关于从废弃晶体硅太阳能电池中去除铝的研究，以及利用磷酸制备氢铝磷酸氢盐的方法

《Journal of Environmental Management》：Research on aluminum removal from waste crystalline silicon solar cells and preparation of hydrogen aluminum phosphate hydrate using phosphoric acid

废光伏板中多晶硅太阳能电池铝回收研究采用磷酸处理，通过单因素与正交实验优化温度（90℃）、磷酸浓度等参数，铝回收效率达98.11%，并利用反应滤液与氢氧化铝制备氢铝磷酸水合物（APH），提出环保经济的新回收方法。

　　

程新荣|廖宏强|李亚荣|张连英|张农

中国生态环境部国家煤炭废弃物资源高效利用技术环境保护重点实验室，山西大学资源与环境工程学院，太原030006

摘要

近年来，大量废弃的光伏面板已达到使用寿命终点，因此从废弃晶体硅太阳能电池（WCSSC）中回收铝变得极为重要。本研究提出了一种使用磷酸从废弃光伏面板中的WCSSC中去除铝的环保方法。通过单因素实验和正交试验系统研究了各种影响因素对铝回收效率（E_Al）的影响。此外，通过调整反应滤液中的P/Al摩尔比和氢氧化铝，成功制备出了磷酸铝氢盐（APH）。单因素实验结果表明，随着反应温度的升高，E_Al达到最大值所需的时间缩短；具体而言，在90°C下6分钟内E_Al可达到98.11%的峰值。正交试验结果显示，影响E_Al的因素顺序为：温度 > H₃PO₄浓度 > 颗粒大小 > 搅拌速度 > 流固比。热力学分析表明，当温度超过45°C时，E_Al会显著增加。动力学研究表明，在60°C、75°C和90°C的反应温度下，溶解过程分别受不同的控制机制支配：60°C时为化学反应控制，75°C-90°C时为扩散控制或通过产物膜的扩散控制。在P/Al摩尔比为2.94:1、焙烧温度为300°C和焙烧时间为2小时的条件下，成功制备出了APH。本研究为从废弃光伏面板中回收晶体硅太阳能电池提供了一种可行的方法。

引言

太阳能以其清洁性和可再生性而成为最具前景的可再生能源之一。它在实现“碳峰值”和“碳中和”方面发挥着关键的技术作用，是传统化石燃料的重要替代品，并推动了全球能源结构的转型（Liao等人，2023；Qiu等人，2025；Z. Zhang等人，2025）。近年来，太阳能光伏（PV）发电技术发展迅速。2023年，新安装的太阳能光伏容量达到345.5吉瓦，使全球累计光伏容量达到1.42太瓦。据预测，到2030年全球累计光伏装机容量将达到10太瓦，到2050年将达到30至80太瓦（Tay等人，2025；C. Wang等人，2025）。通常，太阳能光伏模块的使用寿命为15至30年，平均寿命约为25年。这一生命周期意味着，虽然光伏技术带来了巨大的经济效益，但最终报废的面板将产生大量废弃物。据估计，到2030年和2050年，全球废弃光伏面板的数量分别将达到约170万至8000万吨。仅在中国，这些数字预计分别为150万吨和2000万吨（Lu等人，2025a；Sim等人，2023；Su等人，2024）。

晶体硅太阳能面板作为第一代光伏技术，占全球光伏市场份额的90%以上（X. Zhang等人，2025）。随着光伏研究和开发的不断进步，出现了第二代光伏技术，如铜铟硒（CIS）电池。最近，由于具有较高的光电转换效率，第三代光伏技术——钙钛矿电池也得到了发展（Xiao等人，2025；Xu等人，2025；J. Zhou等人，2025）。太阳能光伏面板由多个关键组件组成，包括铝合金框架、接线盒、光伏玻璃、互连电线、晶体硅电池、背板和乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）封装材料。在这些面板中，晶体硅电池由银电极、抗反射涂层（如氮化硅或氧化铝）、硅片和铝背电极组成。这些组件具有显著的经济价值，占光伏模块总成本的60%以上；特别是与硅相关的制造成本约占晶体硅太阳能电池生产费用的65%（Das和Sarmah，2025；Wang等人，2022；Zhang等人，2022）。随着废弃光伏面板数量的不断增加，它们需要大量的存储空间。此外，不当的处理方法（如焚烧或填埋）由于其易燃的塑料成分和重金属含量，会对生态环境和水资源构成严重威胁（Y. Li等人，2024）。为了有效缓解这一问题，从废弃光伏面板中回收资源不仅具有经济效益，也对可持续发展具有重要意义。废弃光伏面板的回收过程主要涉及回收光伏玻璃、铝合金框架和接线盒等材料；从背板中分离EVA封装材料；以及从硅电池中提取有价值的元素。关于从废弃光伏面板中分离EVA，常用的技术包括热解、化学溶剂处理、机械破碎和高压脉冲放电（Heiho等人，2023；Lu等人，2025c；J. Zhang等人，2025；Fiandra等人，2023）。

