为了确切地了解问题是什么，以及如何解决这些问题，了解一些光伏电池板是如何制造的是很有帮助的。虽然太阳能可以使用各种技术来产生，但目前绝大多数太阳能电池都是从石英开始的，石英是二氧化硅(二氧化硅)最常见的形式，它被精炼成单质硅。第一个问题是:石英是从矿井中提取出来的，这使矿工面临着人类文明中最古老的职业危害之一——肺病矽肺病的风险。
最初的精炼过程将石英转化为冶金级硅，这种物质主要用于硬化钢铁和其他金属。这发生在巨大的熔炉中，保持它们的高温需要大量的能量，这个主题我们稍后会回到。幸运的是，由此产生的排放水平——主要是二氧化碳和二氧化硫——不会对硅精炼厂的工作人员或直接环境造成太大伤害。
然而，下一步——将冶金级硅转化为更纯净的多晶硅——就会产生剧毒的化合物四氯化硅。精炼过程包括将盐酸与冶金级硅结合，将其转化为所谓的三氯硅烷。然后三氯硅烷与添加的氢反应，生成多晶硅和液态四氯化硅——每吨多晶硅生成三到四吨四氯化硅。
大多数制造商回收这些废料来生产更多的多晶硅。从四氯化硅中捕获硅比从原始二氧化硅中获取所需的能量更少，因此回收这种废物可以为制造商节省资金。但再处理设备可能耗资数千万美元。所以有些操作会扔掉副产品。如果暴露在水中(如果随意倾倒，这是很难防止的)，四氯化硅会释放盐酸，使土壤酸化并释放有害烟雾。
当光伏产业由于体积较小，太阳能电池制造商从芯片制造商那里获得硅，而芯片制造商拒绝生产不符合计算机行业纯度要求的晶圆。但是，光伏的蓬勃发展需要的不仅仅是半导体工业的剩余产品，许多新的多晶硅精炼厂在中国建成。《华盛顿邮报》的一些记者发现，当时很少有国家对储存和处理四氯化硅废料有严格的规定，中国也不例外。
论文的调查，2008年3月出版他介绍了洛阳中贵高科技有限公司(Luoyang Zhonggui High-Technology Co.)拥有的中国多晶硅工厂，该工厂位于中国河南省黄河附近。该工厂向当时世界上最大的太阳能电池制造商尚德电力控股有限公司以及其他几家知名的光伏公司供应多晶硅。
记者发现，该公司将四氯化硅废料倾倒在附近的田地，而不是投资于可以对其进行再处理的设备，导致这些田地无法种植作物，并导致附近居民的眼睛和喉咙发炎。这篇文章表明，该公司并不是唯一一家这样做的公司。
《华盛顿邮报》的报道发表后，太阳能公司的股价下跌。投资者担心，这些信息的披露将损害一个非常依赖其绿色信誉的行业。毕竟，这是吸引大多数客户的原因，也是促使公众支持促进采用太阳能的政策的原因住宅可再生能源税收抵免在美国。那些购买住宅太阳能系统的人可以从他们的税收账单中减去30%的成本，直到激励措施在2016年到期。
为了保护行业声誉，光伏电池板制造商开始询问多晶硅供应商的环保做法。因此，目前情况正在改善。2011年，中国制定了标准，要求企业至少回收98.5%的四氯化硅废料。只要工厂安装合适的设备，这些标准很容易达到。然而，这些规定的执行情况如何还有待观察。
这个问题将来可能会完全消失。位于科罗拉多州戈尔登的国家可再生能源实验室的研究人员正在寻找用乙醇代替氯基化学品生产多晶硅的方法，从而完全避免产生四氯化硅。
努力保持光伏发电的绿色不止于多晶硅的生产。太阳能电池制造商将多晶硅提纯成砖状锭，然后将锭切成晶圆。然后他们将杂质引入硅晶圆中，创造出产生光伏效应的基本太阳能电池结构。
这些步骤都涉及危险化学品。例如，制造商依靠氢氟酸来清洁晶圆，去除锯切造成的损伤，并使表面纹理化以更好地收集光线。氢氟酸对这些都很有效，但当它接触到一个没有保护的人时，这种强腐蚀性的液体会破坏组织，使骨骼脱钙。所以处理氢氟酸需要非常小心，而且必须妥善处理。
但事故确实会发生，而且更有可能发生在半导体制造经验有限或环境法规宽松的地方。2011年8月，世界上最大的光伏公司之一晶科太阳能控股有限公司在中国浙江省的一家工厂，氢氟酸溢出流入附近的木家桥河，造成数百条鱼死亡。在邻近土地上耕作的农民使用被污染的水来清洁他们的动物，意外地杀死了几十头猪。
在对死猪的调查中，中国当局发现江中氢氟酸的含量是允许限量的10倍，而且他们大概是在大部分氢氟酸被冲到下游很久之后才进行这些测量的。数百名当地居民对这一事件感到不满，冲入工厂，并暂时占领了工厂。投资者再次做出了反应:当主要媒体第二天报道这一消息时，晶科的股价下跌了40%以上，市值蒸发了近1亿美元。
这种对环境的威胁不需要继续下去。陶氏化学子公司Rohm & Haas电子材料公司的研究人员已经发现了用于太阳能电池制造的氢氟酸的替代品。氢氧化钠(NaOH)是一个不错的选择。虽然氢氧化钠本身是一种腐蚀性化学物质，但它比氢氟酸更容易处理和处理，对工人来说风险更小。对含NaOH废水的处理也有较好的效果。
