Hvordan påvirker bly i perovskittsolceller miljø og helse, og hvordan kan lekkasje reduseres?

Perovskittsolceller (PSCs) representerer en lovende ny teknologi innen solenergi, med potensial til å revolusjonere fornybar energi takket være høy teoretisk virkningsgrad og kostnadseffektiv produksjon. Organometallhalid-perovskitter, særlig med bly (Pb) som sentral komponent, har drevet fremgangen i dette feltet siden 2009. Likevel er blyets toksisitet en vesentlig barriere for kommersiell utbredelse av teknologien. Bly i perovskittmaterialene, som ofte er i form av blyjodid eller blybromid, utgjør en miljø- og helserisiko ved potensiell lekkasje, spesielt siden blyet er vannløselig og kan forurense økosystemer og drikkevann.

Sammenlignet med tradisjonelle solcellematerialer som silisium og kobber-indium-gallium-selenid (CIGS), inneholder perovskittsolceller blykonsentrasjoner som overstiger EU-standardene for elektroniske enheter, hvor maksimal blyandel er satt til 0,1 % i vekt. I perovskittmaterialene utgjør blyandelen over 10 %, noe som fremhever utfordringen med å overholde miljøkravene. Blyets vannløselighet øker risikoen for spredning i naturen, og kan lett absorberes av planter og organismer, noe som fører til bioakkumulering i næringskjeden. Dette utgjør en alvorlig trussel mot menneskers helse, økosystemer og jordens biologiske mangfold.

Bly er kjent for å være en kraftig nevrotoksin som påvirker sentralnervesystemet, samt hematopoietiske, lever- og nyresystemer. Blyforgiftning kan gi alvorlige helseproblemer som kognitive svekkelser, nyreskader og andre kroniske lidelser. Denne giftigheten skyldes blant annet blyets evne til å trenge gjennom cellemembraner og reagere med viktige biologiske molekyler som glutathion og proteiner med sulfhydrylgrupper, som forstyrrer cellefunksjoner.

For å møte denne risikoen har forskningen rettet seg mot utvikling av blyfrie perovskittmaterialer, der bly byttes ut med mindre giftige ioner som germanium, tinn, bismut eller antimon. Disse materialene har imidlertid fortsatt utfordringer knyttet til lavere effektivitet og dårligere stabilitet, noe som begrenser deres praktiske anvendelse i dag.

I tillegg til å utvikle alternative materialer, fokuserer feltet også på forbedret innkapslingsteknologi for å hindre blylekkasje. Tradisjonelle innkapslingsmetoder kan gi beskyttelse under normale forhold, men i ekstreme situasjoner eller ved ulykker kan kapslingen svikte. Når dette skjer, vil regn og fuktighet bidra til spredning av bly, noe som understreker behovet for mer robuste løsninger som kan holde blyet innelåst selv under ugunstige forhold.

Det er viktig å forstå at blyforurensning ikke bare er et teknisk problem, men også et spørsmål om bærekraft og ansvarlig miljøforvaltning. Forebygging av blyutslipp fra perovskittsolceller krever tverrfaglig innsats, hvor materialvitenskap kombineres med miljøvitenskap, toksikologi og politikk. Kontroll av blylekkasje innebærer også en helhetlig tilnærming til livssyklusen for perovskittsolceller, fra produksjon til avfallshåndtering.

Hvordan beskytter innkapsling perovskittsolceller mot degradering?

Perovskittsolceller (PSC) har vokst frem som en av de mest lovende teknologiene innen solenergi de siste tiårene, med sitt unike hybridmateriale som kombinerer organiske og uorganiske komponenter i tynne filmer. Deres potensial til å erstatte eller komplettere tradisjonelle silisiumbaserte solceller er betydelig, særlig i tandemløsninger. Samtidig er langtidsholdbarhet fortsatt en av de største utfordringene for kommersialisering av PSC. Dette gjør effektiv innkapsling helt avgjørende.

Uten adekvat innkapsling er perovskittmaterialet utsatt for nedbrytning gjennom flere mekanismer. Den mest dominerende faktoren for degradering er materialets følsomhet for fuktighet og oksygen. Perovskitten er et mykt, hybrid materiale som under påvirkning av fuktighet (H₂O) og oksygen (O₂) gjennomgår kjemiske reaksjoner som bryter ned strukturen. Vann fungerer som et løsemiddel som destabiliserer perovskittens enhetscelle, noe som fører til en irreversibel nedbrytning til blyjodid (PbI₂), metylammoniakk (CH₃NH₂) og jod (I₂). Denne prosessen gjør at den aktive, svarte perovskittfasen konverteres til en gul, fotoinaktiv polymorf. Spesielt for den helt uorganiske CsPbI₃-perovskitten medfører vannabsorpsjon en økning i halidvakansene på overflaten, noe som ytterligere forverrer materialets stabilitet.

