铅基与无铅钙钛矿室内光伏材料的全生命周期环境可持续性评估与净环境效益分析

为解决物联网(IoT)智能设备供电的环境可持续性问题，研究人员首次对铅基(MA0.91 Cs0.09 Pb(I0.75 Br0.25 )3 )与无铅钙钛矿(HPs)及衍生物(HPDs)室内光伏(IPVs)开展全生命周期评估(LCA)。研究发现无铅HP/HPD IPVs并非天生更环保，铅基和锡基IPVs仅需3-6周即可实现净环境增益(NEGs)，显著优于主流技术。该研究为可持续能源材料选择和政策制定提供了定量依据。

　　

随着物联网(IoT)智能设备的爆炸式增长，其供电方式的环境可持续性问题日益凸显。传统电池供电方案在万亿级设备规模下既不经济也不环保，而室内光伏(IPV)技术通过收集室内光能提供了潜在解决方案。其中，卤化物钙钛矿(HPs)及其衍生物(HPDs)因其卓越的光电性能和可溶液加工特性备受关注，但围绕铅基与无铅材料的环境争议始终未决。现有研究多局限于元素毒性等单一维度，缺乏系统性的全生命周期评估(LCA)，特别是针对室内光伏这一特殊应用场景。

为解答这一关键问题，国外研究团队在《Materials Science and Engineering: R: Reports》发表了开创性研究。研究人员建立了首个比较铅基与无铅HP/HPD IPVs的LCA框架，涵盖铅、锡、铋、锑四大类材料体系。通过引入净环境增益(NEG)数学模型，首次量化评估了这些技术在替代传统电池供电时的实际环境效益。

研究采用多尺度分析方法：在材料层面分析300nm厚吸收层的环境影响；在器件层面评估100cm²
完整IPV器件的碳足迹；通过蒙特卡洛模拟进行敏感性分析；建立新型NEG模型比较不同供电方案。特别关注了氟掺杂氧化锡(FTO)玻璃基底、电荷传输层等关键组件的影响。

在吸收层分析中，研究发现所有HP/HPD材料的全球变暖潜能(GWP)和累积能源需求(CED)差异在2倍以内。令人意外的是，银铋碘化物(Ag₃
BiI₆
)因AgI的高毒性显示出最差的环境表现，其水生生态毒性指标比其他材料高出一个数量级。而传统关注的铅、锡、锑等B位金属的贡献反而远低于有机A位组分(如MAI)。

完整器件分析揭示了更大的环境热点：FTO玻璃基底贡献了98%的GWP和毒性足迹；金电极的碳足迹是碳电极的10倍；高温处理的二氧化钛(titania)电子传输层能耗显著。通过NEG模型计算发现：铅基IPVs仅需3-4周即可实现净环境效益，锡基需4-6周，而铋基和锑基需要8-10个月才能与传统a-Si:H IPVs相当。

讨论部分指出三个关键发现：1)无铅替代方案不一定更环保，Ag基材料反而毒性更高；2)器件级环境影响主要来自基底和电极，而非吸收层本身；3)能量转换效率(PCE)是决定NEG的最关键因素。研究建议政策制定者重新审视对铅基IPVs的限制，特别是在专业安装的IoT场景中。同时指出铋基材料需将PCE提升至约40%才具竞争力。

这项研究的意义在于：首次建立了IPV技术的环境效益量化框架，打破了"无铅即环保"的思维定势，为物联网能源技术的可持续发展提供了科学决策依据。所开发的NEG模型可推广评估其他能量采集技术，推动该领域从单纯追求性能向综合环境效益评估转变。