有机无机杂化钙钛矿太阳能电池在过去十年间已有长足发展,钙钛矿太阳能电池的认证效率达到24。2%,实现了对多晶硅、铜铟镓硒薄膜等商业化太阳能电池的超越,而且钙钛矿太阳能电池的稳定性也显著提高,技术市场化正成为该领域的研究热点。然而由于钙钛矿材料中含有有毒的铅元素,钙钛矿太阳能电池在使用过程中因不可抗拒的自然因素(飞石、冰雹、风、雪、火)而导致破损后,铅元素有可能发生泄漏并对周围环境造成污染。因此,准确评估钙钛矿太阳能电池在这些情况下铅的泄漏并提出针对性的解决措施迫在眉睫。

研究发现植物可高效吸收钙钛矿太阳能电池中的铅-贤集网

据英国《自然·通讯》杂志21日发表的一项环境学报告,德国科学家开展的一项分析研究显示,与人类活动造成的土壤铅污染相比,来自钙钛矿太阳能电池的铅进入部分植物体内的效率是前者的10倍。


杂化卤化物钙钛矿可以制备高效的太阳能电池,同时具有性能优异、成本低廉、商业价值巨大的特点,因而备受关注。现在,利用钙钛矿型的有机金属卤化物半导体作为吸光材料的太阳能电池,被视作第三代太阳能电池(第一代主要指单晶硅和多晶硅太阳能电池,第二代则主要包括非晶硅薄膜电池和多晶硅薄膜电池),也称作新概念太阳能电池。


目前认为,钙钛矿太阳能电池的理论研究还有待加强。另外,虽然有计算显示,钙钛矿薄膜中铅的重量比小于0.1%——低于许多国家设定的安全限值,但这些铅的环境影响,一直以来尚不明确。

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德国亥姆霍兹柏林材料与能源中心科学家安东尼奥·阿白提及其同事,在实验室中将薄荷、辣椒和甘蓝植物培养在受到铅基钙钛矿污染的土壤中,并测量它们吸收铅元素的能力。结果发现,钙钛矿中铅的生物利用度是其他铅污染源中铅的10倍。


在另外开展的一系列实验中,研究团队发现,如果将这些电池中的铅换成锡,最终植物对锡的摄入量则低于联合国粮农组织设立的最大耐受量。研究人员指出,在大规模部署这种材料前,应对不同成分的钙钛矿的环境影响展开更系统的调查。

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研究人员对实验室中薄荷植物不同部位的铅含量分析


防止钙钛矿太阳能电池的铅泄漏研究


在日本冲绳科学技术研究所(OIST)能源材料与表面科学研究团队(Energy Materials and Surface Sciences Unit)学术带头人戚亚冰教授的指导下,姜岩博士、丘龙斌博士等团队成员在Nature Energy 杂志上发表文章。他们首次通过实验定量测试了不同封装条件下钙钛矿太阳能电池模组因撞击(模拟冰雹撞击,参考FM 44787 行业标准)破损后铅的泄漏速率,并模拟了在不同天气情况及响应时间(从太阳能电池模组被破坏到被替换之间的时间间隔)条件下铅的泄漏量。结果显示:(1)模组受光面的封装可以显著降低铅的泄漏量;(2)铅的泄漏量和降雨时间及响应时间有很强的关联。同时,科研人员开发出一种具有热响应性的环氧树脂封装材料,该材料的玻璃化转变温度和融化温度分别为42 ℃和88 ℃,在出现微米尺寸的破损后可以利用光照在电池上产生的热量快速自我修复(0.5小时)。采用该封装材料后破损钙钛矿太阳能电池模组中铅泄漏量仅为0.08 mg/(h × m2),和只有背光面封装的模组相比较降低了375倍。在极端天气条件下(光照4小时,并在随后720 小时内共计降暴雨200小时),铅的泄漏量仅为16 mg/m2。该研究评估了钙钛矿电池中潜在的铅泄漏情况,并提出了降低铅泄漏的解决途径,有望推动钙钛矿太阳电池技术进一步走向实际应用。

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实现钙钛矿太阳能电池的环境友好化


由于含铅材料对环境的不友好性, 研究者们在努力实现无铅化, 但相应会带来电池转换效率的降低. 最直接的方法是利用同族元素(如Sn)来代替Pb元素. 在MAXI3材料中, CH3NH3SnI3的能隙仅为1.3 eV,远低于CH3NH3PbI3的1.55 eV, 可以使吸收光谱发生红移。 采用CsSnI3作为光吸收材料, 并加入SnF2作为添加剂也以减少缺陷密度, 提高载流子浓度, 进而提高电池效率。这两种替代的吸收材料的吸收光谱发生明显红移, 可以吸收更宽波段的入射光。


从解决环境污染但又不牺牲电池转换效率的角度出发,Chen等人提出了另一种思路, 即回收汽车电池来提供铅源。 由于汽车电池中的铅源具有相同的材料特性(如晶体结构、形貌、吸光性和光致发电性能)和光电性能, 既提供了钙钛矿材料制备所需的铅源, 又解决了废旧含铅电池无法妥善处理的问题, 因此具有一定的实际应用价值。


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