Oksygen forsterker denne degraderingsprosessen gjennom fotokjemiske reaksjoner. Under eksponering for lys genereres superoksid (O₂⁻), en svært reaktiv oksygenart som reagerer med den organiske metylammoniumkomponenten i perovskitten, og fører til nedbrytning og dannelse av PbI₂, I₂, og andre nedbrytningsprodukter. I tillegg kan UV-lys katalysere dannelsen av hydrogenperoksid eller superoksider i nærvær av organiske molekyler, som påskyndrer nedbrytningen.

Termisk stabilitet er en annen kritisk faktor. Ved høye temperaturer brytes perovskitten ned til flyktige gasser. For eksempel omdannes MAPbI₃ til PbI₂ ved 100°C på bare 20 minutter. Videre reagerer metylammoniakk med hydrogenjodid (HI) til å danne metyljodid (CH₃I) og ammoniakk (NH₃), noe som ytterligere bidrar til materialets ustabilitet. Alternativt viser formamidinium-basert perovskitt (FAPbI₃) større termisk stabilitet på grunn av sterkere hydrogenbindinger, men også denne har sine egne nedbrytningsveier, med frigjøring av giftige forbindelser som hydrogen cyanid og uoppløselige fragmenter ved høyere temperaturer.

For å motvirke disse utfordringene er innkapslingsteknologi essensiell. En pålitelig innkapsling fungerer som en barriere mot fuktighet, oksygen og termisk stress, og kan forlenge levetiden til perovskittsolceller betydelig. Effektiv innkapsling sikrer også stabilitet i elektrisk transportmaterialer og elektroder, som ellers kan gjennomgå degradering som svekker cellens ytelse.

I tillegg til å beskytte mot ytre påvirkninger, kan innkapslingen integreres med avanserte nanostrukturer og plasmoniske materialer som forbedrer lysinnsamling og ladningstransport. Slik optimalisering bidrar til å heve både effektivitet og holdbarhet.

For å fullt ut forstå innkapslingens betydning må leseren erkjenne kompleksiteten i perovskittens kjemiske og fysiske instabilitet, og hvordan miljøfaktorer samspiller med materialets egen struktur. Det er også viktig å se på hele solcellens oppbygning – inkludert ladningstransportlag og elektroder – som delikate komponenter som krever beskyttelse. Endelig bør man være klar over at utviklingen av innkapslingsteknologier fortsatt er et aktivt forskningsfelt, der nye materialer og metoder kontinuerlig forbedrer stabiliteten til denne lovende solcelleteknologien.

Hvordan kan blylekkasje og langtidsholdbarhet løses i perovskitt-solceller?

Perovskitt-solceller har på få år gått fra å være et laboratoriekonsept til en seriøs kandidat for kommersiell energiproduksjon, med dokumentert effektivitet på over 26 %. Men tross fremragende energieffektivitet, er den største utfordringen fortsatt knyttet til langtidsholdbarhet og miljøsikkerhet. Spørsmålet er ikke lenger om perovskitt-teknologien virker, men om den kan holde i tiår og produseres uten risiko for blyforurensning.

Et gjennomgående problem i tidlige perovskittdesign var bruken av organiske hulltransportmaterialer (HTM) som spiro-OMeTAD, som raskt degraderes under drift. I n-i-p-konfigurasjoner med slike organiske materialer er degradering uunngåelig under lys og varme. Overgangen til mer stabile uorganiske HTM-er, som NiOx i p-i-n-strukturer, har løst noe av dette, men også her skaper defekter i de tynne filmene problemer for levetiden.

Elektrodene, ofte laget av sølv eller gull, introduserer ytterligere kompleksitet. Sølv reagerer med halidene i perovskitten og korroderer, mens gull har tendens til å diffundere inn i laget og forårsake elektriske kortslutninger. En løsning på dette har vært bruken av karbonbaserte elektroder, som både eliminerer korrosjon og fjerner behovet for HTM-laget. De såkalte triple-mesoskopiske cellene har vist seg spesielt robuste, både innendørs og i ekstreme utendørsmiljøer som ørkenklimaet i Saudi-Arabia.

