成果斐然！他，南大本硕，剑桥博士，联手山东大学「国家优青」，新发Nature大子刊！

顶刊收割机 · 公众号 · · 2025-01-18 08:30

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研究背景

钙钛矿发光二极管（PeLEDs）作为下一代照明和显示技术的潜力候选者，受到了广泛的关注。与传统的有机发光二极管（OLEDs）相比，PeLEDs具有轻便、设计灵活、宽色域等优势，并且能够使用低能耗技术进行制造。随着钙钛矿材料稳定性的显著提高，PeLEDs在效率和稳定性上都取得了显著进展，展示出巨大的商业化潜力。然而，尽管技术发展迅速，但目前对PeLEDs的环境和经济影响缺乏全面的了解，这对于其未来商业化至关重要。

成果简介

基于此， 瑞典林雪平大学高峰教授、山东大学李佳硕教授等人 通过详细的生命周期评估，研究了PeLEDs的环境影响和经济表现，并提出了有效的工业技术路径，以促进其可持续发展。该研究以“Towards sustainable perovskite light-emitting diodes”为题，发表在《Nature Sustainability》期刊上。

作者简介

高峰，瑞典林雪平大学教授。2004年和2007年南京大学物理系获得学士和硕士学位，2011年剑桥大学卡文迪许实验室获得博士学位。随后加入瑞典林雪平大学，先后任职玛丽居里博后研究员 (2013)、助理教授 (2015)、副教授 (2017) 和教授 (2020)。

高峰教授的研究兴趣为可溶液加工的光电器件及机理，主要基于有机和钙钛矿半导体材料。作为通讯作者在Science, Nature, Nature Materials, Nature Photonics, Nature Energy, Nature Electronics等杂志发表相关工作。

李佳硕 ，北京大学博士，山东大学前沿交叉科学研究院教授，博士生导师，国家自然科学基金委优青获得者，山东省重点人才工程青年专家。

研究领域为能源清洁低碳转型管理，具体包括：能源基础设施转型经济社会环境综合影响评估和清洁低碳转型策略等。在Nature、Nature子刊和Cell姊妹刊等国内外知名期刊发表论文，多篇论文进入ESI热点或高引论文检索。

研究亮点

1、本文通过生命周期评估（LCA）分析了18种PeLEDs的环境影响，揭示了生产过程中主要的环境负担来源，包括有机溶剂和电力消耗。

2、研究表明，尽管PeLEDs含有铅，但铅在整体生态毒性中所占比例非常小，且Pb的影响远低于其他污染物。

3、通过模拟工业化过程中采用的成熟技术，如回收金属电极、减少有机清洗剂的使用等，表明PeLEDs工业化后的环境影响将降低50-90%。

图文导读

图1 钙钛矿发光二极管的生命周期

图1展示了PeLEDs的整个生命周期，涵盖了从原材料获取到产品废弃的完整流程。图中对PeLEDs的生命周期进行了详细分解，包括五个主要阶段：原材料获取、制造、运输、使用和废弃。每个阶段中的环境影响主要来源于电力消耗、材料使用和制造过程中的废弃物排放。首先，原材料获取阶段包括钙钛矿材料的合成、ITO玻璃基板的生产以及其他功能性层的材料准备。该阶段涉及的污染物和资源消耗主要来自能源消耗以及化学品的生产和使用。制造阶段的环境影响则更为显著，电力消耗和生产设备的使用导致了大规模的污染物排放，特别是在设备组装和钙钛矿层的沉积的过程中。运输阶段的影响相对较小，主要来源于材料和设备的运输。在使用阶段，尽管PeLEDs正常工作时仅消耗电力，但其长期使用可能对环境产生一定的累积影响，尤其是随着设备的老化和能源需求的增加。废弃阶段则包括设备的回收和处理，可能涉及到化学品的泄漏或废弃物的填埋。

图2 生命周期影响概况

图2展示了18种不同PeLEDs在生命周期中的环境影响，通过8个主要环境影响类别来比较不同PeLEDs的表现。这些类别包括：全球变暖潜力（GWP）、化石资源稀缺性（FFP）、淡水生态毒性（FETP）、陆地生态毒性（TETP）等。每种PeLED的影响值根据不同波长（蓝、绿、红、白和近红外）进行了分类，并且图中展示了每种设备在生命周期各阶段的环境影响贡献。在整体影响图谱中，制造阶段的影响远远高于使用阶段，这表明生产过程中所消耗的能源和原材料在生命周期中占据主导地位。对于不同类型的PeLEDs（例如RGB和近红外PeLEDs），尽管它们在材料使用上存在差异，但由于采用了相似的结构和制造工艺，它们的环境影响模式相似。图2表明，使用阶段对环境的影响相对较小，主要因为PeLEDs在使用过程中仅消耗电能。图表的数据显示，生产阶段的关键影响来源于清洁溶剂的使用（如丙酮和异丙醇）以及电力消耗。生产过程中所使用的能源和原材料直接影响了PeLEDs的环境足迹，因此采取低能源消耗和减少有害溶剂使用的技术路径，将是降低PeLEDs环境影响的关键。

图3 PeLEDs的毒性来源

图3展示了PeLEDs生命周期中的毒性来源，特别是铅（Pb）对环境和人类健康的影响。研究表明，尽管PeLEDs中含有铅，但铅并不是PeLEDs生命周期中最主要的毒性来源。图中分别展示了Pb和非Pb链条在土壤、淡水和海洋环境中的毒性影响，分析了它们对生态系统和人体健康的潜在威胁。在PeLEDs的生产过程中，铅主要来源于原材料的提取和设备的生产，但其在整个生命周期中的贡献相对较小，尤其是在陆地生态毒性和淡水生态毒性方面。图3还揭示了Pb替代材料（如锡或铜）并不总是能显著降低毒性，某些Pb-free技术可能因金属用量的增加或其他毒性物质的释放反而加剧环境负担。例如，铜基Pb-free技术所用的铯碘化物合成材料可能导致更高的毒性，而替代金电极的做法也可能因金的开采和冶炼过程中的高能耗和污染增加其环境影响。因此，图3强调了Pb并非唯一的毒性源，其他重金属和材料的管理同样对减少环境毒性至关重要。通过对PeLEDs生命周期的详细毒性分析，研究者建议在发展Pb-free技术的同时，也需要考虑其他潜在的环境毒性源，并对每种材料和工艺进行全面的生命周期评估。

图4 规模工业生产PeLEDs的环境效益

图4展示了不同工业化技术对PeLEDs环境影响的优化效果。随着PeLEDs的工业化生产，使用更环保的材料和技术可以显著降低环境影响。图中展示了几种关键优化技术的效果，包括回收清洁溶剂、替换金电极、回收金属电极和ITO玻璃基板、以及提高制造效率等。研究表明，回收有机清洁溶剂能够减少大约60%的环境负担，特别是在溶剂消耗较大的生产阶段。此外，替换贵金属（如金电极）为更为环保的材料（如铝、铜或镍）能够显著降低近红外PeLEDs的环境影响，减缓金属开采和冶炼过程中的能源消耗和污染。图4还通过模拟不同技术优化组合的影响，展示了在RGB和NIR设备中的环境效益。进一步的分析表明，尽管蒸发沉积过程相较于旋涂过程在废料消耗方面有所改进，但由于蒸发系统高能耗的特点，其环境效益不如其他技术。

成果斐然！他，南大本硕，剑桥博士，联手山东大学「国家优青」，新发Nature大子刊！

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