黄劲松今日Nature Energy：阳离子交换树脂，一招搞定铅泄漏！

【研究简介】

目前，铅仍是高效率和稳定运行的PSC的重要组成部分。但是，钙钛矿光伏技术商业化的主要关注点是水溶性卤化铅钙钛矿中铅的毒性。钙钛矿太阳能组件在恶劣的天气条件下能会损坏甚至断裂。一旦损坏，有毒的铅可能会在降雨期间从钙钛矿层中泄漏出来，然后污染土壤和地下水。为了有效地将铅捕获在受损的钙钛矿太阳能电池组件中，找到一种铅吸附剂至关重要，该吸附剂不仅可以有效防止极端天气条件下的铅泄漏，而且成本低廉且易于集成到钙钛矿太阳能电池组件的制造中。

有鉴于此，北卡罗来纳大学教堂山分校的黄劲松课题组报告了一种基于铅吸附涂层的方法，该方法可以有效地将铅从受损的钙钛矿太阳能电池组件中泄漏出来的可能性降至最低。

【研究亮点】

1. 基于阳离子交换树脂（CERs）方法制备的铅吸收层对水中的Pb²⁺阳离子具有很强的结合能力和优异的选择性。

2. CERs成本低，化学性能强，不溶于水，很容易应用在钙钛矿太阳能组件的两面和电极上。

3. 所有这些特性使CERs成为防止钙钛矿太阳能组件损坏导致铅泄漏的理想选择。

4. 模拟铅泄漏试验表明，与没有CER层的微型模块相比，涂覆在太阳能微型模块金属电极表面的CER可以有效地减少约90％的铅泄漏。

5. 最重要的是，在不影响器件效率的情况下，研究人员成功地将含铅吸附剂集成到PSCs的碳电极中，进一步将铅泄漏降低到美国联邦40 CFR 141法规规定的饮用水安全水平以下。

【图文解读】

CER的吸铅特性

在水溶液中，Pb²⁺的实际吸附比Ca²⁺或Mg²⁺都强，证实了CER材料是有效的Pb²⁺吸附剂（图1a-b）。这是因为CER高的表面积和大孔径有助于铅在水中的吸附。无论温度如何，CER都在10分钟内吸附了大部分Pb²⁺(图1c)。涂在玻璃上的300nm厚的CER层立即使水中的铅含量降低了约30％，而与溶液中的初始铅浓度无关（图1d）。

图1：CER的吸铅特性

致密的CER层完全覆盖铜电极的顶部，介孔CER层包含许多平均粒径约为50 nm的纳米颗粒，可以大大增加表面积并吸收更多的铅（图2）。

图2：PSC上CER的表征

钙钛矿微型组件的铅泄漏测试

将微型组件破裂后放入去离子水中，不带CER层的微型组件泄漏率随温度增加而增加，带有CER涂层的微型组件无论温度如何都表现出很小的铅泄漏（图3a-g）。将水滴在微型组件上，然后收集污水。CER涂层能将污水中的平均铅浓度从13.24±0.25 ppm大大降低至1.92±0.46 ppm（图3h）。

图3：具有CER涂层的微型组件中的铅固存

带有CER集成碳电极的PSC

通过将CER掺入碳基电极中，进一步减少了铅泄漏。碳电极松散的结构可以容纳小尺寸的CER纳米颗粒，少量CER的掺入而不会牺牲碳电极的电导率（图4a-b）。基于含10％和20％CER碳浆的PSC分别获得了18.0％和17.9％的PCE，与纯碳浆器件（18.1%）相当（图4c）。添加20％CER之后碳浆的形态保持一致，不会影响碳浆之间的接触，并在碳浆中均匀分布（图4d-e）。酸性水滴试验表明，在碳电极和玻璃表面上均使用CER，可将铅泄漏有效地减少了98％，从891±39 ppb降至14.3±1.5 ppb，低于美国联邦40 CFR 141法规标准（水中铅含量低于15 ppb）。

图4：掺有CER碳电极的PSC中的铅固存。

太阳能电池板上的铅泄漏模拟

即使在强酸性降雨的最坏条件下(50 mm h⁻¹, pH=4.2)，通过对大型受损太阳能电池板的仿真也获得了令人鼓舞的结果，到达太阳能电池板底部的雨水中的铅浓度模拟为6.3 ppb。

图5：受损碳电极钙钛矿太阳能电池板的铅泄漏模拟

Chen, S., Deng, Y., Gu, H. et al. Trapping lead in perovskite solar modules with abundant and low-cost cation-exchange resins. Nat Energy (2020). https://doi.org/10.1038/s41560-020-00716-2