Команда Хуачжунского университета науки и технологий: при наилучшей практике выщелачивание свинца из перовскита на 94% ниже, чем у кристаллического кремния с свинцовым припоем

Репортаж от Wedoany，Исследовательская группа под руководством Хуачжунского университета науки и технологий (Huazhong University of Science and Technology) смоделировала потоки свинца в китайской перовскитной фотовольтаике с 2026 по 2060 год. Результаты показали, что при наилучшей практике совокупное выщелачивание свинца при равной установленной мощности может быть до 94% ниже, чем у кристаллических кремниевых модулей с свинцовым припоем.

В исследовании сочетались динамический анализ материальных потоков и моделирование пресноводной экотоксичности. Были заданы четыре перовскитных сценария: развитие как обычно, чистое производство, технологический прогресс и наилучшая практика, — которые сравнивались с двумя сценариями для кристаллического кремния: с использованием свинцового припоя и без него. При этом предполагалось, что доля перовскита на рынке к 2060 году достигнет 20%, 40% или 60% соответственно. С помощью модели прогнозирования на основе ИИ исследовательская группа рассчитала, что совокупная установленная мощность фотовольтаики в Китае к 2060 году составит около 6 781 ГВт. Результаты были нормализованы как по установленной мощности, так и по выработке электроэнергии; относительное снижение оказалось одинаковым для обоих подходов.

Это сравнение отражает как различия в содержании свинца, так и разные допущения о выщелачивании на этапах производства, использования и управления выводом из эксплуатации. Сводные данные показывают, что содержание свинца в однопереходных перовскитных модулях составляет около 2–3,9 грамма на киловатт, в полностью перовскитных тандемных модулях — около 3,6–4 грамма, тогда как в кристаллических кремниевых модулях со свинцовым припоем — около 36–53 граммов на киловатт.

В сценарии с 40-процентной долей рынка совокупное выщелачивание свинца в перовскитном сценарии наилучшей практики с 2026 по 2060 год составило около 479 метрических тонн, тогда как для кристаллического кремния со свинцовым припоем — около 8 554 метрических тонн. В сценарии развития как обычно выщелачивание из перовскита составило около 2 406 метрических тонн, что выше примерно 1 848 метрических тонн, полученных при моделировании для кристаллического кремния без свинцового припоя. К 2060 году выщелачивание во всех трёх перовскитных сценариях — чистое производство, технологический прогресс и наилучшая практика — будет ниже, чем в сценарии с кремнием без свинца.

В сценарии развития как обычно основным источником смоделированных потерь свинца является производственный этап. В этом сценарии совокупные вложения свинца за жизненный цикл перовскита составили около 29 200 метрических тонн, из которых 58,9% было потеряно, главным образом на этапе производства. Исследователи предположили, что годовая доля повреждённых перовскитных модулей составляет 2%, а для кристаллического кремния — 0,1%. В сценариях развития как обычно и чистого производства срок службы перовскитных модулей начинается примерно с 10 лет и к 2060 году возрастает до 20 лет; в сценариях технологического прогресса и наилучшей практики — до 30 лет.

Исследование также моделировало влияние китайского экспорта. В 2022–2024 годах 45% экспортируемой Китаем фотовольтаической продукции направлялось в Европу. В смоделированном торговом сценарии развитые экономики фактически передавали выщелачивание на производственном этапе за рубеж, тогда как развивающиеся страны тропического пояса сталкивались с внутренним выщелачиванием, которое могло достигать трёхкратного объёма по сравнению с выщелачиванием вверх по цепочке, соответствующим их импорту, из-за более быстрой деградации модулей и ограниченных возможностей переработки. Исследователи оценили, что в Бразилии выщелачивание вниз по цепочке составляет около 119 метрических тонн, а вверх по цепочке — около 50 метрических тонн; в Германии — около 17 метрических тонн вниз по цепочке и около 67 метрических тонн вверх по цепочке.

Исследователи полагают, что свинец не обязательно станет непреодолимым препятствием для коммерциализации перовскита, если только подход к регулированию сместится от ограничений на материалы к транснациональной расширенной ответственности производителя. В настоящее время в фотовольтаической отрасли такого транснационального механизма не существует.

В Европейском союзе солнечные панели не подпадают под ограничения на содержание свинца согласно Директиве об ограничении опасных веществ (RoHS), но регулируются Директивой об отходах электрического и электронного оборудования (WEEE). Эта директива требует, чтобы производители финансировали сбор и обработку, и устанавливает целевые показатели для собранных панелей: 85% переработки и 80% повторного использования и рециркуляции.

С момента появления перовскита опасения по поводу свинца не исчезают, но накапливаются практические доказательства. В другом натурном испытании, опубликованном в журнале EES Solar Королевского химического общества, стеклянно-стеклянные перовскит-кремниевые тандемные устройства, повреждённые градом, высвободили около 0,07% свинца в течение девяти месяцев. Коммерческое развёртывание по-прежнему ограничено: Oxford PV (Оксфорд PV) отгрузила первые перовскит-кремниевые тандемные модули в 2024 году, а GCL и UtmoLight уже сообщили о гигаваттных производственных линиях в Китае.

Соответствующие результаты под названием «Переоценённые риски свинца на протяжении жизненного цикла перовскитных солнечных элементов и скрытое трансграничное перемещение» (Overstated Lifecycle Lead Risks of Perovskite Solar Cells and the Hidden Transboundary Displacement) были недавно опубликованы в журнале Environmental Science & Technology.