Studie legt nahe, dass Blei aus innovativen Solarzellen nicht so giftig ist wie befürchtet

Wissenschaftler von Skoltech und anderen Forschungszentren haben systematisch die Toxizität von Materialien untersucht, die in Perowskit-Solarzellen verwendet werden. Sie kommen zu dem Schluss, dass, sobald die verbleibenden technologischen Hürden überwunden sind, die Massenproduktion dieser potenziell billigen und effizienten Alternative zur siliziumbasierten Photovoltaik keine signifikanten Umwelt- und Gesundheitsrisiken verursachen sollte. Eingemeldet Solarenergiematerialien und Solarzellenlenkt die Studie die Aufmerksamkeit auf andere Perowskit-Komponenten als Blei, was darauf hindeutet, dass die Toxizität von Metall im Vergleich dazu überschätzt werden könnte.

Perowskit-Solarzellen sind eine vielversprechende Photovoltaik-Technologie, die eine nachhaltige Alternative zu fossilen Brennstoffen darstellen könnte. Mit einem Spitzenwert bei der Energieumwandlung von 25,7 % haben Perowskit-Solarzellen fast die Leistung ihrer Gegenstücke auf kristalliner Siliziumbasis erreicht, die den aktuellen Rekord halten. Das Potenzial der neuen Technologie, noch höhere Wirkungsgrade und möglicherweise auch sehr niedrige Produktionskosten zu erreichen, veranlasst Forschung, die versucht, die verbleibenden Mängel anzugehen.

Drei Probleme behindern die weit verbreitete Einführung von Photovoltaik auf Perowskitbasis. Derzeit ist es schwierig, die Technologie zu erweitern, da es schwierig ist, Perowskit – das lichtsammelnde Material – in einer gleichmäßigen Schicht abzuscheiden, die sich über eine große Fläche erstreckt. Außerdem sind Perowskite instabil und müssen mit transparenten Polymeren geschützt werden. Sobald dieser Schutz nachlässt, zerfällt Perowskit in Substanzen, die Risiken für die Umwelt und die menschliche Gesundheit darstellen können.

Das letztere Problem – die Toxizität der Materialien – stand im Mittelpunkt einer Untersuchung von Skoltech Ph.D. Studentin Margarita Chetyrkina und ihre Co-Autoren von der Forschungsstelle für Medizinische Genetik und der Bundesforschungsstelle für Probleme der Chemischen Physik und Medizinischen Chemie der RAS. Ihre Studie umfasste Experimente sowohl an menschlichen Zellkulturen (in vitro) als auch an Mäusen (in vivo).

Die erste Phase des Experiments umfasste Bindegewebszellen, sogenannte Fibroblasten, und Gliazellen des Nervensystems. „Wir haben überlegt, inwieweit die Zugabe jeder der sechs mit Perowskit verwandten Substanzen zu einer Zellkultur ihr Wachstum beeinflusst: Welcher Anteil der Zellen starb im Laufe von drei Tagen ab“, sagte Chetyrkina. „Frühere Studien lieferten keine Daten, die einen direkten Vergleich zwischen diesen Chemikalien hinsichtlich ihrer Toxizität ermöglichen würden.“

Man kann sich einen Perowskit als aus zwei Hauptbestandteilen zusammengesetzt vorstellen: Blei, Zinn oder Wismutiodid einerseits und Methylammonium, Formamidinium oder Cäsiumiodid andererseits. In Zelltests zeigte Wismutjodid in der ersten Gruppe die geringste Toxizität. Cäsium- und Formamidiniumiodide hatten eine weniger schädliche Wirkung auf die Zellen als Methylammoniumiodid.

„Als wir die Tests an Mäusen fortsetzten und uns diesmal auf drei Verbindungen konzentrierten – Methylammonium, Formamidinium und Bleijodide – passierte etwas Unerwartetes“, sagte Chetyrkina. „Die Toxizität von Blei ist gut belegt, aber es stellte sich heraus, dass die vergleichsweise geringe Löslichkeit von Bleiiodid in einem lebenden Organismus diese Substanz weniger biologisch verfügbar macht. Methylammonium erwies sich im krassen Gegensatz zu den Ergebnissen als die giftigste der drei von Experimenten an Zellen.“

Mit anderen Worten, es ist sicherlich schlimm, wenn Sie zufällig eine gefährliche Substanz einnehmen, aber der entscheidende Faktor ist, wie viel von dieser Substanz in Ihren Blutkreislauf gelangt, und die Löslichkeit hat großen Einfluss darauf. Das Experiment an Mäusen zeigt, dass das viel geschmähte Blei bei entsprechender Berücksichtigung der Bioverfügbarkeit plötzlich weniger gesundheitsgefährdend sein könnte als die organischen Bestandteile von Perowskit-Solarzellen, insbesondere Methylammoniumiodid.

Die Autoren der Studie argumentieren auch, dass selbst in einer hypothetischen Welt, in der Perowskit-Solarzellen ihre siliziumbasierten Gegenstücke vollständig auslaufen lassen, der Anteil der Photovoltaikindustrie am weltweiten Bleiverbrauch bei ziemlich bescheidenen 4 % liegen wird – äquivalent zu wie viel blei geht in schönheitsprodukte.

„Wir sehen einen ermutigenden Trend in der Entwicklung von Perowskit-Solarzellen. Und obwohl es Hindernisse gibt, die eine breite Anwendung dieser aufregenden Technologie derzeit nicht durchführbar machen, scheint sich dies ziemlich bald ändern zu können“, fügte Chetyrkina hinzu.