來源：頂刊收割機

隨著光伏部署在全球范圍內的推進，其制造及報廢階段仍面臨諸多生態(tài)環(huán)境挑戰(zhàn)。盡管光伏發(fā)電的環(huán)境影響遠低于化石燃料發(fā)電，但制造過程中使用的能源仍部分源于化石燃料，且原材料開采與廢棄組件的回收處理亦帶來環(huán)境負擔。鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）作為新一代光伏技術，因其高光電轉換效率、低材料成本與超薄結構而備受關注，但其產業(yè)化過程中仍存在溶劑毒性、鉛泄漏風險及回收體系不完善等可持續(xù)性問題。目前，實驗室規(guī)模制備常使用如DMF等有害有機溶劑，且鉛成分可能在使用或報廢后釋放，引發(fā)環(huán)境與健康擔憂。因此，在PSC從實驗室走向產業(yè)化的關鍵階段，建立閉環(huán)可持續(xù)制造體系至關重要，涵蓋綠色材料選取、無害化工藝設計、使用階段鉛泄漏防控以及高效回收再生等多個環(huán)節(jié)。

成果簡介

針對以上問題，香港城市大學朱宗龍團隊在Nature Reviews Materials上發(fā)表了題為“Closed-loop manufacturing for sustainable perovskite photovoltaics”的論文，提出了一種面向鈣鈦礦太陽能電池的閉環(huán)可持續(xù)制造框架，系統探討了實現該愿景的關鍵策略。該綜述首先分析了原材料來源，比較了氣相沉積與溶液加工兩種主流制備技術的經濟性與環(huán)境影響。其次聚焦于溶液加工方法，重點討論了用于制備高質量鈣鈦礦薄膜的綠色溶劑體系設計。隨后評估了PSC運行中潛在的鉛釋放風險及其環(huán)境管控途徑。接著總結了針對PSC各主要組件的有效回收方法，以支持循環(huán)生產模式。最后指出了當前實現完全可持續(xù)閉環(huán)PSC技術所面臨的主要挑戰(zhàn)，并展望了未來研究方向，旨在推動該技術在提升性能的同時，全面降低其全生命周期環(huán)境足跡。

圖文解析

圖1 鈣鈦礦太陽能電池的閉環(huán)可持續(xù)路徑

圖1展示了鈣鈦礦太陽能電池在閉環(huán)可持續(xù)框架下的全生命周期路徑，涵蓋綠色加工技術、安全運行與服務以及可持續(xù)回收再利用三大階段。圖中示意了從新材料輸入與再生原材料開始，通過綠色溶劑制備鈣鈦礦層和傳輸層，并采用回收材料進行制造；在運行階段通過封裝層與界面設計抑制鉛泄漏；最終在回收階段對鈣鈦礦、玻璃等組件進行循環(huán)再生。該閉環(huán)體系突顯了從材料選擇、制造、使用到報廢回收的全流程可持續(xù)管理理念，旨在最小化資源消耗與環(huán)境排放，為實現鈣鈦礦光伏的循環(huán)經濟提供了系統化的技術路線圖。

圖2 鈣鈦礦太陽能電池中各功能層所需關鍵原材料的全球來源情況

圖2分析了鈣鈦礦太陽能電池中各功能層所需關鍵原材料的全球來源情況。圖a展示了n-i-p和p-i-n兩種典型器件結構，圖b至圖e則分別統計了鈣鈦礦層、透明導電氧化物層、電子/空穴傳輸層及金屬電極中主要元素（如Cs、Pb、Sn、I等）的全球產量、產能、儲量和資源量。數據表明，大規(guī)模部署PSC將高度依賴這些關鍵元素的供應穩(wěn)定性，其中鉛的回收潛力較大（如可從廢舊汽車電池中獲?。C等元素則儲量有限、供應鏈集中。該圖強調了對原材料進行可持續(xù)采購與循環(huán)利用的戰(zhàn)略重要性，以確保PSC產業(yè)長期發(fā)展的資源安全。

圖3 氣相沉積法與溶液法的比較

圖3比較了氣相沉積與溶液加工兩種鈣鈦礦薄膜制備技術。圖a與圖b分別為兩種技術的示意圖，圖c展示了全球設備與組件制造商對不同沉積技術的采用比例，圖d則對氣相沉積工藝進行了技術經濟分析，指出沉積速率與線性蒸發(fā)源數量是影響成本的關鍵。分析顯示，氣相沉積具有成膜均勻、重復性好、溶劑使用少等優(yōu)勢，但設備成本高；溶液加工則設備簡單、成本低、組分易調，但面臨溶劑污染與廢物處理問題。該圖說明兩種路徑在產業(yè)化中各有優(yōu)劣，實際生產中常采用混合工藝以兼顧性能與成本，為規(guī)?；圃熘械募夹g選擇提供了依據。

