北卡大学教堂山分校黄劲松团队Sci. Adv.：吸铅离子凝胶用于耐冲击、稳定和铅安全的钙钛矿模块

【引言】

金属卤化钙钛矿在下一代低成本高效太阳能电池中显示出巨大的潜力。单结钙钛矿太阳能电池（PSCs）的认证功率转换效率（PCEs）已经超过25%，钙钛矿/硅串联太阳能电池的PCEs已经超过29%。同时，大面积钙钛矿模块的认证效率达到18.6%（面积为30至60 cm²），与商业化的硅模块相当。这表明PCE不再是钙钛矿光伏商业化的关键问题。然而，由于钙钛矿含水溶性铅可能对土壤和地下水资源造成巨大的潜在污染，其实际应用受到了很大的阻碍。一种直观的方法是用无毒成分替代铅钙钛矿，如锡（Sn）钙钛矿或双钙钛矿。然而，锡基PSCs稳定性较差，因为Sn²⁺很容易被氧化为Sn⁴⁺，甚至容易被处理锡钙钛矿的溶剂所氧化，而双钙钛矿设备的PCEs太小，不能被认为是有用的。尽管含铅钙钛矿存在缺陷，但仍是实现高效稳定的钙钛矿太阳能模块的首选。最近已经探索了替代方法，以减少铅基PSCs的铅泄漏到环境中。作为高效PSCs的组成部分，电荷传输层，如空穴传输层的烷氧基聚四乙二醇（PTEG）和电子传输层的2D金属有机框架，自然是捕获铅的良好候选材料。然而，电荷传输层通常只有20 ~ 50 nm的相对较小的厚度，以实现有效的电荷收集，并不能提供足够的容量来吸附500 ~ 1000 nm厚的钙钛矿层中的铅离子。另一种方法是用物理屏障或铅吸附材料包裹PSCs，以防止铅泄漏。但物理堵塞聚合物只能减缓铅的泄漏速度。在正面涂覆的铅吸附层需要物理屏蔽；否则，在长期暴露的过程中，它可能会失去其功能。将铅吸附剂放入钙钛矿层内，很好地避免了这个问题。另一方面，封装是筛选环境刺激的必要条件，以提高太阳能电池的运行稳定性，这需要一个独特的层来保护钙钛矿器件。因此，需要一种有效的策略来同时解决钙钛矿模块中的铅毒性和不稳定性这两个问题。

【成果简介】

近日，在北卡罗来纳大学教堂山分校黄劲松教授团队等人带领下，报告了一种基于铅吸附离子凝胶的钙钛矿模块封装策略，可以防止铅泄漏，并经得起长期的稳定性测试。集成在模块两侧的离子凝胶层增强了抗冲击性。自修复离子凝胶可以防止水渗入钙钛矿层，吸附可能泄漏的铅。封装的器件通过湿热和热循环加速稳定性测试，符合国际电工委员会61215标准。被冰雹损坏的模块在水中浸泡24小时后，离子凝胶封装可将铅泄漏降低到无法检测的水平。即使被汽车碾压后再用水浸泡45天，离子凝胶封装也能将铅的泄漏减少三个数量级。这项工作提供了一个同时解决钙钛矿模块的铅泄漏和稳定性的策略。该成果以题为“Lead-adsorbing ionogel-based encapsulation for impact-resistant, stable, and lead-safe perovskite modules”发表在了Sci. Adv.上。

【图文导读】

图1 吸附铅的离子凝胶

(A) 离子凝胶微观结构和铅吸附机理的示意图。

(B) 有和没有离子凝胶（厚度为 500 μm）的玻璃基板的透射率。插图是玻璃基板（由蓝色虚线表示）上面积为 15 cm*15 cm（由红色虚线表示）的离子凝胶图像。

(C) 离子凝胶和POE的紫外稳定性。

(D) 不同颜色染色的原始离子凝胶样品（左上）；切割样品（左中）并在50°C下愈合2小时的图像（左下）；拉伸愈合样品的图像（右）。

(E)离子凝胶的铅吸附动力学。插图是来自拟二级模型的动力学拟合曲线。

图2 离子凝胶封装微模块的性能

(A)器件结构。HTL，空穴传输层； ETL，电子传输层。

(B) 离子凝胶封装前后钙钛矿模块（面积为 31.5 cm²）离的I-V曲线。插图是封装模块的图像。

(C)离子凝胶封装前后典型PSCs（面积为 0.08 mm²）的J-V曲线。插图为参数对比图。

(D) 离子凝胶封装前后32个PSCs的效率分布统计结果。

(E，F)根据IEC 61215标准，PSCs在DH (E)和热循环(F)测试期间的效率变化。

图3 金属球落下损坏微型模块的铅泄漏

(A)三种封装结构的方案。

(B)损坏的微型模块的水浸泡测试结果。插图为破碎模块浸泡在去离子水中的图像。

(C~E)不同封装结构的受损钙钛矿模块在去离子水中浸泡的典型变化图像

不同封装的钙钛矿模块在DI水中浸泡结构A (C)、B (D)和C (E)的典型演化图像。

图4 防止被汽车碾压的铅泄漏测试

(A)汽车在封装的钙钛矿薄膜上滚动的图像。

(B)破碎钙钛矿薄膜的水浸泡测试结果。

(C~E) 结构为A (C)、B (D)、C (E)的受损钙钛矿薄膜在去离子水中浸泡后的变化图像。

【小结】

综上所述，团队报告了一种耐冲击的、自修复的、可吸附铅的离子凝胶，将被纳入钙钛矿太阳能模块封装中，同时减少铅泄漏，提高器件的稳定性。离子凝胶封装的PSCs具有高效的兼容性（微型模块的PCE为18.5%，小电池的PCE为22.9%），并具有令优异的长期稳定性（在DH和热循环测试后，相对效率损失小于5%）。离子凝胶的掺入可以明显抑制钙钛矿模块的铅泄漏。在模拟冰雹测试后，经过24小时的水浸泡，无法检测到的铅（<1 ppb）可能会从损坏的钙钛矿模块中漏出。即使在极端条件下，如被汽车碾压，这种坚固的离子凝胶层封装仍能保持完整，并作为过滤层抑制铅泄漏，比标准玻璃盖和POE密封胶封装的设备要好近3个数量级。这些结果将加速钙钛矿太阳能技术在现实世界的应用。

文献链接：Lead-adsorbing ionogel-based encapsulation for impact-resistant, stable, and lead-safe perovskite modules（Sci. Adv.，2021，DOI：10.1126/sciadv.abi8249）

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