中国省级规模串联钙钛矿光伏发电系统的废弃物流动、土地使用情况及其环境影响

《Resources, Conservation and Recycling》：Waste material flows, land use, and environmental impacts of provincial-scale tandem perovskite photovoltaic deployment in China

　　王正国|孙博学|刘宇|王颖|杜世伟|李明阳|高峰|聂作仁
中国北京工业大学材料低碳循环国家重点实验室，北京100124

**摘要**
中国的碳中和目标要求快速发展光伏（PV）产业，但未来技术转型的生命周期影响仍不明确。本文构建了一个省级框架，结合动态物质流分析和生命周期评估，比较了2021-2060年间中国串联钙钛矿和传统晶体硅光伏的部署情况、废弃物产生、可回收材料供应、土地占用以及制造阶段的碳排放。研究发现，2040年后废弃物量将显著增加，到2060年累计光伏废弃物量将超过2000万吨。各省之间存在显著差异：西北部以公用事业规模部署为主的地区承担着最大的未来退役和土地占用压力，而东部和中部以需求和制造业密集为主的省份则集中了可回收材料供应和回收压力。生命周期评估结果显示，制造阶段的碳排放呈现先增加后减少的趋势，其中贡献从早期以晶体硅为主的生产方式转向2030年代中后期逐渐增加的串联钙钛矿生产方式。尽管串联光伏降低了单位容量的土地需求，但它增加了对铟和银等关键金属的依赖。

**引言**
气候变化缓解和自然资源的加速枯竭正在重塑全球能源系统，迫切需要能够减少温室气体排放且不会带来过度材料和土地负担的低碳技术。在可行的选项中，光伏技术因其可扩展性、成本下降以及与电气化路径的兼容性而有望在深度脱碳中发挥核心作用。在中国，这一转型需要大规模部署高效且经济可行的光伏技术以替代化石燃料发电。目前，中国光伏产业主要使用基于硅的太阳能电池，其成熟的制造工艺和可靠的性能支持了其全球范围内的广泛应用（Feng等人，2024；Fu等人，2015；Guo等人，2023）。然而，单结硅电池的理论效率上限（约29.4%）以及成本下降的停滞促使学术界和工业界寻求更有前景的替代方案。单片钙钛矿-硅串联太阳能电池因其卓越的光电性能和低成本制造潜力而成为克服这一效率瓶颈的领先候选者（Fang等人，2024；Itten和Stucki，2017；Kamaraki等人，2021；Tian等人，2020）。

钙钛矿/硅串联太阳能电池通过结合宽带隙钙钛矿顶层和硅底层，可以拓宽太阳能光谱的利用范围。先前的生命周期评估研究表明，与传统光伏技术相比，钙钛矿/硅串联技术具有更低的生命周期环境影响和更高的资源利用效率（Alam和Xu，2023；AlMallahi等人，2023；Fu等人，2015；Wang等人，2025）。超薄钙钛矿层的应用可将每个模块的材料使用量减少到硅基电池的1/50。此外，其制造工艺（如低温溶液法）能耗较低，有助于降低制造过程中的碳排放。如果转向全钙钛矿串联技术，到2050年光伏行业的累计碳排放可减少16.2%（Wang等人，2025）。因此，推广串联钙钛矿太阳能电池是中国光伏领域技术迭代的关键途径，也是实现其双碳目标的核心策略。

光伏技术的环境可持续性还取决于废弃物的产生。光伏模块的退役遵循特定的生命周期概率分布模式，Weibull分布常用于描述其故障动态（Ovaitt等人，2022）。先前的研究已预测了美国（Domínguez和Geyer，2019）、澳大利亚（Mahmoudi等人，2019）和欧盟（Bo?njakovi?等人，2023）等地区的光伏废弃物产生情况。然而，这些预测通常基于全国平均水平，忽略了地区差异带来的空间异质性，导致结果存在较大不确定性。预计中国将在2025年左右进入退役高峰期，到2030年每年废弃物量将达到约140万吨，到2040年累计废弃物量可能超过2000万吨（Wang等人，2025）。虽然晶体硅（c-Si）光伏主导市场，但其处置带来了日益严重的环境挑战。相比之下，新兴的钙钛矿-硅串联技术由于材料和制造工艺的不同，预计将展现出不同的废弃物管理路径和更高的土地资源利用效率。从物质流角度来看，这两种技术在废弃物组成、可回收性和毒性管理方面存在差异。c-Si电池依赖高纯度硅，每吉瓦容量消耗约3000吨硅。从切割损失和寿命终结的模块中回收硅能耗较高且产量低。而钙钛矿模块使用极薄的吸收层，并具有关键材料闭环回收的潜力（例如通过水溶液回收工艺）（Trainor等人，2016）。然而，这两种技术都使用锡、铜和铝等大宗金属，其回收系统尚未完善。此外，c-Si模块含有铅基焊料和氟聚合物背板，在不当处置条件下可能释放有害物质。尽管目前钙钛矿材料仍含有铅，但可通过封装技术和开发替代材料来减轻其生态毒性。此外，大规模应用单片钙钛矿-硅串联技术将增加银、铟和铯的使用量。在整体可持续性评估中必须考虑这些金属的可回收性和可持续供应。

