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«Die Umwandlung von Sonnenenergie in Strom ist bei Perowskit-Solarzellen unglaublich hoch, etwa 25 %, was inzwischen an die Leistung der besten Silizium-Solarzellen heranreicht», sagt Professor László Forró von der Fakultät für Grundlagenwissenschaften der EPFL. «Aber ihr zentrales Element ist Blei, das ein Gift ist. Wenn die Solarzelle ausfällt, kann es in den Boden ausgewaschen werden, in die Nahrungskette gelangen und schwere Krankheiten verursachen.»
Das Problem ist, dass sich das Blei in den meisten Halogenid-Perowskiten in Wasser auflösen kann. Diese Wasserlöslichkeit und Löslichkeit in anderen Lösungsmitteln ist eigentlich ein grosser Vorteil, da sie den Bau von Perowskit-Solarzellen einfacher und kostengünstiger macht – ein weiterer Pluspunkt neben der Leistung. Aber die Wasserlöslichkeit von Blei kann zu einer echten Umwelt- und Gesundheitsgefahr werden, wenn das Panel bricht oder nass wird, z. B. bei Regen.
Daher muss das Blei aufgefangen werden, bevor es in den Boden gelangt, und es muss möglich sein, es zu recyceln. An diesem Problem wurde viel und intensiv geforscht, weil es das Haupthindernis für die Zulassungsbehörden ist, die Produktion von Perowskit-Solarzellen in grossem, kommerziellem Massstab zu genehmigen. Versuche, nicht wasserlösliche und bleifreie Perowskite zu synthetisieren, haben jedoch zu schlechten Ergebnissen geführt.
Jetzt hat die Gruppe von Forró eine elegante und effiziente Lösung gefunden: Sie verwendet ein transparentes Phosphatsalz, das das Sonnenlicht nicht blockiert und somit die Leistung nicht beeinträchtigt. Und wenn das Solarmodul ausfällt, reagiert das Phosphatsalz sofort mit Blei zu einer wasserunlöslichen Verbindung, die nicht in den Boden auslaugt und recycelt werden kann. Die Arbeit wurde in ACS Applied Materials & Interfaces veröffentlicht.
«Vor ein paar Jahren entdeckten wir, dass billige und transparente Phosphatsalzkristalle, wie sie in Bodendüngern vorkommen, in verschiedene Teile der sandwichartigen Bleihalogenid-Perowskit-Bauelemente, wie Photodetektoren, LEDs oder Solarzellen, eingebaut werden können», sagt Endre Horváth, Erstautor der Studie. «Diese Salze reagieren in Gegenwart von Wasser sofort mit Blei-Ionen und fällen sie zu extrem nicht-wasserlöslichen Bleiphosphaten aus.»
«Die 'ausfallsichere' Chemie verhindert das Auslaugen von Blei-Ionen und kann Perowskit-Geräte sicherer für den Einsatz in der Umwelt oder in der Nähe von Menschen machen», sagt Márton Kollár, der Chemiker hinter dem Wachstum der Perowskit-Kristalle.
«Wir zeigen, dass dieser Ansatz verwendet werden kann, um funktionale Photodetektoren zu bauen, und wir schlagen vor, dass die breite Gemeinschaft von Forschenden und F&E-Zentren, die an verschiedenen Geräten wie Solarzellen und Leuchtdioden arbeiten, ihn in ihren jeweiligen Prototypen implementiert», fügt Pavao Andričević hinzu, der die empfindlichen Photodetektoren charakterisiert hat.
Forró schlussfolgert: «Dies ist eine extrem wichtige Studie – ich würde sagen, eine zentrale – für eine gross angelegte Kommerzialisierung von Solarzellen auf Perowskit-Basis.»