卤化钙钛矿型光伏电池的收益和风险

在2019年11月的pv杂志上介绍了此问题的双方以及负责任的妥协的前景.1在下面的文章中，我们重点介绍了有关LHP-的生命周期铅排放和毒性潜力的相关研究与2019年1月在《能源》杂志2中发布的美国几种电网混合能源相比的光伏发电。

我们发现与LHP-PV相关的铅排放和潜在毒性小于与电网相关的铅和毒性，但我们提醒您，制造过程中适当的工业卫生，坚固的封装以实现持久的运行以及报废管理对于负责任的生产至关重要部署这项技术。

太阳能铅

安装在高辐射度（2300 kWh /（m2-yr）位置的CdTe光伏系统的kWh，对于安装在低辐射度（1000 kWh /（m2-yr）的中国单晶硅光伏系统的80 g CO2-eq / kWh ）位置3，而煤炭发电的CO2当量/ kWh为约1000 gCO2 / eq / kWh。但是，在快速兴起的LHP-PV技术的情况下，人们开始关注LHP-PV生命周期（包括生命周期）中铅的潜在排放。这样就可以评估光伏中的铅排放，并与其他发电生命周期中的排放进行比较。

LHP-PV的效率迅速提高，今年用于小型设备的效率超过25％，超过了几十年来开发的其他薄膜技术的实验室规模效率。4尽管最初受到稳定性极差的困扰，但两者都取得了进步。材料的化学性质和封装性能提高了加速老化测试的性能，预示其使用寿命可能达到数十年。这些成就吸引了对LHP-PV的大量投资，LHP-PV现已处于商业化的早期阶段，既作为单结器件，又作为钙钛矿-钙钛矿和钙钛矿-硅两末端锡烷。尽管有如此令人兴奋的事情，但是由于吸收层中存在有毒的铅，仍然存在一些问题。

铅是LHP吸收剂中的关键元素，它表现出具有式ABX3的钙钛矿晶体结构，其中A是大阳离子，例如有机甲基铵或无机铯，B是铅，X是卤素，例如碘。迄今为止，无铅钙钛矿光伏发电效率仍低于12％，其中锡的最佳性能。尚不清楚是否会通过其他研究出现新的候选成分，还是铅赋予的光电特性固有地优越。如果铅确实是实现高效率的先决条件，那么关于增强PV部署的好处是否可能超过部署含铅设备的风险仍然存在疑问。

生命周期评估揭示了抵消传统电力的好处

为了对LHP-PV的收益和风险进行全面和比较的评估，生命周期框架是必要的。我们对该主题的初步研究已于今年早些时候在《能源》杂志上发表。2我们将LHP-PVs的铅排放量和潜在毒性与美国三种不同的代表性网格混合物进行了比较，包括案例研究，即适当处置不会导致铅向环境中的释放；我们还考虑了最坏的情况，即面板中的所有铅意外释放到地下水中。

LHP-PV中的铅含量实际上很小-1微米厚的吸收层仅为1.4 g / m2。即使这个估计也是保守的。记录效率高的小面积电池通常使用的吸收体要薄四倍，而且铅的含量也相应减少。考虑到大规模的铅供应，可以用2400 GWp的LHP-PV满足美国的全部电力需求，这相当于17,000吨的微米级吸收器所含的含铅量。相比之下，美国每年使用160万吨铅，主要用于铅酸电池。

我们已经跟踪了与LHP-PV制造和运营的不同类别相关的铅排放量，发现大部分来自系统（电力电子设备，电缆和安装结构）的PV平衡中的Pb含量，这对所有人来说都是通用的PV类型。由于严格的Pb排放阈值（由OSHA，EPA和国家机构制定）以及面板中的Pb量非常小，因此Pb开采和冶炼操作的排放量可以忽略不计，并且LHP-PV面板制造中的排放量应该很小。我们的初步检查表明，在正常运行期间，生命周期铅的排放量约为2 g / m2，在意外释放的情况下为3.4 g / m2（图1a）。

此外，操作过程中铅的意外释放似乎对LHP-PV生命周期的潜在毒性影响微不足道。相反，造成潜在毒性的主要因素是生产过程中和上游阶段所需能量的产生所产生的有毒气体排放（图1b）。根据化石燃料，核能和可再生能源的相对组成，不同的网格混合会产生明显不同的毒性潜力。因此，使用“清洁”电力生产PV可以大大降低其对环境的影响。

尽管LHP-PV中存在铅，但这些简单的比较表明，在整个生命周期中，Pb的排放和潜在的毒性低于传统的煤炭密集型电网，因为后者通常会排放铅和其他有毒物质燃料燃烧产生的重金属。

尽管燃烧排放控制技术已得到显着改善，但在运行过程中仍持续少量和连续排放挥发性重金属。5,6正如经常讨论PV的经济和能源回收期一样，铅排放和毒性潜力的回收期也可以计算出来。这样的投资回报时间取决于用于生产PV组件和系统的网格混合，以及因其部署而移动的网格混合，如图2所示。对于考虑的电网混合，在适当处置的情况下，铅排放的回收期在4至8年之间，而在假定发生灾难性释放的情况下，则在8至14年之间。对于所有考虑的电网组合，总潜在毒性（还包括其他重金属）的投资回收期不到6年。假设LHP-PV至少要有15-20年的使用寿命才能商业化，与传统电力相比，它们是对环境有利的选择。