“碳足迹 (carbon footprint) ”的起源可追溯到里斯 (Rees) 和瓦克纳格尔 (Wackemagel) ^[15]量化地描述人类生产消费活动与生态环境的相互作用关系及潜在影响。如今碳足迹考虑了全球变暖潜势 (global warming potential) 与整个生命周期，关注某个活动、组织的温室气体直接和间接排放总量，以CO₂排放当量 (CO₂e) 表示^[19]。

自1997年《京都议定书》实施以来，工业化国家对温室气体排放归类并设定统一限值，引入了污染物排放权交易机制，推动了第三方碳足迹的审定与核查，进而形成了碳排放评价制度。2007年“巴厘岛路线图”强化了“三可”原则，促进了国际碳排放评价制度的发展。耿涌等^[16]对碳足迹进行了详细的分类，涵盖了产品、企业、个人等多个层面，又依据研究尺度界定了碳足迹的所属区域、组织、部门等类别。英国为满足消费者绿色生活方式，碳信托在2006年推出了产品碳标签，构成了早起的碳评价制度，也为2年后标准协会 (BSI) 推出首个核算标准PAS-2050: 2008提供了重要参考价值^[17]。之后，GHG Protocol-2011^[10]和PAS-2050: 2011^[9]两项标准得到完善，与ISO-14067共同构成了当前的国际碳足迹评估标准^[18]。早在2012年，INGWERSEN与STEVENSON^[19]就估计，已发表或正在开发的PCR总数超过300个，然而，现有的PCR种类和数量仍无法满足市场需求，需要进一步开发以提高碳评价的准确性。

碳足迹评价作为一种准确量化指定阶段内产品、服务或生产过程的碳排放量的方法，它为决策者提供了关于如何减少碳排放的关键信息，帮助人们了解其对气候变化的影响，进而采取措施减少碳排放量。该概念源于生态足迹，但并非面积单位，而是表示一段时间内的累加碳重量^[20]。目前，主要有投入产出法 (input-output，I-O) 、生命周期评价法 (life cycle assessment，LCA) 、IPCC清单法和碳足迹计算器法。投入产出法是一种“自上而下”模型，通过建立平衡方程来反映各部分投入与产出的关系，尽管该方法在全面性和可信度上表现出色，但在微观个体层面的效果受到限制^[21]。生命周期评价法则从生产到消亡全过程分析碳排放，弥补了投入产出的微观层面缺陷^[22-23]。该方法涵盖目标定义、范围界定、清单分析、影响评价和改善评价4个步骤，但实际应用中边界界定过程会引入截断误差，且本身数据搜集等环节也面临消耗较大等诸多困难^[24]。IPCC清单法考虑了几乎所有的温室气体排放源，碳排放量=活动数据×排放因子，但无法考证消费者层面的隐含碳排放^[25]。碳足迹计算器可简易计算小团体 (个人或家庭) 的碳排放量^{[16, 26-27]}。作为一种在线计算工具，其操作简单易懂，但准确性有待提高，意义在于提高公众低碳意识和促进绿色减排宣传。

董会娟和耿涌^[28]在投入产出法帮助下，综合性地分析了2007年北京碳排放特征，找到了直接和间接碳足迹的关系。ARVESEN等^[29]采用生命周期法评估了挪威北部城市供电传输的碳足迹，得出的总碳足迹为7.8 Kg·MWh⁻¹。KHAN等^[30]深入探讨了金融发展、收入不平等、能源消耗和人均GDP对CO₂排放的影响，并基于此研究绘制了亚洲发展中国家的环境库兹涅茨曲线 (EKC) 以凸显各参数的潜在作用关系。BOAMAH等^[31]以我国1980—2014年城市人口增长和国际贸易两个因素的变化对环境造成恶劣影响为例，揭示了人类面临的主要污染源，分别是进口、城市化和能源消耗，发现了经济与环境间的N形EKC关系。SUO等^[32]结合上海市能源系统与污染排放情况，开发出了2阶段2型模糊随机规划法 (TTSP) ，能够有效处理不确定条件下碳和污染物减排对能源系统清洁性的影响，建立能源、环境、经济、政策的联系。

