北卡大學教堂山分校黃勁松團隊Sci. Adv.：吸鉛離子凝膠用于耐沖擊、穩定和鉛安全的鈣鈦礦模塊

【引言】

金屬鹵化鈣鈦礦在下一代低成本高效太陽能電池中顯示出巨大的潛力。單結鈣鈦礦太陽能電池（PSCs）的認證功率轉換效率（PCEs）已經超過25%，鈣鈦礦/硅串聯太陽能電池的PCEs已經超過29%。同時，大面積鈣鈦礦模塊的認證效率達到18.6%（面積為30至60 cm²），與商業化的硅模塊相當。這表明PCE不再是鈣鈦礦光伏商業化的關鍵問題。然而，由于鈣鈦礦含水溶性鉛可能對土壤和地下水資源造成巨大的潛在污染，其實際應用受到了很大的阻礙。一種直觀的方法是用無毒成分替代鉛鈣鈦礦，如錫（Sn）鈣鈦礦或雙鈣鈦礦。然而，錫基PSCs穩定性較差，因為Sn²⁺很容易被氧化為Sn⁴⁺，甚至容易被處理錫鈣鈦礦的溶劑所氧化，而雙鈣鈦礦設備的PCEs太小，不能被認為是有用的。盡管含鉛鈣鈦礦存在缺陷，但仍是實現高效穩定的鈣鈦礦太陽能模塊的首選。最近已經探索了替代方法，以減少鉛基PSCs的鉛泄漏到環境中。作為高效PSCs的組成部分，電荷傳輸層，如空穴傳輸層的烷氧基聚四乙二醇（PTEG）和電子傳輸層的2D金屬有機框架，自然是捕獲鉛的良好候選材料。然而，電荷傳輸層通常只有20 ~ 50 nm的相對較小的厚度，以實現有效的電荷收集，并不能提供足夠的容量來吸附500 ~ 1000 nm厚的鈣鈦礦層中的鉛離子。另一種方法是用物理屏障或鉛吸附材料包裹PSCs，以防止鉛泄漏。但物理堵塞聚合物只能減緩鉛的泄漏速度。在正面涂覆的鉛吸附層需要物理屏蔽；否則，在長期暴露的過程中，它可能會失去其功能。將鉛吸附劑放入鈣鈦礦層內，很好地避免了這個問題。另一方面，封裝是篩選環境刺激的必要條件，以提高太陽能電池的運行穩定性，這需要一個獨特的層來保護鈣鈦礦器件。因此，需要一種有效的策略來同時解決鈣鈦礦模塊中的鉛毒性和不穩定性這兩個問題。

【成果簡介】

近日，在北卡羅來納大學教堂山分校黃勁松教授團隊等人帶領下，報告了一種基于鉛吸附離子凝膠的鈣鈦礦模塊封裝策略，可以防止鉛泄漏，并經得起長期的穩定性測試。集成在模塊兩側的離子凝膠層增強了抗沖擊性。自修復離子凝膠可以防止水滲入鈣鈦礦層，吸附可能泄漏的鉛。封裝的器件通過濕熱和熱循環加速穩定性測試，符合國際電工委員會61215標準。被冰雹損壞的模塊在水中浸泡24小時后，離子凝膠封裝可將鉛泄漏降低到無法檢測的水平。即使被汽車碾壓后再用水浸泡45天，離子凝膠封裝也能將鉛的泄漏減少三個數量級。這項工作提供了一個同時解決鈣鈦礦模塊的鉛泄漏和穩定性的策略。該成果以題為“Lead-adsorbing ionogel-based encapsulation for impact-resistant, stable, and lead-safe perovskite modules”發表在了Sci. Adv.上。

【圖文導讀】

圖1 吸附鉛的離子凝膠

(A) 離子凝膠微觀結構和鉛吸附機理的示意圖。

(B) 有和沒有離子凝膠（厚度為 500 μm）的玻璃基板的透射率。插圖是玻璃基板（由藍色虛線表示）上面積為 15 cm*15 cm（由紅色虛線表示）的離子凝膠圖像。

(C) 離子凝膠和POE的紫外穩定性。

(D) 不同顏色染色的原始離子凝膠樣品（左上）；切割樣品（左中）并在50°C下愈合2小時的圖像（左下）；拉伸愈合樣品的圖像（右）。

(E)離子凝膠的鉛吸附動力學。插圖是來自擬二級模型的動力學擬合曲線。

圖2 離子凝膠封裝微模塊的性能

(A)器件結構。HTL，空穴傳輸層； ETL，電子傳輸層。

(B) 離子凝膠封裝前后鈣鈦礦模塊（面積為 31.5 cm²）離的I-V曲線。插圖是封裝模塊的圖像。

(C)離子凝膠封裝前后典型PSCs（面積為 0.08 mm²）的J-V曲線。插圖為參數對比圖。

(D) 離子凝膠封裝前后32個PSCs的效率分布統計結果。

(E，F)根據IEC 61215標準，PSCs在DH (E)和熱循環(F)測試期間的效率變化。

圖3 金屬球落下損壞微型模塊的鉛泄漏

(A)三種封裝結構的方案。

(B)損壞的微型模塊的水浸泡測試結果。插圖為破碎模塊浸泡在去離子水中的圖像。

(C~E)不同封裝結構的受損鈣鈦礦模塊在去離子水中浸泡的典型變化圖像

不同封裝的鈣鈦礦模塊在DI水中浸泡結構A (C)、B (D)和C (E)的典型演化圖像。

圖4 防止被汽車碾壓的鉛泄漏測試

(A)汽車在封裝的鈣鈦礦薄膜上滾動的圖像。

(B)破碎鈣鈦礦薄膜的水浸泡測試結果。

(C~E) 結構為A (C)、B (D)、C (E)的受損鈣鈦礦薄膜在去離子水中浸泡后的變化圖像。

【小結】

綜上所述，團隊報告了一種耐沖擊的、自修復的、可吸附鉛的離子凝膠，將被納入鈣鈦礦太陽能模塊封裝中，同時減少鉛泄漏，提高器件的穩定性。離子凝膠封裝的PSCs具有高效的兼容性（微型模塊的PCE為18.5%，小電池的PCE為22.9%），并具有令優異的長期穩定性（在DH和熱循環測試后，相對效率損失小于5%）。離子凝膠的摻入可以明顯抑制鈣鈦礦模塊的鉛泄漏。在模擬冰雹測試后，經過24小時的水浸泡，無法檢測到的鉛（<1 ppb）可能會從損壞的鈣鈦礦模塊中漏出。即使在極端條件下，如被汽車碾壓，這種堅固的離子凝膠層封裝仍能保持完整，并作為過濾層抑制鉛泄漏，比標準玻璃蓋和POE密封膠封裝的設備要好近3個數量級。這些結果將加速鈣鈦礦太陽能技術在現實世界的應用。

文獻鏈接：Lead-adsorbing ionogel-based encapsulation for impact-resistant, stable, and lead-safe perovskite modules（Sci. Adv.，2021，DOI：10.1126/sciadv.abi8249）

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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