一招解决太阳能电池商业化难题！

【研究背景】

卤化物钙钛矿太阳能电池（PSCs）由于其低成本、高效率和溶液可加工性，有望在向可持续未来的过渡中发挥重要作用。尽管前景广阔，但最先进的、性能最佳的PSC仍然严重依赖使用含铅钙钛矿作为光吸收剂。不幸的是，铅毒性问题，特别是在破碎的PSCs导致不良铅泄漏的情况下，对环境和人类健康产生了不利影响，这将给PSC的实际应用和长期部署的前景蒙上阴影。

过去已经开发了几种方法，一旦PSC在极端天气条件下受损，就通过物理封装或化学吸收来缓解铅泄漏问题。尽管器件上的铅吸附效果非常出色，但目前的尝试需要额外的工艺和谨慎的修改来制造吸铅膜，这将使器件配置和制造程序复杂化，并可能限制器件性能和可扩展性。此外，还应注意，铅吸收层在长期暴露于含有各种金属离子的雨水中、阳光中的紫外线辐射或在清洁过程中损坏时会逐渐饱和或去功能化。作为对器件上铅吸收方法的补充，通过在钙钛矿层内加入铅吸收器材料或支架的内置策略也是最大限度地减少铅泄漏的不错选择，一旦钙钛矿分解，它可以快速有效地捕获铅离子。然而，一个主要问题是在增加嵌入式吸铅支架的厚度或含量时会损害器件效率。为此，非常需要一种理想的策略，即通过内置互连的铅吸收网络进行原位封装和螯合，同时最大限度地减少铅泄漏并降低铅毒性，且不影响器件效率，但这尚未得到探索和报道。

【成果简介】

在此，中山大学吴武强教授等人表明可以通过嵌入由2-羟丙基β-环糊精（HPβCD）和1,2,3,4-丁烷四羧酸（BTCA）组成的交联超分子复合物来解决这一难题。结果显示，内置的HPβCD-BTCA复合物可以很大程度上抑制严重损伤钙钛矿太阳能电池的铅泄漏，在522 h动态水冲刷后仍保持97%的初始浓度，且水中只有小于14 ppb铅污染。毒性评价表明，HPβCD-BTCA复合物与含铅钙钛矿之间的螯合作用也可以将含铅钙钛矿太阳能电池的毒性降低到与无铅钙钛矿太阳能电池相当甚至更低的水平。此外，HPβCD-BTCA的掺入同时提高了钙钛矿太阳能电池的稳定性和重现性。因此，本文提出的策略为可持续发展的钙钛矿太阳能电池铺平了新的道路，并能使钙钛矿太阳能电池更接近商业化。

基于此，来自于牛津大学的Robert L. Z. Hoye博士评价到“Yang等人的策略有可能最大限度地减少钙钛矿太阳能电池应用对人类健康和当地生态系统的不利影响，且HPβCD-BTCA无需封装即可提高钙钛矿太阳能电池的稳定性，并可用于从旧器件中回收PbI2。这项工作进一步推动了对超分子复合物的进一步探索，其可作为提高钙钛矿太阳能电池以及其他溶液处理电子产品的效率，稳定性和可持续性的策略。”

 

相关研究成果同样以“Preventing lead release from perovskites”为题发表在Nature Sustainability上。

图1. 使用超分子复合物隔离卤化物钙钛矿中的铅。

图2. HPβCD和BTCA分子的化学结构及其在稳定钙钛矿前驱体中的作用。

图3. 钙钛矿与HPβCD-BTCA之间的化学相互作用及其在调节钙钛矿结晶中的有效作用。

图4. 使用HPβCD-BTCA修饰后制造的PSC的光电特性。

图5. 掺入HPβCD-BTCA的钙钛矿薄膜中的铅螯合和铅毒性评估。

图6. PSC中铅回收和管理的示意图。

【结论展望】

综上所述，作者报道了一种内置的自交联超分子复合物，由2-羟丙基-β-环糊精（HPβCD）和1,2,3,4-丁烷四羧酸（BTCA）组成，用于制造更高效、更耐用和可重现的PSC。更重要的是，HPβCD-BTCA复合物与Pb ^2+^ 离子之间通过强大的化学配位和多齿螯合作用，最大限度地减少了铅泄漏，并降低了所得PSC中的铅毒性。目标钙钛矿太阳能电池展现出22.14%的最高PCE，且使用寿命延长了近4000小时。在522小时的动态水冲刷后，严重破碎的装置保持了97%的初始效率，在水中只有<14 ppb的Pb ^2+^ 污染，该水平符合美国环境保护署的标准（15 ppb）。内置的HPβCD-BTCA超分子复合物有利地降低了含铅钙钛矿太阳能电池的铅毒性，并对生物体的繁殖没有不良影响，本文的工作提供了一种新颖和可持续的方法，以低成本的方式实现了持久、可重复、环保和生物安全的钙钛矿光伏器件。

审核编辑：刘清