本报讯 系统对比固铅策略的工作机制及应用前景，提出关于铅泄漏的标准测试模型。近日，国际权威期刊《自然》在线发表了关于铅基钙钛矿太阳能电池中固铅的前瞻性文章“Lead immobilization for environmentally sustainable perovskite solar cells”，柔性电子（未来技术）学院张辉老师为第一作者，我校为第一作者单位。
“铅基钙钛矿太阳电池成本低、效率高，有着极大的应用潜力，但铅元素潜在的环境危害掣肘了其产业化发展。”柔性电子（未来技术）学院院长陈永华教授指出，虽然钙钛矿光伏组件中铅元素的含量占比较低，但由于铅离子较高的生物兼容性，极小比例的铅进入食物链后依然会危及人类健康。
目前学界的方案是固化铅，即通过降低铅离子水溶性以阻断其传播途径。“我们分析了从钙钛矿太阳能电池中固定铅的四种方法，探讨了将铅泄漏抑制到最低水平的可行性。”张辉介绍，晶粒封装通过将钙钛矿颗粒包裹在疏水性有机物、防水氧化物或不溶性铅盐，可有效阻断水进入和离子流出的通道；铅络合策略通过合理的添加剂工程，形成铅-添加剂复合物的低溶解度产物，降低铅化合物的溶解度；结构整合策略通过提高组成元素的结合强度、集成体连接性和界面内聚力，增加水渗透、结构碎裂和分层的能垒，提高结构稳定性；吸附方案直接将泄漏的铅吸附掉，能显著减少96%的泄漏。
“前三种策略是内部铅固定策略，铅离子在泄漏前得到了预保护，表现出高选择性和快速响应性，但封装策略中的疏水材料导电性差，络合策略中的添加剂大多是绝缘材料，并且其与铅前体之间的相互作用会影响钙钛矿结晶，整合策略可行性最高，但铅存固效率也只有约80%。”为了充分利用吸附策略的优势，同时减少“先泄露后处理”可能带来的危害，张辉提出了将整合策略和吸附策略结合使用的方法，“我们可以在器件内部进行结构整合，在器件外部用铅吸附剂，达到抑制铅泄漏最优方案。”
该文章还提供了关于铅泄漏的标准测试模型。“铅基钙钛矿太阳电池的铅泄漏及其吸附在很大程度上取决于测试条件，如温度、pH值和暴露水的体积，以及设备是如何损坏的。目前关于铅泄露的值是在完全不同的条件下测量的，应以标准方式测量一些指标。”张辉建立的铅泄漏标准测试模型充分考虑了在极端气候条件下，水的温度、流速、pH值等因素，为统一测量标准提供了参考。
张辉说，未来他们还将从铅基钙钛矿太阳能电池研发、应用的整个生命周期去分析固化铅策略，保证在充分安全的情况下，大规模应用这项前沿技术。朱琳