Circularity in Perovskite-Based Tandem Photovoltaics for Terawatt-Scale Deployment

本综述概述了在钙钛矿叠层光伏领域实现循环性的关键策略——涵盖材料稀缺性、回收规程、铅安全性及政策框架——以确保其与晶体硅技术共同实现可持续的太瓦级部署。

要点

以下是关于综述文章《面向太瓦级部署的钙钛矿基叠层光伏中的循环性》的通俗解读，采用日常类比进行说明。

宏观图景：建设无废弃物的太阳能未来

想象一下，世界正试图完全依靠阳光来供电。我们目前正在大规模（太瓦级）建设太阳能板，但存在一个问题：当前的“黄金标准”面板（由晶体硅制成）就像沉重且复杂的三明治，一旦老化，极难拆解。到 2050 年，我们将拥有数百万吨的旧面板，而目前只能回收其中极少部分的原料。其余部分最终被填埋，或被粉碎成铺路的碎石。

本文认为，一种名为钙钛矿基叠层的新型太阳能板可能是解决方案。可以将它们想象为“智能、轻薄的层状蛋糕”。它们能更高效地捕获阳光，且关键的是，它们被设计为更易于回收。然而，作者警告称，如果我们现在不仔细规划，我们可能会用另一组环境问题来替换现有的问题。

什么是“叠层”太阳能电池？

当前的太阳能板就像单层海绵；它们能吸收阳光，但会错过大量能量光谱。

• 类比：想象试图用一个桶接雨水。你能接住一些，但很多水会溅出桶外。
• 叠层解决方案：叠层电池就像堆叠两个桶。顶部的桶（由钙钛矿制成）接住沉重、快速的雨水（可见光），底部的桶（由硅制成）接住较轻的毛毛雨（红外光）。
• 结果：你用同样的空间接住了更多的水（能量）。这意味着你需要更少的面板来为一个城市供电，从而节省土地和材料。

好消息：为什么钙钛矿充满希望

本文强调了这些新型“层状蛋糕”的三个主要优势：

1. 它们更轻，制造过程更凉爽：制造旧式硅面板就像在超高温烤箱中长时间烘焙蛋糕。而制造钙钛矿层则更像在室温下粉刷墙壁。这节省了巨大的能源和碳排放。
2. 它们更容易回收：由于这些层很薄，且由可溶于温和液体的材料制成，理论上你可以在其寿命结束时，将顶层从底层“洗”下来。这就像从窗户上撕下贴纸，而不是为了取下贴纸而砸碎窗户。
3. 它们在高温下表现更好：硅面板在高温下会失去效率（就像跑步者在烈日下减速）。钙钛矿则更像马拉松运动员，即使在炎热中也能保持配速。

坏消息：隐藏的陷阱

尽管前景广阔，但本文指出了几个我们需要避免的“陷阱”，以确保其真正可持续：

1. “稀有原料”问题
为了使这些面板发挥作用，我们需要特定的材料，如铟（用于透明的类玻璃层）和铯。

• 类比：想象一道食谱需要一种仅在某个小山谷生长的稀有香料。如果每个人都试图同时烹饪这道菜，香料就会耗尽，价格飞涨，供应链也会断裂。
• 本文主张：我们现在没有足够的铟来建造太瓦级的此类面板。我们需要寻找不使用铟的新食谱，或者发明一种从旧面板中高效回收铟的方法。

2. “有毒泄漏”问题
性能最佳的钙钛矿电池含有铅。

• 类比：这就像使用一种非常有效的毒药来杀死杂草，但担心如果花园水管爆裂，毒药会泄漏到饮用水中。
• 本文主张：虽然铅的含量极微，但它是有毒的。我们需要在面板内部设置“安全网”（固定材料），它们像海绵一样，如果面板破裂或起火，能吸收任何泄漏的铅，使其永远不接触环境。

3. “过早退役”陷阱
由于这些新型面板效率高得多，公司可能会想要立即拆掉状态完好的旧硅面板并立即更换，以节省成本。

• 类比：这就像仅仅因为新款更快的车型上市了，就扔掉一辆状态完好、只是稍慢一点的旧车。
• 本文主张：这会制造出大量的废弃物。我们需要制定规则，确保旧面板尽可能长时间地保持运行，而不是过早更换。

