2020年，钙钛矿第一篇Nature

纳米人

2020-02-21

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 mo^l-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