从WCSSC中提取铝背电极通常需要使用强碱或酸将这些电极溶解为Al³⁺离子。随后，通过一系列过程（包括沉淀、煅烧和电解）从所得溶液中回收铝金属（Cheng等人，2022；Jung等人，2016；Wang等人，2022）。例如，Li等人报告称，在H₂O₂ - H₂SO₄系统中可以实现铝的快速浸出。他们发现，当H₂O₂和H₂SO₄的浓度分别为80 g/L和25 g/L时，120分钟后铝的浸出率可达99.20%（W. Li等人，2024）。Xu等人报告称，使用18 - 24 wt%的HCl溶液可以在10至15分钟内完全去除WCSSC中的铝（Xu等人，2022）。Park等人证明，可以使用45%的KOH在80°C下去除WCSSC中的铝；随后通过H₂SO₄沉淀废液，然后进行过滤、分离和煅烧来制备Al₂O₃（Park等人，2016）。Sim等人研究了磷酸浓度和温度对从WCSSC中去除铝效率的影响，使用14.7 mol/L的磷酸（相当于90 g/L）在30分钟内实现了98.9%的铝去除率（Sim等人，2023）。目前，使用磷酸从WCSSC中回收铝的研究仍然有限，这突显了在这一领域进行系统和深入研究的必要性（De等人，2025；Ding等人，2020；Li等人，2021）。

磷酸铝氢盐材料具有优异的性能，如耐高温性、电绝缘性和强化学键合性，广泛应用于耐火材料、粘合剂、耐火水泥、阻燃剂和防腐蚀涂层（Ai等人，2025；Bakhtiari等人，2025；J. Li等人，2024）。制备磷酸铝氢盐的关键参数包括P/Al摩尔比、反应温度和反应时间。具体来说，产品组成随P/Al摩尔比的变化而变化：当P/Al摩尔比超过3:1时，主要产物是磷酸铝氢盐和磷酸；当摩尔比约为3:1时，磷酸铝氢盐是主要产物；在1:1到3:1的范围内，磷酸铝氢盐和磷酸共存；当摩尔比为1:1时，磷酸铝成为主要产物；当摩尔比低于1:1时，磷酸铝与其他盐共存（Guo等人，2023；Hejjaj等人，2021）。Wang等人通过使用10.2 mol/L的H₃PO₄和Al(OH)₃在85°C下调整P:Al摩尔比为3:1，并以90 r/min的速度搅拌混合物3小时，制备出了磷酸铝氢盐粘合剂（J. Wang等人，2025）。在另一项研究中，Wang等人研究了Al₂O₃含量、煅烧温度和P/Al比率（2.5、3.0和3.5）对磷酸铝粘合剂的热演变和相形成的影响。他们的结果表明，低P/Al比率的磷酸铝表现出优异的粘合性能（Wang等人，2024）。

在本研究中，我们提出了一种利用磷酸从WCSSC中去除铝骨架的新方法。首先进行了单因素实验，系统研究了各种参数对铝回收效率（E_Al）的影响，包括反应时间、温度、H₃PO₄浓度、搅拌速度、流固比和颗粒大小。随后进行了正交实验，以确定这些因素对E_Al的影响顺序，并确定最佳条件，所研究的因素包括温度、H₃PO₄、搅拌速度、颗粒大小和流固比。通过从废滤液中制备APH来回收WCSSC中的铝；通过添加Al(OH)₃调整P/Al摩尔比。本研究为从废弃光伏面板中的晶体硅太阳能电池中回收铝提供了一种新的策略。

部分摘录

原材料

本研究中使用的废弃光伏面板来自中国江苏省的一家回收公司。图1展示了从这些废弃光伏面板中制备WCSSC的过程。本研究中使用的试剂包括氢氧化铝、氢氟酸、硝酸、盐酸和磷酸，均为上海McLean生化技术有限公司提供的分析级产品。整个实验过程中使用了超纯水（电导率：0.277 MΩ cm）。

废弃光伏面板的预处理

硅电池的特性

表3显示了XRF分析的结果，表明硅电池主要由Si、O、Al、N和Ag组成，其质量分数分别为91.02%、5.17%、2.62%和0.03%。与XRF结果一致，表4显示了ICP-OES分析的结果，证实硅电池中的主要元素是Si、Al和Ag，其含量分别为94.987%、2.221%和0.026%。

图2展示了硅电池的SEM映射图像。图2(a)显示了

结论

本研究提出了一种从废弃光伏面板中的硅电池中回收铝的温和且环保的方法。通过单因素实验、正交实验以及对反应过程的热力学/动力学分析，系统研究了各种影响因素对E_Al的影响。此外，使用废弃滤液和Al(OH)₃作为原料成功制备出了APH，实现了高效的铝回收

CRediT作者贡献声明

程新荣：撰写——原始草案、验证、方法论、研究、数据分析、数据管理。廖宏强：撰写——审阅与编辑、资源获取。李亚荣：撰写——审阅与编辑。张连英：监督。张农：监督。

利益冲突声明

作者之间不存在利益冲突。

致谢

作者衷心感谢山西大学资源与环境学院以及山西省襄垣县生产力促进中心提供的研究平台支持。