Guiding encapsulant choice in perovskite solar cells with LCA: climate change footprints, break-even lifetimes and recycling perspective

《Materials & Design》：Guiding encapsulant choice in perovskite solar cells with LCA: climate change footprints, break-even lifetimes and recycling perspective

　　

采用生命周期评价（LCA, Life Cycle Assessment）方法，研究人员对五种聚合物封装材料封装的介孔碳钙钛矿太阳能电池（PSC, Perovskite Solar Cell）进行了从摇篮到大门的环境影响评估。研究人员编制了EVA、POE、PIB、TPU和离聚物五种封装材料的生命周期清单，并基于环境足迹3.1（EF 3.1）影响评估方法量化了16个影响类别，重点聚焦气候变化影响。研究发现，乙烯基封装材料（POE、EVA、离聚物）及PIB的气候变化影响主要来源于原料，而TPU的影响主要来源于实验室规模合成中所使用的溶剂。在1 m2封装电池层面，封装材料对模块总气候变化影响的贡献介于3%至16%之间，其中TPU的影响最高，PIB次之。研究人员进一步基于面积（1 m2）、标称功率（1 Wp）和供电量（1 kWh）三种功能单位进行了比较分析，并构建了25年和6年寿命情景以评估与传统单晶硅光伏（Si-PV）的收支平衡时间。结果表明，所有封装电池组合均能在运行前5年内实现与Si-PV的气候变化足迹收支平衡，即使在20%衰减的6年情景下亦然。从回收角度看，牺牲高影响的TPU或PIB以回收电池层将造成难以合理化的价值损失，而乙烯基封装材料因其较低的影响贡献更具回收可行性。综上，POE在所有功能单位下均呈现最低的气候变化影响，若其能确保PSC达到足够稳定性，则将成为优先选择的封装材料。该研究为PSC封装材料的早期筛选提供了数据支撑和决策指导，并强调了寿命与性能对最终环境足迹的关键决定性作用。

**论文解读：基于生命周期评价的钙钛矿太阳能电池封装材料选择——气候变化足迹、收支平衡寿命与回收视角**

**一、研究背景与问题提出**

随着全球能源转型的加速推进，光伏（PV）累计装机容量预计到2070年将超过30 TW，以满足《巴黎协定》设定的气候目标。传统单晶硅光伏（Si-PV）虽然技术成熟，但其制造过程资源密集且回收困难。钙钛矿太阳能电池（PSC）凭借更高的理论效率和更低的材料质量负载，被视为具有显著环境优势的新兴光伏技术。然而，PSC的商业化面临两大核心挑战：一是器件稳定性不足，易受水分、氧气及热应力侵蚀而性能衰减；二是封装材料作为物理屏障虽然能延长器件寿命，却在回收过程中成为阻碍——传统聚合物封装通常需通过热分解去除，导致材料价值损失。目前，学术界对适用于PSC的多种聚合物封装材料——包括乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）、聚烯烃弹性体（POE）、聚异丁烯（PIB）、热塑性聚氨酯（TPU）及离聚物——已开展了大量稳定性研究，但缺乏针对这些封装材料在全生命周期环境影响维度的系统比较。因此，在技术开发早期阶段引入生命周期评价（LCA）方法，量化不同封装材料对PSC整体环境足迹的贡献，并评估寿命与性能对最终环境影响的影响，对于指导封装材料的理性选择和未来回收策略的设计具有重要意义。该研究发表于《Materials》期刊，旨在填补这一知识空白。

**二、研究内容与主要结论**

研究人员基于公开的科学文献、专利及数据库，构建了介孔碳钙钛矿太阳能电池（C-PSC）封装体系的生命周期清单，涉及EVA、POE、PIB、TPU及离聚物五种聚合物封装材料。研究采用归因生命周期评价方法，系统边界设定为从摇篮到大门，并针对性能相关功能单位扩展至使用阶段。通过EF 3.1影响评估方法对16个影响类别进行量化，重点聚焦气候变化影响。研究得出以下主要结论：第一，不同封装材料的单平米气候变化影响差异显著，TPU最高而POE最低；第二，封装材料对模块总影响的贡献范围为3%至16%，TPU的影响甚至超过除玻璃外所有电池层影响之和；第三，所有封装组合均能在6年内实现与传统Si-PV的收支平衡，且寿命与性能是决定最终环境足迹的关键因素；第四，从回收角度看，牺牲高影响封装材料以回收电池的策略并不合理，应优先发展能够保全电池层且可进行材料回收的封装方案。