圖4 鈣鈦礦制備中的溶劑選擇與綠色溶液加工策略

圖4系統闡述了鈣鈦礦制備中的溶劑選擇與綠色溶液加工策略。圖a將50種常用溶劑按危害等級分為六類，為綠色溶劑篩選提供依據。圖b-d通過給體數、介電常數、沸點與粘度等關鍵物性參數的二維關聯圖，揭示了溶劑性質對鈣鈦礦前驅體溶解、沉積行為與結晶動力學的影響機制。圖e-f則以DMSO/ACN/EtOH三元溶劑體系為例，說明通過精細調節(jié)溶劑組合可控制膠體尺寸分布，從而獲得高質量鈣鈦礦薄膜。該圖強調通過合理設計多溶劑體系，可在兼顧環(huán)境友好性的同時實現薄膜性能優(yōu)化，為綠色溶液工藝開發(fā)提供了理論指導與實踐范例。

圖5 鈣鈦礦太陽能電池運行中鉛泄漏的潛在途徑與緩解策略

圖5探討了鈣鈦礦太陽能電池運行中鉛泄漏的潛在途徑與緩解策略。圖a列舉了冰雹、強風、火災等外部應力可能導致器件物理損傷，進而引發(fā)鉛離子泄漏并進入土壤、水體等環(huán)境介質。圖b總結了三種鉛泄漏管控策略：外部吸附（使用離子交換樹脂、多孔材料等）、界面工程（在界面嵌入鉛吸附層）以及在鈣鈦礦層內原位整合鉛捕獲材料（如環(huán)糊精衍生物）。研究表明，內置吸附材料可在源頭快速選擇性固定鉛離子，且不影響器件性能。該圖指出，盡管現有封裝材料已能提供良好保護，但針對極端失效情景開發(fā)高效鉛捕獲技術，對于增強PSC的環(huán)境安全性具有重要意義。

圖6 鈣鈦礦太陽能電池主要組件的回收方法與挑戰(zhàn)

圖6概述了鈣鈦礦太陽能電池主要組件的回收方法與挑戰(zhàn)。對于玻璃部件，可通過熱分層或機械破碎進行回收，其中鍍有透明導電氧化物的基板玻璃具有更高的循環(huán)價值。鈣鈦礦層的回收主要有兩種途徑：一是在有機溶劑中溶解后通過吸附-脫附回收碘化鉛；二是利用碘化鉛在水中的溫度依賴性溶解性進行水相提取與再沉淀。金屬電極如銀的回收因層薄而成本較高，銅或鋁則成本較低但穩(wěn)定性差。該圖指出，當前回收研究多處于實驗室階段，未來需發(fā)展低成本、低能耗的規(guī)模化回收工藝，特別是針對鈣鈦礦疊層電池中不同子電池的選擇性分離與材料回收，以真正實現閉環(huán)可持續(xù)制造。

結論展望

為實現鈣鈦礦太陽能電池的可持續(xù)閉環(huán)制造，仍需在多個關鍵環(huán)節(jié)取得突破。首先，必須系統降低PSC全生命周期中的環(huán)境影響，包括減少有毒溶劑使用、降低工藝能耗、延長器件壽命并建立高效回收路徑。其次，若采用溶液加工路線，需開發(fā)真正滿足環(huán)保與性能雙重標準的綠色溶劑體系，并驗證其在不同器件結構中的普適性。第三，若采用真空沉積工藝，則需開發(fā)適用于有機銨鹽的高沉積速率裝備與技術。此外，實現硅-鈣鈦礦或鈣鈦礦-鈣鈦礦疊層電池的閉環(huán)制造，還需全面優(yōu)化工藝兼容性、界面設計與多層材料分離回收策略。未來應通過整合生命周期評價與經濟技術分析，科學權衡性能、成本與環(huán)境效益，推動PSC向規(guī)模化、低環(huán)境影響的可持續(xù)能源技術發(fā)展。

文獻信息

Li, B., Gao, D., Zhang, C. et al. Closed-loop manufacturing for sustainable perovskite photovoltaics. Nat Rev Mater (2025). https://doi.org/10.1038/s41578-025-00872-5

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