IF：86.2！香港城市大學(xué)，Nature 系列綜述，中文署名！

封閉循環(huán)制造為鈣鈦礦光伏可持續(xù)發(fā)展開辟新路徑

隨著全球?qū)稍偕茉葱枨蟮牟粩嘣鲩L(zhǎng)，鈣鈦礦太陽能電池因其高效率與低成本的潛力備受矚目。然而，其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程仍面臨環(huán)境可持續(xù)性的重大挑戰(zhàn)，包括有毒溶劑的使用、鉛泄漏風(fēng)險(xiǎn)、能源密集型工藝以及回收體系缺失等問題。當(dāng)前，從實(shí)驗(yàn)室走向規(guī)模化生產(chǎn)的關(guān)鍵階段，正是構(gòu)建綠色制造路徑的重要窗口期。

近日，香港城市大學(xué)朱宗龍教授系統(tǒng)提出了鈣鈦礦太陽能電池的封閉循環(huán)可持續(xù)制造框架。該研究從原材料獲取、綠色加工、安全運(yùn)行與回收再利用等全生命周期環(huán)節(jié)，全面梳理了實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好型鈣鈦礦光伏技術(shù)的關(guān)鍵策略與挑戰(zhàn)，旨在推動(dòng)該技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向規(guī)模化綠色制造。相關(guān)論文以“Closed-loop manufacturing for sustainable perovskite photovoltaics”為題，發(fā)表在Nature Reviews Materials上。

研究首先分析了鈣鈦礦電池各功能層所需的關(guān)鍵原材料，包括鈣鈦礦層中的鉛、銫和碘，透明導(dǎo)電氧化物中的銦和錫，以及電極中常用的銀和銅等，并指出鉛等材料可通過回收系統(tǒng)（如廢舊汽車電池）獲取，從而減少對(duì)原生礦產(chǎn)的依賴，契合循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念。在制造工藝方面，論文對(duì)比了氣相沉積與溶液處理兩大技術(shù)路徑：氣相沉積具有成膜均勻、重復(fù)性好、溶劑使用少等優(yōu)勢(shì)，尤其適用于大規(guī)模薄膜生產(chǎn)；溶液處理則設(shè)備成本低、工藝靈活、易于組成調(diào)控，更適用于研發(fā)與初期生產(chǎn)。兩者在規(guī)模化成本與能耗方面各有權(quán)衡，而未來的產(chǎn)業(yè)化可能需要混合使用兩種技術(shù)以發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)。

圖1 | 鈣鈦礦太陽能電池的封閉循環(huán)可持續(xù)路徑。 展示了鈣鈦礦太陽能電池在封閉循環(huán)可持續(xù)框架內(nèi)的全生命周期過程——從綠色加工技術(shù)到安全運(yùn)行與服務(wù)，最終實(shí)現(xiàn)可持續(xù)回收與再利用。ITO：氧化銦錫；FTO：氟摻雜氧化錫。

圖2 | 鈣鈦礦太陽能電池的原材料獲取。 a. 典型的鈣鈦礦太陽能電池結(jié)構(gòu)，包括n-i-p（左）和p-i-n（右）結(jié)構(gòu)。b–e. 各功能層中使用的關(guān)鍵元素（鈣鈦礦層、透明導(dǎo)電氧化物層、電子或空穴傳輸層、金屬電極）的全球產(chǎn)量、產(chǎn)能、儲(chǔ)量和資源量。數(shù)據(jù)基于2024年統(tǒng)計(jì)，來源于美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局《2025年礦物商品摘要》。

圖3 | 氣相沉積與溶液處理的比較。 a,b. 氣相沉積與溶液處理的示意圖。c. 全球模組和設(shè)備制造商在不同沉積技術(shù)中的份額分布（包括成熟與初創(chuàng)公司）。d. 氣相沉積鈣鈦礦吸收層的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析基礎(chǔ)。影響競(jìng)爭(zhēng)性生產(chǎn)成本（左）與資本支出（右）的關(guān)鍵因素是線性源數(shù)量和沉積速率。不同的沉積方法在技術(shù)特性、可擴(kuò)展性和工業(yè)可行性方面呈現(xiàn)出不同的權(quán)衡。

