摘要
关键词
- 铅固定 (Lead immobilization)
- 钙钛矿太阳能电池 (Perovskite solar cells, PSCs)
- 环境可持续性 (Environmental sustainability)
- 水解污染 (Hydrolytic contamination)
- 铅吸附材料 (Lead-adsorbing materials)
- 垃圾回收技术 (Recycling technology)
研究背景
钙钛矿太阳能电池因其高效率、低成本和易加工性而成为清洁能源技术的研究热点。然而，由于铅的毒性及其对环境和健康的潜在威胁，公众对该技术的接受度较低。尽管开发无铅钙钛矿材料的研究取得了一定进展，但其性能远低于含铅材料。因此，如何在不影响性能的前提下降低铅泄漏风险成为关键问题。本文综述了现有铅固定技术，并分析了其在实际应用中的可行性与局限性，旨在为实现钙钛矿太阳能电池的环境可持续性提供技术支持。
关键点
- 铅的光电化学特性及其对钙钛矿性能的重要性。
- 铅泄漏的途径及其对环境和健康的影响。
- 四种铅固定方法：晶粒隔离、铅配位、结构集成和铅吸附。
- 建立标准铅泄漏测试和数学模型的必要性。
- 垃圾回收和铅再利用技术的发展。
重要进展
- 晶粒隔离: 通过使用疏水聚合物或不溶性铅盐在晶界形成封装层，有效防止水分侵入和铅离子流失。
- 铅配位: 添加含有路易斯碱基团的配体，与铅离子形成低溶解度复合物，降低铅溶解性。
- 结构集成: 优化钙钛矿晶粒间的连接性，增强层间粘附性，从而提高材料的抗水分解性能。
- 铅吸附材料: 在器件外层添加高效铅吸附材料，用于捕获泄漏的铅离子，吸附效率可达99.9%。
- 生命周期评估: 全面分析钙钛矿太阳能电池从制造到回收的环境影响，提出优化废弃设备管理的方法。
- 测试标准: 提出在不同环境条件下评估铅泄漏的标准测试方案，包括酸性雨水浸泡和滴水实验。
(a) 器件制造和户外运行期间，铅泄漏到地下水的途径示意图。
(b) 估算到2050年全球PSC所需的铅总量与世界人口水平下对人类LWI（每周铅摄入量）的潜在影响。
(c) 右侧面板显示了LWI值的估算，基于不同的扩散情景，与公元前3000–5000年人类和2010年成人LWI限制值比较。
(a) 使用疏水聚合物、氧化物或不溶性铅盐进行晶粒隔离，阻止水分渗透。
(b) 添加剂与铅化合物发生配位反应形成低溶解度的铅复合物，减少环境中的铅含量。
(c) 通过增强晶体连接性防止钙钛矿结构破碎和层剥离，从而实现结构集成。
(d) 在器件外部引入铅吸附材料以捕获泄漏的铅离子，示意图展示了使用高铅吸附能力的材料对水中铅离子的吸附过程。
(a) 钙钛矿层在水浸泡和滴水条件下的铅泄漏检测示意图，包括标准化指标（例如LR、cLL和SQE）以及对泄漏铅对植物和动物生长潜在影响的评估。
(b) 提议的铅固定器件结构，包含内在和外在策略，展示了用于固定铅的吸附层和增强完整性的铅固定结构。
结论与展望
本文通过分析钙钛矿太阳能电池中的铅泄漏问题及其解决方案，提出了多种有效的铅固定技术，并强调建立标准化测试方法的重要性。未来研究应关注铅固定材料的环境适应性及其在工业化应用中的可行性，同时开发全生命周期管理技术，以实现钙钛矿太阳能电池的环境可持续性。
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原文标题：Lead immobilization for environmentally sustainable perovskite solar cells[Perspective]
Nature 2023, 617, 687–694.
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