以前看過有關創業的書籍，書中描寫到美國西部淘金熱的時候，有人獨闢蹊徑，發現不一樣的商機。比如說淘金的工人乾的都是體力活，要求衣服和鞋子有一定的耐磨性，因此有人就在當地開了一家服飾店，賣牛仔褲和耐磨的鞋子。
學術研究也是一樣的道理，需要認真思考和善於發現。鈣鈦礦是最近幾年的學術新寵，無論是《Science》還是《Nature》都有鈣鈦礦的身影。大部分科研工作者集中在穩定性和轉化效率兩個方面，然而今天這篇Nature的作者發現鈣鈦礦太陽能電池中可能存在的鉛離子汙染問題。這也是該文章的核心和創新點！
2020年2月19日，北伊利諾伊大學的化學與生物化學系的Tao Xu和美國國家可再生能源實驗室化學與納米科學中心Kai Zhu團隊聯合在國際頂級期刊《Nature》在線發表題為“On-device lead sequestration for perovskite solar cells”的研究文章，提出一種化學方法，可確保鉛基鈣鈦礦電池器件可能嚴重損壞後，超過96％的鉛洩漏得到吸收和隔離處理。
研究預覽：鈣鈦礦太陽能電池作為一種新興的高效、低成本的光伏技術，在走向商業化的道路上面臨著許多挑戰。雖然眾多科學家在設備穩定性和效率等方面已經做出了很多的貢獻，但是從設備中浸出鉛的毒性這個潛在問題很少有研究者探討。當在建築集成光伏設備中使用鈣鈦礦太陽能電池時，鉛的潛在洩漏可能被視為一種環境和公共健康風險。
在此文中，該團隊提出了一種化學方法，用於在設備上隔離96%以上由嚴重設備損壞引起的鉛洩漏。在設備的前後兩側塗上一層吸鉛材料。在前面的透明導電電極的玻璃一側，使用了一種透明的吸鉛分子膜，該分子膜含有與鉛緊密結合的膦酸基團；在背面(金屬)電極一側，在金屬電極和標準光伏封裝膜之間放置一種混合了鉛螯合劑的聚合物膜。兩側吸鉛膜遇水浸泡膨脹吸收而不溶解，結構完整，損傷後易收集鉛。
圖文解讀：傳統550nm 厚的鉛(Pb)基鈣鈦礦太陽能電池(PSC)、鉛的單位面積濃度約0.75g/m2，是現在傳統含鉛燃料（0.007g/m2）的100多倍，明顯低於嚴格被禁止的鉛基塗料的數量級（約10 g/m2）。當受到輕微的環境損害時，增強的物理封裝可以減少設備中的鉛洩漏。然而更加重要的是制定解決方案，避免可能存在的鉛洩露到環境中，無論是水、土壤或者空氣中。雖然玻璃封裝火災危險的方法之前已經有報道，但幾乎沒有鉛流入地下水或者土壤中的解決方案。
如下圖的器件示意圖所示：在玻璃上沉積一層透明的DMDP膜，用來吸收鉛，補充實驗數據顯示，DMDP塗層的厚度在0.7-6.89μm的範圍內時，是完全透明的，每個DMDP分子中的兩個膦酸基團可以與一個鉛離子結合，經計算結合能為295.6kJ/mol。DMDP可溶於某些極性有機溶劑（如乙醇），可以通過普通塗敷方式進行薄膜沉積。相比之下，DMDP薄膜是不溶於水的，但是透水性極好。因此當水滲入設備時，功能膦酸基團可以有效地吸收水中的鉛離子。
器件示意圖
該團隊通過將DMDP薄膜浸泡在碘化鉛（PbI2）水溶液中，研究溶液中Pb2+濃度隨時間的變化規律，初步瞭解DMDP薄膜在玻璃基板上的吸鉛能力。以6個原始的鈣鈦礦太陽能電池的Pb洩露和已知濃度的PbI2溶液的測量值作為參考，驗證測量值在一定範圍的準確性。
對於上圖設備中使用的厚度約為2.36μm的薄膜來講，DMDP的數量約為鉛離子的1.7倍，以保證有足夠的鉛離子結合位點。
經過一系列的實驗，0.7μm厚的DMDP薄膜（相當於溶液中75%的鉛離子）的結合位點有限，對鉛離子的吸收能力有限，因此在之後的研究中，該團隊選擇2.36μm厚的DMDP薄膜作為進一步的實驗基礎。該團隊將兩種鉛離子吸收膜集成到鈣鈦礦太陽能電池中，以研究它們對集成設備上鉛離子的隔離能力的影響。2.36μm厚的DMDP薄膜和EDTMP-PEO薄膜分別安裝在設備的正面和背面，總的鈣鈦礦覆蓋面積為2.5cm*2.5cm。
鉛防洩漏測試
需要注意的是，所有鈣鈦礦太陽能電池的背面都覆蓋有乙烯基醋酸乙烯酯(EVA)薄膜，除非另有說明。該團隊用錘子強行打碎了玻璃的一面，用剃鬚刀片從背面切開了EVA薄膜和下面層，所有經過測試的PSCs都是用同樣的方式和模式。然後，將所有設備浸泡在相同的燒杯中，並加入40mL純水，用於pb洩漏和隔離研究。上圖b為在40ml純水中浸泡塗有Pb吸收膜的雙側破損裝置與同樣破損的原始裝置的Pb濃度隨時間的變化關係。
這些研究分別在室溫和50°C(以提高Pb洩漏率)下進行，每種條件下重複6個設備。裝置上的鉛離子吸收膜在兩種溫度下，裝置浸在水中的鉛離子洩漏量約為0.2 ppm，說明鉛離子吸收膜可以有效地從鈣鈦礦太陽能電池中含Pb的鈣鈦礦層中捕獲大部分洩漏的鉛離子。基於擴散方程的數學模擬計算也表明，在有和沒有DMDP吸收膜的情況下，鉛離子的洩漏情況有很大的差別，從模擬的角度證實了實驗現象和結果。
為了系統地評估的該器件上的鉛離子隔離系統對鈣鈦礦太陽能電池的光伏性能的影響，該團隊比較了三種不同配置的鈣鈦礦序列:(1)原始控制鈣鈦礦太陽能電池設備;(2)在鈣鈦礦太陽能電池設備的玻璃一側添加透明的DMDP層;（3）在金屬電極側增加額外的EDTMP-PEO層，所有設備均覆蓋EVA包裝膜。
器件性能
上圖3a、b分別為上述三種構型測量的代表性器件的J-V曲線及對應的入射光-電子轉換效率(IPCE)。三種配置下的正向和反向電壓掃描的J-V曲線基本重合，說明添加pb吸收層對PSC性能沒有負面影響。該團隊還測試了穩定的功率輸出效率(圖3c)，結果與J-V測量結果一致。值得注意的是,使用DMDP層表現出對設備性能的影響可以忽略不計，集成電流密度的範圍為22.2–22.4 mA cm−2,這也進一步證實了DMDP塗層設備的光學性能沒有實質性影響。
最後，團隊成員研究了這些設備在50℃時1個太陽光照強度下連續運行的長期穩定性。結果表明：連續工作約500小時後，設備性能沒有變化。使用鉛離子吸收層(特別是DMDP膜在入射光的直接光程內)不會對器件性能和長期運行穩定性產生負面影響。
DOI：10.1038/s41586-020-2001-x
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