的问题仍未得到解决。除了技术障碍外,薄弱的监管框架和不足的工业化实践也阻碍了高效的废物管理。为确保长期可持续性,应结合政策激励、光伏组件的生态设计以及国际合作来实施全面的回收策略。开发能够最小化二次污染并最大化材料再利用的绿色回收技术对于构建战略性关键金属的闭环供应链至关重要。总体而言,从报废的HJT太阳能电池中回收铟不仅是一项技术挑战,也是推动循环经济目标和支持可再生能源系统可持续发展的重要机遇。

引言

铟被归类为稀有分散金属之一[1],主要通过两种途径生产:一是从含铟矿物中提取和分离;二是回收报废的含铟产品。全球铟资源量估计约为5万吨[2],但主要地质调查机构并未公布具体的储量数据。闪锌矿和黄铜矿是最常见的铟来源[3],然而它们的铟含量通常很低,介于1 ppm以下到约100 ppm之间。因此,金属铟的工业生产主要通过提纯废锌和锡残渣来实现,其回收率约为60–70%[4]。
由于地质稀缺性和提取限制,初级铟供应的稳定性面临日益增长的不确定性。同时,作为半导体和光电子化合物的关键材料[5],随着先进电子技术和可再生能源技术的快速发展,对铟的需求也在激增。多项研究表明,按照目前的消费趋势,天然铟资源可能在2045年前耗尽[6]。这一预测凸显了寻找替代的可持续铟来源的紧迫性。在潜在的解决方案中,从工业废物和消费后产品中回收铟被认为是一个特别有前景的方法[7]。
最新数据显示,二次铟生产正在迅速增长,其规模已接近初级生产。目前,主要有两种废物流对二次回收做出贡献:首先是废弃的液晶显示器(LCD)面板,这种产品的年全球年产量达数十亿块,平均使用寿命仅为三到五年。LCD面板通常由两块玻璃基板组成,中间夹着包含液晶层的偏振膜,内玻璃表面涂有功能性的氧化铟锡(ITO)薄膜[8]。随着全球范围内退役LCD的积累,可回收的铟量估计超过数千吨,构成了重要的二次资源。另一个主要来源是光伏(PV)设备,特别是铜铟镓硒(CIGS)薄膜模块和HJT模块,这两种设备在其吸收层或导电层中都含有铟。随着光伏成为全球第三大可再生能源来源,预计到2050年其装机容量将超过8500吉瓦。对于HJT技术而言,目前的装机容量约为3.25吉瓦,未来几年内这一容量预计将超过50吉瓦。考虑到PV模块约25–30年的使用寿命[9],预计到2035年将产生大量的报废HJT废物及其所含的铟,这使这些模块成为重要的二次铟资源。
报废PV模块的回收已受到全球越来越多的关注。欧盟(EU)已将PV废物纳入《废弃电气和电子设备指令》(WEEE)中,该指令要求PV模块的回收率必须超过85%[10]。传统的处理方式(如填埋和焚烧)因可能释放有害渗滤液和关键金属的不可逆流失而越来越不可行。相反,可持续回收不仅能够减轻环境风险,还能促进关键材料的循环利用。First Solar等企业已经证明了高价值回收的工业可行性,他们通过闭环回收CdTe模块实现了超过90%的回收率[11]。对于HJT模块而言,其铟含量超过0.2%,远高于最低经济开采阈值0.002%。这一独特特性使得HJT回收既具有环境效益,又具有经济吸引力,为加强光伏行业的长期可持续性提供了途径。
现有的关于铟回收的文献综述主要集中在LCD面板上[11],但这些设备的结构架构和材料组成与PV模块有所不同。同样,虽然有关PV回收的广泛评估也存在,但它们通常侧重于从晶体硅(c-Si)中回收硅和银[12],或关注CIGS薄膜PV模块的复杂冶金过程[13]。
尽管针对c-Si回收已经建立了成熟的框架,但在当前的冶金研究中,HJT技术仍明显被忽视。例如,选择性分离ITO层和处理低温聚合物基银浆等特定挑战需要不同的处理策略。随着HJT市场的快速发展,系统分析这些独特的材料流动并设计定制的回收路径变得至关重要。
为填补这一空白,本文提供了专门针对HJT太阳能电池的铟回收策略的全面分析。除了技术调查外,还探讨了设备结构与资源关键性之间的相互作用,评估了从物理分层到湿法冶金提纯各阶段的技经可行性,并分析了工业规模化的限制。此外,本文还综合了新兴创新,提出了针对HJT废物的新型混合工艺流程。通过这一综合视角,本文旨在为下一代光伏行业的可持续循环发展制定战略路线图。

部分摘录

设备结构与材料组成

HJT太阳能电池的独特结构在于其对称的多层异质结设计,这主要导致了回收过程中的材料挑战。与传统c-Si太阳能电池不同,HJT器件基于高质量的n型c-Si晶圆基板,两侧包裹着超薄(5–10纳米)的本征和非晶氢化硅(a-Si:H)层[14,15]。这些层对于电学钝化至关重要,但也需要特殊的处理方法。

铟回收途径

从生命周期的角度来看,回收的紧迫性体现在材料的使用寿命上。正如Yoshimura等人所报告的[41],铟的总材料流动包括提取、ITO靶材制造和器件制造(LCD、PV)等环节,每个加工阶段都会产生显著损失(见图4)。由于初级铟几乎完全是锌精炼的副产品,其供应具有内在的不灵活性,限制了应对快速波动的能力。

回收价值

金属含量显著影响报废PV模块的回收经济效益,因此需要对市场价值进行详细评估。使用公式Mv=Ci×Pi,其中Ci表示金属含量,Pi表示市场价格,每吨纯材料的总体市场价值估计为:晶体硅(c-Si)约为852.3美元,CdTe约为222.0美元,CIGS模块约为317.3美元(见表6)。值得注意的是,HJT模块的理论价值更高。

结论与未来展望

鉴于光伏装机容量的迅速扩张,预计到2035年报废的HJT模块数量将大幅增加,因此需要建立系统的回收策略来回收铟等稀缺金属。本文全面概述了报废PV面板的回收和管理情况,特别强调了铟的回收。分析涵盖了全球研究现状、处理技术及当前进展。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划(2023YFC3904700)、中国国家重点研发计划(2018YFB1500600)、中央高校基本科研业务费(B200202227)以及可再生能源与储能系统运行控制国家重点实验室(NYB51202101990)的支持。

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