钙钛矿再登nature，刀砍锤砸都没“毒”？

日前，美国可再生能源实验室(NREL)和北伊利诺伊大学(NIU)的研究人员开发了一种高效的新兴光伏技术，用于隔离钙钛矿光伏电池中的铅，该研究结果发表在2020年2月19日的nature杂志上。

晶硅组件含有铅焊料，但铅不溶于水；钙钛矿型太阳能电池的吸收层中含有少量的铅，钙钛矿中使用的铅可以溶解在水中。虽然现有的分析表明，这并不是一个大问题，然而研究人员仍找到了一种方法，可确保铅基钙钛矿电池器件严重损坏后，超过96％的铅泄漏能得到吸收和隔离处理。

图1：NREL研究人员Kai Zhu (左), Fei Zhang（中）, and Joseph Berry（右）

含铅问题的困扰

钙钛矿电池，不含钙，不含钛，却含有铅。铅基钙钛矿太阳能电池的最高光电转化效率已接近25％。尽管有很多科学家尝试使用无铅钙钛矿电池，但其效率、稳定性等都无法与含铅钙钛矿电池相比，一般认为，没有铅的电池效率将降低一半。

一些钙钛矿电池的研究人员认为，钙钛矿电池的含铅量远比晶硅电池少。但是晶硅光伏电池所包含的铅焊料不是水溶性的，铅的浸出量很少，因此行业认为这是一个小问题，而钙钛矿中使用的铅则可溶于水。随着钙钛矿光伏技术的快速进步，人们预计将在两年内投入批量生产，并改变太阳能行业的格局。当钙钛矿电池遭受极端的破坏时，环保主义者担心这些铅会进入水，并影响当地的土壤和地下水系。

因此在全球研究人员尝试开发无铅钙钛矿太阳能电池的同时，美国NREL国家实验室的研究团队开始研究可显著减少钙钛矿电池中铅泄漏的技术。

吸收铅，但不影响发电

NREL的科学家在研究中取得了重大进展。研究人员通过在钙钛矿电池的正面和背面覆盖铅吸收膜的办法来解决这种风险。研究成果表明，“在实验室环境中太阳能电池受到严重损坏的情况下，吸铅膜隔离了96％的铅泄漏。”

研究成果发布在《自然》杂志上，在论文《在装置中螯合钙钛矿型太阳能电池中使用的铅》中，研究人员在2.5×2.5cm钙钛矿太阳能电池的正面和背面涂了两种不同的铅吸收膜，这两种膜都含有牢固结合铅的膦酸基团，希望通过和铅的螯合来捕获光吸收层中微量的铅。

图2：涂有铅吸收膜的钙钛矿电池正反面

之后，研究人员用锤子将电池的正面砸碎，用刀将电池的背面刮坏，电池的两侧遭到彻底的破坏。然后，研究人员将受损的电池浸入各种类型的水中，包括纯水，酸性水，甚至流水以模拟大雨。

实验中，“两边的吸铅膜在浸水时会膨胀，同时吸收了铅而不是溶解。实验结束时，吸铅薄膜仍保持了结构完整性，因而吸收的铅很容易被收集起来。结果发现，这些吸收铅的薄膜可以防止超过96％的铅从受损电池泄漏到水中。

研究人员表示铅吸收膜不影响这种高效新兴光伏电池技术的发电性能。

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