新型钙钛矿材料中主要元素的浸出行为研究

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新型钙钛矿材料凭借其优异的光电性能,在制作太阳能光伏电池上展现了惊人的潜力,成为如今太阳能光伏电池领域最热门的研究课题之一。然而,这种有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池具有不稳定性,安装在户外会受到雨水的冲刷,进而分解并产生铅和碘等元素,有可能会污染土壤和水环境。随着钙钛矿太阳能电池的进一步发展,其商业化的步伐将不断加快,研究其在雨水淋洗下的主要元素的溶出行为不仅能提供直观且贴切的环境数据,以分析其环境影响,还可实现对低溶出性钙钛矿材料的筛选,并对工业化过程中的封装技术有重要的指导意义。本研究选用了五种具有代表性的钙钛矿太阳能电池器件,分别是MAPb I3,FA0.83MA0.17Pb(I0.83Br0.17)3(简称为FAMA),FA0.75MA0.15Cs0.1Pb(I0.85Br0.15)3(简称为FAMACs),Cs Pb I3,Cs Pb I2Br(其中MA代表CH3NH3基团,FA代表CH2(NH2)2基团),进行浸出行为的探究。主要研究内容和结果如下:(1)通过扫描电子显微镜表征了五种钙钛矿薄膜的表面形貌,通过电流密度-电压曲线表征了钙钛矿器件的光电性能。为分析其溶出行为提供依据。(2)建立了一套模拟雨水淋洗测试装置以及定量分析方法,可实现对钙钛矿在雨水淋洗下有害元素沥出行为的研究,用于筛选环境友好的高效钙钛矿电池。(3)通过浸泡实验,得出了五种类型的钙钛矿太阳能器件中铅和碘的浸出总量。从浸出总量来看,FAMA的铅浸出总量为981 mg/m~2,碘浸出总量为1565 mg/m~2,是五种钙钛矿中环境风险最高的。(4)淋洗实验结果表明,所有类型的钙钛矿都在四分钟内分解了60%以上。其中FAMACs分解速率最慢,最稳定,Cs Pb I2Br分解速率最快,对水是最敏感的。结合钙钛矿薄膜的表征结果可得,钙钛矿晶粒尺寸越小,晶体表面越致密光滑,空隙越少,其稳定性就越好,分解速率也越慢。(5)利用淋洗测试装置探究了雨水的p H和温度对五种钙钛矿薄膜中铅和碘沥出的影响。五种钙钛矿在酸性条件下的沥出量均达到最大值,碱性条件下的沥出量也普遍大于中性条件。水温在10~40℃的改变没有引起钙钛矿的沥出行为的显著变化。
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