IF：86.2！香港城市大學，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

隨著全球對可再生能源需求的不斷增長，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、鉛泄漏風險、能源密集型工藝以及回收體系缺失等問題。當前，從實驗室走向規(guī)?；a(chǎn)的關鍵階段，正是構建綠色制造路徑的重要窗口期。

近日，香港城市大學朱宗龍教授系統(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、安全運行與回收再利用等全生命周期環(huán)節(jié)，全面梳理了實現(xiàn)環(huán)境友好型鈣鈦礦光伏技術的關鍵策略與挑戰(zhàn)，旨在推動該技術從實驗室走向規(guī)?；G色制造。相關論文以“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鍵原材料，包括鈣鈦礦層中的鉛、銫和碘，透明導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，從而減少對原生礦產(chǎn)的依賴，契合循環(huán)經(jīng)濟理念。在制造工藝方面，論文對比了氣相沉積與溶液處理兩大技術路徑：氣相沉積具有成膜均勻、重復性好、溶劑使用少等優(yōu)勢，尤其適用于大規(guī)模薄膜生產(chǎn)；溶液處理則設備成本低、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)?；杀九c能耗方面各有權衡，而未來的產(chǎn)業(yè)化可能需要混合使用兩種技術以發(fā)揮各自優(yōu)勢。

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——從綠色加工技術到安全運行與服務，最終實現(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構，包括n-i-p（左）和p-i-n（右）結構。b–e. 各功能層中使用的關鍵元素（鈣鈦礦層、透明導電氧化物層、電子或空穴傳輸層、金屬電極）的全球產(chǎn)量、產(chǎn)能、儲量和資源量。數(shù)據(jù)基于2024年統(tǒng)計，來源于美國地質調(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. 全球模組和設備制造商在不同沉積技術中的份額分布（包括成熟與初創(chuàng)公司）。d. 氣相沉積鈣鈦礦吸收層的技術經(jīng)濟分析基礎。影響競爭性生產(chǎn)成本（左）與資本支出（右）的關鍵因素是線性源數(shù)量和沉積速率。不同的沉積方法在技術特性、可擴展性和工業(yè)可行性方面呈現(xiàn)出不同的權衡。

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)境和健康風險，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。通過設計溶劑組合，調(diào)節(jié)其介電常數(shù)、給體數(shù)、沸點與粘度等性質，可優(yōu)化前驅體溶解、結晶動力學與成膜質量，從而在降低毒性的同時保持器件性能。針對公眾關心的鉛泄漏問題，論文強調(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電池組件。同時，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，進一步降低潛在風險。

圖4 | 溶劑選擇與綠色溶液處理。 a. 根據(jù)溶劑危害等級將50種常見溶劑分為六類：推薦使用（深藍）、謹慎使用（淺藍）、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)、沸點與給體數(shù)、沸點與粘度的溶劑性質分類二維圖。實心數(shù)據(jù)點代表用于制備鈣鈦礦薄膜的典型溶劑，空心數(shù)據(jù)點代表潛在可選溶劑。e. 向鈣鈦礦前驅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)控鈣鈦礦前驅體行為與薄膜性質。

圖5 | 鈣鈦礦太陽能電池中的鉛泄漏與緩解。 a. 導致電池提前失效可能引起鉛釋放的因素及其在環(huán)境介質中的遷移。b. 鉛泄漏風險管理的緩解策略，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)的關鍵。玻璃作為電池中質量和成本最高的部分，可通過熱分層或機械破碎進行回收，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溶劑溶解-吸附回收或水基提取法進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、雜質多而仍面臨技術和經(jīng)濟挑戰(zhàn)。

圖6 | 鈣鈦礦太陽能電池主要組件的回收選項概述。 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）的當前回收方法與挑戰(zhàn)。平板玻璃因成本和質量占比高是回收重點，鈣鈦礦層回收需同時考慮環(huán)境與經(jīng)濟因素。

總結而言，實現(xiàn)鈣鈦礦太陽能電池的可持續(xù)閉環(huán)制造仍需攻克多個關鍵問題：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、設計兼顧防護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估系統(tǒng)比較不同技術路徑的真實環(huán)境影響，推動鈣鈦礦光伏在提升效率與穩(wěn)定性的同時，真正成為環(huán)境友好、資源循環(huán)的低碳能源技術。