钙钛矿太阳能电池中铅泄露机制和回收策略研究

20251128

科学研究和技术服务业

本研究提出了钙钛矿太阳能电池的回收再制造策略，我们发现采用回收再制造策略的短寿命的钙钛矿太阳能电池的度电成本得到了显著的降低。单结钙钛矿太阳能电池只需要7年的寿命就可以与晶硅太阳能电池度电成本相当，钙钛矿-晶硅二端叠层太阳能电池、钙钛矿-晶硅四端叠层太阳能电池只需要8年的电池寿命度电成本就可以与晶硅太阳能电池相当。这大幅缩短了钙钛矿太阳能电池商业化所需的电池稳定性寿命阈值。对于钙钛矿太阳能电池的电站，采用回收再制造策略可以有效减少电池组件寿命终期替换的成本，降低钙钛矿太阳能电站的发电成本，减少废弃钙钛矿太阳能电池组件的铅元素排放量，使钙钛矿太阳能电池电站满足铅排放上的环保要求，进而增大钙钛矿太阳能电池电站的建设可行性，使钙钛矿太阳能电池更具商业化潜力。本研究中采用的钙钛矿太阳能电池成本估算方法，对钙钛矿太阳能电池商业化电池寿命和效率阈值的估计可以指导钙钛矿太阳能电池电站的设计、电池组件的选择、与可行性的评估。

本项目的成果可以指导钙钛矿太阳能电池电站的建设，合作方应具备一定的取决于电站发电量的光伏电站建设场地和电站建设与电池回收的团队人员，需要具备包括购买钙钛矿太阳能电池组件、光伏逆变器、电站结构耗材等物资的资金，并具有电站建设所需的装置和钙钛矿太阳能电池组件回收所需的机械剥离设备、钙钛矿回收所需的设备。团队也可以只具备钙钛矿太阳能电池回收和制造的设备产线，并与相应的钙钛矿太阳能电池电站共同合作。

可国（境）内外转让

本研究提出的钙钛矿太阳能电池回收再制造策略可以减少短寿命的钙钛矿太阳能电池组件的度电成本，使钙钛矿太阳能电池组件的电池寿命只需要达到7年就可以进行商业化，这将使钙钛矿太阳能电池的商业化进程提前，增大钙钛矿太阳能电池的商业化潜力。同时，通过将废弃的钙钛矿太阳能电池组件回收再制造，废弃电池中的铅元素得到了良好的控制，含有稀有铟元素的导电玻璃得到了重复利用，节省了铟元素的使用量，这使钙钛矿太阳能电池的商业化更加可持续。

北京市自然科学基金本科生“启研”计划

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

钙钛矿太阳能电池的小面积器件的效率已经发展到了如今的27.3%，虽然受到尺寸效应的影响，微型模组的效率也超过了23%，平方米级组件的效率也可以达到20%。虽然钙钛矿太阳能电池的光电转换效率发展迅速，可以与晶硅太阳能电池的光电转换效率不相上下，然而钙钛矿太阳能电池的稳定性仍旧是领域内亟待攻克的问题，钙钛矿太阳能电池的组件效率衰减速率不能达到目前的商业化要求，导致在电站运行周期内需要多次更换钙钛矿太阳能电池组件，从而大幅增加了度电成本，这是钙钛矿太阳能电池商业化路径上的主要桎梏。同时，在钙钛矿太阳能电池商业化的路径上，铅泄露、铅污染也是需要得到解决的问题。含有铅元素的退役组件如果以填埋的方式进行处理可能会造成土壤铅污染。运行的组件如果出现开裂也会带来铅泄露。 我们面向钙钛矿太阳能电池铅元素泄露与管理问题、钙钛矿太阳能电池寿命短造成的度电成本高的问题进行了铅泄露抑制研究和回收再制造策略的度电成本经济性评估的研究，其主要内容与结果如下： （1）我们提出了钙钛矿太阳能电池回收再制造策略，依据较为成熟的回收工艺设计了回收再制造流程，并对采用和不采用回收再制造策略的钙钛矿太阳能电站在运行周期内所使用到的钙钛矿太阳能电池组件的总铅元素含量进行了估算，预估了回收再制造策略可以达成的电池寿命终期铅管理效果。我们发现回收再制造策略可以有效地减少退役的钙钛矿太阳能电池的铅含量。对于电池寿命较短的钙钛矿太阳能电池，回收再制造策略可以将退役组件铅元素含量缩减至与晶硅太阳能电池相近的水平，而不采用回收再制造策略的钙钛矿太阳能电池退役组件铅元素含量是采用该策略的5到10倍。 （2）我们通过构建自底向上的成本计算模型对钙钛矿太阳能电池的制造成本、回收成本进行了评估。并进一步构建了对理想情况下寿命长的电池组件的度电成本，和实际情况下寿命短、需要多次组件更替的电池组件的度电成本的计算模型。依据度电成本计算模型，我们分别对采用和不采用回收再制造策略的不同组件寿命的钙钛矿太阳能电站的度电成本进行了计算，计算了钙钛矿太阳能电池的度电成本和电池组件寿命之间的关系，并以此为基础进一步研究了回收再制造策略对钙钛矿太阳能电池商业化的价值。采用回收再制造的钙钛矿太阳能电池只需要更短的电池组件寿命，其度电成本就可以与晶硅太阳能电池相当。 （3）提出了钙钛矿太阳能电池市场准入电池寿命阈值的概念，为钙钛矿太阳能电池的稳定性方面研究指明了器件实际运行寿命的目标。以晶硅太阳能电池的度电成本为参考，预估了钙钛矿太阳能电池进行商业化所需的电池寿命阈值，并以市场准入电池寿命阈值为标准进一步揭示了回收再制造策略的经济价值。对于单结钙钛矿太阳能电池，采用回收再制造策略的市场准入电池寿命阈值为7年，相比于不采用该策略的组件缩短了2年；对于钙钛矿-晶硅二端叠层太阳能电池，采用回收再制造策略的市场准入电池寿命阈值为8年，相比于不采用该策略的组件缩短了7年；对于钙钛矿-晶硅四端叠层太阳能电池，采用回收再制造策略的市场准入电池寿命阈值为8年，相比于不采用该策略的组件缩短了10年。 （4）对于由于钙钛矿太阳能电池的基底破损或开裂造成的铅泄露问题，为了抑制因基底破损或开裂造成的钙钛矿太阳能电池运行过程中的铅元素泄露问题，我们利用乙二醇二甲基丙烯酸酯对钙钛矿太阳能电池的埋底界面进行了改性，利用乙二醇二甲基丙烯酸酯与铅离子的相互作用将铅离子固定在钙钛矿的埋底界面。在不影响电池效率的情况下，利用乙二醇二甲基丙烯酸酯加强了钙钛矿太阳能电池埋底界面的铅固定能力，采用乙二醇二甲基丙烯酸酯进行钙钛矿埋底界面改性的钙钛矿太阳能电池的效率为24.28%。 钙钛矿太阳能电池中铅元素的泄露可能会带来电站周边居民身体健康问题、造成电站周边土壤、水资源污染使农作物难以生长损害当地人民的财产安全。本项目聚焦钙钛矿太阳能电池全生命周期的铅元素管理，开发了抑制电池运行过程中基底破损或开裂造成的铅泄露的方法，提出了退役钙钛矿太阳能电池组件铅元素管理的钙钛矿太阳能电池回收再制造策略，有效地缓解了钙钛矿太阳能电池全生命周期的铅元素泄露问题，使钙钛矿太阳能电池可以更加绿色、可持续地商业化。