纽约州立大学布法罗分校工程和应用科学学院的材料信息学专家克里希纳.拉詹（Krishna Rajan）一直专注于原子和分子层面的材料学。他表示，在他研究的领域，人工智能的应用已经司空见惯。“人工智能在材料科学的应用已经被写进了词典。事实上，这些之前使用起来非常复杂的工具，随着计算机功能的强大正变得越来越简单易懂，被接受程度也越来越高。我们研究的领域可以让人们了解，如果一种垃圾被扔进填埋场，其中的材料是如何降解的。”

据国际可再生能源机构(IRENA)估计，到2050年，将有超过7800万吨的废弃光伏组件。因此，如何在处理光伏废物方面转向更循环的经将是未来几年成功过渡到100%可再生及可持续性经济的关键。

对科学家来说，寻找新材料来取代铅等有毒、不安全的材料是一项重大的挑战。但是一些材料，比如超纯纳米硅，可以通过实用的方法从报废的组件中回收，用于电动汽车电池。也就是说，新材料正在以越来越快的速度促进光伏效率的提升。正如拉詹教授解释的那样，在光伏产业最初的几十年里，用于光伏电池和组件生产的核心材料是相对稳定的，“但是在过去的20年，情况却发生了改变，制造这些产品的新设备和新材料出现的速度已经非常快。”

重复使用，改换用途

今年7月，美国国家可再生能源实验室（NREL）发布了一份关于光伏组件废弃物管理的报告。研究人员研究了晶硅的回收，并建议行业进一步努力寻找可以减少环境影响和回收成本的方法，同时尽量多地从组件中回收材料。2000年左右建设的项目中，组件的平均20年的使用寿命基本接近尾声，它们对环境造成了严重污染和健康威胁。但是，安全地回收或者处理掉这些组件也是一个机会。

重复使用、恢复和增值再利用是组件回收之外的另一种选择，但是要实现这一目标，过程是复杂且多方面的。比如澳大利亚莫纳什大学材料研究人员玛朵塔. 谢巴尼（Mahdokht Shaibani），揭示了一些可以减少有害元素（比如铅）使用的方法，以及对铜、银和硅元素的新的回收的方案，将其再次利用到其他产品上。谢巴尼说，“从废弃光伏中回收的太阳能级硅不仅可以用于光伏组件的二次使用，也可以用于3bb锂离子电池阳极的增值再利用。”

工业级硅的平均价格约为1-2美元/公斤，但超纯纳米硅（适用于电池）的价格可能高达2万美元/公斤。鉴于目前使用的石墨电极每公斤的成本只有10-20没有，超纯纳米硅显然没有竞争力，所以找到更便宜的高纯硅的来源就很重要了。

一块典型的晶硅组件大约含有5%的硅，考虑它的高纯度，显然很有价值。但是大多数从光伏废弃物种回收高纯硅的办法都涉及到氢氟酸，这是一种必须小心处理和处置的强毒性物质。目前，莫纳什大学的谢巴尼和比利时列日大学研究人员合作，已经发现了一种可以代替氢氟酸从废弃光伏组件中提取超纯纳米硅的物质。

挑战依然艰巨

即使发现了某种有潜力的材料，研究人员和制造商依然面临巨大挑战。例如，立陶宛的组件制造商SoliTek，正通过数字化、新的设计方法和组件替代材料的研究，将循环利用的原则应用于其生产操作，以减少有毒成分和促进组件更好的回收。

但是，目标明确，挑战随之而来。SoliTek的一个重要研究领域是将铋代替铅在焊接中的应用，研究中遇到了更多应用铋的可持续性以及回收的问题，因此，只能寻找下一个替代元素。

这个例子显示了材料研究人员面临的挑战。

光伏组件本身就是一种复杂的材料混合物。科学家们还在继续发现和设计各种具有潜力的化学元素。元素周期表上大约有80种元素，除去放射性元素，研究人员似乎还有很多选择，然而，时间也是十分紧迫的。

而且，由于在寻找新材料的过程中涉及到多个参数，尤其是当目标是从头开始为新的应用设计材料时，人工智能就非常必要了。毕竟对潜在环境的预测是极其复杂的。“要做到这一点，我们必须使用一些非常先进的计算方法，这就是人工智能的作用所在。因为它可以观察信息之间关联的细节，给我们提供指导，省去了研究人员的不断实验和试错。”拉詹解释说。

人工智能在“类固醇的统计”已经被材料研究人员广泛使用。现在，人工智能帮助科学家进入不断发展的数学领域，并找到超越他们在实验室看到的与实际应用中的性能之间的联系。“当废弃物被扔进填埋场后，它的性能是怎么样的，该如何预测呢？随着时间的推移，仅仅依靠数据和统计数据是不现实的。挑战在于有太多的变量和制约因素，即使你找到了正确的化学成分，但制造、合成，弄清楚它的长期影响，这些都是非常复杂的问题。”

即便如此，还会有更多的挑战。正如拉詹解释的那样，自然界不允许每种化学物质结合，甚至不允许产生稳定的物质。但是即使使用先进的计算方法来应对这些挑战，研究人员仍然需要找出建立联系和回答复杂问题的最快方法。这就成了数据问题。这不仅仅是拥有大量的数据——必须在数据之间，材料的特征，原子尺度的特征，晶体结构尺度的特征，制造尺度之间理清关系，所有这些相当混乱复杂。

拉詹和他的同事们已经加入了“非传统”联盟，即不仅有其他大学，非政府组织和其他在环境科学和保护第一线工作的团体都加入其中。共同目标就是确定哪些趋势可以用来促进使用更安全化学品和材料的政策。

这就是科学家们在如何加快寻找新材料，评估其长期环境影响的同时快速修正等方面做的努力。循环经济的概念其实由来已久，但是在科学家看来，主要是这个循环涉及的面实在是太广了。

拉詹表示，“找到合适的行业合作伙伴非常重要，我们需要愿意分享相关信息的行业和公司。如果我们真的想在使循环经济方面有所进展，必须要压缩寿命周期。这样我们就不用等上10年再发现那里有问题或者如何才能解决这个问题。” 

原标题：人工智能和新材料在光伏电池和组件中的循环经济学