兰州大学曹靖团队：表面金属化的硫酸铅实现钙钛矿太阳能电池可回收

导语

随着全球能源需求的增加，清洁能源的发展被提升到了一个新的水平。近年来太阳能电池得到了快速发展，包括晶硅（Si）、染料敏化太阳能电池（DSSC）、有机光伏（OPV）、碲化镉（CdTe）、铜铟镓硒（CIGS）以及有机-无机卤化物钙钛矿太阳能电池，其中钙钛矿太阳能电池因其易于制备以及高的光电转化效率成为了研究焦点，在该类电池器件中，电子传输材料可有效地促进界面电子提取和传输，阻断空穴并抑制电荷复合，对于组装高效电池器件至关重要。尽管近年来有许多科研工作者对常用电子传输材料TiO2及SnO2进行不断的优化改性，实现了高效电池器件组装，但沉积在导电玻璃基底上的致密TiO2或SnO2电子传输层很难移除，导致占钙钛矿电池整体成本58-73%的导电基底很难回收再加工使用，因此设计合成新型可溶性电子传输材料对于组装可回收的钙钛矿太阳能电池至关重要。

针对以上问题，兰州大学曹靖课题组通过设计合成（011）表面暴露的PbSO4电子传输材料，组装出高效可回收钙钛矿太阳能电池器件。表面金属化的PbSO4纳米颗粒促进了电荷在纳米颗粒表面的传输，制备的小面积钙钛矿太阳能电池器件（0.1 cm2）效率达到了24.1%，制备的活性面积为204.9 cm2的电池模组器件达到了17.9%的认证效率。此外，通过简单的乙醇胺洗涤，可将PbSO4材料从基底完全清除，回收昂贵的导电基底，实现钙钛矿太阳能电池器件高效回收再加工使用。相关研究成果发表于CCS Chem.（DOI: 10.31635/ccschem.024.202303502）。

前沿科研成果

表面金属化的硫酸铅实现钙钛矿太阳能电池可回收

近日，兰州大学曹靖课题组通过构筑（011）表面暴露的PbSO4纳米颗粒，将其作为电子传输材料，实现高效可回收的钙钛矿太阳能电池器件组装。金属化的PbSO4纳米颗粒表面有利于电子的传输，制备的小面积钙钛矿太阳能电池器件（0.1 cm2）效率达到了24.1%，制备的活性面积为204.9 cm2的电池模组器件达到了17.9%的认证效率。特别的是：组装的电池器件可以通过简单的乙醇胺洗涤将PbSO4电子传输层从基底上去除，达到回收透明导电基底的目的。本研究工作通过构建纳米颗粒的表面金属性，构筑了全新的电子传输材料，实现了高效可回收的钙钛矿太阳能电池器件组装。

图1. 基于TiO2/SnO2基底回收情况分析（来源：CCS Chem.）

基于TiO2/SnO2电子传输材料的基底，使用DMF、乙醇或者去离子水进行清洗回收，经过多次洗涤回收得到的导电基底表面变得粗糙，透光率明显下降，回收的导电基底重新制备的电池器件效率明显下降。结果表明基于TiO2/SnO2电子传输材料的基底不能通过简单的溶液洗涤实现高效回收（图1）。

图2. PbSO4薄膜性质表征（来源：CCS Chem.）

材料价格调研发现：PbSO4作为电子传输材料的价格是常用TiO2/SnO2的~4%。球差电镜测试表明：PbSO4纳米颗粒暴露的是（011）晶面；AFM测试表明：最优效率下的PbSO4层是~20 nm；UPS和UV-VIS分析表明：PbSO4涂覆在FTO表面可以有效抑制电荷复合（图2）。

图3. PbSO4薄膜电荷传输性能分析（来源：CCS Chem.）

理论计算结果表明：PbSO4纳米颗粒的（011）表面可以形成新的金属传输态，实现了电子在纳米颗粒表面的传输。利用SEM的晶粒统计与Monte Carlo模型对不同晶粒尺寸的PbSO4纳米颗粒进行了电导率的计算，表面电导率达到了~106 S m−1。进一步利用tr-SPV对PbSO4与钙钛矿之间的电荷提取进行了研究，结果表明PbSO4的电荷提取能力优于FTO和TiO2（图3）。

图4. 基于PbSO4电子传输材料的器件性能和回收利用分析（来源：CCS Chem.）

基于PbSO4电子传输材料制备的小面积电池器件（0.1 cm2）效率达到了24.1%，模组器件（活性面积为204.9 cm2）达到了17.9%的认证效率，并且表现出优异的稳定性。此外，通过简单的乙醇胺洗涤，实现了导电基底的高效回收，利用回收的导电基底制备的电池器件性能几乎没有下降（图4）。

总结

该研究工作设计构筑了一种具有表面金属性的硫酸铅电子传输材料，电荷可通过纳米材料表面有效传输，通过简单的溶液冲洗可实现占钙钛矿电池整体成本58-73%的导电基底回收再加工使用，为高效可回收的钙钛矿太阳能电池组装提供了全新思路，加速钙钛矿太阳能电池的商业化进程。

相关工作以Research article的形式发表在CCS Chemistry（DOI: 10.31635/ccschem.024.202303502），文章的通讯作者为兰州大学曹靖教授。该研究工作得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费等基金的资助。

课题组简介

课题组研究工作集中在：新型卟啉/酞菁类配合物实现高效稳定钙钛矿太阳能电池器件组装。通过金属卟啉/酞菁配合物修饰钙钛矿策略，实现对钙钛矿薄膜有效封装，为制备高效稳定大面积钙钛矿太阳能电池器件提供良好的研究基础（Angew. Chem. Int. Ed.,2023, e202307152; Angew. Chem. Int. Ed.,2023, 62, e202218478; Angew. Chem. Int. Ed.2023, e202313833; Angew. Chem. Int. Ed.,2022, 61, e202116308; J. Am. Chem. Soc.,2021, 143, 18989; CCS Chem.,2021, 3, 25; CCS Chem.,2020, 2, 488; J. Am. Chem. Soc.,2019, 141, 6345; J. Am. Chem. Soc.,2018, 140, 11577）；通过配合物结构优化，实现了金属有机化合物非掺杂空穴传输材料钙钛矿太阳能电池21.23%记录效率（Angew. Chem. Int. Ed.,2021, 60, 6294; Adv. Mater.,2018, 30, 1800568）。相关成果在国际知名学术期刊发表论文30余篇。

教授简介

曹靖，教授，博士生导师，博士毕业于厦门大学化学化工学院，导师：郑南峰院士，2017年10月加入兰州大学化学化工学院，入选教育部长江学者奖励计划（青年学者）、中国化学会2018-2020年度“青年人才托举工程”推举人才、甘肃省杰出青年基金以及陇原创新创业人才等项目，主持国家自然科学基金面上和青年等项目。研究方向主要集中在：新能源材料的设计合成以及光伏应用研究（主要是染料敏化太阳能电池和钙钛矿太阳能电池）。

文章详情：Recyclable Perovskite Solar Cells with Lead Sulfate Contact

Guo-Bin Xiao, Xijiao Mu, Luyao Wang, Zhen-Yang Suo, Artem Musiienko, Guixiang Li, Zeying Guo, Yiying Wu, Antonio Abate and Jing Cao*

邀稿

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