**三、主要关键技术方法**

该研究主要运用了以下关键技术方法：1）生命周期评价方法论，采用归因LCA从摇篮到大门建模，系统边界设定为电池封装完成节点；2）多功能单位框架，分别基于面积（1 m2）、标称功率（1 Wp）及供电量（1 kWh）三个层次的功能单位进行递进式影响评估；3）情景模拟与收支平衡分析，构建25年无衰减和6年20%衰减两种寿命情景，计算与Si-PV基准的收支平衡时间；4）敏感性分析，针对POE聚合物成分变化对结果的影响进行验证；5）生命周期清单编制，整合Ecoinvent 3.7.1（Cut-off系统模型）背景数据库与Plastics Europe的EcoProfiles数据，建模基于2020—2025年技术水平的欧洲平均太阳能辐照条件（1400 kWh/m2/年）。所有建模与分析在SimaPro 10.1软件中完成。

**四、研究结果**

**4.1 封装材料的气候变化影响**

以1 m2封装材料为功能单位，研究人员量化了五种聚合物的气候变化影响及其构成。结果显示，绝对影响值方面TPU最高，其原料影响已超过POE、EVA和离聚物的总影响。TPU影响的最大贡献者为两步合成中使用的四氢呋喃溶剂，占TPU总影响的53%；其次是甲苯二异氰酸酯。需指出的是，TPU库存数据基于实验室规模工艺，若工业规模化并实现溶剂回收，其碳足迹可显著降低。PIB的影响次之，约60%来源于原料甲基叔丁基醚转化为异丁烯所需的高能耗蒸汽。乙烯基聚合物POE、EVA和离聚物的影响相近，主要源于80%—90%质量的乙烯骨架。POE由于质量最轻、原料影响最低而成为总体影响最小的封装材料。敏感性分析表明，POE中乙烯含量在50—90 wt%范围内变化时，气候变化结果偏差小于5%，说明质量组成的不确定性对结论影响有限。

**4.2 封装材料在电池整体中的影响占比**

在1 m2封装完整电池的分析中，封装材料对总气候变化影响的贡献介于3%至16%之间。POE的贡献最低，约为3%，其影响与电池中影响最密集的ZrO?介孔层相当；EVA和离聚物的贡献约为3%—5%，高于除玻璃层外的任何单一电池层；PIB的贡献相当于无玻璃电池层总影响的60%；TPU的贡献最高，接近除玻璃外所有电池层影响的综合值。玻璃层在所有体系中均为主导贡献者，其中前玻璃作为电池沉积基底难以避免，而背玻璃理论上可被替代。这一分析表明，封装材料的选择对电池整体碳足迹具有不可忽视的影响，尤其对于PIB和TPU。

**4.3 与传统光伏的收支平衡寿命**

研究人员通过寿命情景分析评估了封装PSC与传统Si-PV的气候变化足迹对比。在25年无衰减的理想情景下，所有封装组合的每千瓦时电力气候变化影响均显著低于Si-PV基准，收支平衡点在运行前5年内即可实现。进一步聚焦前6年运行的放大分析显示，即使在20%效率衰减的保守条件下，POE封装电池的最短收支平衡时间为4.46年，TPU封装电池最长为4.99年。若完全无衰减，收支平衡时间可缩短约0.4年。该结果表明，封装材料对收支平衡时间的影响幅度有限（最大差异0.53年），但所有方案均能在6年内实现与传统光伏的竞争性碳足迹。

**4.4 基于不同功能单位的影响比较**

基于三种功能单位的比较结果一致显示，POE在所有分析中均为影响最小的选项，而TPU影响最大。以1 m2面积为基础，POE的气候变化影响为24.7 kg CO? eq./m2，TPU为27.4 kg CO? eq./m2；以1 Wp标称功率为基础，POE为0.131 kg CO? eq./Wp，TPU为0.146 kg CO? eq./Wp；以1 kWh供电量为基础（假设6年寿命、20%衰减），POE为27.4 g CO? eq./kWh，TPU为30.4 g CO? eq./kWh。相比之下，Si-PV基准在三种功能单位下的影响分别为262 kg CO? eq./m2、1.05 kg CO? eq./Wp和42.06 g CO? eq./kWh。封装PSC在功率和能量基础上的影响约为Si-PV的1/7至2/3，显示出显著的碳足迹竞争优势。

