全氟烷基化芘修饰空穴传输层抑制钙钛矿太阳能电池铅泄漏的环境防护策略

针对钙钛矿太阳能电池(PSCs)在潮湿环境中铅(Pb)泄漏的环境风险，研究人员创新性地在空穴传输层(HTL)中引入全氟烷基化芘化合物。通过UNI EN 12457-2标准测试结合原子力显微镜(AFM)分析，证实该策略使铅浸出量从5.5 mg/L降至3.0 mg/L，同时保持器件26.7%的光电转换效率，为环境友好型光伏技术开发提供新思路。

　　

在全球能源转型背景下，钙钛矿太阳能电池(PSCs)以其26.7%的创纪录光电转换效率成为光伏领域的新星。然而这类含铅(Pb²⁺)器件面临严峻的环境挑战——在湿度作用下，钙钛矿晶格降解会导致剧毒铅化合物释放，单块标准组件铅浸出量可达5.5 mg/L，远超饮用水安全标准。更棘手的是，传统封装材料存在光降解黄变、界面分层等问题，难以从根本上阻断铅污染。这一矛盾严重制约着PSCs的商业化进程，如何在保持高效率的同时实现环境安全，成为横亘在研究者面前的科学难题。

来自意大利帕勒莫大学(University of Palermo)ATeN中心的研究团队独辟蹊径，将目光投向空穴传输层(HTL)的分子工程。受芘衍生物优异疏水性的启发，他们设计了三类全氟烷基化芘化合物(Pyrene-C₈F₁₇等)，通过溶液法将其整合进经典n-i-p型器件的Spiro-OMeTAD传输层。研究首次采用UNI EN 12457-2标准化浸出测试，结合阳极溶出伏安法(ASV)和原子力显微镜(AFM)等表征手段，系统评估了改性器件在模拟自然环境下的铅释放行为。

关键技术包括：1) 通过AFM观测HTL表面形貌演变；2) 采用UNI EN 12457-2标准进行铅浸出实验；3) 使用ASV检测痕量铅(检测限达μg/L级)；4) 保持器件无封装状态以排除干扰因素。

【HTL结构表征】AFM三维形貌显示，传统HTL表面粗糙度达15.2 nm，存在明显锂盐聚集体；而Pyrene-C₈F₁₇改性样品粗糙度降至8.7 nm，形成致密分子排列。这种形态优化归因于全氟链段与Spiro-OMeTAD的协同自组装，有效抑制了相分离。

【铅浸出行为】在标准浸出测试中，改性器件铅释放量降低45%，从5.5 mg/L显著降至3.0 mg/L。分子动力学模拟表明，全氟烷基链形成的"分子栅栏"不仅阻碍水分子渗透，还能捕获游离的Pb²⁺，其作用机制包含离子-π相互作用和氟-铅配位双重效应。

【器件性能】令人振奋的是，环境效益并未牺牲光电性能。J-V曲线测试显示改性器件保持25.6%的转换效率，仅比对照组降低1.1个百分点。阻抗谱证实HTL/钙钛矿界面电荷转移电阻降低18%，这得益于更均匀的载流子传输通道。

这项发表于《Journal of Environmental Chemical Engineering》的研究开创性地提出"分子封装"概念，突破传统物理封装的局限性。通过精准调控HTL的纳米级界面特性，首次实现铅浸出量与器件效率的协同优化。全氟烷基化芘的引入成本不足组件总成本的0.3%，却使器件通过欧盟RoHS指令的铅含量标准，为钙钛矿光伏的产业化扫清关键障碍。该策略还可拓展至其他重金属光伏器件，对发展符合绿色化学原则的新能源技术具有里程碑意义。