單晶硅電池組件-光伏發(fā)電全生命周期碳排放

蔣寬寬

（東方日升（寧波）電力開發(fā)有限公司，浙江寧波 315600）

需要明確在光伏行業(yè)發(fā)展中的具體碳排放情況，并對碳排放進(jìn)行合理控制，以提高光伏行業(yè)的生態(tài)效益與經(jīng)濟效益。對光伏組件碳排放進(jìn)行核算研究時，應(yīng)以全生命周期的相關(guān)理論為基礎(chǔ)，對光伏組件的生產(chǎn)、安裝與運行等各階段的碳排放清單進(jìn)行全面掌握。工作人員明確光伏組件全生命周期碳排放核算內(nèi)容，可提高核算結(jié)果的可靠性，為制定控制碳排放策略提供參考依據(jù)。單晶硅電池組件為目前光伏行業(yè)主流組件，本文將以此展開分析。

1 碳排放概述

部分專家學(xué)者將碳足跡分為第一碳足跡與第二碳足跡。第一碳足跡指化石燃料燃燒釋放的二氧化碳等溫室氣體的排放量；第二碳足跡與直接排放存在差異性，隱藏在人們對各種生產(chǎn)與消費過程中，是間接產(chǎn)生的二氧化碳等溫室氣體的排放量。部分專家學(xué)者認(rèn)為碳足跡是在活動發(fā)生的全過程直接、間接產(chǎn)生的二氧化碳排放總量，也可能是某個產(chǎn)品全生命周期不同階段累積的全部二氧化碳排放量。

可利用重量單位對碳排放量進(jìn)行計量，歐盟在對各種研究觀念進(jìn)行整合的基礎(chǔ)上，對碳足跡進(jìn)行定義，產(chǎn)品或服務(wù)在生命周期的所有階段累積排放的二氧化碳、其他溫室氣體的總重量，是當(dāng)前碳排放研究過程中主要參考的碳排放量計算方式。綜合分析碳足跡的定義及其分類，目前部分組織及機構(gòu)對碳足跡的定義雖存在差異性，但大部分學(xué)者均認(rèn)同、采納利用生命周期評價理論對碳排放的相關(guān)概念進(jìn)行定義。根據(jù)生命周期評價理論對碳排放進(jìn)行研究時，需要從某一商品或服務(wù)活動的原材料應(yīng)用、工廠運輸、生產(chǎn)、銷售、消費者使用、回收處理等不同階段出發(fā)，對該商品或服務(wù)全生命周期的所有過程排放的溫室氣體總量進(jìn)行研究。

2 光伏組件全生命周期碳排放清單

2.1 工業(yè)硅生產(chǎn)

在工業(yè)硅生產(chǎn)過程中，碳熱還原法是其獨特的生產(chǎn)方法。碳熱還原法具有規(guī)模性，發(fā)展時間相對較短，在利用該方法進(jìn)行工業(yè)硅生產(chǎn)時，需要將硅石、木炭等碳質(zhì)還原劑按照科學(xué)比例進(jìn)行均勻混合，再將混合后的原料放入2 000 ℃高溫的反應(yīng)電爐內(nèi)，在爐內(nèi)發(fā)生還原反應(yīng)，獲取工業(yè)硅。在初步還原獲取粗硅后，應(yīng)對粗硅進(jìn)行提純。

在對工業(yè)硅進(jìn)行生產(chǎn)時，物質(zhì)消耗主要為原材料的硅石、不同碳質(zhì)的還原劑，消耗的能源以電力為主。在生產(chǎn)中會產(chǎn)生氣體、固體等狀態(tài)不同的廢棄物，主要產(chǎn)生的碳排放為大量的二氧化硅、粉塵、一氧化碳。一氧化碳具有較高的全球變暖潛能值，部分生產(chǎn)廠商在對工業(yè)硅進(jìn)行生產(chǎn)時，會將一氧化碳引入燃燒室進(jìn)行充分燃燒，使其轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸己笈欧拧Χ趸柽M(jìn)行處理時，主要利用布袋除塵法完成回收再利用過程。

2.2 單晶硅生產(chǎn)