**五、讨论部分总结与结论部分翻译**

**讨论部分总结：** 研究人员围绕“封装材料牺牲悖论”展开了深入讨论。乙烯基封装材料（EVA、POE、离聚物）在回收过程中被热分解以获取电池层和玻璃，其相对较低的影响贡献使得这种牺牲在碳足迹角度上被认为是合理的。然而，对于影响贡献显著更高的PIB和TPU而言，牺牲这些材料所损失的环境价值可能超过回收电池部件所带来的收益，这挑战了“牺牲封装层以回收电池”的常规回收逻辑。从功能实现角度出发，电池层是功能的主体，封装材料仅起辅助支撑作用，因此若PIB或TPU无法提供显著的寿命增益或高效可回收性，则不宜作为优先选择。值得注意的是，热塑性TPU、PIB和离聚物具备溶解或熔融回收的潜力，而交联型POE和EVA则难以实现完全分离。综合各项结果，POE凭借其最低的气候变化影响和无酸性共聚单体的化学特性，被推荐为当前最优的封装候选材料。然而，寿命仍是决定性因素——若TPU能使电池多运行3—4个月，其单位电量的气候变化足迹即可反超POE，成为更优选择。研究人员建议未来开展针对同一类型电池的不同封装材料老化对比实验，以更高确定性指导最终选材，并将研究扩展至柔性电池及其他PSC结构。

**结论部分翻译：** 本研究以编制保护钙钛矿太阳能电池的封装材料的生命周期清单数据为起点，随后评估了性能和寿命对封装材料选择的影响，并与传统Si-PV进行了比较。基于公开数据，研究人员构建了以EVA、POE、PIB、TPU和离聚物封装的介孔碳钙钛矿太阳能电池模型。首先，生命周期清单的编制和分析表明：对于乙烯基封装材料（POE、EVA、离聚物）和PIB，气候变化影响主要由原料贡献；对于TPU，影响主要来自其实验室规模合成中的溶剂。加工过程的影响通常低于总影响的一半。因此，仅基于原料进行比较，材料排序不会改变。就当前认知而言，POE每平方米封装电池的影响最低，其次是EVA、离聚物、PIB，TPU最高。其次，封装材料对PSC组件总气候变化影响的贡献为3%（POE）至16%（TPU），TPU的影响高于除基底玻璃外的所有电池层之和，PIB的影响相当于无玻璃电池层总影响的60%。因此，从回收视角看，牺牲高贡献的TPU或PIB以回收电池将造成显著且难以合理化的损失。然而，基于制造环节的比较具有局限性，因此研究人员同时评估了寿命和性能的影响。相对于传统Si-PV，所有当前的封装-电池组合均在6年内实现生命周期气候变化足迹收支平衡，该基准基于Si-PV运行25年、PSC运行6年、两者寿命期衰减均为20%的假设。这总体上重申了先前的研究发现，即PSC能够以低于Si-PV的气候变化足迹提供电力。该发现主要可作为PSC进一步发展的具体目标——若能实现6年以上的稳定性，PSC即可超越当前Si-PV。此外，若影响最高的两种聚合物（PIB和TPU）能使PSC在相近效率下比影响最低的POE多运行至少4个月，则它们可实现更低的单位发电量气候变化足迹。这凸显了耐久性在封装材料最终选择中的关键作用。所有现有发现均需进一步的实验验证，尤其是PSC长期稳定性的实证。随着新数据的出现，生命周期清单和假设应不断迭代和改进，并扩展至其他类型的PSC或刚性非柔性电池之外的更多应用场景。一旦找到合适的封装材料，其寿命末期处理方式应在本文讨论的热回收之外进行更深入的研究。另一方面，当前研究证明，即使在增加封装的情况下，介孔碳PSC仍可保持低气候变化影响的解决方案。在各类封装材料中，乙烯基材料尤其POE在制造阶段的气候变化影响最低。