鹵化物鈣鈦礦太陽電池（PSC）作為一種新興的可再生能源技術，因其低成本、高效率和溶液可加工性而被認為是最有前途的下一代薄膜光伏技術之一。然而，含鉛鈣鈦礦仍然是實現最佳性能PSCs的主要光吸收劑材料。一旦PSCs在極端天氣條件下損壞，PSCs中的可溶性鉛會對環境和人類健康產生不利影響，這將不利于PSCs的實際應用和長期部署。

為了有效緩解鉛泄漏問題，通常采用物理封裝或化學吸收等策略。然而，這有可能使器件制造過程復雜化，或者限制器件性能和可擴展性。此外，鉛吸收層在長期暴露于惡劣環境中或遭到損壞時會逐漸飽和或失去功能。因此，迫切需要發展一種理想的策略，即通過內置自交聯的鉛吸收網絡進行原位封裝和化學螯合，在不影響器件效率的情況下，最大限度地減少鉛泄漏并降低鉛毒性。

論文截圖

材料的鉛吸收能力與器件性能

研究發現，由2-羥丙基-β-環糊精(HPβCD)和1,2,3,4-丁烷四羧酸(BTCA)組成的內置自交聯超分子復合物，可以全過程穩定鈣鈦礦前驅體溶液、薄膜和最終器件。

內置HPβCD-BTCA優化器件的效率從20.52%（對照）提高到22.14%（添加HPβCD-BTCA），并提高了器件的濕熱穩定性及運行穩定性。HPβCD與BTCA交聯可以防止單個HPβCD或BTCA的分子間聚集，確保具有高密度的Pb2+結合位點（羥基和羧基），從而最大化吸鉛能力。在60 min的水沖刷試驗中，破損的封裝器件的Pb泄漏率從對照組的973 mg m−2 h−1顯著降低到目標組的54 mg m−2 h−1，實現了94.5%的抑制Pb泄露效率。

此外，在內置HPβCD-BTCA交聯網絡的器件基礎上使用柔性紡絲HPβCD-BTCA膜作為器件外層封裝，進一步將Pb泄漏率降低至14 ppb，低于美國環境保護局對飲用水鉛含量的限值。

鈣鈦礦與HPβCD-BTCA的化學相互作用及破損 PSC 中的鉛泄露測試。

吸鉛材料在飽和或失效時能否降低鉛毒性？

當材料上的金屬離子吸收位點完全飽和或失活時，化學吸附在吸鉛材料上的Pb2+仍有可能再次溶解在水中或流向環境。通過水或食物鏈累積攝入有毒鉛將對人體健康構成威脅并對當地生態系統產生不利影響。因此，降低鉛毒性對于制備環境友好和生物安全的PSCs同樣重要。大腸桿菌的鉛毒性測試表明，HPβCD-BTCA超分子復合物與含鉛鈣鈦礦之間的螯合作用可以將含鉛鈣鈦礦太陽電池的毒性降低到與無鉛鈣鈦礦太陽電池相當甚至更低的水平，并對生物體的繁殖沒有不良影響。

含鉛鈣鈦礦的毒性評估。

鉛的回收與管理

除了抑制鉛泄漏和降低鉛毒性外，鉛的回收和管理對于使鈣鈦礦光伏電池變得更加安全和環保同樣重要。通過簡單的溶解-加熱-攪拌-過濾等操作，從報廢器件中回收含鉛復合材料（HPβCD-BTCA@PbI2）或PbI2來制造新的PSCs。令人鼓舞的是，通過回收的含鉛復合材料或PbI2作為原材料制備的器件，其PCE接近商業化購買的原材料所制備的器件。這種策略實現了PSCs的閉環Pb回收和管理，有望實現鈣鈦礦光伏的低成本生產和實際應用，使鈣鈦礦太陽電池更接近商業化。

PSCs中鉛的回收和管理示意圖。

參考文獻

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：研究團隊