回收挑战：不仅仅是化学问题

本文解释说，即使我们拥有溶解面板的化学技术，现实世界也是混乱的。

• “玻璃”问题：为了保护面板，它们被封装在厚玻璃中。如果你试图剥离这些层，可能会弄碎玻璃，使其变得无用。
• “信任”问题：如果你回收了一块面板并将其作为“翻新产品”出售，人们会信任它吗？目前存在“信任缺口”。人们更倾向于全新的面板。
• “政策”缺口：目前，法律进展缓慢。它们是为旧硅面板编写的。我们需要新的法律，强制制造商设计易于拆解的面板（像乐高积木一样），而不是永久粘合在一起。

结论：从开始就为终结而设计

本文的主要信息是：可持续性不能是事后才考虑的问题。

我们不能仅仅建造这些令人惊叹的新型太阳能板，然后等到 25 年后再担心如何回收它们。我们需要今天就设计它们，将寿命终结纳入考量。

• 类比：你不会等到房子建好之后才去琢磨如何拆除它。你应该设计房子，以便砖块日后可以轻易被重复利用。

作者呼吁采取“循环”方法：

1. 如果可能，停止使用稀有材料（如铟）。
2. 固定铅，使其永不泄漏。
3. 制定政策，鼓励延长旧面板的寿命并妥善回收新面板。

如果我们这样做，钙钛矿叠层技术可能成为清洁能源未来的关键，且不会留下废弃物。如果我们不这样做，我们在解决能源危机的同时，可能会制造出巨大的废弃物问题。

技术摘要

技术摘要：用于太瓦级部署的钙钛矿基叠层光伏中的循环性

问题陈述

随着全球光伏（PV）部署规模在未来十年内迈向数太瓦（TWₚ），行业面临着关于材料循环性和废物管理的紧迫可持续性挑战。当前的行业标准晶体硅（c-Si）光伏预计到 2050 年将产生 1.6 亿吨废物。回收 c-Si 组件受到复杂的多层结构、耐用的封装材料以及高昂的能源成本的阻碍，导致硅和银等有价值材料的回收率低下（15–20%）。此外，向下一代技术的过渡可能通过现有 c-Si 系统的过早退役（“功率升级”）加速废物量的增长，并引入与铟（In）、铯（Cs）和银（Ag）等关键原材料（CRMs）相关的新供应链风险，以及关于铅（Pb）泄漏的环境问题。

基于金属卤化物钙钛矿（MHP）的叠层光伏为实现更高的效率（实验室环境下>34%）和更低的制造能源足迹提供了一条途径。然而，其在太瓦级规模的商业化需要解决关键的循环性差距：稀缺原材料的替代、可扩展回收协议的开发、具有成本效益的组件层压分离、安全的铅封存，以及建立激励整个器件生命周期循环性的政策框架。

方法论

本综述采用整体综合评估方法，整合了材料科学、技术经济学和政策分析的数据。作者并未提出新的实验数据，而是汇总并分析了现有文献、生命周期评估（LCA）模型和监管框架。

关键的方法论组成部分包括：

• 关键原材料（CRM）分析： 计算关键元素（In、Cs、Ag、Au）的需求与生产比率（DPR），以评估 1 TWₚ规模下的供应风险。
• 能源与环境指标： 审查 LCA 数据，以比较 MHP/Si 和全钙钛矿叠层与单结 c-Si 的一次能源需求、能源投资回报期（EPBT）和全球变暖潜能值（GWP）。
• 回收策略评估： 评估层压分离、活性层化学回收和材料再利用的技术可行性，区分 2 端（2-T）和 4 端（4-T）架构。
• 政策框架分析： 检查现有法规（如欧盟 WEEE、RoHS、EPR），并识别在监管新兴钙钛矿技术方面的差距，包括对特定标准和环境产品声明（EPDs）的需求。

主要贡献

1. 可持续性挑战与机遇

该论文指出，虽然 MHP 叠层为循环性提供了内在优势（低温处理、可溶性层），但也引入了特定的材料风险。

• 铟稀缺性： 用于透明导电电极（TCEs）的铟，在 1 TWₚ规模下，钙钛矿/硅叠层的需求与生产比率预计为 761%，全钙钛矿叠层为 440%。
• 铯限制： 稳定宽带隙钙钛矿所需的铯，在规模化时的需求与生产比率高达 1468%。
• 铅管理： 尽管 MHP 组件中的铅含量很低（<0.003 g Wₚ⁻¹），但其毒性要求在制造、部署或寿命终结（EOL）事件期间采取强有力的封存策略，以防止环境释放。
• 回收复杂性： 2-T 叠层的单片集成使得子电池的分离比 4-T 设计更为复杂。然而，MHP 层在温和溶剂中的可溶性为活性材料和 ITO 基底的闭环回收提供了潜力。

