「自修復」聚合物：讓鈣鈦礦太陽能電池更接近商業化

導讀

據日本沖繩科學技術大學院大學網近日報道，該校研究人員報告稱，環氧樹脂保護層有利於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，可徹底降低其向環境中排放鉛的量。這項研究有力提振了鈣鈦礦太陽能電池的商業化前景。

背景

隨著大氣中的二氧化碳水平達到歷史最高記錄，極端天氣事件越發頻繁，全世界正在從依賴於礦石燃料的傳統能源系統向以太陽能為代表的可再生能源系統轉變。

（圖片來源：維基百科）

目前大多數的太陽能電池都是由硅製成，因為硅善於吸收光線。可是，硅面板的製造成本卻非常高。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。將鈣鈦礦結構集成到太陽能電池中所需的設備也相對簡單。例如，鈣鈦礦結構可以溶解到溶劑中，然後直接噴塗到基底上。

鈣鈦礦太陽能電池（圖片來源：OIST）

鈣鈦礦太陽能技術很有前景，但是商業化的關鍵挑戰在於，它會向環境排放污染物例如鉛，特別是在極端氣候條件下。鉛所固有的不穩定性與毒性，引起了人們對於鉛基鈣鈦礦的可行性的嚴重憂慮，阻礙了基於這些材料的太陽能電池以及類似器件的大規模商用。

創新

近日，日本沖繩科學技術大學院大學（OIST）的科學家們報告稱，環氧樹脂保護層有利於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，可徹底降低其向環境中排放鉛的量。這項研究有力提振了鈣鈦礦太陽能電池的商業化前景。

（圖片來源：OIST）

這項研究（發表在《自然能源（Nature Energy）》期刊上）的領導者、能源材料與表面科學課題組的領頭人 Yabing Qi 教授表示：「儘管鈣鈦礦太陽能電池能以較低成本將太陽光高效地轉化為電力，但是它們卻含有鉛，這樣會造成相當大的環境問題。」

「雖然所謂的『無鉛』技術值得探索，但是它尚未達到鉛基方案的效率與穩定性。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境中的方案，是商業化的關鍵一步。」

技術

在OIST技術開發和創新中心的概念驗證項目的支持下，齊（音）教授的課題組首先探索出將保護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於人為設計的各種環境中，以模仿電池在真實世界中會遇到的各種天氣。

他們想要測試太陽能電池在最糟糕的天氣情況下的表現，以搞清楚可能產生的最大鉛泄露。首先，他們用一個大球猛烈撞擊太陽能電池，模擬有可能打破結構並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境中的雨水。

團隊採用質譜分析法分析酸雨，從而判斷有多少鉛從電池中泄露出來。他們發現，環氧樹脂層實現了最少的鉛泄露，比其他材料要低幾個數量級。

環氧樹脂也在一系列的天氣條件下表現得最好。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行環境。在包括大雨的所有天氣條件下，環氧樹脂優於其他封裝材料。

環氧樹脂如此好的工作表現，得益於它的「自修復（self-healing）」特性。例如，在其結構被冰雹損壞之後，聚合物在受到陽光加熱時部分地改變其初始形狀。這樣就限制了從電池內部泄露出的鉛的量。這種自修復特性使得環氧樹脂成為未來光伏產品封裝層的重要選擇。

（圖片來源：OIST）

未來

齊教授解釋道：「儘管其他自修復聚合物有可能更好，但是環氧樹脂無疑是一個強有力的候選方案。目前，我們樂於提升光伏行業的標準，並討論這項技術的安全性。下一步，我們將在這些數據的基礎上，確定哪種聚合物才是最好的。」

除了鉛泄露以外，另外一項挑戰就是將鈣鈦礦太陽能電池升級成鈣鈦礦太陽能電池板。電池的長度只有幾個厘米，而電池板卻能跨越幾米，並且對於潛在的消費者來說更有價值。團隊也將關注可再生能源存儲的這項長期挑戰。

關鍵字

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】https://www.oist.jp/news-center/press-releases/%E2%80%9Cself-healing%E2%80%9D-polymer-brings-perovskite-solar-tech-closer-market

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