全球即时看!科学家打造新型钙钛矿器件，522小时水冲之后仍能保持97%初始效率

　　原标题：科学家打造新型钙钛矿器件，522小时水冲之后仍能保持97%初始效率

　　来源：DeepTech深科技

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　　钙钛矿太阳电池（PSCs，Perovskite Solar Cells）作为一种新兴的可再生能源技术，有望在实现“双碳”目标中发挥重要作用。

　　然而，由于铅仍然是目前制备高性能 PSCs 的主要成分，因此，PSCs 的铅毒性仍然是阻碍其商业化和影响其可持续性的主要因素。

　　特别是 PSCs 在极端天气条件下受到损坏，卤化物钙钛矿中的可溶性铅很容易暴露在水中，会对生物产生神经毒性及在生物体中累计，并对生物的繁殖产生不利影响，这将给 PSCs 的实际应用和长期部署的前景蒙上阴影。

　　在近期一项工作中，中山大学教授吴武强团队证明上述问题可以由 2-羟丙基-β-环糊精（HPβCD）和 1,2,3,4-丁烷四羧酸（BTCA）组成的内置自交联超分子复合物来解决。

　　内置的 HPβCD-BTCA 配合物与 Pb2+ 离子之间强大的化学配位和多齿螯合作用，可以很大程度上抑制严重受损 PSCs 的铅泄漏，从而降低铅毒性。

　　在 522 小时的动态水冲刷后，受损器件保持了 97% 的初始效率，水中只有 <14ppb 的污染，这一水平符合美国环境保护局的标准。

　　毒性评估实验表明，内置的 HPβCD-BTCA 超分子复合物有利于降低含铅 PSCs 中的铅毒性，并且对生物体的繁殖几乎不产生任何影响。

　　由此可见，本次工作提供了一种新颖和可持续的方法，以低成本的方式实现耐用、可重复、环保和生物安全的钙钛矿光伏器件，并可以使 PSCs 更接近商业化实施。

　　图 | HPβCD-BTCA 与钙钛矿的化学相互作用及其对钙钛矿结晶和成膜的有益作用 （来源：Nature Sustainability）

　　对于抑制铅泄露、降低生物毒性和实现 Pb 的闭环回收与管理上，本次工作解决了钙钛矿太阳电池商业化最紧迫的问题之一，对钙钛矿光伏领域很有价值。

　　研究中，器件的长期运行及水热稳定性得到解决，在一定程度上推进了 PSCs 的商业化进程。

　　此外，器件稳定性提升，铅泄露和铅毒性降低，有利于钙钛矿光伏器件的水下应用，比如智能无人潜水探测器、深海潜水器等设备的电源等。

　　据了解，钙钛矿光伏器件正值发展和商业化探索的黄金时期，如何抑制铅的泄露、降低铅毒性对环境及生物体的影响，是急需解决的重要挑战。

　　此前，学界已经开发了几种方法以用于缓解极端天气下的铅泄露，如物理封装或化学吸收等。

　　尽管在器件上有出色的铅吸附效果，但目前的尝试仍需额外的工艺和复杂的修饰来制备吸铅膜，这将使器件制造程序复杂化，并可能限制器件性能和可扩展性。

　　此外，由于铅吸收层在清洁过程中、或在长期暴露于含有各种金属离子的雨水以及紫外线辐射时，会使其逐渐饱和或丧失功能。

　　通过在钙钛矿层内加入铅吸收材料或支架的内置策略，可以在钙钛矿分解时快速有效地捕获铅离子，从而进一步减少铅泄漏，这可以作为器件外部封装的铅吸收方法的补充。

　　然而，增加嵌入式吸铅网络的厚度或含量会在一定程度上损害器件效率。

　　目前报道的防止铅泄漏的策略，仅针对物理或化学捕获泄漏中的铅，但是吸附后的产物仍然需要面对二次铅污染。

　　因此，对于铅的回收和管理还需要进一步的考虑。

　　图 | 有无 HPβCD-BTCA 修饰的破碎 PSCs 中的铅固定及钙钛矿膜中的铅毒性评估 （来源：Nature Sustainability）

　　本次研究发现，内置的 HPβCD-BTCA 超分子复合物与器件外部的柔性 HPβCD-BTCA 膜封装相结合，可以有效地将 Pb 泄漏降低到可忽略不计的水平，同时提高 PSCs 在极端天气条件下的耐久性和抗机械冲击能力。

　　而低成本的环糊精及其衍生物具有良好的生物相容性，已被证明是快速去除重金属的有效吸附剂。

　　由四个羧基组成的 BTCA 也可以为 Pb2+ 提供许多吸附位点。

　　此外，HPβCD 与 BTCA 交联可以抑制添加剂的分子间聚集，暴露出大部分活性官能团，从而最大化材料的吸 Pb 能力。

　　更重要的是，HPβCD-BTCA 配合物与 Pb 的螯合作用可以有效降低 Pb 的毒性，使 Pb 基钙钛矿薄膜和太阳能电池对生物具有环保性和生物安全性。

　　而从报废 PSCs 中回收 Pb 可以重复使用，因此不仅可以高效制备器件，而且极具成本效益和环保性。

　　综上所述，研究人员开发了一种将交联超分子复合物嵌入到钙钛矿薄膜中的全能策略，同时提高了器件的性能和稳定性，防止了铅的泄漏，降低了铅的毒性，为可持续 PSCs 开辟了一条新途径，推动了 PSCs 的商业化进程。

　　卤化物钙钛矿太阳电池作为一种新兴的可再生能源技术，因其低成本、高效率和溶液可加工性而被认为是最有前途的下一代薄膜光伏技术之一。

　　然而，器件的稳定性、铅泄露、铅毒性、铅的回收和管理等瓶颈问题能否得到解决，是钙钛矿的商业化的关键问题。

　　钙钛矿中的水溶性铅具有高毒性，潜在的铅泄漏仍然是该技术商业应用的最大障碍。

　　因此，继续对不同组分的含铅单结和多结钙钛矿太阳电池的进一步研究，对大规模实施这项有前景的技术具有重要意义。

　　目前而言，钙钛矿电池处于行业形成期，作为最前沿的太阳电池技术之一，钙钛矿正在吸引大批公司斥巨额资金涌入。

　　钙钛矿太阳电池具有吸光能力强、低成本、高效率和易制备、弱光效率高等优势和特点。

　　近年来，钙钛矿太阳电池快速发展，认证效率达到 26.1%，表现出了潜在的产业化应用前景。

　　可以说，钙钛矿电池到了商业化的关键节点。

　　目前，钙钛矿技术发展趋势、制备工艺演进，许多瓶颈问题如大面积、稳定性、铅泄露等都得到了有效解决，相信在不久的将来钙钛矿电池将在可持续电力供应展现出巨大潜力。

　　参考资料：

　　1.Yang, M., Tian, T., Fang, Y. et al. Reducing lead toxicity of perovskite solar cells with a built-in supramolecular complex. Nat Sustain (2023). https://doi.org/10.1038/s41893-023-01181-x

　　运营/排版：何晨龙

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