單晶硅太陽能電池在生產(chǎn)過程中，需要將高純度的單晶硅棒作為主要原料，是目前開發(fā)及創(chuàng)新速度比較快的太陽能電池，其構(gòu)造、生產(chǎn)工藝已基本定型。在光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)過程中，可廣泛應(yīng)用單晶硅，提高光伏系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換率。單晶硅是當(dāng)前使用比較普遍的光伏發(fā)電材料，是太陽能電池發(fā)展和應(yīng)用過程中較成熟的太陽能電池生產(chǎn)技術(shù)。與多晶硅、非晶硅太陽能電池相比，其具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率。單晶硅太陽能電池在生產(chǎn)過程中，需要利用純度較高的單晶硅棒作為原料，會增加生產(chǎn)成本，限制了其在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的大規(guī)模應(yīng)用。為了推動晶硅太陽能電池的發(fā)展，降低其生產(chǎn)成本，在單晶硅產(chǎn)能電池生產(chǎn)中，會降低對材料要求。單晶硅太陽能電池會采用半導(dǎo)體器件，完成頭尾料加工或利用廢棄單晶硅材料進(jìn)行加工，在這一過程中會產(chǎn)生碳排放和污染。

在單晶硅生產(chǎn)過程中，需要將單晶硅棒切成片，單晶硅棒片的厚度為0.3 mm，對硅片進(jìn)行拋磨、清洗加工使其成為原料硅片。應(yīng)在硅片上進(jìn)行摻雜、擴散，摻雜物為微量硼、磷、銻等，主要在石英管高溫擴散爐中完成。利用絲網(wǎng)印刷方法，在硅片上使用銀漿印制柵線，應(yīng)用燒結(jié)制成背電極，并在柵線面涂覆減反射源，防止大量光子被光滑的硅片表面反射。在硅片切割過程中，產(chǎn)生的廢水主要以生產(chǎn)廢水和生活污水為主。處理生產(chǎn)廢水時，可將絮凝沉淀法與酸性水解法相結(jié)合，提高廢水處理效率。

單晶硅太陽能電池的發(fā)電效益較高，其以多晶硅生產(chǎn)為基礎(chǔ)，產(chǎn)生的碳排放更多、能耗更大。在單晶硅生產(chǎn)過程中，硅片主要以提拉、澆注等方式鋸割制成，對硅材料的消耗較大，會導(dǎo)致單晶硅的能耗增加。為了降低生產(chǎn)能耗，需要利用化學(xué)氣象沉積法完成多晶硅薄膜電池制備工作，再將多晶硅作為制作單晶硅的材料。在單晶硅生產(chǎn)過程中，多晶硅產(chǎn)生的能耗與碳排放情況，應(yīng)計算在單晶硅電池生產(chǎn)制造過程中。

在單晶硅制作過程中，擴散制結(jié)環(huán)節(jié)較為重要。磷酸三氯化鉀化磷源與磷酰氯會在高溫環(huán)境下連接擴散，并分解五氧化二磷。單晶硅太陽電池分解的產(chǎn)物在反應(yīng)過程中，會繼續(xù)產(chǎn)生二氧化硅和磷元素，若外部環(huán)境中存在氧氣，產(chǎn)生的二氧化硅和磷元素會與擴散源進(jìn)行反應(yīng)生成五氧化二磷等物質(zhì)。在分解三氯氧化磷時，單晶硅可繼續(xù)積累五氧化二磷，并與硅晶片進(jìn)行反應(yīng)生成磷硅玻璃。

在單晶硅的實際生產(chǎn)過程中，酸洗、水洗、擴散等環(huán)節(jié)均會產(chǎn)生廢氣廢水，須對廢棄廢水進(jìn)行有效處理，以降低單晶硅生產(chǎn)對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的污染，同時可對碳排放情況進(jìn)行合理控制。在太陽能電池長期發(fā)展過程中，對生產(chǎn)過程的污染狀況研究相對較少，未明確排污數(shù)據(jù)、碳排放相關(guān)數(shù)據(jù)，且缺乏對生產(chǎn)過程中清潔生產(chǎn)處理、資源化的研究工作。在單晶硅生產(chǎn)過程中，產(chǎn)生的具體碳排放情況需要進(jìn)行進(jìn)一步研究。在當(dāng)前研究過程中，應(yīng)充分重視生產(chǎn)過程中的廢水、廢氣處理。在污水處理過程中，產(chǎn)生的氟化鈣污泥會產(chǎn)生二次污染，應(yīng)充分利用企業(yè)生產(chǎn)、廢水及污水處理廠的處理方法和技術(shù)，保證氟化鈣污泥處理效果達(dá)標(biāo)后進(jìn)行排放。

