含铅or NOT，卤化铅钙钛矿型光伏电池的收益和风险
过去十年中，卤化钙钛矿光伏（以下简称LHP-PV）由于高发电效率和低制造成本而迅速成为一种潜在可行的薄膜电池技术。但一直以来，有些人担心在LHP-PV中使用铅会对环境和人类健康产生潜在影响。
本文将重点介绍与LHP-PV的生命周期铅排放和潜在毒性相关的研究，这些研究与2019年1月在《能源》（Energy）上发布的几种电网混合发电技术进行了比较，结果发现，与LHP-PV相关的铅排放和潜在毒性都低于与现有电网相关的铅和毒性。
光伏含铅量和碳排放
PV Magazine光伏杂志在2019年第四季度研究了光伏组件中铅的使用。
晶硅光伏在运行过程中不会排放任何东西，但是在其生命周期内，由于在材料的提取和生产以及光伏组件和系统的制造、安装中，需要使用化石燃料并产生排放。尽管如此，与传统的燃煤发电相比，这些排放很小。此外光伏组件和系统材料本身可能含有一些铅。
CO2排放的案例已充分证明：在其使用寿命内，安装在高辐照（2300 kWh /m2 /yr）地区的CdTe 光伏系统碳排放约为10 g CO 2当量 / kWh ，安装在低辐照地区（1000千瓦时/（米2 -YR）的单晶硅光伏系统的碳排放为至80 g CO2当量 /千瓦时。
相比之下，煤电的CO2当量 / kWh为约1000克。
近年来，LHP-PV技术不断取得瞩目的效率进展，今年已突破25％，超过几十年来开发的其他薄膜技术的实验室效率。尽管仍有稳定性极差的困扰，但材料化学和封装方面的进步让加速老化测试的性能得到改善，预示其使用寿命可能会达到数十年。
这些成就为LHP-PV吸引了巨额投资，LHP-PV现已处于商业化的早期阶段，既作为单结器件，又可以制作钙钛矿-钙钛矿和钙钛矿-硅双结电池。尽管如此，由于吸收层中存在有毒的铅，人们对其应用仍然存在一些疑虑，并开始关注LHP-PV生命周期（包括废弃物）中铅的排放可能，评估光伏铅排放，并与其他发电技术生命周期中的排放进行比较。
铅是LHP光吸收剂中的关键元素，它表现出具有式ABX 3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％，其中含锡的性能最佳。如果铅确实是实现高效率的先决条件，那么就要权衡钙钛矿电池安装的收益是否可能超过含铅排放毒性的风险。
生命周期评估揭示了光伏替代常规发电的好处
为了对LHP-PV的收益和风险进行全面评估，需要建立该电池的生命周期框架。发表在《能源》杂志上的初步研究将LHP-PV的铅排放量和潜在毒性与三种不同的典型电网进行了比较，包括适当处置不会导致铅向环境释放的案例研究，以及考虑最坏的情况：组件中的所有铅意外释放到地下水中。
LHP-PVs中的铅含量实际上很小，1微米厚的吸收剂层保守估计值仅为1.4 g / m2。最高效率记录的小面积电池通常使用的吸收体要薄四倍，因而铅含量也相应更少。满足美国的全部电力需求需要2,400 GW 钙钛矿电池，含有17,000吨铅。相比之下，美国每年使用160万吨铅，主要用于铅酸电池。
研究人员研究了与LHP-PV电池制造和运营等相关的铅排放，发现大部分铅排放来自系统（电力电子设备，电缆和安装结构），而系统是各种光伏电池技术都需要用到的。由于严格的Pb排放阈值（由OSHA，EPA和国家机构制定），组件中的Pb量非常小，Pb开采和冶炼操作的排放量可以忽略不计，而LHP-PV组件制造中的铅排放量应该很小。初步测试表明，在正常运行期间，卤化铅钙钛矿电池生命周期铅排放量约为2 g / m2，在意外释放的情况下为3.4 g / m2（图1a）。
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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提供生产过程和上游阶段所需能量而产生的有毒排放（图1b）。根据化石燃料、核能和可再生能源的相对组成，不同的电网发电集成会导致明显不同的毒性潜力。因此，使用“清洁”电力生产光伏产品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排放和潜在的毒性低于传统的煤炭密集型电网，因为后者燃料燃烧产生的重金属通常会排放铅和其他有毒物质。
尽管燃烧排放控制技术得到了显着改善，但在操作过程中仍持续地少量但连续排放挥发性重金属。就像经常讨论光伏的经济和能源回收期一样，铅排放和潜在毒性的回收期也可以计算出来。这样的投资回收期取决于用于生产光伏组件和系统的电网供电技术组合，以及因光伏装机而置换的电网组合，如图2所示。
对于考虑的电网组合，铅排放处理适当则投资回收期在四到八年内，若发生灾难性泄漏则回收期在八到十四年。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。而如果没有大于15-20年的使用寿命，LHP-PV大概不会商业化，因此与传统电力相比，LHP-PV是对环境有利的选择。
专家的研究是假设组件制造的效率为17％，组件制造每千瓦耗电为184 kWh / m2 ，在这些参数的合理值范围内这些结论是可靠的。
管理制造，装机和报废期间的风险
尽管研究人员从普遍性的角度说明了LHP-PV的积极成果，但在制造和光伏装机过程中都必须注意将铅暴露风险降至最低。在生产环境中，必须保护工人避免因吸入、皮肤接触或食入意外接触铅化合物。工程控制和良好的工业卫生状况能够阻止CdTe生产时的工人可检测到的镉吸收，LHP-PV也需要类似的护理。
具有适当封装的耐用玻璃-玻璃组件对于最大程度地减少铅浸入环境的风险至关重要。这种保护很必要，因为卤化钙钛矿在暴露于水时会分解，并且残留的含铅组分PbI2是高度可溶的（溶解常数为10-8，比CdTe的10-27高得多）。最坏的情况是钙钛矿组件破裂，钙钛矿层直接暴露在水中发生铅析出，再由人类吸收未稀释的径流水，这种情况极不容易发生。根据首届钙钛矿产业化论坛协鑫纳米范斌博士的演讲，协鑫纳米将破裂的钙钛矿电池浸在水中，每隔一段时间检测水中的铅含量，目前尚未发现异常。因此，在太阳能电池中使用铅的风险与与铅本身或含铅汽油中的铅相关风险不同，在铅或汽油中，铅会不可避免地被人体吸收。
在工商业或地面电站使用钙钛矿光伏发电，相比户用，更有助于确保在系统使用寿命结束时进行适当的处置。此外，强制性的光伏回收计划对于大幅提高光伏的可持续性非常重要，业将大大改善铅排放。目前全球关于光伏组件报废管理的早期努力已经在进行中。
总之，在一组合理的假设下，20年的使用寿命中，用卤化钙钛矿光伏代替电网的传统发电技术实际上可以将铅排放减半或再减半。钙钛矿光伏发电的潜在毒性可能比目前的电网电低20倍。由于制造过程本身耗能在其生命周期中对潜在的铅排放毒性贡献最大，因此未来的研究工作应集中在节能制造策略和延长钙钛矿光伏器件的使用寿命上。
原文来源：光伏杂志
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