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紐約州立大學(xué)布法羅分校工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的材料信息學(xué)專家克里希納.拉詹（Krishna Rajan）一直專注于原子和分子層面的材料學(xué)。他表示，在他研究的領(lǐng)域，人工智能的應(yīng)用已經(jīng)司空見慣。“人工智能在材料科學(xué)的應(yīng)用已經(jīng)被寫進了詞典。事實上，這些之前使用起來非常復(fù)雜的工具，隨著計算機功能的強大正變得越來越簡單易懂，被接受程度也越來越高。我們研究的領(lǐng)域可以讓人們了解，如果一種垃圾被扔進填埋場，其中的材料是如何降解的。”

據(jù)國際可再生能源機構(gòu)(IRENA)估計，到2050年，將有超過7800萬噸的廢棄光伏組件。因此，如何在處理光伏廢物方面轉(zhuǎn)向更循環(huán)的經(jīng)將是未來幾年成功過渡到100%可再生及可持續(xù)性經(jīng)濟的關(guān)鍵。

對科學(xué)家來說，尋找新材料來取代鉛等有毒、不安全的材料是一項重大的挑戰(zhàn)。但是一些材料，比如超純納米硅，可以通過實用的方法從報廢的組件中回收，用于電動汽車電池。也就是說，新材料正在以越來越快的速度促進光伏效率的提升。正如拉詹教授解釋的那樣，在光伏產(chǎn)業(yè)最初的幾十年里，用于光伏電池和組件生產(chǎn)的核心材料是相對穩(wěn)定的，“但是在過去的20年，情況卻發(fā)生了改變，制造這些產(chǎn)品的新設(shè)備和新材料出現(xiàn)的速度已經(jīng)非?？臁?rdquo;

重復(fù)使用，改換用途

今年7月，美國國家可再生能源實驗室（NREL）發(fā)布了一份關(guān)于光伏組件廢棄物管理的報告。研究人員研究了晶硅的回收，并建議行業(yè)進一步努力尋找可以減少環(huán)境影響和回收成本的方法，同時盡量多地從組件中回收材料。2000年左右建設(shè)的項目中，組件的平均20年的使用壽命基本接近尾聲，它們對環(huán)境造成了嚴(yán)重污染和健康威脅。但是，安全地回收或者處理掉這些組件也是一個機會。

重復(fù)使用、恢復(fù)和增值再利用是組件回收之外的另一種選擇，但是要實現(xiàn)這一目標(biāo)，過程是復(fù)雜且多方面的。比如澳大利亞莫納什大學(xué)材料研究人員瑪朵塔. 謝巴尼（Mahdokht Shaibani），揭示了一些可以減少有害元素（比如鉛）使用的方法，以及對銅、銀和硅元素的新的回收的方案，將其再次利用到其他產(chǎn)品上。謝巴尼說，“從廢棄光伏中回收的太陽能級硅不僅可以用于光伏組件的二次使用，也可以用于3bb鋰離子電池陽極的增值再利用。”

工業(yè)級硅的平均價格約為1-2美元/公斤，但超純納米硅（適用于電池）的價格可能高達2萬美元/公斤。鑒于目前使用的石墨電極每公斤的成本只有10-20沒有，超純納米硅顯然沒有競爭力，所以找到更便宜的高純硅的來源就很重要了。

一塊典型的晶硅組件大約含有5%的硅，考慮它的高純度，顯然很有價值。但是大多數(shù)從光伏廢棄物種回收高純硅的辦法都涉及到氫氟酸，這是一種必須小心處理和處置的強毒性物質(zhì)。目前，莫納什大學(xué)的謝巴尼和比利時列日大學(xué)研究人員合作，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一種可以代替氫氟酸從廢棄光伏組件中提取超純納米硅的物質(zhì)。

挑戰(zhàn)依然艱巨

即使發(fā)現(xiàn)了某種有潛力的材料，研究人員和制造商依然面臨巨大挑戰(zhàn)。例如，立陶宛的組件制造商SoliTek，正通過數(shù)字化、新的設(shè)計方法和組件替代材料的研究，將循環(huán)利用的原則應(yīng)用于其生產(chǎn)操作，以減少有毒成分和促進組件更好的回收。

