先进光伏技术与自由空间发光太阳能聚光器中关键原材料风险的综合生命周期与地缘政治评估

《Resources, Conservation and Recycling》：Critical raw material risks in advanced photovoltaic technologies and free-space luminescent solar concentrators: An integrated life-cycle and geopolitical assessment

　　

可再生能源技术的快速部署，尤其是太阳能光伏，对于实现全球气候目标、联合国可持续发展目标和欧洲绿色协议至关重要。与此同时，欧盟循环经济行动计划和关键原材料法案强调资源效率和关键原材料供应链的韧性是安全清洁能源转型的先决条件。尽管光伏在效率和成本方面取得了显著进展，太阳能技术的材料基础日益塑造其长期可扩展性和战略可行性。自由空间发光太阳能聚光器等新兴技术已被提出用于增强散射辐照条件下的光伏性能并实现非传统表面的部署。然而，此类技术引入了额外的功能材料，将太阳能系统的材料组合扩展到标准光伏组件之外。光伏技术在不同程度上依赖关键原材料，其中一些以高供应集中度、低可替代性和低回收率为特征，引发对长期材料安全的担忧。传统生命周期清单主要量化物质和能量流及相关排放，但未能捕捉材料的经济重要性或其面临地缘政治中断的风险。因此，技术评估可能低估结构性供应风险并高估以效率为导向的设计路径的稳健性。现有文献存在三个缺口：跨完整光伏技术堆栈的系统级关键原材料评估有限；新兴性能增强型太阳能技术很少从材料关键性角度被评估；现有框架很少将经济关键性指标与地缘政治风险指标统一整合。为弥合这些缺口，本研究开发并应用一个综合关键性框架，将欧盟关键原材料评估与地缘政治风险因子相结合，以量化三种主流晶体硅光伏技术和三种代表性自由空间发光太阳能聚光器配方的材料脆弱性。该分析基于生命周期清单数据并归一化至共同功能单元以实现技术层面的比较。本研究的贡献在于：开发了将经济重要性、结构性供应风险和地缘政治暴露整合为单一调整后关键性评分的统一方法；首次对自由空间发光太阳能聚光器技术与主流光伏架构进行比较性关键原材料评估；将材料关键性结果与循环经济和生态设计策略联系起来。

# 论文解读：先进光伏技术与自由空间发光太阳能聚光器中关键原材料风险的综合评估

## 一、研究背景与问题提出

可再生能源技术的快速部署是实现全球气候目标和欧洲绿色协议目标的中心支柱。在光伏效率和成本取得实质性进展的同时，太阳能技术的材料基础日益成为决定其长期可扩展性和战略可行性的关键因素。欧盟循环经济行动计划和关键原材料法案均强调，关键原材料供应链的韧性和资源效率是安全清洁能源转型的前提条件。

自由空间发光太阳能聚光器作为一种新兴光学技术，能够在散射辐照条件下增强光伏性能，并可部署于建筑立面和基础设施等非传统表面，特别适用于高纬度和人口密集区域。然而，此类技术引入了发光化合物、特种聚合物和光学涂层等额外功能材料，显著扩展了太阳能系统的材料组合。光伏技术以不同程度依赖关键原材料，其中部分材料以高供应集中度、有限可替代性和低回收率为特征，引发了对长期材料安全的担忧，这种关切已超出传统环境生命周期指标的考量范围。

尽管近年文献已开始关注光伏组件制造中的关键原材料使用，以及可再生能源系统的材料损失和回收潜力，但仍存在三个关键缺口：第一，跨完整光伏技术堆栈的系统级关键原材料评估仍然有限；第二，新兴性能增强型太阳能技术极少从材料关键性角度接受评估，这对于材料需求和合成路线可能引入新关键原材料依赖的自由空间发光太阳能聚光器架构尤为重要；第三，现有框架很少将经济关键性指标与地缘政治风险指标统一整合，使其适用于事前技术评估。为回应上述缺口，本研究开发并应用了一个将欧盟关键原材料评估与地缘政治风险因子相结合的综合关键性框架。

## 二、关键技术与方法概述

研究人员选取了三种主流晶体硅光伏技术——钝化发射极与背面电池、硅异质结和隧穿氧化层钝化接触——以及三种代表性自由空间发光太阳能聚光器配方——钙钛矿纳米晶发光太阳能聚光器、硫化铅/硫化镉核壳量子点发光太阳能聚光器和Lumogen Red R305有机染料发光太阳能聚光器。所有自由空间发光太阳能聚光器数据来源于DIRECT研究项目框架内的实验室规模原型，处于技术就绪水平约3至4级。光伏技术生命周期清单数据则源于同行评审文献和工业报告。

