《EES Solar》：A multi-metric framework for material selection in perovskite modules: implications for sustainability, scalability, and net zero deploymentOpen Access
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钙钛矿太阳能电池(PSCs)已成为实现净零能源目标的有前景的下一代光伏技术。然而，由于缺乏可靠的生命周期清单(LCI)数据，使用传统的生命周期评价(LCA)难以公平评估PSC组件的可持续和可扩展材料选择。本文考虑了三种替代指标——采用储量约束比(BRR)，并引
钙钛矿太阳能电池(PSCs)已成为实现净零能源目标的有前景的下一代光伏技术。然而，由于缺乏可靠的生命周期清单(LCI)数据，使用传统的生命周期评价(LCA)难以公平评估PSC组件的可持续和可扩展材料选择。本文考虑了三种替代指标——采用储量约束比(BRR)，并引入和应用关键原材料(CRM)分类和基于行业的LCA。这些指标随后用于评估两种PSC组件设计在2 TW至220 TW部署情景下的材料选择。CRM分析显示，PSC及封装材料中几乎所有材料都被归类为关键材料，从而限制了其区分不同材料选择的能力。尽管如此，该分类突显了PSC和组件未来潜在的供应风险和资源竞争。BRR确认了众所周知的供应问题，如铟、银和铝框架，同时强调了钙钛矿技术特有的新问题，如铯、钛和锆。它还表明磷、氟、铅和用于接触的铝是足够丰富的。基于行业的LCA显示了PSC使用的哪些金属在开采和精炼方面具有更高的环境足迹，其中许多PSC设计中使用的银显著增加了组件的一次能源需求、全球变暖潜势和蓝水利用。总之，这些指标证明了在未来钙钛矿组件设计中纳入回收和材料再生的必要性。一项探索性LCA表明，与使用新鲜材料生产的组件相比，使用再生铝框架和回收玻璃基板制造的组件可以将全球变暖潜势、能源需求和酸化等环境影响降低18%至77%。最后，应用学习率为10%的Wright定律，预计在2 TW装机容量下，新鲜材料组件成本将达到36 �/m2至48 �/m2，与当前硅光伏组件相当。纳入回收和再生材料可进一步降低成本约10%至13%。
**钙钛矿组件材料选择的多指标框架：可持续性、可扩展性与净零部署解读**
研究背景方面，当前全球一次能源需求仍主要依赖煤炭、石油和天然气，约占2025年总发电量的87%，导致温室气体排放持续增加，全球气温已比工业化前水平升高1.2 °C。为将升温限制在1.5 °C以内，需在2050年前实现净零排放。光伏(PV)将在这一转型中发挥关键作用，但传统硅基光伏虽然碳排放低于化石能源，其材料效率和环境影响仍有改进空间。钙钛矿太阳能电池(PSCs)作为新兴技术，功率转换效率(PCE)快速提升，但对其环境足迹、材料供应瓶颈和回收潜力的评估尚不充分。由于PSC模块采用多种高特异性材料，且缺乏可靠的生命周期清单(LCI)数据，传统生命周期评价(LCA)难以公平比较不同材料选择。不同来源的LCI数据差异极大，例如同一材料输入值可相差1.7至86 580倍，这使得基于LCA的决策不可靠。为此，研究人员提出了一套超越传统LCA的多指标评估框架，并将成果发表在《EES Solar》。
研究人员开展了以下工作：首先，采用并应用三种替代指标——关键原材料(CRM)分类、储量约束比(BRR)和基于行业的LCA，对两种PSC模块设计（弗莱堡大学模块M-UF和Solaronix SA模块M-Sol）进行可持续性和可扩展性评估；其次，开发了一种低温（最高60 °C）实验室回收工艺，并通过探索性LCA量化回收铝框架和玻璃基板的环境效益；最后，利用Wright定律估算了2 TW规模下的材料成本。这些工作为PSC模块的早期设计提供了关注可持续性、资源约束和回收利用的决策依据。