PREHODA和PEARCE^[33]评估了美国燃煤和光伏发电的数据，通过量化采用光伏技术替代燃煤发电所挽救的生命，展示了清洁能源发电对生态和人类健康的益处。SUKUMARAN和SUDHAKAR^[34]分析了印度机场采用光伏发电后的运营数据，发现利用跑道周围空间实现光伏发电在经济和环境方面皆展现出有效性。REN等^[35]采用投入产出视角、基于EBM DEA模型对光伏产业的减排和效率进行评估，发现区域气候、技术、政策等因素造成发电效率的差异性，东北等地还有待提高。SANTOYO-CASTELAZO等^[36]通过并网光伏发电全生命周期评估，发现组件制造过程占产业总能源消耗和温室气体排放的84%，太阳能级硅 (SoG-Si) 生产占总量的35%以上，能量回报时间为1.6~2.3年，温室气体排放量为60.1~87.3 g CO₂e·kWh⁻¹。MARIGO^[37]定量分析显示2000~2007年中国产能以每年70%的速度增长，但上游硅材料短缺和中游创新技术不足是限制的重要因素。在意大利，CUCCHIELLA等^[38]结合太阳能和经济投资收益，发现每千瓦安装可节省8.5 t CO₂e并带来2 000欧元的现金流。GUO等^[39]计算了中国光伏发电系统在1 000~3 000 h不同年均有效光照持续时间下的碳回收期为2~6年，分析了太阳辐射水平对碳减排、回收效果的显著影响。赵若楠等^[40]和赵若楠等^{[ 41]}基于全生命周期评价，以1 m²光伏组件单位产品为例，计算出多晶硅、硅片、电池片、电池组件碳排放分别为94.07 (58.5%) 、23.38 (14.5%) 、15.38 (9.6%) 、28.02 (17.4%) kg CO₂e。

综上所述，源于美国的生命周期评价法 (LCA) 被广泛采用，能够系统、全面地量化产品全生命周期的环境影响，包括从原材料获取、能源生产、产品制造、使用到最终处理、循环和处置等全过程^[42]。基于LCA法的光伏产品碳足迹评价补足了国内研究的空白，促进了可再生能源带来的经济、环境和政治效益，对广泛开展国际互认合作至关重要。

光伏电力产品由光伏电站生产，除混凝土、支架、线缆等基础设施外，主要由光伏组件阵列构成。由自然矿物硅矿开采出的硅原料经加工、精洗、运输至工厂；通过和木炭、煤、石油焦等碳质还原剂经高温反应被还原为工业硅，也称冶金硅或金属硅；经冶金法或改良西门子法提纯为光伏太阳能级多晶硅；后将其切割、清洗，放入铸锭炉中进行熔炼，形成硅锭，后切割得到薄切片。单晶硅组件则需要通过直拉法、区熔法等工艺提纯出单晶硅，再使用金刚砂或钨合金切割线进行切片。硅片经扩散制结、丝网印刷、烧结等工艺流程制备为电池片，与铝材、PVC膜等材料被组装为光伏组件。最终，光伏组件和平衡系统共同构成光伏阵列，基于逆变器、变压器、汇流箱等基础设施，半导体材料吸收光能，激发电子跃迁形成电流，稳定生产光伏电力。

光伏产品碳足迹量化与评价基本程序包括：目的和范围的确定、产品功能单位、产品系统边界、生命周期清单分析、生命周期影响评价、生命周期解释和产品碳足迹量化评价。采用“摇篮到坟墓”的生命周期系统边界，由于下游分配输送、使用售卖等碳转移因素的复杂性，实际碳评价范围参考过往经验可仅考虑上游与核心环节，下游环节不纳入边界范围。上游环节包括：建筑材料从开采到加工的全过程，机器设备与光伏组件的生产，水、涂料等辅料生产，各环节的交通运输；核心环节包括：光伏电厂基础设施建设及能源消耗，设备安装、调试及输入能源，运行、维护及辅料、能源消耗，电力因并网造成的电力损耗。数据分配时优先考虑根据产品的质量、体积等基础物理参数，若物理分配不适用时采用产品产值或利润比例的经济关系。

光伏产品环境收益采用系统扩展法进行计算，依据副产品或废料的实际利用，以抵消其所替代产品的环境负荷。电厂的回收利用与核心环节并列，涉及固、液、气体废物的产生，清洁设备运输潜在排放或泄露，以及处理过程中能源开采与消耗。电池板25年后仍以高于额定功率80%的状态工作的使用寿命也是重要指标^[45]，需详细描述组件衰减率和年总发电量滑坡曲线，视实际情况与评价要求界定是否纳入碳足迹评价范围。

