担心钙钛矿太阳能电池铅泄漏?最新Nature Sustainability解决了这一重大问题!

担心钙钛矿太阳能电池铅泄漏?最新Nature Sustainability解决了这一重大问题!

担心钙钛矿太阳能电池铅泄漏?最新Nature Sustainability解决了这一重大问题!

第一作者:Xun Li,Fei Zhang

通讯作者:Tao Xu, Kai Zhu

通讯单位:北伊利诺伊大学, 美国国家可再生能源实验室(NREL)


钙钛矿太阳能电池是一种新兴技术,可以加速未来能源向可持续的过渡。然而,不可避免的有毒铅的存在对环境和健康构成了风险。在这里,研究介绍了在不影响性能和操作的情况下,可以捕获99.9%以上泄漏铅的吸铅胶带。


【研究背景】

钙钛矿太阳能电池(PSCs)的功率转换效率已超过25.5%,在成本和制造方面都有优势。大部分研究已经集中在解决钙钛矿太阳能电池的稳定性和可伸缩性上,潜在的铅(Pb)毒性问题仍然是一个严重的可持续性挑战。Pb2+可溶于水但仍然是实现高效钙钛矿太阳能电池的重要组成部分。目前可用的减轻潜在铅泄漏的方法是有物理封装和化学吸收。不幸的是,仅前现有的方法不足以解决这个问题,特别是在恶劣天气条件下。


论文提出了一种类似透明胶带的设计,使用由标准EVA薄膜和预层压DMDP层组成的Pb2+吸收剂,可以像硅基太阳能电池使用的标准封装过程一样,附着在制备的PSCs (n-i-p和p -i-n构型)的两侧。将封装器件在水中放置7天,接着在室外条件下暴露3个月并发生严重的物理损伤后,这种易于安装的Pb2+吸收胶带可以捕获99.9%的泄露铅。这一SQE水平提供了一种切实可行的方法,可将潜在的Pb2+泄漏降低到低于美国环境保护署制定的饮用水标准。此外,这种类似透明胶带的封装膜可以与封装材料集成,独立于PSC制造工艺。


【内容详情】

铅吸收胶带的制备过程及其在封装标准钙钛矿太阳能电池中的应用如图1所示。首先将DMDP(0.57M)的乙醇溶液涂在EVA膜上,然后在常温下进行溶剂蒸发以供进一步使用。经过温和的热处理后,DMDP层压EVA胶带可将吸收Pb2+的DMDP侧与玻璃表面紧密结合而变得透明,从而不影响正常的光伏性能。在背面,DMDP-层压EVA膜的DMDP侧经过温和的热处理与金属电极紧密接触。


为了验证DMDP层压EVA薄膜对PSCs Pb2+吸收能力,采用了两种类型的PSCs:(1) 采用FTO/TiO2/钙钛矿/Spiro-OMeTAD/Au叠层n-i-p器件;(2) 掺铟氧化锡(ITO)/PTAA/钙钛矿/C60/BCP/Ag叠层p-i-n器件。该装置的正面和背面都用DMDP层压EVA薄膜粘接。用裸EVA包裹(不含DMDP层)进行比较。


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图1|吸铅胶带的制作和器件集成。a,用刮刀将乙醇溶液中的DMDP涂在EVA薄膜示意图(顶部),刮胶过程的照片(底部)。b,DMDP层EVA胶带组成(顶部)和DMDP层EVA胶带照片(底部)。c,经温和热处理后两张封装的PSC实物侧视图(底部),用DMDP层压的PSC(顶部)封装。ETL,电子输运层。


首先,按照报告的方法在装置上进行了滴水试验,以模拟动态降雨。由图2a可知,裸EVA损坏的n-i-p装置1h收集到的水中Pb2+平均浓度为19.14ppm。相比之下,当使用Pb2+吸收带时,Pb2+浓度在第一个小时内大幅降低至2.13ppb。


还发现p-i-n器件的Pb2+平均泄漏量在滴水1小时后从裸EVA的28.88ppm下降到DMDP -层压EVA的2.53ppb。不管器件的配置如何,采用DMDP层压胶带封装的Pb2+具有显著的吸收能力,将Pb2+浓度降低到3ppb,远低于饮用水的15ppb限制。对损坏的装置,用吸铅胶带进行了10小时的滴水试验;两种PSCs均表现出良好的长期吸铅性能,Pb2+积累浓度均保持在10ppb左右。


在户外布置PSCs时,损坏的器件浸泡在水中是另一个不可避免且严重的情况。为了研究DMDP层压 EVA胶带在水浸泡条件下的有效性,将损坏的器件浸泡在40毫升的纯净水中七天,让水完全渗透在整个器件。此外,DMDP层压EVA胶带应足够稳定,以承受正常工作时的户外条件,因此将器件置于屋顶夏季户外条件下3个月,然后进行7天的浸泡水测试。图2b比较了裸EVA膜封装的n-i-p器件与DMDP层压EVA胶带封装的n-i-p器件的7天水浸泡试验结果。DMDP层压EVA胶带器件水中的Pb2+浓度保持在12ppb以下,第7天达到最大值11.75ppb。相比之下,只有EVA的器件Pb2+泄漏量为9.93ppm,接近器件总泄漏量12.90ppm。这些结果表明,SQE为99.9%,使铅水平低于EPA对饮用水中铅的限制(15ppb)。我们进一步对p-i-n PSCs进行了7天浸泡试验。从图2c可以看出,裸EVA膜的p-i-n器件在第7天的Pb泄漏量达到了9.79ppm,非常接近器件的总泄漏量11.61ppm。相比之下,采用吸收带封装的受损器件在第7天的Pb2+泄漏量仅为5.93ppb,对应的SQE超过99.9%。


最后,使用n-i-p叠层器件,在三种不同的封装条件下,不封装、裸EVA膜封装和DMDP层压EVA胶带封装,研究了DMDP层压EVA胶带对PSCs光伏性能的影响。可以肯定的是,铅吸收带的存在并不会降低器件的效率或稳定性。


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图2 Pb泄漏试验。a,滴水试验结果,显示EVA膜封装损坏器件1小时后浸出Pb2+的累积浓度,对比DMDP层压EVA胶带器件10小时后浸出Pb2+的浓度分布。7天水浸试验显示,裸EVA膜和DMDP层压EVA胶带封装的PSCs损伤后Pb2+浓度分别为n-i-p (b)和p-i-n (c)。


【结论】

综上所述,本文发现一种类似透明胶带的化学铅吸收带可以从严重受损的PSCs中捕获99.9%的铅泄漏。这种胶带可以很容易地应用于各种PSCs,无论它们的器件配置。这种吸铅胶带表现出良好的户外耐久性,并在至少7天内保持了超过99.9%的SQE,为后续处理提供了时间窗口。同时,这种方法适用于PSC封装的一般制造方法,而不影响器件的性能。这项工作为减少含Pb2+的PSCs潜在的铅泄漏提供了一种方便和工业可用的方法,促进了钙钛矿基光伏技术的未来商业化。


Li, X., Zhang, F., Wang, J. et al. On-device lead-absorbing tapes for sustainable perovskite solar cells. Nat Sustain (2021). DOI:10.1038/s41893-021-00789-1

https://www.nature.com/articles/s41893-021-00789-1


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参考文献: