2020年,钙钛矿第一篇Nature
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详细介绍

第一作者:Xun Li, Fei Zhang

通讯作者:Tao Xu,Kai Zhu

通讯单位:北伊利诺伊大学,NREL

钙钛矿太阳能电池作为一种新兴的高效,低成本的光伏技术,在走向商业化的过程中面临着诸多障碍。器件的稳定性已得到了实质性的改善,但是铅废料和从器件中泄漏出铅的毒性问题仍未得到实质性的解决。铅的含量到底有多少?是否会发生泄漏?泄漏之后怎么办?这些都是钙钛矿电池走向实用化必须了解的问题。


据报道,商用涂料中铅含量一般为0.007 g m-2,而典型铅基钙钛矿太阳能电池中,铅厚度约550 nm,Pb的单位面积浓度约为0.75 gm-2,比目前含铅涂料浓度要高两个数量级。在建筑集成光伏电池中使用钙钛矿太阳能电池时,铅泄漏的潜在危险可被视为对环境和公共健康的危害。


有鉴于此,北伊利诺伊大学徐涛和NREL的朱凯等人提出一种化学方法,可确保万一铅基钙钛矿电池器件严重损坏后,超过96%的铅泄漏得到隔离。

图1. 器件示意图


研究人员将一种可以吸收铅的材料DMDP有机涂层涂敷到器件的正面和背面,由于DMDP可溶于某些极性有机溶剂(例如乙醇)中,从而可以通过常见的溶液涂覆方法进行成膜。


DMDP涂层的厚度在0.7到6.89μm范围内都是高度透明的,而且DMDP膜不溶于水,但具有良好的透水性。这样,当水渗入器件时,每个DMDP分子中的两个膦酸基团可以与Pb2+离子牢固结合(结合能为295.6 kJ mol-1),有效吸收水中的Pb2+。


图2. 铅防泄漏测试


在正面透明导电电极的玻璃侧,使用了透明的吸收铅的分子膜,该分子膜包含与铅牢固结合的膦酸基团,进而吸收泄漏的铅。


在背面(金属)电极侧,在金属电极和标准光伏包装膜之间放置掺有铅螯合剂的聚合物膜。两侧的吸铅薄膜在浸水时会溶胀以吸收铅,而不是溶解,从而保持结构完整性,以便在器件损坏后容易收集铅。



图3. 器件性能

总之,这项工作为钙钛矿电池实用化提供了更切实际的思考和借鉴,可以感觉到,大规模商用,为时不远。


参考文献:


Li, X., Zhang, F., He, H. et al. On-device lead sequestration for perovskite solar cells. Nature 2020.

DOI: 10.1038/s41586-020-2001-x.

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2001-x



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