Pflanzen nehmen Blei aus Perowskit-Solarzellen stärker auf als erwartet
Auf Bodenproben mit unterschiedlicher Blei-Belastung wuchsen Pfefferminzpflanzen. Anschließend wurde der Bleigehalt in ihren Blättern analysiert. © Fujian Agriculture and Forestry University
Blei aus metall-organischen Perowskitverbindungen wird deutlich stärker von Pflanzen aufgenommen als beispielsweise Blei aus anorganischen Quellen. Dies zeigt eine Studie von HZB-Forscher Antonio Abate mit Partnern aus China und Italien, die in Nature communications veröffentlicht ist.
Bestimmte Perowskitverbindungen gelten als große Hoffnung für noch bessere und vor allem noch günstigere Solarzellen. Ihr Kristallgitter wird von organischen Methylammonium-Kationen gebildet, die von Schwermetall-Atomen und Atomen wie Jod umgeben sind. Die besten Perowskitsolarzellen werden heute mit Blei realisiert. In nur zehn Jahren Forschungsarbeit ließ sich der Wirkungsgrad dieser Solarzellen im Labor von 4 Prozent (2009) auf inzwischen über 25 Prozent (2019) steigern. Blei ist allerdings hochgiftig und darf nicht in die Nahrungskette gelangen. Ein quadratmetergroßes Perowskit-Solarmodul enthält jedoch nur 0,8 Gramm Blei, also sehr wenig im Vergleich zu anderen technischen Quellen von Blei (z.B. in Batterien).
Nun hat ein Team um Prof. Dr. Antonio Abate am Helmholtz-Zentrum Berlin eine Studie konzipiert, um dieses Risiko zu untersuchen. Dafür arbeiteten sie mit einem Team der Landwirtschaftlichen Universität in Fujian, China, sowie mit einer Gruppe an der Universität in Neapel, Italien, zusammen.
Die Pflanzenexperten in Fujian bereiteten Bodenproben mit unterschiedlicher Bleibelastung vor und bauten darauf Minzpflanzen sowie zwei andere Blattpflanzen an. Bei einem Teil der Proben war die Bleibelastung durch anorganische Quellen verursacht, bei einem anderen Teil durch Blei aus Perowskit-Verbindungen. Nach einer Wachstumsperiode analysierten sie den Bleigehalt in den Blättern und anderen Pflanzenteilen.
Die Analysen zeigten, dass Blei aus Perowskit-Solarzellen etwa zehnmal besser aufgenommen wird als aus anorganischen Kontaminations-Quellen. Dies könnte damit zusammenhängen, dass die organischen Kationen (Methyammonium+) im Perowskit den PH-Gehalt des Bodens verändern und damit die Bleiaufnahme durch die Pflanzen begünstigen, vermutet Dr. Qiong Wang aus dem Team von Abate. „Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass man Perowskite nicht einfach wie andere Quellen für Bleibelastungen betrachten sollte“, sagt Abate.
Abate forscht an der Entwicklung von bleifreien Perowskit-Solarzellen, die Zinn enthalten. Auch Zinn ist hochgiftig, allerdings reagiert es sehr rasch zu nicht-wasserlöslichen Formen. Eine weitere Versuchsreihe mit Minzpflanzen auf Zinn-belasteten Böden ergab, dass die Pflanzen es deutlich weniger aufnehmen. Bleifreie Perowskit-Solarzellen erreichen allerdings noch bei weitem nicht die hohen Wirkungsgrade von bleihaltigen Solarzellen und haben darüber hinaus auch noch größere Probleme mit der Stabilität.
Das Helmholtz-Zentrum Berlin hat auf dem Gebiet der Perowskit-Solarzellen große Expertise aufgebaut und forscht sowohl an bleihaltigen Verbindungen als auch an bleifreien Alternativen. „Wir müssen diese Materialklasse sehr breit untersuchen“, meint Abate und betont: „Natürlich ist es wichtig, Wirkungsgrade und Langzeitstabilität zu erhöhen, aber wir müssen auch die Umweltverträglichkeit im Blick behalten.“
Nature communications (2020): The biological impact of lead from halide perovskites reveals the risk of introducing a safe threshold concentration. Junming Li, Hai-Lei Cao, Wen-Bin Jiao, Qiong Wang, Mingdeng Wei, Irene Cantone, Jian Lü and Antonio Abate.
DOI: 10.1038/s41467-019-13910-y
- Batterieforschung mit dem HZB-RöntgenmikroskopUm die Kapazität von Lithiumbatterien weiter zu steigern, werden neue Kathodenmaterialien entwickelt. Mehrschichtige lithiumreiche Übergangsmetalloxide (LRTMO) ermöglichen eine besonders hohe Energiedichte. Mit jedem Ladezyklus wird jedoch ihre Kapazität geringer, was mit strukturellen und chemischen Veränderungen zusammenhängt. Mit Röntgenuntersuchungen an BESSY II hat nun ein Team aus chinesischen Forschungseinrichtungen diese Veränderungen erstmals experimentell mit höchster Präzision vermessen: Mit dem einzigartigen Röntgenmikroskop konnten sie morphologische und strukturelle Entwicklungen auf der Nanometerskala beobachten und dabei auch chemische Veränderungen aufklären.
- BESSY II: Neues Verfahren für bessere ThermokunststoffeUmweltfreundliche Thermoplaste aus nachwachsenden Rohstoffen lassen sich nach Gebrauch recyclen. Ihre Belastbarkeit lässt sich verbessern, indem man sie mit anderen Thermoplasten mischt. Um optimale Eigenschaften zu erzielen, kommt es jedoch auf die Grenzflächen in diesen Mischungen an. Ein Team der Technischen Universität Eindhoven in den Niederlanden hat nun an BESSY II untersucht, wie sich mit einem neuen Verfahren aus zwei Grundmaterialien thermoplastische „Blends“ mit hoher Grenzflächenfestigkeit herstellen lassen: Aufnahmen an der neuen Nanostation der IRIS-Beamline zeigten, dass sich dabei nanokristalline Schichten bilden, die die Leistungsfähigkeit des Materials erhöhen.
- Wasserstoff: Durchbruch bei Alkalischen Membran-ElektrolyseurenEinem Team aus Technischer Universität Berlin, Helmholtz-Zentrum Berlin, Institut für Mikrosystemtechnik der Universität Freiburg (IMTEK) und Siemens Energy ist es gelungen, eine hocheffiziente alkalische Membran-Elektrolyse Zelle erstmals im Labormaßstab in Betrieb zu nehmen. Das Besondere: Der Anodenkatalysator besteht dabei aus preisgünstigen Nickelverbindungen und nicht aus begrenzt verfügbaren Edelmetallen. An BESSY II konnte das Team die katalytischen Prozesse durch operando Messungen im Detail darstellen, ein Theorie Team (USA, Singapur) lieferte eine konsistente molekulare Beschreibung. In Freiburg wurden mit einem neuen Beschichtungsverfahren Kleinzellen gebaut und im Betrieb getestet. Die Ergebnisse sind im renommierten Fachjournal Nature Catalysis publiziert.