IF: 87.2，香港城市大学朱宗龙，最新Nature Reviews Materials！

背景介绍

钙钛矿太阳能电池（PSCs）是一种极具前景的下一代太阳能技术，具有高光电转换效率、潜在的成本效益和材料丰富等优点。尽管光伏（PV）发电的整体环境影响远低于化石燃料，但其制造和报废环节仍带来生态挑战。随着PSCs正从研究阶段向工业规模生产迈进，建立一个涵盖原材料采购、加工、运行和回收的闭环可持续制造框架变得至关重要。

综述概述

有鉴于此，香港城市大学朱宗龙等人提出了一个针对环境可持续PSCs发展的闭环框架，并强调了实现这一愿景的策略。首先，作者分析了原材料的采购，并比较了两种已确立的PSC制造技术——气相沉积和溶液法处理，评估了它们在经济可行性和环境影响方面的各自优势与局限性。其次，考察了溶液法处理方法，重点关注用于制备高质量钙钛矿薄膜的溶剂系统设计，以及无害或低危害溶剂的使用。第三，审查了PSC运行过程中潜在的铅释放问题，并讨论了最大限度减少相关环境风险的方法。第四，总结了主要PSC组件的有效回收方法，以支持循环生产模式。最后，指出了实现完全可持续的闭环PSC技术所面临的关键挑战，并概述了未来的研究方向。

具体内容

原材料采购

实现完全的“循环经济”是理想目标，但在光伏领域需求持续增长的情况下，初级采矿仍然是必需的。钙钛矿层的关键元素铅(Pb)在地壳中相对丰富，且全球探明储量超过20亿吨。更重要的是，PSC生产所需的Pb有潜力完全来自于回收的汽车电池，这与循环经济原则高度契合。然而，用于高效PSCs的铯(Cs)储量有限，估计不足20万吨，且供应链集中。若需求增加，必须加速资源勘探和回收，并研究替代化合物。此外，透明导电氧化物中的铟(In)资源稀缺且价格昂贵，而锡(Sn)虽然不稀缺但分布高度集中，被视为重要的战略储备。

图  钙钛矿太阳能电池的闭环可持续途径

图  钙钛矿太阳能电池原材料的采购

加工技术的可持续性影响

加工技术的选择（溶液法和气相沉积法）对资源消耗、能源使用和环境影响有显著差异。溶液法在实验室中因设备成本低、优化反馈快而被广泛采用，并被视为低成本、高通量制造（如卷对卷生产）的理想选择。然而，溶液法会产生溶剂污染或泄漏，并需要额外的液体废物处理。相比之下，气相沉积法具有高重现性、优异的薄膜均匀性和可控的厚度等技术优势。气相沉积法的密闭真空系统能更好地控制Pb固体颗粒和蒸汽排放，降低职业健康风险，但其缺点是电能消耗更高。在工业规模上，若优化沉积速率和线性源数量，气相沉积的生产成本和资本支出可以与溶液法竞争。

图  气相沉积和溶液处理的比较

安全设计的绿色溶液法处理

为避免使用有毒的有机溶剂，研究重点转向开发无害或低危害溶剂。目前主流溶剂（DMF、DMSO、NMP）中，DMF危害最大，而DMSO总体影响最小，因此DMSO被认为是一种更环保的替代品。虽然许多“绿色溶剂”（如磷酸三乙酯和γ-戊内酯）已实现高效器件制备，但它们的工艺窗口较窄、重现性较差，且缺乏工业基础设施和标准。溶剂混合是解决这些挑战的有效策略。例如，DMSO、乙腈（ACN）和乙醇（EtOH）的三元溶剂系统通过平衡介电常数、供体数、粘度等性质，优化了钙钛矿薄膜的形成和结晶，从而实现了可扩展的刀片涂覆。水和异丙醇的组合也已被用于制备 PSCs，并通过添加表面活性剂解决了水的高表面张力问题，实现了高效率（24.1%）。

图  溶剂选择和绿色溶液处理

安全运行与服务

高性能PSCs的吸收层中的Pb以水溶性离子形式存在。虽然有研究表明，即使钙钛矿降解，释放的少量Pb也能在土壤中快速固存，但封装层对于抑制Pb释放和提高器件稳定性至关重要。为减轻Pb泄漏风险，主要策略包括：外部吸附（使用阳离子交换树脂、多孔材料）；界面设计（嵌入Pb吸收夹层）；以及在钙钛矿层内原位捕获Pb。例如，在钙钛矿活性层内加入磺酸盐树脂或2-羟丙基-β-环糊精等材料，能实现快速、选择性地捕获Pb离子，同时不损害器件性能。现有的工业层压材料（如EVA和聚烯烃弹性体）可为PSC组件提供足够的密封保护。

图  钙钛矿太阳能电池中的铅泄漏和缓解

可持续回收

回收报废光伏组件对可持续性至关重要，特别是根据欧盟WEEE等指令的要求。在PSCs组件中，平板玻璃在质量和经济价值上占主导地位，应优先考虑回收和再制造，通过热分层或机械粉碎实现。对于钙钛矿层，回收Pb是减轻环境风险和降低废物处理成本的关键。目前主要有两种回收途径：一是使用极性有机溶剂溶解，然后用吸附剂（如阳离子交换树脂）选择性吸附和回收PbI₂。二是使用水性介质进行提取和沉淀，这被认为是“最绿色”的溶剂，并已成功用于PbI₂ 的回收和新钙钛矿薄膜的再制造。其他材料如Ag电极和有机空穴传输材料（HTMs）的回收则面临技术和经济挑战，因为其层极薄或含有杂质，回收成本可能高于材料价值。

图  钙钛矿太阳能电池中主要组分的回收方案概述

总结与展望

实现可持续的闭环PSCs技术要求未来重点关注几个关键领域。必须开发出真正的低成本、可生物降解的绿色溶剂，并扩大其工艺窗口以确保可扩展性。对于气相沉积，需要开发能够实现高通量、低温沉积有机铵盐组分的新型工具和制造路线。此外，延长器件的稳定性和寿命是降低生命周期成本（LCOE）和能量回收时间（EPBT）的关键。最后，回收流程必须聚焦于可扩展、低能耗的方法，并建立针对关键或有害元素的低成本提纯技术，以确保回收材料的高质量再利用。

参考文献：

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