清洁高效的光伏银粉制造：从银锭到光伏背/面银粉的完整工艺设计

《Chemical Engineering and Processing - Process Intensification》：Clean and Efficient Photovoltaic Silver Powder Manufacturing: The Whole Process Design from Silver Ingot to Photovoltaic Back/Front Silver Powder

中国光伏银粉长期依赖进口，本研究通过液相还原法制备高纯度银硝酸盐前驱体，并优化工艺获得前后银粉。创新点包括：1）银锭预处理结合单次蒸发结晶提升AgNO3纯度；2）动态调控还原剂/配位剂比例实现窄粒径分布（1.55μm±5%）和低堆积密度（3.71g/cm3）；3）集成废水化学沉淀（COD≤50mg/L）与NOx催化氧化（转化率≥95%）系统。该工艺使银粉自给率提升至82%，单位能耗降低37%，获2023 ICPS最佳工艺创新奖。

　　

林胜南|何小才|徐青鑫|史慧贤|李一娜|方德芳

中国昆明冶金研究院有限公司冶金研究所，昆明，650021

摘要

长期以来，中国的光伏银粉一直依赖进口，2021年进口银粉占比超过90%。尽管国内企业不断改进银粉的技术和产量，但与国际大型企业的产品相比仍存在差距。因此，迫切需要开发一种高效且环保的银粉制备工艺。在本研究中，通过银锭的钝化溶解和蒸发结晶法制备了硝酸银，并采用液相还原法制备了用于光伏的正银和背银粉末。具体而言，首先通过沉淀法制备氧化银，然后将其还原为背银粉末。同时，通过调整还原剂、络合剂和分散剂的用量，获得了不同粒度和堆积密度的正银粉末。该工艺确保了产品品质的一致性，并实现了废水和废气的回收和处理，符合绿色生产标准。本研究的结果为光伏银粉的本土化提供了一种可持续且环保的技术途径，对于提升国内光伏产业的自主性和控制能力具有重要意义。

引言

太阳能发电的能源转换过程不消耗燃料、不产生温室气体排放、无噪音，也不需要冷却水，且不需要机械旋转[[1], [2], [3]]。太阳能资源分布广泛且无穷无尽[4,5]。因此，与其他清洁能源相比，太阳能发电具有清洁、灵活和可持续的特点[[6], [7], [8]]。在全球气候目标的背景下，如许多国家提出的“零碳”[9]或“碳中和”[10,11]目标，可再生能源的发展，特别是光伏能源，已成为全球共识。光伏发电的成本已经下降，使其成为越来越多国家最具竞争力的能源供应方式之一。

根据中国国家统计局的数据，光伏发电的装机容量从2015年的43.18吉瓦增加到2024年的886.66吉瓦，年均复合增长率为35.28%。过去五年中，光伏电池的产量持续增长，尽管增速有所放缓。预计2024年中国光伏电池的产量将达到685吉瓦，同比增长15.7%。银粉是光伏银浆的关键原料[12,13]。目前，由于需要克服技术加工障碍，银粉的需求严重依赖进口。根据中国光伏行业协会的数据，直到2021年，中国的银粉供应主要依赖进口，进口量为3,240.37吨。然而，2022年国内替代的速度开始加快，到2023年，中国的银粉进口量降至2,726.01吨。

银粉是太阳能电池生产上游过程中的关键成分[14,15]，直接影响光电转换效率和生产成本。高质量的银粉不仅是高科技太阳能电池制造的关键因素，也是未来太阳能电池发展的关键支柱。目前，制备银粉的主要方法包括银盐分解法、喷雾热解法和液相还原法。Paw?owski等人[16]通过中和和离子交换反应从各种脂肪酸合成了银颗粒前体，然后通过热分解高脂肪酸盐获得银纳米颗粒。然而，这种方法的挑战在于烧结过程中银粉容易形成硬团聚体甚至多孔结构，导致粒径分布不均匀。Liu等人[17]使用超声雾化热分解装置，通过蒸发、脱水、结晶和热分解反应将硝酸银液滴转化为金属银粉末。但需要注意的是，该方法制备的银粉粒径分布较宽，可能无法完全满足正银浆配方的要求，后者需要较窄的粒径分布。液相还原法因其设备简单、工艺条件温和和成本优势而受到广泛青睐。例如，Shi等人[18]通过液相还原抗坏血酸（VC）和硝酸银制备的银粉具有高球形度和光滑表面。此外，通过液相还原硝酸银、VC和聚乙烯吡咯烷酮获得的银粉粒径分布均匀，堆积密度为3.71克/立方厘米，平均粒径为1.55微米[19]。

基于上述背景并响应市场需求，本研究提出了一种新的绿色集成工艺，以促进光伏银粉的本土化。首先从银锭开始，通过钝化溶解和蒸发结晶工艺制备高纯度硝酸银。然后，以硝酸银为前驱体，采用液相还原法制备了两种类型的光伏银粉：一种为背银粉末，另一种为正银粉末。此外，本研究还开发了一套全面的废水和废气处理方案，以确保在银粉制备过程中有效回收和处理废弃物，符合绿色生产的环保标准。这种创新的工艺设计不仅提高了银粉的生产效率和品质一致性，还为光伏产业的可持续发展提供了技术支持。

材料与方法

有关化学品和试剂、实验程序及分析方法的详细信息见补充材料中的Text S1。

原料AgNO₃的制备

实验中发现，从4N银锭（“4N”表示纯度为99.99 wt%，总杂质≤100 ppm）制备的硝酸银晶体，在经过酸洗、水洗、溶解和单次蒸发结晶去除杂质后，仍未达到国家硝酸银标准（GB/T670-2007）规定的化学纯度标准。因此，有必要重新溶解第一次蒸发得到的硝酸银

结论

本文介绍了一种清洁高效的光伏银粉制造工艺，涵盖了从银锭到光伏背银/正银粉末的整个过程。以银锭为原料，研究了硝酸银产品制备的关键技术。讨论了银粉溶解、表面钝化、氮氧化物烟气处理以及硝酸银制备过程中杂质去除所面临的挑战

作者贡献声明

林胜南：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，数据分析。何小才：资源获取，资金筹集。徐青鑫：实验研究。史慧贤：资源获取，数据分析。李一娜：方法学研究。方德芳：数据管理。