鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池通過突破單結(jié)電池效率極限，成為提升光伏系統(tǒng)可持續(xù)性的重要路徑。盡管其運行階段零排放，但全生命周期仍面臨材料毒性、穩(wěn)定性及回收處理等環(huán)境挑戰(zhàn)。本文聚焦該技術的生命周期評估與可持續(xù)性特征，結(jié)合美能QE量子效率測試儀對光譜響應的精準測量，系統(tǒng)分析其結(jié)構設計、效率進展、環(huán)境影響及經(jīng)濟性，協(xié)同解決效率、穩(wěn)定性與環(huán)境兼容性問題，為未來光伏技術的可持續(xù)發(fā)展提供支撐。

鈣鈦礦 / 硅疊層太陽能電池概述

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(a)N-I-P型和P-I-N型鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池示意圖；(b)鈣鈦礦頂電池和c-Si底電池的光譜響應；(c)疊層電池截面SEM圖像、鈣鈦礦頂電池和硅背面織構的放大圖；(d)鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池的效率發(fā)展歷程

結(jié)構及工作原理

鈣鈦礦 / 硅疊層電池通常由鈣鈦礦頂電池和晶硅底電池構成。從光譜吸收特性來看，鈣鈦礦頂電池的寬帶隙（1.7-1.8 eV）使其能高效吸收并轉(zhuǎn)化高能光子（短波長光），而單晶硅底電池（1.12 eV）則負責捕獲并轉(zhuǎn)化低能光子（長波長光），從而減少熱化損失和光譜損失。兩種電池通過串聯(lián)或并聯(lián)方式連接，需要精確的電流匹配以優(yōu)化整體性能。

材料體系

p-i-n 型鈣鈦礦頂電池由空穴傳輸層（HTL）、鈣鈦礦光吸收層、電子傳輸層（ETL）、透明導電氧化物（TCO）層及金屬柵極構成。目前效率最高的鈣鈦礦 / 硅疊層電池，其底電池多采用 TOPCon 或 HJT 結(jié)構的單晶硅電池，這類底電池表面具有高度為1-3μm的金字塔織構，可顯著提升光吸收效率。

效率進展

近年來技術發(fā)展迅速：2018年實現(xiàn)20.56 mA/cm2的短路電流-2024年效率記錄達到34.6%。制備工藝從溶液法發(fā)展到蒸發(fā)法、混合法，改善了織構表面的覆蓋性和電池性能。這些成果充分體現(xiàn)了鈣鈦礦 / 硅疊層電池的快速發(fā)展?jié)摿Α?/span>

生命周期評估與環(huán)境影響

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鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池閉環(huán)回收過程示意圖

(a)回收硅底電池的流程示意圖；(b) 疊層太陽能電池回收與再制造過程示意圖；(c) 重新制造的疊層器件截面SEM圖像；(d) 新制備的和重新制造的疊層器件的J-V曲線和EQE（外部量子效率）光譜

(a) 玻璃和PET基底上鈣鈦礦薄膜的總鉛濃度；(b) 玻璃和PET基底上鈣鈦礦薄膜的TCLP（毒性特征浸出程序）鉛浸出濃度； (c) 斑馬魚養(yǎng)殖10天后的鉛含量；(d) 不同生長條件下斑馬魚在10天內(nèi)的存活率；(e) 添加與未添加FAPbI?的斑馬魚生長狀態(tài)；(f) 不同鈣鈦礦材料濃度下軟骨細胞的具體死亡率數(shù)據(jù)；(g) 不同條件下蘿卜樣品中的鉛濃度；(h) 不同時間點擬南芥的發(fā)芽率

評估方法

生命周期評估（LCA）采用ISO 14040和14044標準框架，包含目標與范圍界定（明確評估目的與參數(shù)）、生命周期清單分析（LCI，收集能量、材料輸入及環(huán)境排放數(shù)據(jù)）、生命周期影響評估（LCIA，基于清單數(shù)據(jù)分析潛在環(huán)境影響）、結(jié)果解釋（分析結(jié)論以指導決策并識別改進方向）四個階段。參考IEA PVPS指南確保評估的一致性和可信度。

環(huán)境影響分析

材料階段：硅片生產(chǎn)能耗高（~3534 MJ/m2），是全球變暖潛能（GWP）的主要貢獻者。鈣鈦礦頂電池制造能耗較低（188 MJ/m2），但電力來源影響其碳足跡。