LCA在不确定性的情况下识别复杂价值链或流程中的环境问题^[38]，用于防止和减少环境退化、污染和技术对人类健康的负面影响^[46]，允许使用ISO标准完善评估过程，被公认为最适合的碳足迹评估方法，不仅可以评估发电系统的环境绩效，还可整体评估能源和材料的消耗^[47-48]，推断出减排方案^[49]。以我国华东某地典型单晶硅光伏电站1年内的数据为例，对光伏产品碳足迹进行评价，并考虑在25年最低使用年限标准下光伏电站电池衰减率的问题。传统研究在计算光伏电站发电总量时，并未将电池衰减率纳入评价范围，导致发电总量计算结果偏高，电力碳足迹偏低。且我国要求光伏电站标准年限在25~30年左右，未来几年内，我国将迎来第一波大规模废弃组件的回收利用。依据具体的评价要求，考虑回收利用环节具体哪些步骤纳入碳足迹评价范围，极大程度降低了生命周期成本，大大提高了光伏电力产品碳足迹计算结果的准确性。该评价过程采用数据质量评价体系，用5分制评分从数据来源、类型、时间3个指标对现场数据、背景等数据等进行数据质量进行评价，取所有工序单元过程数据的算术平均值为评价结果。其中，产品生命周期碳足迹贡献占比绝对值超过5%的工序单元过程敏感性较高，基于GB/T 24040^[12]和GB/T 24044^[13]的规定，分析参数变化对碳足迹结果的影响。选择运输距离、使用寿命、设备能效等关键参数，依据生产情况、技术水平、政策变化等设定范围，衡量参数变化对光伏电力产品碳足迹的影响，进而寻找关键点的节能减排点以优化产品设计、改进生产工艺，达到降低产品碳足迹的目的。温室气体g的累积量按式(1)计算。

式中：F为单位产品1 kWh上网电量；$ {\text{b}}_{\text{T, F, g}} $为以功能单位F为基准的温室气体g的累积量T，kg·kWh⁻¹；$ {\text{b}}_{\text{F, g}} $是以功能单位F为基准的温室气体g在产品生产过程的直接流量，kg·kWh⁻¹；n是单元过程i的数量；$ {\mathrm{a}}_{\mathrm{i}} $为原辅料及能源等在产品系统中单元过程i每功能单位的直接消耗量，或硅矿在加工成硅片过程中产生的废料及烟气处理副产物等在产品系统中单元过程i每功能单位的直接利用量或处置量，kg·kWh⁻¹、Nm³·kWh⁻¹、MJ·kWh⁻¹、kWh·kWh⁻¹；$ {\text{b}}_{\text{i}\text{, g}} $是温室气体g在单元过程i的直接流量，kg·kg⁻¹、kg·Nm^3-1、kg·MJ⁻¹、kg·kWh⁻¹。

产品碳足迹量化评价借用温室气体100年内的全球变暖潜势，见表1。

碳足迹量化评价按公式(2)计算。

式中：C为产品碳足迹的计算结果，kg CO₂e·kWh⁻¹；m_i为温室气体i生命周期清单的结果，kg·kWh⁻¹； $ {{\text{m}}_{\text{i}}\text{}\text{= b}}_{\text{T, F, g}} $；$ {\text{Q}}_{\text{i}} $为温室气体i的全球变暖潜势，kg CO₂e·kg⁻¹。光伏电力产品生产系统全生命周期发电总量根据公式(3)进行。

式中：$ {\text{E}}_{\text{total}} $为光伏组件全生命周期发电总量，kWh；$ \text{α} $为组件单位年发电量，kWh·(kWp·a)⁻¹，在计算该值时应根据GB/T 39857—2021^[43]，充分考虑光伏组件转换效率、串联失配率、光伏逆变器转换效率、电缆线路线损、变压器效率等环节因素；$ {\text{P}}_{\text{peak}} $为组件标称峰值功率，kWp；$ \text{RSL} $为基于电厂环境下光伏组建的理论寿命，a；根据GB 55015—2021^[44]最低要求取25年，以一标称峰值功率550 kWp，首年效率衰减2%，后续年效率衰减0.5%的单晶硅光伏组件为例，根据公式(4)计算出其全生命周期总发电量为13 673 kWh。

