“自修复”聚合物：让钙钛矿太阳能电池更接近商业化
导读
据日本冲绳科学技术大学院大学网近日报道，该校研究人员报告称，环氧树脂保护层有利于防止钙钛矿太阳能电池的污染物泄露。在钙钛矿太阳能电池顶部添加一层聚合物，可彻底降低其向环境中排放铅的量。这项研究有力提振了钙钛矿太阳能电池的商业化前景。背景
随着大气中的二氧化碳水平达到历史最高记录，极端天气事件越发频繁，全世界正在从依赖于矿石燃料的传统能源系统向以太阳能为代表的可再生能源系统转变。
（图片来源：维基百科）
目前大多数的太阳能电池都是由硅制成，因为硅善于吸收光线。可是，硅面板的制造成本却非常高。然而，钙钛矿吸收光线的效率比硅更高，成本更低廉。
（图片来源：维基百科）
因此，钙钛矿非常适合作为太阳能电池吸收光线的活性层。将钙钛矿结构集成到太阳能电池中所需的设备也相对简单。例如，钙钛矿结构可以溶解到溶剂中，然后直接喷涂到基底上。
钙钛矿太阳能电池（图片来源：OIST）
钙钛矿太阳能技术很有前景，但是商业化的关键挑战在于，它会向环境排放污染物例如铅，特别是在极端气候条件下。铅所固有的不稳定性与毒性，引起了人们对于铅基钙钛矿的可行性的严重忧虑，阻碍了基于这些材料的太阳能电池以及类似器件的大规模商用。
创新
近日，日本冲绳科学技术大学院大学（OIST）的科学家们报告称，环氧树脂保护层有利于防止钙钛矿太阳能电池的污染物泄露。在钙钛矿太阳能电池顶部添加一层聚合物，可彻底降低其向环境中排放铅的量。这项研究有力提振了钙钛矿太阳能电池的商业化前景。
（图片来源：OIST）
这项研究（发表在《自然能源（Nature Energy）》期刊上）的领导者、能源材料与表面科学课题组的领头人 Yabing Qi 教授表示：“尽管钙钛矿太阳能电池能以较低成本将太阳光高效地转化为电力，但是它们却含有铅，这样会造成相当大的环境问题。”
“虽然所谓的‘无铅’技术值得探索，但是它尚未达到铅基方案的效率与稳定性。因此，寻找既能在钙钛矿太阳能电池中使用铅又能使它不泄露到环境中的方案，是商业化的关键一步。”
技术
在OIST技术开发和创新中心的概念验证项目的支持下，齐（音）教授的课题组首先探索出将保护层添加到钙钛矿太阳能电池中的封装方法，从而搞清楚哪种材料能最好地防止铅泄露。他们将不同材料封装的电池暴露于人为设计的各种环境中，以模仿电池在真实世界中会遇到的各种天气。
他们想要测试太阳能电池在最糟糕的天气情况下的表现，以搞清楚可能产生的最大铅泄露。首先，他们用一个大球猛烈撞击太阳能电池，模拟有可能打破结构并照成铅泄露的极端冰雹天气。接下来，他们向太阳能电池上浇酸性水，模拟有可能将泄露的铅输送到环境中的雨水。
团队采用质谱分析法分析酸雨，从而判断有多少铅从电池中泄露出来。他们发现，环氧树脂层实现了最少的铅泄露，比其他材料要低几个数量级。
环氧树脂也在一系列的天气条件下表现得最好。在这些天气条件下，阳光、雨水和温度都被改变，以模仿钙钛矿太阳能电池的运行环境。在包括大雨的所有天气条件下，环氧树脂优于其他封装材料。
环氧树脂如此好的工作表现，得益于它的“自修复（self-healing）”特性。例如，在其结构被冰雹损坏之后，聚合物在受到阳光加热时部分地改变其初始形状。这样就限制了从电池内部泄露出的铅的量。这种自修复特性使得环氧树脂成为未来光伏产品封装层的重要选择。
（图片来源：OIST）
未来
齐教授解释道：“尽管其他自修复聚合物有可能更好，但是环氧树脂无疑是一个强有力的候选方案。目前，我们乐于提升光伏行业的标准，并讨论这项技术的安全性。下一步，我们将在这些数据的基础上，确定哪种聚合物才是最好的。”
除了铅泄露以外，另外一项挑战就是将钙钛矿太阳能电池升级成钙钛矿太阳能电池板。电池的长度只有几个厘米，而电池板却能跨越几米，并且对于潜在的消费者来说更有价值。团队也将关注可再生能源存储的这项长期挑战。
关键字
太阳能、钙钛矿、铅、电池、可再生能源
参考资料
【1】Yan Jiang, Longbin Qiu, Emilio J. Juarez-Perez, Luis K. Ono, Zhanhao Hu, Zonghao Liu, Zhifang Wu, Lingqiang Meng, Qijing Wang, Yabing Qi. Reduction of lead leakage from damaged lead halide perovskite solar modules using self-healing polymer-based encapsulation. Nature Energy, 2019; DOI: 10.1038/s41560-019-0406-2
【2】https://www.oist.jp/news-center/press-releases/%E2%80%9Cself-healing%E2%80%9D-polymer-brings-perovskite-solar-tech-closer-market