中山大学吴武强教授团队研发内置超分子复合物抑制钙钛矿太阳电池的铅泄露和降低其生物毒性

原创 前沿科技投资孵化 未来光锥 

卤化物钙钛矿太阳电池（PSC）作为一种新兴的可再生能源技术，因其低成本、高效率和溶液可加工性而被认为是最有前途的下一代薄膜光伏技术之一。然而，含铅钙钛矿仍然是实现最佳性能PSCs的主要光吸收剂材料。一旦PSCs在极端天气条件下损坏，PSCs中的可溶性铅会对环境和人类健康产生不利影响，这将不利于PSCs的实际应用和长期部署。

为了有效缓解铅泄漏问题，通常采用物理封装或化学吸收等策略。然而，这有可能使器件制造过程复杂化，或者限制器件性能和可扩展性。此外，铅吸收层在长期暴露于恶劣环境中或遭到损坏时会逐渐饱和或失去功能。因此，迫切需要发展一种理想的策略，即通过内置自交联的铅吸收网络进行原位封装和化学螯合，在不影响器件效率的情况下，最大限度地减少铅泄漏并降低铅毒性。

论文截图

材料的铅吸收能力与器件性能

研究发现，由2-羟丙基-β-环糊精(HPβCD)和1,2,3,4-丁烷四羧酸(BTCA)组成的内置自交联超分子复合物，可以全过程稳定钙钛矿前驱体溶液、薄膜和最终器件。

内置HPβCD-BTCA优化器件的效率从20.52%（对照）提高到22.14%（添加HPβCD-BTCA），并提高了器件的湿热稳定性及运行稳定性。HPβCD与BTCA交联可以防止单个HPβCD或BTCA的分子间聚集，确保具有高密度的Pb2+结合位点（羟基和羧基），从而最大化吸铅能力。在60 min的水冲刷试验中，破损的封装器件的Pb泄漏率从对照组的973 mg m−2 h−1显著降低到目标组的54 mg m−2 h−1，实现了94.5%的抑制Pb泄露效率。

此外，在内置HPβCD-BTCA交联网络的器件基础上使用柔性纺丝HPβCD-BTCA膜作为器件外层封装，进一步将Pb泄漏率降低至14 ppb，低于美国环境保护局对饮用水铅含量的限值。

钙钛矿与HPβCD-BTCA的化学相互作用及破损 PSC 中的铅泄露测试。

吸铅材料在饱和或失效时能否降低铅毒性？

当材料上的金属离子吸收位点完全饱和或失活时，化学吸附在吸铅材料上的Pb2+仍有可能再次溶解在水中或流向环境。通过水或食物链累积摄入有毒铅将对人体健康构成威胁并对当地生态系统产生不利影响。因此，降低铅毒性对于制备环境友好和生物安全的PSCs同样重要。大肠杆菌的铅毒性测试表明，HPβCD-BTCA超分子复合物与含铅钙钛矿之间的螯合作用可以将含铅钙钛矿太阳电池的毒性降低到与无铅钙钛矿太阳电池相当甚至更低的水平，并对生物体的繁殖没有不良影响。

含铅钙钛矿的毒性评估。

铅的回收与管理

除了抑制铅泄漏和降低铅毒性外，铅的回收和管理对于使钙钛矿光伏电池变得更加安全和环保同样重要。通过简单的溶解-加热-搅拌-过滤等操作，从报废器件中回收含铅复合材料（HPβCD-BTCA@PbI2）或PbI2来制造新的PSCs。令人鼓舞的是，通过回收的含铅复合材料或PbI2作为原材料制备的器件，其PCE接近商业化购买的原材料所制备的器件。这种策略实现了PSCs的闭环Pb回收和管理，有望实现钙钛矿光伏的低成本生产和实际应用，使钙钛矿太阳电池更接近商业化。

PSCs中铅的回收和管理示意图。

参考文献

Yang, M., Tian, T., Fang, Y. et al. Reducing lead toxicity of perovskite solar cells with a built-in supramolecular complex. Nat Sustain (2023). https://doi.org/10.1038/s41893-023-01181-x

作者：研究团队

编辑：酥鱼

排版：尹宁流

题图来源：团队提供

研究团队

通讯作者 吴武强：中山大学化学学院教授，博士生导师，多年来主要从事新型半导体纳米材料的溶液法合成、分子设计和微纳结构调控，以及高性能光电器件(染料/量子点敏化太阳电池和钙钛矿太阳电池)的制备。在新能源材料的可控合成、机理探究及其在光电应用方面取得多项原创性研究成果，并被国内外同行广泛认可。目前已发表 SCI 收录论文超过 80 篇，引用超过 5000次，H-index 为 40。其中以第一作者或者通讯作者在Nat. Sustain., Nat. Commun., Sci. Adv., Chem. Soc. Rev., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.等期刊上发表 SCI 收录论文 65 篇，其中有 14篇文章入选 ESI 高引用论文，3 篇文章入选热点论文，多篇文章最高引用超过 300 次。

（共同）第一作者 杨梅芳：中山大学化学学院博士研究生。

（共同）第一作者 田甜，中山大学化学学院博士后。

论文信息

发布期刊Nature Sustainability

发布时间 2023年7月17日

论文标题 Reducing lead toxicity of perovskite solar cells with a built-in supramolecular complex

(DOI：https://www.nature.com/articles/s41893-023-01181-x）

原标题：《未来光锥资讯 | 中山大学吴武强教授团队研发内置超分子复合物抑制钙钛矿太阳电池的铅泄露和降低其生物毒性》

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