2. 技术经济与环境性能

• 能源投资回报： MHP/Si 叠层的中位能源投资回报期（EPBT）为 1.3 年，全球变暖潜能值（GWP）为 915 gCO₂eq kWₚ⁻¹，略优于 c-Si（1.5 年，1224 gCO₂eq kWₚ⁻¹）。全钙钛矿叠层显示出显著更低的影响（EPBT 0.33 年，GWP 209 gCO₂eq kWₚ⁻¹），这得益于消除了高能耗的硅提纯过程。
• 材料替代： 综述强调了迫切需要使用无铟 TCEs（如 AZO、GZO、银纳米线）以及具有成本效益、稳定的电荷传输层（替代昂贵的有机空穴传输层如 spiro-OMeTAD），以确保可扩展性。

3. 回收与再利用途径

• 层压分离： 在约 180°C 下进行热学和机械层压分离，可以将 MHP 顶电池与 c-Si 底电池分离，从而允许硅片重复使用。使用水性添加剂或选择性溶剂的化学浴可以回收功能层（PbI₂、Au、SnO₂）。
• 障碍： 挑战包括在移除框架时化学强化玻璃的破裂、在重复使用的基底上重新图案化 TCEs 的困难，以及制造商缺乏标准化的材料分解数据。
• 经济可行性： 当前的回收成本（约 25 美元/组件）通常超过回收材料的价值（约 3 美元/组件），在没有政策干预的情况下，造成了“信任差距”和再利用的经济抑制。

4. 政策建议

作者认为，现有的政策框架（如 WEEE、EPR）不适合钙钛矿技术的独特特征。

• 监管差距： 现有法规未考虑 MHP 的具体降解模式、材料成分或寿命终结途径。
• 拟议措施：
  • 实施强制性的环境产品声明（EPDs），以确保材料来源和环境影响的透明度。
  • 由 IEC 和 ASTM 等机构制定具体的稳定性和安全标准（例如针对铅封存）。
  • 为 MHP 创建独立的废物流和收集基础设施，将可重复使用的元素与 c-Si 废物隔离。
  • 提供激励措施，防止现有 c-Si 系统过早退役，并促进“面向拆解的设计”。

结果

• 供应风险： 在 1 TWₚ部署规模下，对铟和铯的需求远远超过当前的全球产量，迫切需要替代策略或闭环回收。
• 环境影响： 与硅基叠层相比，转向全钙钛矿叠层可将光伏的碳足迹减少约 2.5 倍，这主要是通过消除硅片精炼周期实现的。
• 回收可行性： 虽然实验室规模的演示显示成功回收了 c-Si 电池和钙钛矿材料，但工业规模的实施目前受到缺乏标准化层压分离工艺、经济可行性以及全球法规碎片化的阻碍。
• 铅封存： 使用磷酸盐缓冲聚合物薄膜或阳离子交换树脂等策略已显示出将铅浸出降低到安全水平（<15 ppb）的潜力，即使在物理损坏后也是如此，尽管长期饱和限制需要进一步研究。

意义与主张

该论文声称，基于 MHP 的叠层光伏具有成为循环性和负责任技术的潜力，但这并非自动实现的。作者断言，可持续性不必滞后于性能。通过将可回收性、关键材料替代和铅风险管理视为与效率和耐久性并列的“一阶设计约束”，钙钛矿界可以避免重蹈 c-Si 行业的废物和资源限制覆辙。

综述强调，实现太瓦级部署需要一种系统方法，整合以下内容：

1. 材料创新： 开发无铟 TCEs 以及稳定、低成本的电荷传输层。
2. 工艺工程： 建立可扩展的低温回收协议和再生器件设计（例如可更换的 MHP 顶电池）。
3. 政策协调： 创建激励生态设计、强制执行材料可追溯性并支持闭环供应链的国际监管框架。

作者总结道，如果没有材料、制造和政策方面的协调进步，钙钛矿叠层的环境效益可能会被供应链瓶颈和废物积累所抵消。相反，通过战略协调，这些技术可以支持可持续的、高效率的全球清洁能源转型。