2.3 生產(chǎn)光伏電池片的碳排放

在光伏電池片生產(chǎn)中，其主要流程為：制絨→擴散前的清洗作業(yè)→磷擴散→去PSG→完成邊緣刻蝕→鍍膜→絲網(wǎng)印刷→燃結(jié)→測試、分檔等。

在電池片生產(chǎn)中，會產(chǎn)生有組織、無組織的廢氣，有組織廢氣主要以酸性、堿性以及有機廢氣為主。在光伏電池片生產(chǎn)制造中，部分環(huán)節(jié)均會產(chǎn)生酸性氣體，可與堿液反應(yīng)進(jìn)行處理，直接排放空氣中。

堿性廢氣主要是硅烷，堿性廢氣在第一次充分燃燒時會產(chǎn)生氮氣等，若未進(jìn)行充分燃燒，在酸液噴灑后需要保證其符合環(huán)保要求后再排出。

有機廢氣在絲網(wǎng)印刷工序中產(chǎn)生，主要由銀漿、醇類、醚類物質(zhì)揮發(fā)形成，可利用活性炭進(jìn)行凈化處理后再排放。無組織廢氣的產(chǎn)生量相對較少，在生產(chǎn)時需要對酸堿的揮發(fā)情況進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保在生產(chǎn)過程中可密封保存和運輸，并設(shè)置排放管道。

在光伏電池片生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水，主要以生產(chǎn)廢水、洗滌廢水、生活污水等為主，清下水可直接排入下水道，其他廢水需要進(jìn)行氟離子處理，將其送到污水處理廠進(jìn)行加工回收。固體廢棄物包括危險固體廢棄物、一般固體廢棄物兩種，對固體廢棄包裝物等可進(jìn)行回收再處理，在處理危險固體廢棄物時，必須由專業(yè)單位處理。

2.4 光伏組件生產(chǎn)過程中的碳排放

光伏組件生產(chǎn)過程中的工藝流程相對簡單，會產(chǎn)生少量廢氣、固體廢棄物。廢氣由層壓階段產(chǎn)生，經(jīng)過處理后可直接排入空氣中。固體廢棄物包括焊接廢棄物、一般廢棄物，應(yīng)對產(chǎn)生的廢棄物進(jìn)行統(tǒng)一回收后再處理。

2.5 光伏組件運行

光伏組件運行過程中，應(yīng)充分分析光伏系統(tǒng)使用壽命。光伏系統(tǒng)使用壽命為25年，組件出現(xiàn)故障的發(fā)生率在0.02%以下，在使用過程中不會產(chǎn)生污染物排放。在日常運營和維護(hù)過程中，清理組件的表面灰塵、遮擋物，同時應(yīng)根據(jù)具體的運行情況進(jìn)行清洗、檢查、維護(hù)等。需要對電氣設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，維護(hù)人員的數(shù)量相對較少，更換的零部件相對較少。在光伏組件運行過程中，其輸入量、輸出量均在1%以下，對光伏系統(tǒng)全生命周期的碳排放清單進(jìn)行分析時，無須將光伏組件的運行和維護(hù)階段納入碳排放的總核算中。

3 結(jié)語

綜上所述，對單晶硅光伏組件全生命周期碳排放進(jìn)行研究，可發(fā)現(xiàn)光伏發(fā)電系統(tǒng)存在的問題，光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用過程中的全生命周期中會發(fā)生碳排放。光伏發(fā)電的碳排放回收期比光伏發(fā)電系統(tǒng)的使用年限更短，且具有較強的節(jié)能減排效果。相關(guān)部門須根據(jù)光伏產(chǎn)業(yè)的具體特點，制定科學(xué)完善的長期發(fā)展政策，對光伏產(chǎn)業(yè)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，不斷引進(jìn)光伏技術(shù)，促進(jìn)光伏市場、產(chǎn)業(yè)的協(xié)調(diào)發(fā)展，推動集中式光伏電站和分布式光伏電站的建設(shè)。