IF：86.2！香港城市大学，Nature 系列综述，中文署名！

封闭循环制造为钙钛矿光伏可持续发展开辟新路径

随着全球对可再生能源需求的不断增长，钙钛矿太阳能电池因其高效率与低成本的潜力备受瞩目。然而，其产业化进程仍面临环境可持续性的重大挑战，包括有毒溶剂的使用、铅泄漏风险、能源密集型工艺以及回收体系缺失等问题。当前，从实验室走向规模化生产的关键阶段，正是构建绿色制造路径的重要窗口期。

近日，香港城市大学朱宗龙教授系统提出了钙钛矿太阳能电池的封闭循环可持续制造框架。该研究从原材料获取、绿色加工、安全运行与回收再利用等全生命周期环节，全面梳理了实现环境友好型钙钛矿光伏技术的关键策略与挑战，旨在推动该技术从实验室走向规模化绿色制造。相关论文以“Closed-loop manufacturing for sustainable perovskite photovoltaics”为题，发表在Nature Reviews Materials上。

研究首先分析了钙钛矿电池各功能层所需的关键原材料，包括钙钛矿层中的铅、铯和碘，透明导电氧化物中的铟和锡，以及电极中常用的银和铜等，并指出铅等材料可通过回收系统（如废旧汽车电池）获取，从而减少对原生矿产的依赖，契合循环经济理念。在制造工艺方面，论文对比了气相沉积与溶液处理两大技术路径：气相沉积具有成膜均匀、重复性好、溶剂使用少等优势，尤其适用于大规模薄膜生产；溶液处理则设备成本低、工艺灵活、易于组成调控，更适用于研发与初期生产。两者在规模化成本与能耗方面各有权衡，而未来的产业化可能需要混合使用两种技术以发挥各自优势。

图1 | 钙钛矿太阳能电池的封闭循环可持续路径。 展示了钙钛矿太阳能电池在封闭循环可持续框架内的全生命周期过程——从绿色加工技术到安全运行与服务，最终实现可持续回收与再利用。ITO：氧化铟锡；FTO：氟掺杂氧化锡。

图2 | 钙钛矿太阳能电池的原材料获取。 a. 典型的钙钛矿太阳能电池结构，包括n-i-p（左）和p-i-n（右）结构。b–e. 各功能层中使用的关键元素（钙钛矿层、透明导电氧化物层、电子或空穴传输层、金属电极）的全球产量、产能、储量和资源量。数据基于2024年统计，来源于美国地质调查局《2025年矿物商品摘要》。

图3 | 气相沉积与溶液处理的比较。 a,b. 气相沉积与溶液处理的示意图。c. 全球模组和设备制造商在不同沉积技术中的份额分布（包括成熟与初创公司）。d. 气相沉积钙钛矿吸收层的技术经济分析基础。影响竞争性生产成本（左）与资本支出（右）的关键因素是线性源数量和沉积速率。不同的沉积方法在技术特性、可扩展性和工业可行性方面呈现出不同的权衡。

在绿色溶剂开发方面，研究指出传统溶剂如DMF具有较高环境和健康风险，而DMSO、γ-戊内酯及离子液体等更安全的溶剂已成功用于制备高效率电池。通过设计溶剂组合，调节其介电常数、给体数、沸点与粘度等性质，可优化前驱体溶解、结晶动力学与成膜质量，从而在降低毒性的同时保持器件性能。针对公众关心的铅泄漏问题，论文强调封装是防止铅释放的主要手段，现有光伏层压封装材料已能有效保护电池组件。同时，也可通过在器件内部嵌入铅吸附层或使用原位铅固定材料，进一步降低潜在风险。

图4 | 溶剂选择与绿色溶液处理。 a. 根据溶剂危害等级将50种常见溶剂分为六类：推荐使用（深蓝）、谨慎使用（浅蓝）、有问题（黄）、潜在危害（橙）、危害（粉红）和高度危害（红）。b–d. 基于介电常数与给体数、沸点与给体数、沸点与粘度的溶剂性质分类二维图。实心数据点代表用于制备钙钛矿薄膜的典型溶剂，空心数据点代表潜在可选溶剂。e. 向钙钛矿前驱体溶液中添加乙醇后胶体组分的示意图。f. 不同溶剂体系中宽带隙钙钛矿在前驱体溶液中的胶体尺寸分布。无毒或低毒溶剂及其组合可用于调控钙钛矿前驱体行为与薄膜性质。

图5 | 钙钛矿太阳能电池中的铅泄漏与缓解。 a. 导致电池提前失效可能引起铅释放的因素及其在环境介质中的迁移。b. 铅泄漏风险管理的缓解策略，包括外部吸附、界面工程以及在钙钛矿层内嵌入吸附材料。

回收环节是闭合循环的关键。玻璃作为电池中质量和成本最高的部分，可通过热分层或机械破碎进行回收，但直接再利用仍需解决清洁度与规格统一等问题。钙钛矿层中的铅可通过有机溶剂溶解-吸附回收或水基提取法进行高效回收与再利用，其中水法因其环境友好性更具吸引力。其他组件如银电极和空穴传输材料的回收则因成本高、杂质多而仍面临技术和经济挑战。

图6 | 钙钛矿太阳能电池主要组件的回收选项概述。 包括玻璃组件、钙钛矿层及其他组件（如金属电极、空穴传输材料）的当前回收方法与挑战。平板玻璃因成本和质量占比高是回收重点，钙钛矿层回收需同时考虑环境与经济因素。

总结而言，实现钙钛矿太阳能电池的可持续闭环制造仍需攻克多个关键问题：开发真正绿色且工艺窗口宽的溶剂体系、研发适用于钙钛矿组分的高速率气相沉积技术、设计兼顾防护与光透明性的封装方案，以及建立低成本、高效率的回收纯化工艺。未来，需通过全生命周期评估系统比较不同技术路径的真实环境影响，推动钙钛矿光伏在提升效率与稳定性的同时，真正成为环境友好、资源循环的低碳能源技术。