最近，钙钛矿席卷光伏研究界。这种材料搭建的太阳能电池可以尽可能低的成本获得或许是最高的效率。最近的三年时间里，确认的效率已经超过了20%，仍然有很大的提升空间。而相同的效率提升，硅太阳能电池花了几十年的时间。


      前所未有的PV性能将钙钛矿推上了风口浪尖。其实，钙钛矿是一类很古老的材料家族，已经有一个多世纪的历史了。钙钛矿表示的是任何天然或合成的化合物具有钛酸钙的晶体结构，化学式为ABX3。数百种材料具有这种结构，它们具有很多不同的性质，包括半导体、压电和热电。


      英国新兴的OxfordPhotovoltaics公司认为钙钛矿太阳能电池将在2017年进入市场。未来十年钙钛矿材料的使用可能会飙升。不仅仅局限于太阳能。传感器和执行器使用最广的压电材料就是钛酸铅锆（PZT）钙钛矿陶瓷，得益于性能加工的提高，以及汽车工业和医疗等电子产品广泛采用传感器，其市场不断扩大。


      使用的增加，也带来了对其安全的关注。最常用的钙钛矿都含有著名的毒素铅；甲基碘化铅是太阳能电池的一个材料选择。然而，几乎没有文献关注钙钛矿材料潜在的毒性以及其在生物系统或环境中的行为。


      “有毒的元素，如铅，虽然研究还没完成，但问题肯定存在，当然，必须关心。”斯坦福大学材料科学与工程教授Michael McGehee说，“泄露的可能很小。可能不显示出来。但另一方面，我不会说根本无需关注，无需担忧。”


      欧盟资助的四年期FutureNanoNeeds项目专家团目前正在研究铅基钙钛矿材料的健康风险和危害。瑞士洛桑联邦理工学院（Swiss Federal Institute of Technology in Lausanne）Michael Graetzel领衔的这个团队正在研究钙钛矿材料进入土壤和地下水，进入食物链影响生态系统的每一个可能情况。“这是一个尽职的问题。”爱尔兰生物纳米互动中心（Center for BioNano Interactions）的KennethDawson这样说，他也参与了FutureNanoNeeds项目，“太阳能电池板中的铅含量非常非常小，可以不介意。但如果存在几十年，铅冲洗出来呢？”


      到目前为止，因为未提出任何警报，钙钛矿并不是材料清查清单的首选。


      按照欧洲压电技术研究枢纽的压电研究所（PiezoInstitute）的说法，PZT中的铅与其晶体结构化学结合，且没有任何证据表明它会渗出到环境中。这也使得很多工业部门继续使用PZT，尽管电气电子设备有毒物质限制指令（Restriction ofHazardous Substances in Electrical and Electronic Equipment）等限制了铅的使用，且已获得了欧洲多个国家采用。


      谈到钙钛矿太阳能电池时，一些研究人员就会搬出类似的商用碲化镉薄膜太阳能电池。镉是一种有毒的重金属，但CdTe电池证明了含有这种有毒元素的PV技术可以得到强劲的增长，McGehee这样说到。关键的区别在于钙钛矿材料不稳定，其中铅的水溶性比CdTe电池中的镉高了14个数量级。


      以色列魏茨曼科学研究所（WeizmannInstitute of Science）的Gary Hodes和David Cahen首先研究了钙钛矿太阳能电池对环境的可能影响。他们模拟了最坏的情况，受损的太阳能电池中甲基胺碘化铅完全暴露于雨中，通过不同pH值的水来进行模拟。他们的实验结果表明雨水能够冲掉钙钛矿层上几乎所有的铅。然而，太阳能电池板下面的泄露影响并未破坏。


      研究人员估计，含有300nm厚CH3NH3PbI3层的太阳能电池板每1 m2大约有0.4g铅。在平均密度1.5 g/mL的土壤中，这将导致太阳能电池板下第一厘米的土壤中铅浓度达到70 ppm。通常未污染土壤的铅浓度约为10-30 ppm，城市里会达到50-200 ppm甚至更高。


      “我认为对铅基钙钛矿材料的主要关注点在心理方面。”Hodes说，“进入土壤的铅并不是灾难性的。虽然铅含量明显升高，但仍有限制。即使有一大块区域安装有这种电池，且全部进入土壤之中，绝大多数铅通常也是黏附在土壤的顶部。无法渗入到更深的地方，且随着之下降，浓度也肯定更弱。”


      通过更有力的密封和封装太阳能电池将钙钛矿太阳能电池中的铅维持在电池中，用塑料片覆盖太阳能电池下面的地面，或者采用硫化钠将破碎的太阳能电池中的铅转化成不溶性的硫化铅，都是可能实现的。


      寻找无铅的替代品也将非常重要。“如果可以摆脱任何潜在的不利因素，那肯定是好的。”Dawson说，“如果这种替代品合理、实用、且成本不高，那为什么不用呢？”


      铌酸钠钾（KNN）基钙钛矿陶瓷是压电工业中一种很有前途的无铅替代品。墨西哥国家理工学院（National Polytechnic Institute in Mexico）的AndreaDe Vizcaya-Ruiz和Luz M. Del Razo等研究了铋基钙钛矿结构材料（BNT-BT，即(0.94) Bi0.5Na0.5TiO3-0.06BaTiO3）作为PZT替代品。


      有几个研究小组正在寻找太阳能电池中铅基钙钛矿材料的潜在替代品。锡是钙钛矿中铅的一个潜在替代物。牛津大学和西北大学的研究团队已经制得了甲基胺碘化锡太阳能电池。但到目前为止，相比于铅基而言，其稳定性更差，且效率只有铅基的三分之一。


      杜克大学机械工程和材料科学教授DavidMitzi认为，作为光伏，铅有一些特殊的性质，比如孤对电子以及非常重的极化原子。“但这并不是独一无二的。存在其他原子也具有孤对电子，且也是重的极化原子，可以制成铁电化合物。所以我认为原则上应该可以用其他金属阳离子来取代铅。”


      或许对铅基钙钛矿器件的毒理影响下结论还为时过早。科学家仍然需要收集更多的证据。在那之前，可能需要找到负责的路由设备来处理。CdTe电池板制造商First Solar启动回收程序，收回模块并在其过期后循环利用。“我们可以在含铅太阳能电池上采用相同的途径。我不知道这对于镉是否切实可行，但我想是可行的。”Mitzi这样说。