鉛使用問題：鈣鈦礦中含鉛約0.4 g/m2，雖低于RoHS限值，但TCLP測試顯示鉛浸出量超美國EPA標準，需要特殊處理。

化學物質(zhì)管理：制造過程中使用的有毒溶劑（如 DMF）需要妥善管理，推薦采用DMSO 、乙醇等低毒替代品。

廢棄處理：高效的報廢（EOL）管理是降低鈣鈦礦 / 硅疊層電池環(huán)境影響的關鍵。通過高效回收硅與鈣鈦礦材料，可實現(xiàn)關鍵組件的回收利用并減少廢棄物；回收技術的進步與閉環(huán)系統(tǒng)的建立，能進一步提升疊層電池技術的可持續(xù)性。

對比分析

與單結(jié)c-Si電池相比，鈣鈦礦/硅疊層電池因效率更高，具有更短的能量回報時間（EPBT）和更低的單位發(fā)電量環(huán)境影響。但每塊組件的絕對環(huán)境影響可能更高，需要通過提升效率和壽命來補償。

電池的可持續(xù)性分析

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(a) 圖4中所有鈣鈦礦-硅疊層概念的總模塊每峰瓦成本（Wp）與傳統(tǒng)PERC單結(jié)參考電池的比較（左側(cè)）；(b) 平準化度電成本（LCOE）比較；(c) 模塊壽命；(d) 效率的敏感性分析

(a) 顯示鈣鈦礦光伏生產(chǎn)可能路徑的LCA系統(tǒng)邊界示意圖；(b) 溶劑的五維屬性圖，填充度越高表示商業(yè)化潛力越大

經(jīng)濟性評估

鈣鈦礦/硅疊層電池的制造成本受材料、工藝和規(guī)?；潭扔绊憽７治霰砻?，當效率超過26%、成本控制在90-150 USD/m2且穩(wěn)定性與c-Si相當時，該技術具備市場競爭力。LCOE分析顯示疊層電池可低于單結(jié)c-Si電池（5.22 vs. 5.50 US cents/kWh），但年降解率需控制在1-3%以內(nèi)。

毒性分析與管理

鉛管理策略：采用環(huán)氧樹脂封裝、EVA薄膜等技術可減少鉛泄漏；化學回收可實現(xiàn)99.2%的鉛回收率。

無鉛替代：錫基鈣鈦礦毒性較低但效率不足，且錫本身也有環(huán)境風險。

綠色工藝：推薦使用DMSO、乙醇等低毒溶劑，降低制造過程的環(huán)境和健康風險。

挑戰(zhàn)與展望

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技術挑戰(zhàn)

穩(wěn)定性與耐久性：需要改善鈣鈦礦材料對濕度、氧氣、高溫和紫外線的耐受性。

界面優(yōu)化：優(yōu)化電荷傳輸層與鈣鈦礦/c-Si的界面，減少復合損失。

材料可持續(xù)性：確保關鍵材料（如銀、銦）的可持續(xù)供應和循環(huán)利用。

政策支持

需要建立完善的政策體系，包括研發(fā)支持、回收標準制定、財政激勵等措施，推動鈣鈦礦/硅疊層電池的商業(yè)化進程。消費者教育和示范項目也將促進市場接受度。

循環(huán)經(jīng)濟

發(fā)展閉環(huán)回收設計、材料再利用技術和行業(yè)協(xié)作機制，是實現(xiàn)光伏產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。鈣鈦礦和硅的高效回收技術仍需進一步研發(fā)。

鈣鈦礦/硅疊層太陽能電池在提升效率和降低環(huán)境影響方面具有顯著潛力，但仍面臨穩(wěn)定性、毒性管理和回收等挑戰(zhàn)。通過材料創(chuàng)新、工藝優(yōu)化、政策支持和循環(huán)經(jīng)濟策略，該技術有望成為未來可持續(xù)能源系統(tǒng)的重要組成部分。未來研究應聚焦于長壽命設計、無鉛材料、綠色制造和全生命周期管理，以推動其商業(yè)化進程。

美能QE量子效率測試儀

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美能QE量子效率測試儀可以用來測量太陽能電池的光譜響應，并通過其量子效率來診斷太陽能電池存在的光譜響應偏低區(qū)域問題。它具有普遍的兼容性、廣闊的光譜測量范圍、測試的準確性和可追溯性等優(yōu)勢。

兼容所有太陽能電池類型，滿足多種測試需求

光譜范圍可達300-2500nm，并提供特殊化定制

氙燈+鹵素燈雙光源結(jié)構，保證光源穩(wěn)定性

美能QE量子效率測試儀通過對鈣鈦礦頂電池和硅底電池光譜響應的精準測量與分析，為疊層結(jié)構的光學匹配和電流平衡提供了關鍵數(shù)據(jù)支撐，顯著提高了太陽光譜的利用效率和整體光電轉(zhuǎn)換性能。

原文參考：A review of life cycle assessment and sustainability analysis of perovskite/Si tandem solar cells

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