针对钙钛矿太阳能电池实施循环经济的驱动因素、进展与挑战

近年来，钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells，简称 PSC）作为一种新型光伏（Photovoltaic，简称 PV）技术，因其更高效和经济性而备受瞩目。本文题为“Circular economy for perovskite solar cells – drivers, progress and challenges”，由 Rhys G. Charles 等学者撰写，发表于 Energy and Environmental Science 杂志（The Royal Society of Chemistry, 2023, Vol.16, pp.3711–3733）。文章系统探讨了钙钛矿太阳能电池的循环经济发展所需的立法、经济、环境与材料供应等驱动因素，以及当前研究的进展和面临的重大挑战。

一、研究背景与意义

全球光伏能源的装机总量至 2022 年已突破 1 太瓦（TW），并预计到 2050 年要达到 8.5-14.0 TW，以实现气候变化缓解目标。然而，当前市场占主导的晶体硅光伏（Crystalline Silicon PV, 简称 c-Si PV）技术受限于关键材料供应、安全性及废弃物处理等问题。传统 PV 器件的线性经济模式（如”制造-使用-丢弃”）设计并未考虑其、寿命结束后的资源回收，这导致废弃光伏设备资源利用率较低，无法形成有效的原材料闭环体系。

相比之下，钙钛矿电池是一种具有革命性潜力的新技术，可实现生产工艺的溶液化处理，从而降低能耗和成本。此外，钙钛矿电池在解决一些关键问题（如提高效率、稳定性及可扩大化生产）方面已取得重大进展。然而，全球资源提取的环境代价巨大，电子废弃物快速增长（年增长量为 53.6 百万吨），以及关键材料（Critical Raw Materials, CRMs）的供应风险，使得采用循环经济（Circular Economy）的必要性日益突出。

二、研究目标

本文旨在推进钙钛矿光伏技术从原型到商业化的可持续发展，通过以下几方面明确如何实施循环经济： 1. 探讨法律与经济驱动因素。 2. 调查目前用于钙钛矿器件的材料环境可持续性及关键资源安全性。 3. 评估现有重新制造与回收技术的可行性。 4. 建议循环经济视角下可指导钙钛矿技术发展的具体策略。

三、研究方法与主要工作流程

1. 法规与政策驱动

全球日益严格的关于电子废弃物（WEEE）和有害物质限制（RoHS）的法规为钙钛矿循环经济提供了政策驱动。例如，欧盟要求制造商对产品的废弃责任（EPR，Extended Producer Responsibility）予以重视，从而推动包括钙钛矿电池在内的产品设计延长使用寿命、易于拆卸与回收利用。而中国、日本和美国加州也已采取类似措施，逐步规范处置光伏废弃物的方式。

2. 材料供应挑战与安全策略

存在若干资源短缺风险的关键材料（如钙钛矿电池中的铟、锡、金、铯及铷）被纳入研究。例如： - 透明导电氧化物（TCOs）：ITO（铟锡氧化物）被广泛用于制造透明电极，但铟和锡的矿产供应有限，且价格波动剧烈。替代材料如 FTO（掺氟氧化锡）和 AZO（铝掺杂氧化锌）已被证明可有效替代 ITO，但仍需进一步验证大规模商业应用的可行性。 - 贵金属使用替代：金（Au）作为顶电极材料虽具有优异性能，但其高成本和环境代价驱动了对更低成本的替代品（例如银、铜或碳材料）的探索。 - 钙钛矿活性层中的铯（Cs）和铷（Rb）：作为改善热稳定性的关键成分，铯资源虽然储量有限，但需求量相对较小。相比之下，铷的环境可获得性和供应安全性更优，被视为潜在的替代选择。

3. 循环经济设计与工艺探索

为提高钙钛矿电池多代生命循环（循环利用）的可能性，研究提出并验证了几种方法： 1. 选择性溶解与材料回收：使用多种有机溶剂如 DMF，可实现对钙钛矿电池玻璃基板、透明涂层或电极层的回收。例如，一些高纯度的回收碘化铅（PbI₂）可直接用于后续器件制造，而不会导致性能显著下降。 2. 再制造策略：通过针对退化钙钛矿层（如甲胺处理法）或直接重建钙钛矿活性材料，重新制造模块化的器件架构。 3. 封装与解封装技术：为模块化设计配套研制的新型可触发脱粘封装材料，不仅保持功能稳定，还可高效剥离以利于回收。

4. 环境与健康影响评估

与传统光伏模块相比，钙钛矿技术可能涉及更高潜在风险的材料，比如铅（Pb）的毒性及其环保处理问题。研究中详细列举了通过整合封装材料新型吸附剂来捕获泄漏铅的成功案例（99% 的高效封闭率）。

四、主要结果与解读

1. 技术经济表现与循环潜力：
钙钛矿太阳能模块（PSM）的低清算成本（LCOE）促进了其产业前景。研究表明，通过有效的组件回收，可节省 73% 的能耗，并降低 71% 的生命周期温室气体排放（GHG）。实现基板或功能材料再利用后，模块的能量回报周期（EPBT）可降至不到 0.09 年，这是 c-Si PV 无法达到的优异表现。

2. 材料替代与关键问题：
替代稀缺材料（如铟和铯）技术得到了验证，但其对技术性能的潜在影响仍需进一步研究。回收 PbI₂、再生成钙钛矿材料等方法展现出了很高的资源利用率，且减少了环境毒性风险。

3. 延续性设计的难点：
循环制造与封装材料设计目前仍存在多重技术瓶颈。例如，必须在稳定性与可回收性之间做出平衡，以免影响总体生命周期效益。

五、研究意义与展望

本文指出，尽管钙钛矿光伏技术商业化尚需解决稳定性、规模化生产与寿命结束处理等挑战，但其”循环经济可实现性”带来了显著竞争优势。通过优化封装材料、采用环境友好的绿色溶剂以及建立高效回收体系，可以极大增强钙钛矿技术的经济吸引力和生态效益。未来发展中，研究者需进一步完善生命周期影响分析（Life Cycle Assessment, LCA）与材料回收工艺，并创造始终与循环经济原则相和谐的一体化工业模式。

综上，钙钛矿电池作为下一代光伏技术，在循环经济设计与法规支持下可形成全新的可持续新范式，既满足工业化扩展要求，又对减缓气候变化作出重要贡献。