关键技术方法包括：采用欧盟和美国地质调查局(USGS)发布的CRM清单确定材料关键性；计算BRR，即材料全球储量与2 TW、100 TW、220 TW三种部署情景下所需量之比；利用国际铜业协会等行业协会发布的基于行业的LCA数据（覆盖全球产量的7%至89%，代表200余家企业）评估金属生产的环境影响；应用openLCA软件和Ecoinvent数据库进行探索性LCA，功能单位为1 m
2模块；同时构建了实验室规模的组件回收流程，并利用Wright定律（学习率10%）进行成本外推。
**关键原材料分析**：CRM分析显示，除金和钼外，PSC研究中使用几乎所有金属均被列入欧盟或美国的关键原材料清单。M-UF含六种CRM（铟、锡、磷、铯、铝等），M-Sol含七种CRM（氟、石墨、锡、钛、锆等）。该分类虽难以区分相似设计，但揭示了未来供应风险和不同行业间的资源竞争。
**储量约束比分析**：BRR分析表明，铟在2 TW部署时即消耗全球储量的约44%，构成短期瓶颈；铝框架、铯、钛和锆在100 TW以上出现供应约束；银在100 TW时几乎耗尽全球储量；而磷、氟、铅和铝（接触材料）储量充足。因此，采用FTO替代ITO、无铯钙钛矿层以及铝接触等设计更利于大规模部署。
**基于行业的生命周期评价分析**：行业LCA对比显示，1 kg银生产的PED比铝高11.5倍，GWP高9.4倍，BWU高9000倍。M-UF采用铝接触和有机层（BCP、PCBM），其PED为0.0992 MJ m
?2，GWP为0.00911 kg CO
2-eq. m
?2，远低于采用银接触和金属氧化物层的M-Sol（PED为3.37 MJ m
?2，GWP为0.463 kg CO
2-eq. m
?2）。这表明铝接触和有机载流子传输层更具环境优势。
**新鲜材料模块生命周期评价**：探索性LCA显示，铝框架是模块环境影响的最大贡献者，这与硅基模块中硅片主导环境足迹不同。对M-UF，贡献从大到小依次为框架、ITO基板、背面玻璃、钙钛矿层等；对M-Sol，银接触是第二大贡献者。
**回收和再生材料模块生命周期评价**：开发的回收工艺可回收FTO/ITO前玻璃、背面盖板和二氧化钛。与全新材料模块相比，使用再生铝框架和回收玻璃可使M-UF和M-Sol的多数环境影响类别降低18%至65%。但生态毒性和化石资源稀缺性因回收运输中的额外油耗而增加5%至73%。此外，回收过程中溶剂使用贡献了75%至99%的环境影响，而运输中卡车运输的影响远大于海运。
**成本分析**：实验室规模材料成本M-UF为179 �/m
2，M-Sol为275 �/m
2。应用Wright定律（学习率10%）外推至2 TW规模，新鲜材料成本为36.5至47.4 �/m
2，与当前单晶硅玻璃-玻璃组件成本（约33 �/m
2）相当。若采用回收铝和回收玻璃，成本可进一步降低9.5%至12.6%。
讨论部分指出，传统LCA因LCI数据不可靠而难以独立用于材料选择，而所提出的多指标框架能更全面地评估可持续性、可扩展性和回收必要性。研究结论翻译如下：本工作凸显了PSC研究中使用材料的广泛性，以及仅用传统LCA比较材料选择的挑战。通过引入CRM分类、BRR和基于行业的LCA三种指标，研究人员评估了两种模块设计的可持续性、可扩展性和净零部署潜力。结果表明，银接触的环境足迹远高于铝接触，铟和银等材料在规模化部署中面临供应约束，而磷、氟、铅等储量充足。一项实验室回收工艺证明，回收铝框架和玻璃基板可使多数环境影响降低18%至61%，同时降低成本10%至13%。该框架为钙钛矿模块的早期设计提供了超越效率比较的可持续性指导，强调材料选择和回收设计对于实现净零目标的关键作用。
