郭美瑜/周圆圆合作团队Chem Circularity：钙钛矿光伏的循环性量化评估

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CellPress细胞科学 2026-11-12 06:02:11

可持续发展

Sustainability

2026年10月14日，香港浸会大学郭美瑜与香港科技大学周圆圆合作团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Chem Circularity上发表了题为 “Quantifying the circularity of perovskite photovoltaics”的研究论文，建立了连接生态设计、寿命延长以及再利用与循环回收的情景化评估框架。研究将循环性转化为可量化、可比较的指标，揭示了不同寿命阶段下循环策略优先次序的变化，为钙钛矿光伏的可持续设计提供了定量依据。

研究亮点

建立覆盖生态设计、寿命延长及再利用与循环回收的统一评估框架，将材料选择、器件性能与回收过程纳入全生命周期分析。
引入平准化循环环境影响和净循环收益等指标，以单位发电量的环境影响衡量循环策略，揭示“可回收”与“具有净环境收益”之间的区别。
发现循环策略的优先次序随器件寿命变化：短寿命阶段应优先提高稳定性；随着寿命延长，高环境负荷材料替代和低负担、高质量回收的重要性逐步提升。

文章简介

钙钛矿太阳能电池凭借优异的光电性能和制造潜力，正加速走向实际应用。与此同时，材料毒性、关键资源消耗、器件寿命及退役后的处置，也成为产业化过程中需要回答的问题。能够回收，并不必然意味着具备良好的循环性：回收过程本身需要投入能源和化学品，再生器件还可能出现性能损失。因此，评价循环策略，不能只看回收率，还要考察它是否真正降低了全生命周期的环境负担。

针对这一问题，香港浸会大学郭美瑜、香港科技大学周圆圆团队建立了基于情景分析的钙钛矿光伏循环性评估框架，将生态设计、寿命延长以及再利用与循环回收纳入统一分析体系。研究以1平方米钙钛矿光伏器件为生命周期评价功能单位，考察人类健康、生态系统质量、资源稀缺性及全球变暖潜势，并进一步引入平准化循环环境影响（LCEI）与净循环收益（NCG），比较不同策略对单位发电量环境影响的改善程度。

图1.钙钛矿光伏的循环性评估框架

在生态设计方面，研究比较了电极替代、器件结构简化、无铅设计和绿色溶剂等方案。结果表明，电极材料替代具有较大的环境改善潜力。以铜电极器件为基准，碳电极方案可使制造阶段的综合环境影响降低约20%。但材料替代的价值取决于整体性能：如果环境负担的降低伴随明显的效率或寿命损失，其收益可能被抵消。因此，“绿色”材料标签不能代替系统评价。

图2.生态设计策略及其环境影响

在寿命延长方面，研究比较了二维钙钛矿钝化、氧化铝封装和层压封装等情景。延长使用寿命能够增加累计发电量，将制造阶段的环境负担分摊到更多电力输出上。在设定的寿命情景下，层压封装虽然增加了封装材料和加工投入，但其带来的寿命提升足以抵消新增负担，显著降低单位发电量的环境影响。这说明，减少材料用量并非唯一目标，关键在于材料投入能否有效转化为更长久的功能价值。

图3.稳定性提升如何转化为生命周期环境收益

在循环回收方面，研究比较了水系与有机溶剂回收路径。两者相较于填埋均可产生环境收益，所评估的水系路径总体表现更优。然而，回收收益不会随循环次数无限增长。当回收后的性能衰减和处理投入被纳入计算后，继续增加循环次数可能降低净收益。在本文设定的参数下，水系回收的净循环收益在三次循环时达到最高。回收策略因此需要同时优化材料回收质量、再生器件性能与处理过程负担。

图4.不同回收路径的循环收益

研究进一步发现，循环策略的优先次序具有明显的寿命依赖性。当器件寿命较短时，多使用一年能够带来较大的边际收益；随着寿命增长，这一收益逐渐下降。在本文情景下，寿命从1年延长至2年的边际净循环收益为44.4%，从4年延长至5年时则为20.0%。碳电极替代、无铅设计及优化水系回收的收益，分别在器件寿命超过约4年、6年和7年后，高于继续延寿一年的边际收益。

图5.器件寿命与循环策略优先次序的关系

这些数值是特定情景下的比较结果，并非普适的技术门槛，也不意味着不同策略应相互替代。研究提出的实践方向是：短寿命阶段优先突破稳定性瓶颈，同时开展面向循环的设计；随着器件更加耐用，进一步加强高环境负荷材料替代及低负担、高质量回收。循环性应从研发初期就与效率、稳定性和可规模化制造共同考虑，而不是等到器件退役后才开始讨论。

