Upcycling waste photovoltaic cells into silicon carbide via flash Joule heating

通过闪蒸焦耳加热将废弃光伏电池升级为碳化硅

第一作者: Ximing Zhang (南京师范大学)

通讯作者: Feihong Guo* (南京师范大学), Xiaoxiang Jiang* (南京师范大学)

其他作者: Abdullah H. Hamadamin (Hawler Medical University), Adam. F. Lee (Griffith University), Karen Wilson (Griffith University), Jabbar Gardy (University of Leeds and Salahaddin University-Erbil)

DOI: 10.1039/D5EE01509J

PDF原文

期刊名称: Energy & Environmental Science

发表年份: 2025

论文亮点

            创新性地使用闪蒸焦耳加热（FJH）技术，将废弃晶体硅光伏电池转化为高纯度碳化硅（SiC），纯度超过98%。
相比传统化学回收和热回收方法，FJH能耗降低75%和49%，二氧化碳排放减少68%和36%，具有显著的环境和成本优势。

研究背景

全球清洁能源需求持续增长，光伏发电作为可再生能源技术的关键组成部分快速发展，但废弃光伏模块的处理问题日益突出。预计到2030年，中国将产生150万吨废弃光伏模块，到2050年全球将达到8000万吨。
晶体硅（c-Si）电池占光伏市场92%以上，是废弃模块的主要成分。传统回收方法（如机械、热、化学回收）存在效率低、能耗高、环境污染严重等问题，限制了其经济性和可扩展性。
将废弃c-Si转化为功能材料如碳化硅（SiC）是一种有吸引力的回收策略，但需要开发便捷、低能耗的合成方法。

研究方法

本研究采用闪蒸焦耳加热（FJH）技术将废弃c-Si光伏电池升级为SiC。详细步骤如下：

样品制备：将c-Si光伏电池碎片（单晶，原始尺寸182 mm × 182 mm）放入粉碎机中粉碎5分钟，得到微米级粉末。由于c-Si粉末电阻高，与导电碳黑（CB）按特定比例机械混合（通常为1:1质量比），以增强导电性并作为反应物。
实验装置：将c-Si和CB混合物放入石英管中手动压缩，两端用石墨塞固定。石英管置于两个金属电极（一实心一多孔）之间，多孔电极连接真空泵、压力计和样品收集器。电极连接到电容器组（总容量90 mF），通过调节螺丝调整样品电阻至~2.5Ω。
FJH过程：系统抽真空至~1.33 kPa，设置输入电压（优化为130 V），通过DC电源充电电容器组。放电时，电容器瞬间释放能量，在毫秒内将样品加热至高温（峰值温度~2200°C）。加热速率极快（>10^4 °C/s），冷却速率也高（>10^3 °C/s）。
后处理：进行多次FJH循环和重新研磨以提高反应转化率。最后，通过在空气中700°C煅烧20分钟去除多余碳（闪蒸石墨烯），得到高纯度SiC。
表征与分析：使用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散光谱（EDS）、拉曼光谱、X射线光电子能谱（XPS）等技术对产物进行理化性质分析。

主要结论

FJH能高效生产高纯度SiC（>98%），硅回收率达95%。优化参数为输入电压130 V、峰值温度~2200°C、c-Si:CB质量比1:1。
FJH过程中，大多数金属杂质（如Ag、Al、Cu）通过蒸发去除，去除效率高（Ag 89%, Al 61%），支持元素循环。
生命周期评估显示，FJH相比化学回收和热回收，能耗降低75%和49%，温室气体排放减少68%和36%，成本效益比高达6.44，具有显著环境和经济优势。

Figure 1: FJH实验流程和温度曲线

图1: (a) FJH实验流程图。(b) 添加样品前后石英管的比较。(c) 130V输入电压下的电流曲线，持续时间0.5秒。(d) 使用红外温度计记录的实际温度曲线。

分析结果

Figure 1展示了FJH实验的整体流程和关键参数。图1a显示了从样品制备到FJH处理的步骤。图1b直观比较了石英管在实验前后的状态，表明FJH过程的高温效应。图1c的电流曲线显示在130V输入电压下，电流在0.5秒内达到峰值，表明能量释放迅速。图1d的温度曲线证实了加热速率极快（>10^4 °C/s），峰值温度超过2000°C，冷却速率也高（>10^3 °C/s），这有助于快速反应和杂质蒸发。

Figure 2: XRD分析和产物组成

图2: (a) 不同输入电压下的X射线衍射图谱。(b) 单次FJH循环后固体产物的组成随输入电压的变化。(c) 不同c-Si粉末:CB质量比下的X射线衍射图谱（130V）。(d) 单次FJH循环后固体产物的组成随质量比的变化（130V）。(e) 不同FJH循环次数下的X射线衍射图谱。(f) 固体产物的组成随FJH循环次数的变化。标准偏差为±1 wt%。

