科学家提出铅泄露标准测试模型和固铅最优方案

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南京工业大学柔性电子（未来技术）学院副研究员张辉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，分析了铅基钙钛矿太阳能电池中的固铅策略。近日，《自然》在线发表了相关研究成果。张辉为文章第一作者，南京工业大学为第一作者单位。

南京工业大学柔性电子（未来技术）学院院长陈永华指出，虽然钙钛矿光伏组件中铅元素的重量占比较低，但由于铅离子较高的生物兼容性，组件中极小比例的铅进入食物链后危及人类健康。“特别是钙钛矿太阳电池在产业化应用时往往要大面积暴露于户外，不可抗因素造成的破损引起的危害更大。”

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。张辉分析了从钙钛矿太阳能电池中固定铅的四种化学方法——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，可有效地阻断水进入和离子流出的通道；铅络合策略可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，以降低降解钙钛矿中铅化合物的溶解度；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，防止水溶解和铅泄漏；铅泄漏的吸附方案直接将泄露的铅吸附掉，可以显著减少96%的泄露。

“前三种策略是内部铅固定策略，因为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数也是绝缘材料，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，减少吸附策略中“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使用结构整合策略，在器件外部用铅吸附剂，在抑制铅泄漏方面更有效。”

除此之外，该文章还提供了关于铅泄漏的标准测试模型以有效评估钙钛矿器件的环境危害性。“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。然而，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。

“现在我们分析的是户外铅泄露的问题，其实在实验室阶段也存在铅泄露隐患。”张辉说，未来他们还将从铅基钙钛矿太阳电池研发、应用的整个生命周期去考虑并分析固化铅策略，从而保证在充分安全的情况下，大规模实施这项有前景的技术。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-023-05938-4