方法论上，研究人员采用生命周期思维方法，系统边界定义为从摇篮到大门，涵盖原材料提取、精炼和组件制造阶段，功能单元定义为一平方米有效光伏组件面积。综合关键性框架整合了两个分析维度：一是欧盟关键性评估方法，通过供应风险和经济重要性二维框架衡量材料关键性；二是地缘政治风险框架，纳入供应商集中度、加权贸易平均值和贸易政策波动性三个指标，形成地缘政治风险因子。最终，通过将欧盟关键性评估评分与地缘政治风险因子相乘，得出调整后关键性评分，实现对材料脆弱性的综合排序。

## 三、研究结果

### 3.1 欧盟关键性评估结果

在欧盟关键性评估中，铜是唯一被归类为低风险的材料，其评分始终为0.4，反映出低供应风险和高经济重要性。铝、硅、石墨、萤石、氦和钛属于中等关键性类别，评分范围从3.48至6.96。其中，铝和硅具有较高经济重要性，而石墨由于生产集中在中国而面临较高的供应风险。硼和磷呈现出最高关键性评分，分别为14.04和15.51，这源于显著的地理集中度和持续增长的需求。

### 3.2 地缘政治风险框架结果

大多数被评估的关键原材料因供应商集中度和对不稳定地区的依赖而被归类为高地缘政治风险。硅、石墨和磷面临尤其显著的风险，中国供应了全球产量的70%以上。氦和萤石也因出口限制和有限生产国而处于高风险类别。相比之下，铜因在智利、秘鲁和中国之间形成的多元化供应结构而呈现中等风险特征。

### 3.3 综合关键性结果

调整后关键性评分值范围从铜的0.80到磷的46.53。磷和硼因已偏高的欧盟关键性评分被高地缘政治暴露进一步放大而被归类为极高风险。铝和硅也呈现较高的调整后关键性评分，分别为20.88和19.11。

在光伏技术组内，硅异质结记录了最高的平均调整后关键性评分，其次是隧穿氧化层钝化接触，钝化发射极与背面电池则呈现显著较低的均值。硅异质结和隧穿氧化层钝化接触较高的调整后关键性主要反映了其对与先进钝化和掺杂技术相关的硼和磷制造工艺的更大依赖。在自由空间发光太阳能聚光器组内，硫化铅/硫化镉量子点发光太阳能聚光器表现出最高平均关键性，这是因为尽管最终器件中磷含量极低，合成过程中使用的三辛基膦配体引入了对磷的直接依赖。

## 四、讨论与设计启示

结果表明，材料关键性构成了对先进太阳能技术长期可扩展性的结构性约束。虽然硅异质结、隧穿氧化层钝化接触和自由空间发光太阳能聚光器架构改善了转换效率和部署灵活性，但它们系统性地增加了对硼和磷的依赖，这些材料以高供应集中度、有限回收成熟度和显著地缘政治暴露为特征。值得关注的是，银虽然被光伏行业广泛视为具有战略重要性的材料，但在本研究的综合评估框架下并未成为主导关键原材料，这反映了当前欧盟关键性评估筛选标准的特定范围。

从材料韧性角度，钝化发射极与背面电池技术仍然是最不易受材料脆弱性影响的主流架构。尽管回收利用常被提议作为关键原材料稀缺性的解决方案，但硼和磷的当前回收途径在技术上有待成熟且经济上不具可行性。因此，替代、材料节约和面向低材料关键性的设计可能提供更大的风险降低潜力。

在设计创新方面，欧盟关键原材料法案于2024年5月生效，设定了到2030年欧盟至少提取10%、加工40%和回收25%年战略原材料需求的约束性基准。面向拆解的设计方法、模块化架构和通过数字产品护照等工具实现的材料透明度，可提高回收物质量并促进闭环价值的保留。此外，银节约型金属化、无铟透明导电氧化物和替代掺杂剂化学等当前研究正在为强化供应韧性提供额外路径。

## 五、研究结论

本研究在三个互补层面做出贡献。方法论上，它引入了一个将欧盟委员会关键原材料评估与地缘政治供应风险相结合的综合关键性框架，以得出调整后关键性评分。技术上，它提供了跨成熟光伏技术和新兴自由空间发光太阳能聚光器配置的材料关键性比较评估，识别出材料优化和资源管理的差异化优先事项。从政策角度看，该框架支持在未来光伏系统中针对关键原材料韧性、生态设计、回收优先级和循环经济策略的循证决策。

研究结果指出，磷和硼是先进太阳能架构中最脆弱的投入材料，其次是铝和硅，这凸显了下一代效率增益可能与对受限和地缘政治敏感资源暴露度升高并存。更广泛而言，本研究表明，事前材料关键性评估作为环境生命周期分析的补充具有重要价值，将资源安全指标嵌入技术开发对于确保能源转型不仅低碳而且在材料上和地缘政治上具有韧性至关重要。