尽管超过90%现在的光伏板都是从多晶硅开始的，现在有一种新的方法:薄膜太阳能电池技术。薄膜太阳能电池的市场份额在未来十年可能会增长，因为它们可以和硅基太阳能电池一样高效，而且制造成本更低，因为它们消耗的能源和材料更少。
薄膜电池的制造商直接在玻璃、金属或塑料衬底上沉积半导体材料层，而不是从硅锭上切割晶圆。这种方法产生的废物更少，完全避免了传统电池制造过程中复杂的熔化、拉伸和切片。从本质上讲，在工厂的一端放入一块玻璃，另一端则是一个功能齐全的光伏模块。
转向薄膜太阳能电池消除了制造过程中的许多环境和安全危害，因为不需要某些有问题的化学物质——没有氢氟酸，没有盐酸。但这并不意味着你可以自动将薄膜太阳能电池标记为绿色。
今天占主导地位的薄膜技术是碲化镉和最近的竞争对手，铜铟镓硒化(CIGS)。在前者中，一个半导体层由碲化镉制成;二是硫化镉。在后者中，主要的半导体材料是CIGS，但第二层通常是硫化镉。所以每一种技术使用含有重金属镉的化合物，镉既是一种致癌物，也是一种基因毒素，这意味着它可以导致遗传突变。
像位于亚利桑那州坦佩市的第一太阳能公司这样的制造商。，have a strong record of protecting workers from cadmium exposures during manufacture. But there is little information about exposures to workers involved with cadmium at earlier stages in the life cycle of the metal, from the zinc mines where much of cadmium originates through the smelting process that purifies cadmium and turns it into semiconductor materials. Exposures after solar panels are discarded are also a concern. Most of the cadmium telluride that manufacturers dispose of due to damage or manufacturing defects is recycled under safe, controlled conditions. On the postconsumer end of the equation, the industry proactively set up a solar-panel collection and recycling scheme in Europe. Individual companies have also established recycling programs, such as First Solar's prefunded take-back system. But more needs to be done; not every consumer has access to a free take-back program, and indeed many consumers may not even be aware of the need to dispose of panels responsibly.
避免工人和环境暴露于有毒镉的最好方法是尽量减少镉的使用量或根本不使用镉。两家主要的cigs光伏制造商——avancis和Solar frontier——已经开始使用一种相对无害的材料——硫化锌来代替硫化镉。来自英国布里斯托尔大学和巴斯大学的研究人员;加州大学伯克利分校;许多其他学术和政府实验室正在努力开发不需要有毒元素的薄膜光伏比如镉或者碲这样的稀有元素。与此同时，第一太阳能公司一直在稳步减少其太阳能电池中镉的使用量。
毒性并不是唯一的担忧。制造太阳能电池需要大量的能量。幸运的是，因为这些电池可以发电，所以它们可以回报最初的能源投资;大多数公司在运营两年后就会这样做，有些公司的回报时间短至6个月。这种“能源投资的回报“时间与收回消费者在太阳能电池板上的财务投资所需的时间不同;它以千瓦时来衡量投资和回报时间，而不是以金钱来衡量。