此外，光伏安装的快速增长加剧了土地使用竞争（van de Ven等人，2021）。这不仅限于中国，也是全球趋势的一部分——脱碳驱动的光伏扩张正在从屋顶和其他建筑表面扩展到农业、沙漠和半自然景观中的地面安装系统，从而产生新的土地使用权衡（van de Ven等人，2021；Trainor等人，2016）。在中国，这一挑战尤为突出，因为光伏电站面积从2010年的5.86平方公里增加到2022年的3712.1平方公里，凸显了公用事业规模安装的快速增长及其土地影响（Chen等人，2024）。虽然模块效率的提高可以降低单位发电量的土地需求，但累计安装容量的持续增长意味着土地压力仍然是长期光伏发展的关键问题。在中国，公用事业规模光伏的快速部署使得了解不同技术路径如何重塑土地占用情况尤为重要。由于串联钙钛矿光伏具有更高的转换效率，可能相对于传统晶体硅（c-Si）光伏降低土地占用强度。然而，当综合考虑土地占用、废弃物产生、回收潜力和更广泛的环境影响时，这些优势是否能在省级层面显著缓解土地压力仍不明确。

综上所述，实现中国的绿色光伏转型不仅需要持续的安装增长，还需要系统地理解技术变化的空间差异后果。然而，仍存在一些重要的研究空白。首先，大多数现有研究仅在国家级层面评估光伏部署、废弃物产生或环境影响，掩盖了由于太阳能资源禀赋和人口压力差异导致的省级间显著异质性。这种汇总限制了我们识别未来废弃物负担、土地占用压力和回收机会可能集中的地点的能力。其次，以往的研究主要集中在传统c-Si光伏上，而串联钙钛矿光伏的大规模未来扩散很少在空间明确的框架中进行研究。这种遗漏很重要，因为串联技术可能通过提高效率降低土地需求，同时增加对关键金属的依赖并改变寿命终结时的废弃物组成。第三，尽管动态物质流分析（dMFA）和生命周期评估（LCA）已在光伏可持续性研究中得到广泛应用，但它们很少在一个统一的省级框架内整合，以动态捕捉技术替代、废弃物产生、可回收材料供应、土地占用和环境影响之间的相互作用。

为解决这些空白，本研究探讨了三个研究问题：(RQ1) 在不同技术转型情景下，2021-2060年间中国c-Si光伏和串联钙钛矿光伏的省级部署轨迹将如何演变？(RQ2) 这些技术路径将如何影响各省光伏废弃物产生、可回收材料流动和土地占用的时空分布？(RQ3) 大规模串联钙钛矿光伏部署可能带来哪些环境权衡和资源约束，特别是在碳排放、关键金属依赖性和回收潜力方面？为回答这些问题，我们开发了一个省级分析框架，将dMFA与LCA结合，系统比较2021-2060年间中国的多种光伏技术路径。该框架连接了国家存量-流量演变、省级细化、废弃物产生、回收潜力、土地占用和环境负担，为区域特定的废弃物管理、回收规划和可持续光伏转型政策提供了定量依据。

**方法论**
为了量化中国大规模光伏部署的时空明确的环境影响，我们开发了一个集成建模框架，将动态物质流分析（dMFA）与生命周期评估（LCA）相结合。该框架模拟了2021-2060年的国家光伏存量-流量动态和技术替代情况，并将新增和退役量细化到省级行政单位，以捕捉废弃物产生的空间异质性。

**数据来源、预处理和数据质量**
为确保透明度和可重复性，我们编制并记录了所有关键输入数据，包括其来源、质量特征和预处理步骤。表1总结了符号和单位；后续方程直接引用了其中定义的参数。更详细的数据可以在补充材料的表8中找到。在数据定义统一、预处理规则明确和数据质量编码（表1）的基础上，下一节定义了情景结构和光伏技术扩展、退役时间线以及中国的省级差异。

**中国光伏技术扩展、退役时间线和省级差异**
(A) 2021-2060年间中国五种光伏技术的累计安装容量，包括晶体硅光伏（c-Si）、硅-钙钛矿串联光伏（SPT）、全钙钛矿串联光伏（APT）、碲化镉光伏（CdTe）和铜铟镓硒光伏（CIGS）。
(B) 同一技术在整个研究期间的年度退役容量。插图放大了早期退役阶段，显示了主要退役前的初始退役容量。

**讨论**
本研究构建了一个省级解析的分析框架，结合动态物质流分析（dMFA）和生命周期评估（LCA），系统比较了2021-2060年间中国晶体硅光伏和串联钙钛矿光伏的部署轨迹、废弃物产生、可回收材料流动、土地占用和环境影响。结果表明，未来光伏发展的可持续性不仅取决于模块效率的提高，还取决于其他因素。

**结论**
通过使用省级解析的动态框架，本研究系统比较了2021-2060年间中国晶体硅光伏和串联钙钛矿光伏的部署轨迹、废弃物产生、可回收材料流动、土地占用和环境影响。主要结论直接回答了三个研究问题。

**作者贡献声明**
王正国：撰写——原始草案、可视化、方法论、概念化。
孙博学：软件、概念化。
刘宇：资金获取、概念化。
王颖：数据整理。
杜世伟：数据整理。
李明阳：数据整理。
高峰：撰写——审稿与编辑、资金获取。
聂作仁：撰写——审稿与编辑。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

**致谢**
本研究得到了国家自然科学基金[项目编号52341402]和国家自然科学基金[项目编号52494941]的支持。我们衷心感谢匿名审稿人的宝贵意见和建议。