單晶硅電池組件-光伏發電全生命周期碳排放

蔣寬寬

（東方日升（寧波）電力開發有限公司，浙江寧波 315600）

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

1 碳排放概述

部分專家學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與消費過程中，是間接產生的二氧化碳等溫室氣體的排放量。部分專家學者認為碳足跡是在活動發生的全過程直接、間接產生的二氧化碳排放總量，也可能是某個產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行計量，歐盟在對各種研究觀念進行整合的基礎上，對碳足跡進行定義，產品或服務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對碳足跡的定義雖存在差異性，但大部分學者均認同、采納利用生命周期評價理論對碳排放的相關概念進行定義。根據生命周期評價理論對碳排放進行研究時，需要從某一商品或服務活動的原材料應用、工廠運輸、生產、銷售、消費者使用、回收處理等不同階段出發，對該商品或服務全生命周期的所有過程排放的溫室氣體總量進行研究。

2 光伏組件全生命周期碳排放清單

2.1 工業硅生產

在工業硅生產過程中，碳熱還原法是其獨特的生產方法。碳熱還原法具有規模性，發展時間相對較短，在利用該方法進行工業硅生產時，需要將硅石、木炭等碳質還原劑按照科學比例進行均勻混合，再將混合后的原料放入2 000 ℃高溫的反應電爐內，在爐內發生還原反應，獲取工業硅。在初步還原獲取粗硅后，應對粗硅進行提純。

在對工業硅進行生產時，物質消耗主要為原材料的硅石、不同碳質的還原劑，消耗的能源以電力為主。在生產中會產生氣體、固體等狀態不同的廢棄物，主要產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，部分生產廠商在對工業硅進行生產時，會將一氧化碳引入燃燒室進行充分燃燒，使其轉變為二氧化碳后排放。對二氧化硅進行處理時，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

單晶硅太陽能電池在生產過程中，需要將高純度的單晶硅棒作為主要原料，是目前開發及創新速度比較快的太陽能電池，其構造、生產工藝已基本定型。在光伏發電系統建設過程中，可廣泛應用單晶硅，提高光伏系統的光電轉換率。單晶硅是當前使用比較普遍的光伏發電材料，是太陽能電池發展和應用過程中較成熟的太陽能電池生產技術。與多晶硅、非晶硅太陽能電池相比，其具有較高的光電轉換效率。單晶硅太陽能電池在生產過程中，需要利用純度較高的單晶硅棒作為原料，會增加生產成本，限制了其在光伏發電系統中的大規模應用。為了推動晶硅太陽能電池的發展，降低其生產成本，在單晶硅產能電池生產中，會降低對材料要求。單晶硅太陽能電池會采用半導體器件，完成頭尾料加工或利用廢棄單晶硅材料進行加工，在這一過程中會產生碳排放和污染。

在單晶硅生產過程中，需要將單晶硅棒切成片，單晶硅棒片的厚度為0.3 mm，對硅片進行拋磨、清洗加工使其成為原料硅片。應在硅片上進行摻雜、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。利用絲網印刷方法，在硅片上使用銀漿印制柵線，應用燒結制成背電極，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，產生的廢水主要以生產廢水和生活污水為主。處理生產廢水時，可將絮凝沉淀法與酸性水解法相結合，提高廢水處理效率。

單晶硅太陽能電池的發電效益較高，其以多晶硅生產為基礎，產生的碳排放更多、能耗更大。在單晶硅生產過程中，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，會導致單晶硅的能耗增加。為了降低生產能耗，需要利用化學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。在單晶硅生產過程中，多晶硅產生的能耗與碳排放情況，應計算在單晶硅電池生產制造過程中。

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

在單晶硅的實際生產過程中，酸洗、水洗、擴散等環節均會產生廢氣廢水，須對廢棄廢水進行有效處理，以降低單晶硅生產對生態環境產生的污染，同時可對碳排放情況進行合理控制。在太陽能電池長期發展過程中，對生產過程的污染狀況研究相對較少，未明確排污數據、碳排放相關數據，且缺乏對生產過程中清潔生產處理、資源化的研究工作。在單晶硅生產過程中，產生的具體碳排放情況需要進行進一步研究。在當前研究過程中，應充分重視生產過程中的廢水、廢氣處理。在污水處理過程中，產生的氟化鈣污泥會產生二次污染，應充分利用企業生產、廢水及污水處理廠的處理方法和技術，保證氟化鈣污泥處理效果達標后進行排放。

2.3 生產光伏電池片的碳排放

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

在電池片生產中，會產生有組織、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。在光伏電池片生產制造中，部分環節均會產生酸性氣體，可與堿液反應進行處理，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生氮氣等，若未進行充分燃燒，在酸液噴灑后需要保證其符合環保要求后再排出。

有機廢氣在絲網印刷工序中產生，主要由銀漿、醇類、醚類物質揮發形成，可利用活性炭進行凈化處理后再排放。無組織廢氣的產生量相對較少，在生產時需要對酸堿的揮發情況進行嚴格控制，確保在生產過程中可密封保存和運輸，并設置排放管道。

在光伏電池片生產過程中產生的廢水，主要以生產廢水、洗滌廢水、生活污水等為主，清下水可直接排入下水道，其他廢水需要進行氟離子處理，將其送到污水處理廠進行加工回收。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行回收再處理，在處理危險固體廢棄物時，必須由專業單位處理。

2.4 光伏組件生產過程中的碳排放

光伏組件生產過程中的工藝流程相對簡單，會產生少量廢氣、固體廢棄物。廢氣由層壓階段產生，經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，應對產生的廢棄物進行統一回收后再處理。

2.5 光伏組件運行

光伏組件運行過程中，應充分分析光伏系統使用壽命。光伏系統使用壽命為25年，組件出現故障的發生率在0.02%以下，在使用過程中不會產生污染物排放。在日常運營和維護過程中，清理組件的表面灰塵、遮擋物，同時應根據具體的運行情況進行清洗、檢查、維護等。需要對電氣設備的工作狀態進行監測，維護人員的數量相對較少，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，對光伏系統全生命周期的碳排放清單進行分析時，無須將光伏組件的運行和維護階段納入碳排放的總核算中。

3 結語

綜上所述，對單晶硅光伏組件全生命周期碳排放進行研究，可發現光伏發電系統存在的問題，光伏發電系統應用過程中的全生命周期中會發生碳排放。光伏發電的碳排放回收期比光伏發電系統的使用年限更短，且具有較強的節能減排效果。相關部門須根據光伏產業的具體特點，制定科學完善的長期發展政策，對光伏產業進行統一規劃，不斷引進光伏技術，促進光伏市場、產業的協調發展，推動集中式光伏電站和分布式光伏電站的建設。