在綠色溶劑開發(fā)方面，研究指出傳統(tǒng)溶劑如DMF具有較高環(huán)境和健康風(fēng)險(xiǎn)，而DMSO、γ-戊內(nèi)酯及離子液體等更安全的溶劑已成功用于制備高效率電池。通過設(shè)計(jì)溶劑組合，調(diào)節(jié)其介電常數(shù)、給體數(shù)、沸點(diǎn)與粘度等性質(zhì)，可優(yōu)化前驅(qū)體溶解、結(jié)晶動(dòng)力學(xué)與成膜質(zhì)量，從而在降低毒性的同時(shí)保持器件性能。針對(duì)公眾關(guān)心的鉛泄漏問題，論文強(qiáng)調(diào)封裝是防止鉛釋放的主要手段，現(xiàn)有光伏層壓封裝材料已能有效保護(hù)電池組件。同時(shí)，也可通過在器件內(nèi)部嵌入鉛吸附層或使用原位鉛固定材料，進(jìn)一步降低潛在風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 | 溶劑選擇與綠色溶液處理。 a. 根據(jù)溶劑危害等級(jí)將50種常見溶劑分為六類：推薦使用（深藍(lán)）、謹(jǐn)慎使用（淺藍(lán)）、有問題（黃）、潛在危害（橙）、危害（粉紅）和高度危害（紅）。b–d. 基于介電常數(shù)與給體數(shù)、沸點(diǎn)與給體數(shù)、沸點(diǎn)與粘度的溶劑性質(zhì)分類二維圖。實(shí)心數(shù)據(jù)點(diǎn)代表用于制備鈣鈦礦薄膜的典型溶劑，空心數(shù)據(jù)點(diǎn)代表潛在可選溶劑。e. 向鈣鈦礦前驅(qū)體溶液中添加乙醇后膠體組分的示意圖。f. 不同溶劑體系中寬帶隙鈣鈦礦在前驅(qū)體溶液中的膠體尺寸分布。無毒或低毒溶劑及其組合可用于調(diào)控鈣鈦礦前驅(qū)體行為與薄膜性質(zhì)。

圖5 | 鈣鈦礦太陽能電池中的鉛泄漏與緩解。 a. 導(dǎo)致電池提前失效可能引起鉛釋放的因素及其在環(huán)境介質(zhì)中的遷移。b. 鉛泄漏風(fēng)險(xiǎn)管理的緩解策略，包括外部吸附、界面工程以及在鈣鈦礦層內(nèi)嵌入吸附材料。

回收環(huán)節(jié)是閉合循環(huán)的關(guān)鍵。玻璃作為電池中質(zhì)量和成本最高的部分，可通過熱分層或機(jī)械破碎進(jìn)行回收，但直接再利用仍需解決清潔度與規(guī)格統(tǒng)一等問題。鈣鈦礦層中的鉛可通過有機(jī)溶劑溶解-吸附回收或水基提取法進(jìn)行高效回收與再利用，其中水法因其環(huán)境友好性更具吸引力。其他組件如銀電極和空穴傳輸材料的回收則因成本高、雜質(zhì)多而仍面臨技術(shù)和經(jīng)濟(jì)挑戰(zhàn)。

圖6 | 鈣鈦礦太陽能電池主要組件的回收選項(xiàng)概述。 包括玻璃組件、鈣鈦礦層及其他組件（如金屬電極、空穴傳輸材料）的當(dāng)前回收方法與挑戰(zhàn)。平板玻璃因成本和質(zhì)量占比高是回收重點(diǎn)，鈣鈦礦層回收需同時(shí)考慮環(huán)境與經(jīng)濟(jì)因素。

總結(jié)而言，實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦太陽能電池的可持續(xù)閉環(huán)制造仍需攻克多個(gè)關(guān)鍵問題：開發(fā)真正綠色且工藝窗口寬的溶劑體系、研發(fā)適用于鈣鈦礦組分的高速率氣相沉積技術(shù)、設(shè)計(jì)兼顧防護(hù)與光透明性的封裝方案，以及建立低成本、高效率的回收純化工藝。未來，需通過全生命周期評(píng)估系統(tǒng)比較不同技術(shù)路徑的真實(shí)環(huán)境影響，推動(dòng)鈣鈦礦光伏在提升效率與穩(wěn)定性的同時(shí)，真正成為環(huán)境友好、資源循環(huán)的低碳能源技術(shù)。