媒體南工 NAVIGATION
〔中國科學網〕科學家提出鉛泄漏標準測試模型和固鉛最優方案
時間：2023-06-01
來源：中國科學網
作者：溫才妃 朱琳
攝影： 編輯：楊筱奕
上傳：
南京工業大學柔性電子（未來技術）學院副研究員張輝系統對比固鉛策略的工作機制及應用前景，提出關于鉛泄漏的標準測試模型，分析了鉛基鈣鈦礦太陽能電池中的固鉛策略。近日，《自然》在線發表了相關研究成果。張輝為文章第一作者，南京工業大學為第一作者單位。
南京工業大學柔性電子（未來技術）學院院長陳永華指出，雖然鈣鈦礦光伏組件中鉛元素的重量占比較低，但由于鉛離子較高的生物兼容性，組件中極小比例的鉛進入食物鏈后危及人類健康。“特別是鈣鈦礦太陽電池在產業化應用時往往要大面積暴露于戶外，不可抗因素造成的破損引起的危害更大。”
目前學界的方案是固化鉛，即通過降低鉛離子水溶性以阻斷其傳播途徑。張輝分析了從鈣鈦礦太陽能電池中固定鉛的四種化學方法——晶粒封裝通過將鈣鈦礦顆粒包裹在疏水性有機物、防水氧化物或不溶性鉛鹽，可有效地阻斷水進入和離子流出的通道；鉛絡合策略可通過合理的添加劑工程形成鉛-添加劑復合物的低溶解度產物，以降低降解鈣鈦礦中鉛化合物的溶解度；結構整合策略通過提高組成元素的結合強度、集成體連接性和界面內聚力，增加水滲透、結構碎裂和分層的能壘，提高結構穩定性，防止水溶解和鉛泄漏；鉛泄漏的吸附方案直接將泄露的鉛吸附掉，可以顯著減少96%的泄露。
“前三種策略是內部鉛固定策略，因為鉛離子在泄漏前得到了預保護，表現出高選擇性和快速響應性，但封裝策略中的疏水材料導電性差，絡合策略中的添加劑大多數也是絕緣材料，并且其與鉛前體之間的相互作用會影響鈣鈦礦結晶，整合策略可行性最高，但鉛存固效率也只有約80%。”為了充分利用吸附策略的優勢，減少吸附策略中“先泄露后處理”可能帶來的危害，張輝提出了將整合策略和吸附策略結合使用的方法，“我們可以在器件內部使用結構整合策略，在器件外部用鉛吸附劑，在抑制鉛泄漏方面更有效。”
除此之外，該文章還提供了關于鉛泄漏的標準測試模型以有效評估鈣鈦礦器件的環境危害性。“鉛基鈣鈦礦太陽電池的鉛泄漏及其吸附在很大程度上取決于測試條件，如溫度、pH值和暴露水的體積，以及設備是如何損壞的。然而，目前關于鉛泄露的值是在完全不同的條件下測量的，應以標準方式測量一些指標。”張輝建立的鉛泄漏標準測試模型充分考慮了在極端氣候條件下，水的溫度、流速、PH值等因素，為統一測量標準提供了參考。
“現在我們分析的是戶外鉛泄露的問題，其實在實驗室階段也存在鉛泄露隱患。”張輝說，未來他們還將從鉛基鈣鈦礦太陽電池研發、應用的整個生命周期去考慮并分析固化鉛策略，從而保證在充分安全的情況下，大規模實施這項有前景的技術。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-023-05938-4
2023年5月30日《中國科學網》：https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2023/5/501856.shtm