据上述公式计算出华东某地典型单晶硅光伏电站全生命周期1年内并网光伏电力为6.99×10⁹ kWh，上游和核心环节碳足迹分别为0.04 467、0.00 164 kg CO₂e·kWh⁻¹，占总量0.04 631的96.46%、3.54%。可见，光伏产品上游环节能耗与排放占据了整个流程的绝大部分，组件制备过程节能减排潜力巨大。

1) 光伏电池分为单晶、多晶硅、有机、染料敏化、纳米线等；光伏电站分为集中式和分布式，还存在户用、上网等不同终端消耗方式，产品类型的差异是影响碳足迹的根本原因之一。以硅为例，FAN等^[50]基于生命周期法，对比了4种硅片在产生相同电量时的总环境影响指数ECER-135，结果显示，S-P-Si、S-S-Si和M-Si硅片对环境的影响分别是M-P-Si硅片的3.3、4.5和2.8倍。此外，美国普林斯顿大学成功研发出一种具有特殊晶体结构的半导体钙钛矿太阳能电池，不仅具备商业可行性，而且可在室温下制造。这种电池在35 ℃下连续以5 a照明时，能稳定维持80%以上的峰值效率，从而显著减少了制备过程中的碳排放量^[51]。而集中式和分布式的结构布局，也通过规模大小、运输距离长短、建设运营成本、气候资源丰富程度影响着生命周期内的碳排放量。

2) 光伏产品生产消耗的能源种类主要为煤炭、石油、电力和天然气，以烧结、运输耗能最为严重，一次能源供应的80%仍依赖于化石燃料，火力占据行业的70%^[52]。FAN等^[50]发现，若在生产过程中以水力发电替代火电，硅片的ECER-135将显著降低约50%。为优化生产过程的能耗，在冬季室外温度低于15 ℃时，天合光能将层压机真空泵置于室外以代替冰水机组进行降温，仅4个月的工作时长就节约2.45×10⁵ kWh，减少碳排放201 t；将电池车间夏季空调由风冷热泵转为水源热泵制冷，不仅提高了安全系数，每年还节约用电7.89×10⁵ kWh，减碳排放量约650 t^[53]。另外，学习瑞士以水电火车作为交通运输首要选择、车间内区域新风循环系统应用等方式，都极大降低了光伏产品的碳足迹，节约了隐性能源开支。

3) 优化工艺流程分为创新核心部件的制备技术和新型材料在辅助零件的应用。LAURA等^[54]基于LCA比较了改良西门子法、升级冶金级硅 (UMG-Si) 新技术与传统制备方法对环境的影响，发现Ferrosolar直接冶金路线工艺使得温室气体排放量减少了20%、能源回报周期缩短了25%，在能源消耗和现金成本方面也展现出巨大优势。另外，日本日清纺织公司利用特殊橡胶提升了电池板保护膜的密封性，在85 ℃、85%湿度的实验环境中经过3 800 h的高电压破坏性测试，仍未出现质量退化^[55]，可见辅助零件的开发，提升了产品性能，从侧面降低了成本。技术进步和新型材料的应用通过减少生产过程中的碳排放、延长电池板使用寿命等方式，直接或间接地优化了产业结构，有效实现了节能减排。

4) 减排技术是降低光伏产品碳足迹的最直接途径^[56]。我国预计在2030年迎来光伏组件报废高峰，超过90%的材料可通过回收再利用减少碳排放。然而，目前回收规模较小，缺乏完整的产业链，亟需补足这块空白^[57]。李群生^[58]将化工精馏技术应用于多晶硅生产，实现了低能耗、高质量，提高了我国多晶硅的国际竞争力。董莉等^[59]通过热处理法、有机溶剂溶解法、无机酸溶解法和物理分离法，循环利用了硅 (3.46%) 、玻璃 (68%) 、铝 (17.74%) 等有价值的资源，具有极大的环境与经济价值。

1) 统一评价体系、基础数据库、监管机构暂未形成。生命周期法、投入产出法与IPCC清单法是国际上主流的碳足迹评价方法，但在核算模型、认证体系皆未形成统一的评价标准，不同国家和地区对同一产品的核算结果存在差异，难以寻求生产过程中的技术水平和碳排放的共同点。在2022年，我国多晶硅、电池及组件的产量均实现了超过50%的同比增长，这一成绩使我国在这3个领域均稳居全球领先地位，但缺乏产业上下游的全生命周期碳排放基础数据是当前面临的最主要难题之一。尽管瑞士的Ecoinvent和德国的GaBi数据库可作为参考，但在中国本土的适配性还有待商讨^[42]。而现存评价结果缺乏第三方认证机构的审查与监管，其权威性和公信力也常受到质疑。

2) 数据与影响因子的复杂性。“摇篮到坟墓”的碳足迹评价，需要完成从原材料开采到末期处理完整的数据采集和评估，本身工作量已经足够庞大。此外，同产品不同技术路线的碳排放量存在显著差异，其产品类型、生产耗能结构、工艺制造流程、低碳减排技术都是碳足迹评价的主要影响因素。碳排放因子的不确定性与复杂性，增加了碳足迹评价的难度，尤其是在下游环节的分配、输送与回收过程。光伏电力产品在下游供给用户时，电网分配复杂、电力输送损耗，涉及碳转移等影响因素，回收过程又引入电池衰减率、发电量等变量。要实现光伏产品真正意义上从“摇篮到坟墓”的全生命周期评价，需要关注影响下游环节的复杂因素并尽快与上游、核心环节相结合。

1) 技术：太阳能与风能借助太阳光和风等气候资源发电，属于间歇性发电。二者基础设施都较为成熟，但光伏组件生产制造过程能耗最高，相同装机容量下单位发电量达到2.29×10⁶ kJ，能源回收约为1.58年；而风力发电仅6.80 kJ，0.53年。除太阳能电池的制造技术需要进一步降低碳排放、提升转换效率之外，光伏相较其他清洁能源能够大范围推广的。

2) 经济：在政府政策支撑与福利补贴的情况下1 kWh光伏发电与风力发电成本约为0.21元，生物质发电为0.05元。相较于传统燃煤火力发电，其他发电方式的经济成本普遍较高。平价上网是清洁能源发挥主导地位必须达到的前提条件。

3) 环境：光伏发电生态足迹为4.141 hm²，远高于风能的0.002 hm²，比生物质能与核能的碳足迹低^[60]。核能虽拥有巨大潜力，但对技术与人员要求较高，运营、维护、处理成本大，且在开发利用过程存在泄露、辐射风险。因此，风电在某些维度是最为理想的清洁能源，但光伏更加容易实现群众的普遍利用，可通过后期技术进步逐步补足新能源现存的能耗、转换率、新材料等方面的劣势，将进一步降低碳排放、提升转换效率。

1) 建立成熟的废旧组件回收机制。未来5年内，全球可回收的废旧组件达到1.5×10⁶ t，电池组件回收再利用是能否实现固废资源化的关键^[61]。中国在未来几年即将迎来第一批报废高峰，硅若不妥善处理，不仅会造成生态环境的破坏，而且会造成大量资源浪费。关注废旧组件的回收机制，环境、经济效益可以发挥最大优势，且可提高回收赛道的竞争力。可在全国指定范围内设立区域级的光伏废旧组件回收站点，制定统一管理标准与要求。同时，利用物联网、大数据、云计算等网络技术，与光伏制造商、安装商和回收企业建立合作关系，构建逆向物流体系；推动试行废旧组件回收市场交易平台，在二级市场促进废旧材料的回收交易；建立智能回收管理系统，实现废旧组件信息追踪管理、闭环回收和二次利用。

2) 控制上游资源需求量，降低碳排放与发电成本。光伏产业上游资源需求多样，主要包括硅料、铝合金、玻璃和PET膜等高耗能生产材料^[61]。预计2025年我国多晶硅实际产能需求约1.2×10⁶~1.5×10⁶ t，相比2020年底扩张2~3倍^[61]，集中碳排放是可预见的。短期资源供给紧张和市场机制造成发电成本高出11%~74%，需尽早达到平价惠民的重要拐点。可研发具有高转换效率、长寿命和低衰减的光伏材料与组件，减少单位发电量所需的原材料量；改进逆变器和储能系统的效率，减少能量转换过程中的损失；结合智能监控系统、调度系统、回收系，减少运营成本和对新资源的需求；实施资源税和碳排放权交易制度，鼓励金融机构为光伏企业提供绿色信贷和融资支持。