分析人士还根据生产太阳能电池板过程中产生的碳量来判断能源的影响——这个数字可能相差很大。为了做到这一点，我们给能量一个碳强度值，通常用千克CO表示2每千瓦时的排放量。主要依赖煤炭的地方拥有世界上碳强度最高的电力:中国电力就是一个很好的例子，其碳强度大约是美国电力的两倍。这与伊利诺斯州阿贡国家实验室和西北大学的研究人员的结果相吻合。在今年6月发表的一份报告中，他们发现中国制造的光伏电池板的碳足迹确实是欧洲制造的两倍左右。
如果将中国制造的光伏板安装在中国，所消耗的能源的高碳强度和所节省的能源的高碳强度相互抵消，生产过程中抵消温室气体排放所需的时间与能源回收期相同。但这不是最近发生的事情。生产主要在中国，面板通常安装在欧洲或美国。在碳强度加倍的情况下，补偿温室气体排放所需的时间是偿还能源投资所需时间的两倍。
当然，如果你用低碳电力生产光伏板(例如，在太阳能工厂)，并将其安装在高碳强度的国家，温室气体的回收期将低于能源的回收期。因此，也许有一天，用风能、太阳能和地热能为光伏电池板制造提供动力将结束对光伏碳足迹的担忧。
水是另一个问题。光伏制造商将大量太阳能用于各种用途，包括冷却、化学处理和空气污染控制。然而，最大的水浪费是安装和使用过程中的清洁。230- 550兆瓦的公用事业规模项目在施工期间需要多达15亿升水用于粉尘控制，在运行期间每年还需要2600万升水用于面板清洗。然而，用于生产、安装和运行光伏电池板的水量明显低于冷却热电化石和裂变发电厂所需的水量。
投资者和消费者做出的选择原则上，会对光伏制造商的做法产生很大影响。但通常很难区分这些公司在保护环境方面的不同之处。太阳能行业没有正式的生态标签，不像家用电器和消费电子产品上的“能源之星”标签那样，帮助美国消费者识别节能产品。亚博技术支持专业彩票平台而且大多数人不会自己出去购买太阳能电池板。他们雇佣第三方安装人员。因此，即使有生态标签方案，这也取决于安装人员是否愿意选择生态友好型产品。
目前，消费者可以向安装人员询问生产他们使用的产品的公司，从而帮助推动制造商改善环境和安全记录。反过来，这将促使安装人员向制造商询问更多信息。
位于纽约厄普顿的布鲁克海文国家实验室的国家光伏环境研究中心的研究人员长期以来一直在发表关于光伏可能对环境造成危害的研究。最近，正式的太阳能行业环境绩效评级开始出现。
国际地球科学信息网络中心等组织正试图建立一些方法来确定发展中国家制造商的环境、健康和安全性能。该小组包括来自耶鲁大学和哥伦比亚大学的研究人员中国环境绩效指数该机构将在省级层面开展工作，帮助中国追踪环境政策目标的实现进展。
与此同时，美国国家贸易组织太阳能工业协会(Solar Energy Industries Association)在一份名为《太阳能产业指南》的文件中提出了新的行业指导方针“太阳能产业环境与社会责任承诺”，旨在预防职业伤害和疾病，防止污染，减少生产中使用的自然资源。该文件敦促企业要求供应商报告生产实践以及任何化学和温室气体排放情况。
此外，硅谷有毒物质联盟该机构对电子公司的环保表现进行了评估排名在中国、德国、马来西亚、菲律宾和美国的光伏制造公司。参与是自愿的，迄今为止包括第一太阳能、SolarWorld、SunPower、尚德、天合光能和英利等主要制造商;中国制造商天合光能(Trina)和英利(Yingli)一直位列全球最具环境责任感的三家企业之列。夏普、SolarWorld和SunPower几年来一直在仔细跟踪太阳能电池板制造过程中排放的温室气体和化学物质。
这些举措来得不早不晚。考虑到大多数替代能源的污染程度，如今许多人认为光伏发电是解决能源困境的灵丹妙药。但这并不意味着我们应该对这项技术的阴暗面视而不见。的确，我们需要非常仔细地考虑。也许，通过消费者、制造商和研究人员的持续努力，光伏产业终有一天会真正实现绿色，而不仅仅是象征性的绿色。
本文原题为“太阳能的绿色困境”。
本文于2014年11月12日更新。
作者简介
达斯汀Mulvaney他是加州圣何塞州立大学环境研究的助理教授，主要研究方向是太阳能、生物燃料和天然气工业。尽管他认为自己既是太阳能的倡导者，也是太阳能的使用者——他的院子里有一个光伏阵列——但他的研究使他意识到制造光伏板的重大健康风险和环境成本。
安德烈·泰勒纽约大学坦顿工程学院
尤里·Dvorkin纽约大学坦顿工程学院
米格尔Modestino纽约大学坦顿工程学院
DC-MUSE米格尔Modestino
