IF=86.2！所有華人作者均中文署名！香港城市大學(xué)，重磅Nature超級綜述！

來源：頂刊收割機

隨著光伏部署在全球范圍內(nèi)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(fù)擔(dān)。鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）作為新一代光伏技術(shù)，因其高光電轉(zhuǎn)換效率、低材料成本與超薄結(jié)構(gòu)而備受關(guān)注，但其產(chǎn)業(yè)化過程中仍存在溶劑毒性、鉛泄漏風(fēng)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(dān)憂。因此，在PSC從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵階段，建立閉環(huán)可持續(xù)制造體系至關(guān)重要，涵蓋綠色材料選取、無害化工藝設(shè)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(xué)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(tǒng)探討了實現(xiàn)該愿景的關(guān)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(shù)的經(jīng)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(zhì)量鈣鈦礦薄膜的綠色溶劑體系設(shè)計。隨后評估了PSC運行中潛在的鉛釋放風(fēng)險及其環(huán)境管控途徑。接著總結(jié)了針對PSC各主要組件的有效回收方法，以支持循環(huán)生產(chǎn)模式。最后指出了當(dāng)前實現(xiàn)完全可持續(xù)閉環(huán)PSC技術(shù)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(shù)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(shù)、安全運行與服務(wù)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(shè)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(xiàn)鈣鈦礦光伏的循環(huán)經(jīng)濟提供了系統(tǒng)化的技術(shù)路線圖。

圖2 鈣鈦礦太陽能電池中各功能層所需關(guān)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(guān)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(jié)構(gòu)，圖b至圖e則分別統(tǒng)計了鈣鈦礦層、透明導(dǎo)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(chǎn)量、產(chǎn)能、儲量和資源量。數(shù)據(jù)表明，大規(guī)模部署PSC將高度依賴這些關(guān)鍵元素的供應(yīng)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取），而銫等元素則儲量有限、供應(yīng)鏈集中。該圖強調(diào)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(chǎn)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(shù)。圖a與圖b分別為兩種技術(shù)的示意圖，圖c展示了全球設(shè)備與組件制造商對不同沉積技術(shù)的采用比例，圖d則對氣相沉積工藝進行了技術(shù)經(jīng)濟分析，指出沉積速率與線性蒸發(fā)源數(shù)量是影響成本的關(guān)鍵。分析顯示，氣相沉積具有成膜均勻、重復(fù)性好、溶劑使用少等優(yōu)勢，但設(shè)備成本高；溶液加工則設(shè)備簡單、成本低、組分易調(diào)，但面臨溶劑污染與廢物處理問題。該圖說明兩種路徑在產(chǎn)業(yè)化中各有優(yōu)劣，實際生產(chǎn)中常采用混合工藝以兼顧性能與成本，為規(guī)模化制造中的技術(shù)選擇提供了依據(jù)。

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(tǒng)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(jù)。圖b-d通過給體數(shù)、介電常數(shù)、沸點與粘度等關(guān)鍵物性參數(shù)的二維關(guān)聯(lián)圖，揭示了溶劑性質(zhì)對鈣鈦礦前驅(qū)體溶解、沉積行為與結(jié)晶動力學(xué)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(diào)節(jié)溶劑組合可控制膠體尺寸分布，從而獲得高質(zhì)量鈣鈦礦薄膜。該圖強調(diào)通過合理設(shè)計多溶劑體系，可在兼顧環(huán)境友好性的同時實現(xiàn)薄膜性能優(yōu)化，為綠色溶液工藝開發(fā)提供了理論指導(dǎo)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(fēng)、火災(zāi)等外部應(yīng)力可能導(dǎo)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(zhì)。圖b總結(jié)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(nèi)原位整合鉛捕獲材料（如環(huán)糊精衍生物）。研究表明，內(nèi)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(xiàn)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(shù)，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(dǎo)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?qū)颖《杀据^高，銅或鋁則成本較低但穩(wěn)定性差。該圖指出，當(dāng)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(xiàn)閉環(huán)可持續(xù)制造。

結(jié)論展望

為實現(xiàn)鈣鈦礦太陽能電池的可持續(xù)閉環(huán)制造，仍需在多個關(guān)鍵環(huán)節(jié)取得突破。首先，必須系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)的綠色溶劑體系，并驗證其在不同器件結(jié)構(gòu)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(shù)。此外，實現(xiàn)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(shè)計與多層材料分離回收策略。未來應(yīng)通過整合生命周期評價與經(jīng)濟技術(shù)分析，科學(xué)權(quán)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(shù)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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