3) 优化原材料类型与生产耗能结构。硅制电池板在选择与加工过程中，要偏向环境友好型、导电性能高的硅材。例如染料敏化太阳能电池 (DSC) 和有机太阳能电池 (OSC) 皆比硅制电池在可获得性、制造成本、环境影响、稳定效率都展示出部分优势。同时，建立能源管理系统，实现实时信息追踪、监测、控制生产中的能源消耗，并通过数据分析和优化算法，达到能源的合理利用与节约目的。充分发挥清洁电力、高低温自然天气的作用以代替煤炭、石油、天然气的消耗，也可极大节约光伏产品在生产过程中的碳排放。通过采用高效节能设备、优化设备配置及运行参数等手段，提升生产设备的能源使用效率。同时，借助互联网技术，搭建全流程管理平台，实现光伏组件生产线的智能化管理与控制。

4) 加强低碳技术推广和产品升级，精进光伏产品工艺流程和排放物减排技术。过去，依托于PERC 技术，我国规模化生产的p型单晶电池转换率约23.2%，该技术下黑硅多晶电池转换率比常规款高出将近2%^[8]，还有Ferrosolar升级冶金法和蒸发脱盐技术。通过这些手段可降低生产碳排放量、提高转换效率、延长使用寿命、中和废弃排放物。应组织技术推广活动，向企业普及低碳技术的优势和应用方法；以课程、培训、考核等方式，加强相关从业人员的技术水平和环保意识；积极引入废水、废气处理技术和如节能灯具、高效电机等生产过程中的节能降耗技术；从改变原材料物理化学特性或寻找可替代环境友好型资源入手升级产品性能。从而迭代升级，达到更加绿色的生产方式。

5) 保持并加大因地制宜的帮扶创新政策与国际合作。我国光伏发电必须立足于区域国情，驱动创新发展战略，结合光伏企业、院校、科研机构等多方力量，共同研发低碳技术，促进科研成果投入实践的转化^[35]，平衡太阳能资源丰富地区科技创新力不足的缺陷^[35]。政府可以出台相关政策以扶持建立光伏技术创新基金，鼓励企业研发和应用低碳技术，对采用环保原材料和生产工艺的企业给予税收减免、资金补贴等支持，并为用户发放光伏用电补贴。建立绿色认证制度，对符合绿色低碳标准的光伏产品进行认证和推广，提高市场接受度和竞争力。同时，要加强国际合作、跨行业合作，从产品、销售、使用、回收等角度制定不同技术标准和碳足迹评价导则，全方位实施相关管理策略，持续推进光伏产业的低碳发展。

中国碳排放总量常居世界前列，与发达国家相比，面临更严峻的经济发展与低碳减排相矛盾的挑战，光伏产品碳足迹评价是未来该行业实现可持续发展的必经之路。本文基于LCA在中国的应用与研究，得出以下结论与展望。

1) 中国暂未形成完善的碳足迹评价体系，按生命周期法，光伏产品碳足迹可划分为“摇篮到坟墓”3个流程，下游涉及分配、输送等复杂因素，一般计算时仅考虑上游和核心环节，回收利用与核心环节并列。

2) 光伏产业链上游环节需大量耗能材料，硅制电池组件过程的碳排放量超过整个流程总量的80%以上，有巨大的节能减排空间。

3) 产品类型、用能结构、工艺流程、减排技术是光伏产品碳足迹评价的主要影响因素，通过改进原材料技术以提供较高的效率、优化零部件生产工艺、以电动汽车运输、提高回收效率等方式，极大降低了光伏产品的生命周期成本。

4) 初始投资高、单位电力成本高、投资回报期长、转换效率低是制约光伏产业的主要缺点，要通过技术优化来控制发电成本，适当减少基础设施建设安装和运营成本，避免盲目追求扩大发电面积而造成资源浪费、回报周期长等情况。

在全球碳中和的背景下，光伏产业的发展是我国电力行业脱碳的关键，LCA方法在我国光伏产品碳足迹评价的应用，既迈出了量化产品碳足迹的实践步伐，也为国际社会贡献了宝贵的案例经验与支持。