自修复聚合物:使钙钛矿太阳能电池更接近商业化

背景

随着大气中的二氧化碳水平达到历史最高水平，极端天气事件变得更加频繁，世界正在从依赖化石燃料的传统能源系统转变为以太阳能为代表的可再生能源系统。

目前大部分太阳能电池都是硅做的，因为硅很好吸收光。然而，硅面板的制造成本非常高。然而，钙钛矿比硅吸收光的效率更高，成本更低。

因此，钙钛矿非常适合作为太阳能电池吸收光的活性层。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在溶剂中，然后直接喷涂到基底上。

钙钛矿太阳能技术很有前景，但商业化的关键挑战是它会向环境排放铅等污染物，特别是在极端天气条件下。铅固有的不稳定性和毒性引起了人们对铅基钙钛矿可行性的严重担忧，这阻碍了基于这些材料的太阳能电池和类似器件的大规模商业化。

改革

最近，来自冲绳科技大学(OIST)的科学家报告说，环氧树脂保护层有利于防止污染物从钙钛矿太阳能电池中泄漏。在钙钛矿太阳能电池的顶部添加一层聚合物可以完全减少排放到环境中的铅量。这项研究极大地推动了钙钛矿太阳能电池的商业化前景。

这项研究(发表在《自然能源》杂志上)的负责人、能源材料和表面科学研究组组长亚兵齐教授说:“虽然钙钛矿太阳能电池可以低成本高效地将太阳光转化为电能，但它们含有铅，会造成相当大的环境问题。”

“虽然所谓的无铅技术值得探索，但它还没有达到基于铅的解决方案的效率和稳定性。因此，找到一种可以在钙钛矿太阳能电池中使用铅而不会泄漏到环境中的解决方案，是商业化的关键一步。”

技术

在技术开发创新中心概念验证项目的支持下，齐教授的研究组首先探索了钙钛矿太阳能电池添加保护层的封装方法，以找出哪种材料最能防止铅泄漏。他们将包装在不同材料中的电池暴露在各种人工设计的环境中，以模拟电池在真实世界中会遇到的天气。

他们想在最恶劣的天气条件下测试太阳能电池的性能，以找出最大可能的铅泄漏。首先，他们用一个大球猛烈撞击太阳能电池，模拟可能破坏结构并导致泄漏的极端冰雹天气。接下来，他们将酸性水倒在太阳能电池上，以模拟可能将泄漏的铅输送到环境中的雨水。

该小组使用质谱分析酸雨，以确定有多少铅从电池中泄漏。他们发现环氧树脂层实现了最少的铅泄漏，比其他材料低几个数量级。

环氧树脂在一系列天气条件下也表现最佳。在这些天气条件下，阳光、雨水和温度都被改变，以模拟钙钛矿太阳能电池的工作环境。在所有天气条件下，包括大雨，环氧树脂优于其他包装材料。

环氧树脂的良好性能是由于它的“自愈合”特性。例如，在其结构被冰雹破坏后，聚合物在被阳光加热时会部分改变其初始形状。这限制了从电池内部泄漏的铅量。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。

将来的

齐教授解释说:“虽然其他自修复聚合物可能更好，但环氧树脂无疑是一个强有力的候选材料。目前，我们很乐意提高光伏行业的标准，并讨论这项技术的安全性。接下来，基于这些数据，我们将确定哪种聚合物是最好的。”

除了铅泄漏，另一个挑战是将钙钛矿太阳能电池升级为钙钛矿太阳能电池板。电池的长度只有几厘米，但面板可以跨越数米，对潜在消费者更有价值。该团队还将关注可再生能源储存的长期挑战。

参考数据

1闫江、邱龙斌、埃米利奥·j·华雷斯-佩雷斯、路易斯·k·小野、胡、刘、吴志芳、孟凌强、王、戚亚兵。使用自修复聚合物基封装减少受损卤化铅钙钛矿太阳能电池组件的铅泄漏。自然能源，2019；DOI:10.1038/s 41560-019-0406-2

2 https://www . oist . jp/news-center/press-releases/% E2 % 80% 9c self-healing % E2 % 80% 9D-polymer-bries-钙钛矿型太阳能技术-closer-market