導(dǎo)游

據(jù)日本沖繩科技大學(xué)大學(xué)網(wǎng)報(bào)道，該校研究人員報(bào)告說，環(huán)氧樹脂保護(hù)層有助于防止鈣鈦礦太陽能電池污染物泄漏。

在鈣鈦礦太陽能電池頂部添加一層聚合物，可徹底降低其向環(huán)境中排放鉛的量。這項(xiàng)研究有力提振了鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化前景。

背景

隨著大氣中的二氧化碳水平達(dá)到歷史最高記錄，極端天氣事件越發(fā)頻繁，全世界正在從依賴于礦石燃料的傳統(tǒng)能源系統(tǒng)向以太陽能為代表的可再生能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。

（圖片來源：維基百科）

目前大多數(shù)的太陽能電池都是由硅制成，因?yàn)楣枭朴谖展饩€?？墒?，硅面板的制造成本卻非常高。然而，鈣鈦礦吸收光線的效率比硅更高，成本更低廉。

（圖片來源：維基百科）

因此，鈣鈦礦非常適合作為太陽能電池吸收光線的活性層。將鈣鈦礦結(jié)構(gòu)集成到太陽能電池中所需的設(shè)備也相對(duì)簡(jiǎn)單。例如，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)可以溶解到溶劑中，然后直接噴涂到基底上。

鈣鈦礦太陽能電池（圖片來源：OIST）

鈣鈦礦太陽能技術(shù)很有前景，但是商業(yè)化的關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于，它會(huì)向環(huán)境排放污染物例如鉛，特別是在極端氣候條件下。鉛所固有的不穩(wěn)定性與毒性，引起了人們對(duì)于鉛基鈣鈦礦的可行性的嚴(yán)重憂慮，阻礙了基于這些材料的太陽能電池以及類似器件的大規(guī)模商用。

創(chuàng)新

近日，日本沖繩科學(xué)技術(shù)大學(xué)院大學(xué)（OIST）的科學(xué)家們報(bào)告稱，環(huán)氧樹脂保護(hù)層有利于防止鈣鈦礦太陽能電池的污染物泄露。在鈣鈦礦太陽能電池頂部添加一層聚合物，可徹底降低其向環(huán)境中排放鉛的量。這項(xiàng)研究有力提振了鈣鈦礦太陽能電池的商業(yè)化前景。

（圖片來源：OIST）

這項(xiàng)研究（發(fā)表在《自然能源（Nature Energy）》期刊上）的領(lǐng)導(dǎo)者、能源材料與表面科學(xué)課題組的領(lǐng)頭人 Yabing Qi 教授表示：“盡管鈣鈦礦太陽能電池能以較低成本將太陽光高效地轉(zhuǎn)化為電力，但是它們卻含有鉛，這樣會(huì)造成相當(dāng)大的環(huán)境問題?！?/p>

“雖然所謂的‘無鉛’技術(shù)值得探索，但是它尚未達(dá)到鉛基方案的效率與穩(wěn)定性。因此，尋找既能在鈣鈦礦太陽能電池中使用鉛又能使它不泄露到環(huán)境中的方案，是商業(yè)化的關(guān)鍵一步。”

技術(shù)

在OIST技術(shù)開發(fā)和創(chuàng)新中心的概念驗(yàn)證項(xiàng)目的支持下，齊（音）教授的課題組首先探索出將保護(hù)層添加到鈣鈦礦太陽能電池中的封裝方法，從而搞清楚哪種材料能最好地防止鉛泄露。他們將不同材料封裝的電池暴露于人為設(shè)計(jì)的各種環(huán)境中，以模仿電池在真實(shí)世界中會(huì)遇到的各種天氣。

他們想要測(cè)試太陽能電池在最糟糕的天氣情況下的表現(xiàn)，以搞清楚可能產(chǎn)生的最大鉛泄露。首先，他們用一個(gè)大球猛烈撞擊太陽能電池，模擬有可能打破結(jié)構(gòu)并照成鉛泄露的極端冰雹天氣。接下來，他們向太陽能電池上澆酸性水，模擬有可能將泄露的鉛輸送到環(huán)境中的雨水。

團(tuán)隊(duì)采用質(zhì)譜分析法分析酸雨，從而判斷有多少鉛從電池中泄露出來。他們發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧樹脂層實(shí)現(xiàn)了最少的鉛泄露，比其他材料要低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

環(huán)氧樹脂也在一系列的天氣條件下表現(xiàn)得最好。在這些天氣條件下，陽光、雨水和溫度都被改變，以模仿鈣鈦礦太陽能電池的運(yùn)行環(huán)境。在包括大雨的所有天氣條件下，環(huán)氧樹脂優(yōu)于其他封裝材料。

環(huán)氧樹脂如此好的工作表現(xiàn)，得益于它的“自修復(fù)（self-healing）”特性。例如，在其結(jié)構(gòu)被冰雹損壞之后，聚合物在受到陽光加熱時(shí)部分地改變其初始形狀。這樣就限制了從電池內(nèi)部泄露出的鉛的量。這種自修復(fù)特性使得環(huán)氧樹脂成為未來光伏產(chǎn)品封裝層的重要選擇。

（圖片來源：OIST）

未來

齊教授解釋道：“盡管其他自修復(fù)聚合物有可能更好，但是環(huán)氧樹脂無疑是一個(gè)強(qiáng)有力的候選方案。目前，我們樂于提升光伏行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，并討論這項(xiàng)技術(shù)的安全性。下一步，我們將在這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，確定哪種聚合物才是最好的?！?/p>

除了鉛泄露以外，另外一項(xiàng)挑戰(zhàn)就是將鈣鈦礦太陽能電池升級(jí)成鈣鈦礦太陽能電池板。電池的長(zhǎng)度只有幾個(gè)厘米，而電池板卻能跨越幾米，并且對(duì)于潛在的消費(fèi)者來說更有價(jià)值。團(tuán)隊(duì)也將關(guān)注可再生能源存儲(chǔ)的這項(xiàng)長(zhǎng)期挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵字

太陽能、鈣鈦礦、鉛、電池、可再生能源

參考資料

【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】