编辑推荐：
本文构建修订材料循环指标（rMCI）和新能源循环指标（ECI）评估光伏组件回收及技术发展循环性。研究发现不同策略对两指标影响各异，强调多视角分析的重要性，为光伏产业可持续发展提供关键决策依据，助力应对气候变化。
### 研究背景
为应对气候变化，可再生能源需求剧增，光伏（PV）产业发展迅猛。国际光伏技术路线图（ITRPV）等机构预测，光伏装机量将持续快速增长，这得益于能源消耗增加和光伏制造成本下降。成本降低源于学习率提升，如生产规模扩大带来的标准化和企业与研究人员的合作，以及材料消耗减少，像晶体硅（c-Si）光伏组件中多晶硅和银（Ag）用量大幅下降，使得单晶硅（sc-Si）光伏发电成本显著降低。
然而，光伏产业发展也面临挑战。随着产能扩大，原生材料需求上升，尽管制造工艺更高效，但仍需大量资源。例如，预测 c-Si 光伏组件产量增加，需大幅降低 Ag 用量。部分材料生产能耗高，如铝（Al）和 Si 电池生产，会产生大量碳排放。
为缓解材料需求压力，循环经济（CE）模式应运而生。它通过多种策略减少原生材料消耗，包括再利用、减少浪费和回收等，以实现产品效用最大化、减少污染和恢复自然系统。回收是光伏循环经济的重要组成部分，常通过追踪材料流和估算未来材料需求来衡量光伏产品的循环性。同时，评估光伏组件循环性时考虑能源消耗也日益重要，因此本研究修订了材料循环指标（MCI）为 rMCI，并开发了新的能源循环指标（ECI）。
研究方法
本研究分析了 2037 年和 2050 年多种光伏生产和消费情景下的循环性，考虑了不同的模块寿命、回收情景和技术发展情景，共设置 24 种情景。数据来源于文献，经过重新建模计算三个循环性指标，以评估各种循环经济策略，并探讨减少未来光伏部署资源需求的措施。
模块寿命情景
根据 Naegel 等人的预测，2037 年和 2050 年太阳能光伏累计装机容量分别需达到 30TW 和 75TW。由此计算出每年所需的安装容量，基线情景假设模块寿命无限、无性能降解且无回收。实际情况中，模块存在降解和有限寿命，本研究比较了两种退休情景：30 年和 16 年的名义模块寿命，通过韦布尔分布计算模块寿命分布和退休容量，进而确定实际安装容量。
材料需求和能源消耗
本研究以 sc-Si 模块为研究对象，考虑玻璃、Al、Ag、Si、乙烯 - 醋酸乙烯酯（EVA）和背板等组件的质量和能源消耗。计算每年所需的总质量和能源消耗，分别通过公式计算，同时考虑了材料加工过程中的质量变化和能源消耗，以及回收过程中的能源消耗和材料回收情况。能源消耗计算未包括使用阶段的运输、安装等能耗，因其受地理和政策因素影响大。
回收情景
光伏组件回收对减少垃圾填埋和回收有用材料至关重要。常见的机械破碎回收法虽成本低，但会造成材料损失，如 Ag 和 Si。欧盟的 FRELP 项目提出了一种新方法，可提高材料回收率。本研究考虑两种回收情景：无回收和采用 FRELP 回收，回收材料可用于制造新模块，计算了累计报废质量、制造能源需求、回收质量和回收能源等参数。
技术发展情景
技术进步可降低光伏制造的材料和能源需求。本研究调查了六种技术发展情景，包括单双面钝化发射极背面接触（PERC）、单双面隧穿氧化层钝化接触（TOPCon）和单双面硅异质结（SHJ）技术，这些技术的功率密度和材料使用情况不同，对材料循环性和能源循环性有不同影响。
循环性指标计算
MCI 是常用的衡量循环性的指标，但它未考虑产品需求变化。本研究修订 MCI 为 rMCI，通过与参考情景比较，考虑特定年份产品生命周期内的材料保留情况。同时，由于 Ag 的稀缺性和成本，计算了 rMCIAg。此外，引入 ECI 指标，考虑能源流，包括能源消耗、回收避免的能源消耗和能源输出等因素，以更全面评估光伏组件的循环性。
研究结果
模块寿命对安装容量的影响
在有限寿命情景下，2037 年的安装容量受历史安装水平影响，与基线情景相比变化不大。但到 2050 年，30 年寿命模块因历史安装开始退休，安装容量需提高；16 年寿命模块则对安装容量压力更大，因为 2037 年后大量模块退休。
材料需求和能源消耗分析
计算不同情景下材料需求和能源消耗，发现不同组件的质量和能源消耗占比不同。如玻璃在模块质量中占比大，而 Si 材料和 Si 电池加工在能源消耗中占比高。不同技术发展情景下，材料需求和能源消耗也有所不同，如双面模块虽增加了玻璃需求，但在能源消耗方面因额外功率输出有优势。
回收情景的影响
回收对提高循环性有重要作用，FRELP 回收比机械回收更有效，能回收更多材料，提高 rMCI。在长期，回收的效益更明显，因为有更多退休模块可供回收。但即使在短期，FRELP 回收对短寿命模块的 rMCI 提升也高于机械回收。
技术发展情景的影响
从材料循环性看，更高功率输出的 Si 电池技术可提高 rMCI，如 rMCIS > rMCIT > rMCIP 。但对于 rMCIAg ，TOPCon 和 SHJ 模块因增加 Ag 消耗，其 rMCIAg 低于 PERC 模块。从能源循环性看，双面模块和其他循环性策略（如回收、技术发展、延长模块寿命）都能有效提高 ECI，ECI30SBR 通常最高。
讨论
循环性指标的综合评估
通过 rMCI、rMCIAg 和 ECI 三个指标评估不同情景，发现不同指标得出的结论不同。如双面模块在 rMCI 中表现较差，但在 ECI 中表现更好；回收对不同指标的影响也因回收方式和模块寿命而异。
对未来研究的启示
本研究表明，多视角分析（考虑材料和能源流）对确定光伏组件最佳循环经济策略至关重要。未来研究可扩展到水消耗、经济成本等方面。同时，应进一步研究多结串联太阳能电池设计、框架设计改进、无框架模块以及新的生产工艺对循环经济的影响，还需考虑可再生能源发电对电网效率的影响。
研究意义
本研究首次使用修订的 rMCI 和新开发的 ECI 评估光伏组件回收和技术发展对循环经济的影响。研究结果强调不能仅通过质量流评估循环经济，能源循环性对光伏产业至关重要，因为光伏作为能源发生器，其能源循环性有独特意义。本研究为制定提高能源循环性的策略提供依据，有助于减少化石燃料使用，推动向净零经济转型。