但是，目標(biāo)明確，挑戰(zhàn)隨之而來。SoliTek的一個重要研究領(lǐng)域是將鉍代替鉛在焊接中的應(yīng)用，研究中遇到了更多應(yīng)用鉍的可持續(xù)性以及回收的問題，因此，只能尋找下一個替代元素。

這個例子顯示了材料研究人員面臨的挑戰(zhàn)。

光伏組件本身就是一種復(fù)雜的材料混合物。科學(xué)家們還在繼續(xù)發(fā)現(xiàn)和設(shè)計各種具有潛力的化學(xué)元素。元素周期表上大約有80種元素，除去放射性元素，研究人員似乎還有很多選擇，然而，時間也是十分緊迫的。

而且，由于在尋找新材料的過程中涉及到多個參數(shù)，尤其是當(dāng)目標(biāo)是從頭開始為新的應(yīng)用設(shè)計材料時，人工智能就非常必要了。畢竟對潛在環(huán)境的預(yù)測是極其復(fù)雜的。“要做到這一點，我們必須使用一些非常先進的計算方法，這就是人工智能的作用所在。因為它可以觀察信息之間關(guān)聯(lián)的細(xì)節(jié)，給我們提供指導(dǎo)，省去了研究人員的不斷實驗和試錯。”拉詹解釋說。

人工智能在“類固醇的統(tǒng)計”已經(jīng)被材料研究人員廣泛使用。現(xiàn)在，人工智能幫助科學(xué)家進入不斷發(fā)展的數(shù)學(xué)領(lǐng)域，并找到超越他們在實驗室看到的與實際應(yīng)用中的性能之間的聯(lián)系。“當(dāng)廢棄物被扔進填埋場后，它的性能是怎么樣的，該如何預(yù)測呢？隨著時間的推移，僅僅依靠數(shù)據(jù)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)是不現(xiàn)實的。挑戰(zhàn)在于有太多的變量和制約因素，即使你找到了正確的化學(xué)成分，但制造、合成，弄清楚它的長期影響，這些都是非常復(fù)雜的問題。”

即便如此，還會有更多的挑戰(zhàn)。正如拉詹解釋的那樣，自然界不允許每種化學(xué)物質(zhì)結(jié)合，甚至不允許產(chǎn)生穩(wěn)定的物質(zhì)。但是即使使用先進的計算方法來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，研究人員仍然需要找出建立聯(lián)系和回答復(fù)雜問題的最快方法。這就成了數(shù)據(jù)問題。這不僅僅是擁有大量的數(shù)據(jù)——必須在數(shù)據(jù)之間，材料的特征，原子尺度的特征，晶體結(jié)構(gòu)尺度的特征，制造尺度之間理清關(guān)系，所有這些相當(dāng)混亂復(fù)雜。

拉詹和他的同事們已經(jīng)加入了“非傳統(tǒng)”聯(lián)盟，即不僅有其他大學(xué)，非政府組織和其他在環(huán)境科學(xué)和保護第一線工作的團體都加入其中。共同目標(biāo)就是確定哪些趨勢可以用來促進使用更安全化學(xué)品和材料的政策。

這就是科學(xué)家們在如何加快尋找新材料，評估其長期環(huán)境影響的同時快速修正等方面做的努力。循環(huán)經(jīng)濟的概念其實由來已久，但是在科學(xué)家看來，主要是這個循環(huán)涉及的面實在是太廣了。

拉詹表示，“找到合適的行業(yè)合作伙伴非常重要，我們需要愿意分享相關(guān)信息的行業(yè)和公司。如果我們真的想在使循環(huán)經(jīng)濟方面有所進展，必須要壓縮壽命周期。這樣我們就不用等上10年再發(fā)現(xiàn)那里有問題或者如何才能解決這個問題。” 

原標(biāo)題：人工智能和新材料在光伏電池和組件中的循環(huán)經(jīng)濟學(xué)