Перовскитные солнечные батареи: сложности и перспективы

Ученые из Сколтеха и их коллеги исследовали токсичность веществ из перовскитных солнечных батарей. Они сделали вывод, что при условии преодоления существующих технологических препятствий массовое производство этой эффективной и потенциально дешевой альтернативы кремниевым фотоэлементам, вероятно, не повлечет существенных рисков для здоровья человека и окружающей среды. Также выяснилось, что токсичность свинца для живого организма, возможно, несколько переоценена, в то время как другие компоненты перовскитных батарей, напротив, заслуживают больше внимания в этом отношении. Об исследовании сообщила пресс-служба Сколтеха.

Перовскитные солнечные батареи — перспективная технология производства солнечной энергии, которая может способствовать развитию возобновляемой энергетики и отказу от ископаемых видов топлива. По эффективности преобразования световой энергии перовскитные батареи (25,7 %) уже почти сравнялись с элементами на основе кристаллического кремния, которым принадлежит текущий рекорд — 26,7 %. По предварительным прогнозам, перовскиты могут обойти кремний. К тому же в массовом производстве они были бы значительно дешевле, поэтому ученые стремятся преодолеть оставшиеся препятствия.

Широкому внедрению перовскитной фотовольтаики препятствуют три ограничения. Во-первых, пока нет технологии нанесения ровного слоя перовскита — улавливающего солнечный свет материала — достаточно большой площади. Кроме того, перовскиты неустойчивы и требуют дополнительного прозрачного защитного полимерного слоя, который выполняет роль капсулы и не позволяет элементам батарейки деградировать. В-третьих, если целостность этого слоя нарушается, например на свалке, перовскит распадается на вещества, которые могут причинять вред здоровью человека и окружающей среде.

Последней проблеме — токсичности компонентов батарей — посвящено исследование аспирантки Сколтеха Маргариты Четыркиной и ее соавторов из Медико-генетического научного центра имени академика Н. П. Бочкова и Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН. Исследование проводилось на клеточных линиях человека (in vitro) и на мышах (in vivo).

Первая фаза эксперимента проходила на глиальных клетках нервной системы и клетках соединительной ткани — фибробластах. «Мы проверяли, в какой мере добавление в клеточную культуру каждого из шести распространенных компонентов перовскитов влияло на жизнеспособность клеток: какая доля клеток погибала в течение трех дней, — пояснила Маргарита Четыркина. — Ранее такого рода сопоставимых данных для прямого сравнения токсичности этих веществ не было».

Можно упрощенно сказать, что перовскит состоит из двух компонентов: йодида свинца, олова или висмута, с одной стороны, и йодида метиламмония, формамидиния или цезия — с другой. По результатам экспериментов на клетках, наименее токсичным веществом в первой тройке оказался йодид висмута. Во второй тройке выделяется йодид метиламмония: он токсичнее для клеток, чем два других вещества.

«Дальше, в экспериментах на мышах, мы сконцентрировались на трех веществах — йодиде метиламмония, формамидиния и свинца — и получили довольно неожиданный результат, — рассказала Маргарита Четыркина. — Хорошо известно, что свинец токсичен, но сравнительно низкая растворимость делает его менее биологически доступным в форме йодида и приводит к тому, что непосредственно в живом организме из протестированной тройки веществ наиболее токсичным оказывается метиламмоний, что совершенно не соотносится с результатами экспериментов на клетках».

Как правило, входной точкой в организм для вредного вещества служит пищеварительная система, но крайне важно то, какая его часть в итоге попадет в кровоток, и здесь большую роль играет растворимость. Эксперимент на мышах показывает, что если учитывать биодоступность вещества, то зловредный свинец внезапно оказывается менее токсичным, чем органические компоненты перовскитов, в особенности йодид метиламмония.

В своей работе ученые также оценивают в скромные 4 % доли мирового потребления свинца, которая могла бы приходиться на индустрию фотовольтаики, если бы перовскитные солнечные батареи полностью заменили кремниевые. Для сравнения: примерно столько же свинца используется в косметике.

«Мы видим обнадеживающий тренд в развитии перовскитных батарей. Пока остаются препятствия для широкого внедрения этой многообещающей технологии, но, вероятно, ждать осталось недолго», — подытожила Четыркина.

Статья с итогами исследования опубликована в журнале Solar Energy Materials and Solar Cells.

Обсудите с коллегами

27.09

Забытые бастарды Восточного фронта

PRO SCIENCE
26.09

Цифры врут. Как не дать статистике обмануть себя

PRO SCIENCE
25.09

Невозможность второго рода

PRO SCIENCE
24.09

Пять сил, изменяющих все

PRO SCIENCE
23.09

Взломавшая код

PRO SCIENCE
22.09

Закрытые. Жизнь гомосексуалов в СССР

PRO SCIENCE
Человек дня: Федор Пироцкий