폐쇄형 생체모방 "케이지 트랩"

Nature Communications 14권, 기사 번호: 4730(2023) 이 기사 인용

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페로브스카이트 태양전지의 눈부신 발전에도 불구하고, 페로브스카이트 태양전지와 관련된 잠재적인 납 오염 위험과 환경 취약성 위험에 대한 큰 우려는 실제 상용화에 심각한 장애물이 되고 있습니다. 이 연구에서 우리는 거미줄의 먹이 행동과 거미줄의 화학 성분에서 영감을 얻어 다기능 메조포러스 아미노 접목 탄소 그물을 페로브스카이트 태양 전지에 전략적으로 이식하여 납 누출을 효과적으로 완화하고 차폐할 수 있는 생체 모방 케이지 트랩을 만들었습니다. 극한 기상 조건에서의 외부 침입. 화학적 킬레이트화 및 물리적 흡착 측면에서 상승적인 Pb 포집 메커니즘을 심층적으로 탐구합니다. 또한 황하수와 토양을 포함한 실제 생태계에서 수명이 다한 페로브스카이트 태양전지의 납 오염 평가가 제안되었습니다. 지속 가능한 폐쇄 루프 Pb 관리 프로세스는 Pb 침전, Pb 흡착, Pb 탈착 및 Pb 재활용의 네 가지 중요한 단계를 포함하여 성공적으로 확립되었습니다. 우리의 연구 결과는 페로브스카이트 태양전지의 친환경적이고 지속 가능한 산업화를 촉진하는 데 영감을 주는 통찰력을 제공합니다.

전 세계적인 에너지 위기가 증가함에 따라 페로브스카이트 태양전지(PSC)는 전 세계적으로 탄소 배출량을 줄이기 위한 유망한 재생 에너지 기술로 부상했습니다. PSC는 뛰어난 호환성과 확장 가능한 제조 기능을 제공하여 광전지 시장에 혁명을 일으킬 수 있는 위치에 있습니다. 그러나 실제 적용되기까지는 해결해야 할 중요한 과제가 남아 있습니다. 휘발성 유기 양이온(예: CH3NH3+ 또는 HNCH(NH3)+)과 PSC의 연질 격자 특성은 본질적인 불안정성의 원인이며, 이로 인해 장치 효율성이 감소하고 장기적인 작동 안정성 문제가 발생합니다1,2,3. 특히, 페로브스카이트 필름의 분해는 습기, 조명, 열과 같은 외부 자극에 노출될 때 PbI2, Pb 또는 PbO를 포함한 독성 Pb 기반 화합물을 형성할 수 있습니다. 이러한 화합물은 잠재적으로 생태계로 누출되어 환경 지속 가능성에 대한 우려를 불러일으킬 수 있습니다4,5.

최근에는 Pb 누출을 줄이기 위해 PSC를 캡슐화하는 데 중점을 두었습니다. 폴리우레탄, 폴리이소부틸렌, 그래핀 및 Al2O3와 같은 캡슐화 재료는 물리적 핫프레스 또는 원자층 증착 방법6,7,8,9을 사용하여 적용되었습니다. 그러나 이러한 봉지층은 제한된 Pb 포집 능력으로 인해 외부 스트레스로 인해 장치가 파손될 경우 Pb 성분 확산을 방지할 수 없습니다. 복잡한 준비 과정으로 인해 생산 비용도 증가합니다. Pb 누출을 최소화하기 위해 외부 흡착용 기능성 화학 물질을 사용하는 화학 흡착 전략이 제안되었습니다. 출판된 대부분의 연구는 PSC의 수광면에 설치할 수 있는 반투명 Pb 흡착제 개발에 중점을 두고 있습니다. 광전지 성능 저하, 반투명 Pb 흡착제의 두께 제한, Pb 흡착 용량 및 주변 저항 저하를 방지하려면 높은 광학 투명성이 필요합니다. 실제로 누출된 Pb 성분은 중력으로 인해 장치 뒷면을 향해 흐르는 경향이 있으며 해당 재료나 전략은 여전히 ​​제한적입니다. Li et al. 양이온 교환 수지(CER)와 자외선(UV) 수지를 기반으로 한 고분자 혼합물을 PSC10에 통합했습니다. 풍부한 설폰산기(SO3-)와 Pb2+ 사이의 신속한 양이온 교환 반응을 통해 Pb 성분이 흡착되어 90%의 Pb 격리 효율을 달성했습니다. 그럼에도 불구하고 유해한 고체 CER 폐기물로 인한 2차 오염의 잠재적 위험이 환경 문제로 대두되었습니다. 또한 수명이 다한 페로브스카이트 태양광 모듈의 지속 가능한 폐기 전략에 대한 우려는 생태계 및 인간 건강 안전에 대한 독성 Pb 이온의 잠재적 위협으로 인해 지속됩니다11,12,13,14. 이러한 단점은 PSC의 상업적 적용을 심각하게 방해할 수 있습니다.