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请本文研究团队进行了专访，请他们为大家进一步解读。

CellPress：

本文从生态设计、寿命延长、再利用和循环回收三个维度综合评价了钙钛矿太阳能电池的循环性。研究发现电池使用寿命是影响循环策略的重要因素。您认为这一发现对钙钛矿太阳能电池未来的循环发展有何实践启示？

周圆圆教授：

我们认为，最直接的启示是，循环发展需要根据技术所处阶段确定重点。当器件寿命较短时，提高稳定性能够显著增加累计发电量，因此通常具有更高的环境收益。随着寿命延长，继续延寿的边际收益逐渐下降，材料替代和优化回收的重要性就更加突出。这并不意味着要等稳定性问题解决后才研究回收。相反，材料、器件结构和封装方式都应尽早考虑后续拆解、回收和再制造。我们希望研究者在提高效率与稳定性的同时，也关注材料价值能否被长期保留，以及这些改进是否真正降低了单位发电量的环境负担。

CellPress：

研究过程中遇到了哪些困难？团队是如何克服并顺利解决的？或是有任何有趣的故事可以与读者分享？

郭美瑜教授：

这项研究的一个主要难点，是将不同研究尺度上的结果放在同一个框架内比较。材料研究通常关注组分和性能，稳定性研究关注器件衰减，而回收研究则更重视回收率与再利用。不同工作采用的器件结构、系统边界和数据口径并不一致，直接比较容易产生偏差。为此，我们通过明确的情景设定和统一的评价边界，将制造投入、寿命发电量、回收过程负担及再生器件的性能损失联系起来，并开展敏感性分析。这一过程也体现了跨学科合作的价值：材料与器件研究帮助我们判断技术假设是否合理，生命周期评价则帮助我们检验局部改进能否转化为系统层面的净收益。

CellPress：

团队下一步的研究计划是怎样的？

吕心怡：

我们对下一代光伏技术中的循环设计特别感兴趣。与其只在生命周期结束时处理回收问题，我们可以从一开始就设计材料和设备，以实现耐用性、资源效率和可回收性。整合人工智能驱动的材料发现、自动化制造和生命周期评估，有可能在未来五年把循环性作为与效率和稳定性一样的可衡量标准。

CellPress：

最后，是否可以与我们分享一下选择Chem Circularity来发表这个工作的原因？

周圆圆教授：

这项工作的出发点，是希望将循环性从一种定性愿景转化为可量化的设计原则。我们关注的不只是某一种材料或某一条回收路线，而是材料选择、器件寿命、制造过程与退役管理如何共同影响技术的可持续性。Chem Circularity对循环科学及跨学科研究的关注，与这一目标十分契合。我们也希望借助这一平台，与材料、能源、环境和循环经济等领域的研究者展开交流，使这些方法不仅服务于钙钛矿光伏，也为其他新兴能源和电子技术提供参考。

作者介绍

郭美瑜

副教授

郭美瑜，中国人民大学管理学本科、环境经济学硕士、香港中文大学地理学博士。现任香港浸会大学文学及社会科学院助理院长、地理系副教授（Tenured），亚洲能源研究中心研究员。曾任哈佛大学中国能源经济环境项目访问研究员。主要从事非常规能源开发的环境效应与管理决策研究。以第一/通讯作者在Joule、Nature Communications、Environmental Science & Technology等国际知名期刊发表论文30余篇，并于Springer Nature出版英文学术专著1部。作为项目负责人（PI），主持香港研究资助局杰出青年学者计划、优配研究金、国家自然科学基金青年基金等；作为共同项目负责人（Co-PI）参与国家自然科学基金委-香港研究资助局联合重点项目、香港研究资助局协作研究金等。获资助的研究方向包括：1）化石能源开发的甲烷排放精准监测；2）负碳技术与低碳转型；3）能-碳-水耦合关系；4）新型光伏的技术可持续性评估。

周圆圆

教授

周圆圆，香港科技大学材料系执行系主任、正教授，兼任香港科技大学—炎和空间能源材料与智能联合实验室主任、香港科技大学能源研究院副院长。曾任国际电气与电子工程师协会（IEEE）电子器件学会光伏专业委员会主席，现任中国科学院一区期刊Journal of Energy Chemistry副主编，以及Device等多本Cell Press旗下期刊的顾问编委。长期致力于钙钛矿材料与光电器件研究，以唯一或主导通讯作者身份在Science正刊及Nature系列期刊发表高水平论文17篇。注重高层次科研人才培养，指导的多名博士研究生及博士后已在吉林大学、西北工业大学、香港城市大学等知名高校担任正教授或独立PI。

吕心怡

博士研究生

吕心怡，本科毕业于浙江大学材料科学与工程专业，现为香港科技大学化学与生物工程学系二年级博士生。主要从事钙钛矿太阳能电池闭环回收的材料科学及可持续性评估研究，以第一作者身份在Joule、Chem Circularity等国际学术期刊发表多篇研究论文。