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科学家使高性能混合钙钛矿太阳能电池更安全

时间：2022-03-28 08:25:06 来源：

两个实验室太阳能电池样品，一个（右）背面带有保护性铅吸收膜。

北部伊利诺伊大学和美国能源部（DOE）国家可再生能源实验室（NREL）的研究人员于2020年2月19日在《自然》杂志上报道了混合钙钛矿太阳能电池开发的潜在突破。

钙钛矿太阳能电池被认为是太阳能领域的后起之秀，将光转化为电能。与传统的硅基太阳能电池相比，它们可能更便宜，生产更简单，而且至少在实验室规模上，它们的效率水平相当。但是，关键挑战仍然无法成为竞争性的商业技术。

一个主要的挑战是铅的使用。大多数性能最高的混合钙钛矿太阳能电池均包含水溶性铅，这引发了人们对受损电池潜在泄漏的担忧。

在NIU的Tao Xu和NREL的Kai Zhu的带领下，一组科学家开发了一种技术，该技术可以通过在太阳能电池的正面和背面应用铅吸收膜来隔离钙钛矿型太阳能电池中使用的铅，并最大程度地减少潜在的毒性泄漏。 。

NIU太阳电池研究人员化学和生物化学研究生Xun Li（左）和化学和生物化学教授Tao Xu。

NIU化学教授徐说：“铅的毒性问题一直是钙钛矿太阳能电池领域中最令人困扰，最后一英里的挑战之一。”“我们认为我们对这个问题有非常有希望的补救方法，它可能会改变游戏规则。

“如果电池损坏，我们的设备会捕获大部分铅，从而防止其浸入地下水和土壤中。我们使用的薄膜不溶于水。”

科学家们说，在实验室环境中太阳能电池受到严重破坏的情况下，吸铅膜隔离了96％的铅泄漏。他们的实验进一步表明，铅吸收层不会对电池性能或长期运行稳定性产生负面影响。

钙钛矿太阳能电池之所以这么称呼，是因为它们使用的晶体结构类似于在钙钛矿中发现的晶体结构。这些太阳能电池中钙钛矿结构的化合物最常见的是基于有机-无机卤化铅的混合材料。

科学家们仅在大约十年前才开始研究这些用于太阳能电池的晶体结构，并迅速提高了它们的太阳能转换效率。传统的硅太阳能电池是通过高温精确工艺生产的，而钙钛矿则可以使用室温化学溶液来生产。

徐说，新开发的“装置上螯合方法”可以很容易地与目前的钙钛矿太阳能电池配置结合使用。

将透明的铅吸收膜施加到太阳能电池正面的导电玻璃上。隔离膜包含强的结合铅的膦酸基团，但不妨碍细胞捕获光。在背面金属电极上使用了掺有铅螯合剂的较便宜的聚合物膜，不需要透明性。

徐说：“这些材料是现成的，但从未被用于此目的。”“光必须进入细胞，才能被钙钛矿层吸收，并且正面薄膜实际上起着减反射剂的作用，从而稍微提高了透明度。”

铅泄漏测试包括锤击和粉碎2.5-x-2.5 cm电池的前玻璃，并用剃须刀刮擦太阳能电池的背面，然后将其浸入水中。由于水的进入，这些膜可以吸收严重受损细胞中的绝大多数铅。

NREL资深科学家Zhu说：“值得一提的是，已证明的铅封存方法也适用于其他基于钙钛矿的技术，例如固态照明，显示器和传感器应用。”

参考：李迅，张飞，何海英，Joseph J. Berry，朱凯和徐涛的“装置中钙钛矿型太阳能电池中的铅螯合”，2020年2月19日，Nature.DOI：
10.1038 / s41586-020-2001-x

科学家已经为其铅吸收膜申请了专利。该研究的其他作者包括NIU研究生Xun Li；瓦尔帕莱索大学的何海英；以及NREL的Fei Zhang和Joseph Berry。

该研究得到了美国国家科学基金会和美国能源部太阳能技术办公室的支持。太阳能技术办公室还为进一步开发混合钙钛矿太阳能电池的铅隔离膜提供资金支持。


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