分析结果

Figure 2通过XRD分析了FJH产物的晶体相和组成。图2a和2b显示，随着输入电压增加，SiC产量增加，最佳电压为130V（峰值温度~2200°C），此时SiC与Si的质量比达到10:1。图2c和2d表明，c-Si:CB质量比对SiC含量影响较小，保持在~92 wt%，过量碳不会促进反应。图2e和2f显示，多次FJH循环略微提高SiC产率，但未反应Si仍存在；通过重新研磨，10次循环后SiC纯度可达99 wt%。这些结果验证了FJH参数对SiC合成的优化作用。

Figure 3: 产物形貌和成分分析

图3: (a) 10次FJH循环后经700℃煅烧20分钟产物的SEM图像。(b) EDS元素映射。(c) EDS谱。(d) 10次FJH循环后煅烧产物的X射线衍射图谱。(e) 拉曼谱。(f) 煅烧前10次FJH产物的Si 2p XPS谱。(g) 母体c-Si粉末中金属的饱和蒸气压与温度关系。(h) 10次FJH循环后金属去除效率。(i) FJH过程中可能反应的吉布斯自由能变化；虚线表示ΔG=0。(j) 废弃c-Si的FJH反应示意图。

分析结果

Figure 3 comprehensive分析了FJH产物的形貌、成分和反应机制。图3a的SEM显示SiC晶体有两种形态：多边形棱柱晶体（1-30μm）和颗粒状团聚体（100-400nm）。图3b和3c的EDS映射和谱图表明产物主要由C和Si组成（原子比~47:49），接近SiC化学计量，并含有少量O和残留金属（Ag、P）。图3d和3e的XRD和拉曼谱确认SiC纯度达99%，拉曼峰在786和965 cm^{-1}对应β-SiC的 transverse 和 longitudinal 模式。图3f的XPS显示表面存在Si-C和Si-O键。图3g和3h表明，在130V（>2000°C）下，金属杂质（Ag、Al、Cu）通过蒸发有效去除（Ag 89%, Al 61%）。图3i的吉布斯自由能分析揭示反应路径，主要通过SiO气相与C反应生成SiC。图3j示意图总结了FJH反应过程。

Figure 4: 电化学性能

图4: (a) SiC/FG复合阳极在0.05 A g^{-1}下的首次充放电曲线。(b) 27 wt% SiC复合阳极在不同电流密度下的倍率性能。(c) 27 wt% SiC复合阳极的前三次循环伏安图。(d) SiC（27 wt% SiC/FG复合阳极）在100次循环前后的EIS谱。

分析结果

Figure 4评估了FJH衍生的SiC/闪蒸石墨烯（FG）复合材料作为锂电池阳极的电化学性能。图4a显示，含27% SiC的阳极比纯FG具有更高的比容量，但库仑效率随FG含量增加而降低， due to structural defects in FG that consume Li+ ions。图4b表明27 wt% SiC复合材料在不同电流密度下表现出稳定的倍率性能。图4c的循环伏安图显示首次循环中0.5V处的还原峰归因于SEI形成， subsequent cycles stabilize。图4d的EIS谱显示100次循环后电荷转移电阻显著降低（从997.4Ω to 61.86Ω），表明SEI稳定和Li+扩散加快。这些结果证明SiC/FG复合材料在能源存储中有应用潜力。

Figure 5: 生命周期评估

图5: (a) 不同废弃光伏回收方法的流程图：化学回收（CR, 蓝色）、热回收（TR, 橙色）和闪蒸焦耳加热回收（FJH, 绿色）。(b) 不同回收方法的 process parameters。(c) 不同回收方法的能耗比较。(d) 不同回收方法的温室气体排放比较。

分析结果

Figure 5通过生命周期评估（LCA）比较了FJH与传统方法（化学回收CR和热回收TR）的环境影响。图5a展示了各方法的流程，FJH包括预处理、FJH处理和产品净化。图5b总结了关键参数。图5c和5d显示，回收1吨废弃光伏模块，FJH能耗为3477 MJ/ton，比CR低75%，比TR低49%；温室气体排放为1398.5 kg/ton，比CR低68%，比TR低36%。FJH处理本身仅占总能耗的8.7%和排放的7.6%，主要能耗来自模块分离和筛选。FJH的成本效益比为6.44，高于CR和TR，表明其 technoeconomic feasibility。这些结果突出FJH在可持续回收中的优势。