For å måle stabilitet under realistiske forhold har forskere utviklet protokoller som inkluderer aldringstester under simulert sollys, høy temperatur, og fuktbelastning. I noen tilfeller er cellene testet kontinuerlig i flere tusen timer. Likevel når de færreste testene opp til den 25-årige levetiden som kreves for kommersielle solceller. Kombinasjonen av avansert innkapsling, materialutvikling og elektrodeinnovasjon peker mot en mulig løsning, men det kreves helhetlige og synergetiske tilnærminger for å realisere dette fullt ut.

Det er essensielt å forstå at kommersialisering av perovskitt-solceller ikke handler utelukkende om effektivitet eller produksjonskostnad. Langtidsstabilitet og miljøpåvirkning utgjør to sider av samme mynt. Uten tilstrekkelig beskyttelse mot blyutslipp vil teknologien møte regulatoriske barrierer og miste samfunnets tillit. Samtidig er det en teknologisk balansekunst å oppnå både høy effektivitet og lang levetid uten å fordyre produksjonsprosessen. Dette forutsetter presis kontroll over materialkvalitet, defekttoleranse og grensesnittdesign.

Det må også tas høyde for at dagens testprotokoller ikke nødvendigvis speiler virkelige forhold over lang tid. Standardiserte prosedyrer for testing og prediksjon av levetid under naturlige forhold er fortsatt under utvikling. Dette gjør sammenligning mellom ulike resultater vanskelig og setter krav til mer langsiktig validering. Industrialisering forutsetter dessuten produksjonsprosessering i stor skala, hvor jevnhet og pålitelighet i ytelse over store flater må garanteres. Her er blade-coating og andre skalerbare teknikker under rask utvikling, men bringer med seg egne utfordringer knyttet til filmkvalitet og defektdannelse.

For leseren er det avgjørende å erkjenne at fremtiden til perovskitt-teknologien ikke ligger i ett enkelt gjennombrudd, men i summen av mange små fremskritt – fra innkapsling og materialvalg til elektrodearkitektur og industristandarder for testing. Uten denne helhetlige tilnærmingen vil ikke perovskitt oppnå sin potensielle rolle i det globale energiskiftet.

Hvordan påvirker elektrodevalg, termisk belastning og miljøforhold stabiliteten til perovskittsolceller?

Sølv (Ag) er et mye brukt elektrode-materiale, som gir god stabilitet, men dannelsen av sølvjodid (AgI) er en betydelig utfordring. Sølvkorrosjon skjer samtidig med nedbrytning av perovskittlaget, og involverer to hovedreaksjoner: direkte reaksjon mellom Ag og I⁻ som diffunderer inn i elektroden, og reaksjon med jodholdige flyktige stoffer (som metylammoniumjodid, hydrojodsyre og I⁻) produsert ved perovskittnedbrytning forårsaket av vann, oksygen eller varme. En mekanisme med fem trinn for korrosjon av Ag-elektroder i fuktige miljøer omfatter diffusjon av vannmolekyler inn i perovskittlaget, dannelse og migrasjon av jodholdige flyktige stoffer, og til slutt AgI-dannelse på elektrodeoverflaten.

For å hindre korrosjon uten å ofre effektivitet, er en tilstrekkelig separasjon mellom perovskittlaget og elektroden essensiell. Organiske korrosjonshemmere eller forhåndsavsatte barriere-lag med høy diffusjonsmotstand kan brukes for å forhindre degradering. Komposittlegeringer som Ag-Au, Ag-Al og Ag-Cu har også blitt utviklet for å forbedre elektrodens stabilitet. Karbonbaserte PSCs, selv om de har svakere kontakt med underlaget og derfor lavere effektivitet, fremstår som et lovende alternativ på grunn av karbonets gode ledningsevne og kjemiske inerthet.

Potensialindusert degradering (PID) oppstår i grid-tilkoblede PV-systemer hvor modulens ramme er jordet og panelene koblet i serie, noe som skaper store potensialforskjeller mellom PSC-endene og modulerammen. PID oppstår særlig ved spenninger over +1000 V. Under slike forhold kan natriumioner trenge inn i perovskittlaget fra glassubstratet, eller ionemigrasjon kan skje i perovskittlaget på grunn av svake ionebindinger. Innføring av barriere-lag hindrer ytterligere ionemigrasjon og reduserer PID. PID kan også reverseres ved å endre polariteten på høyspenningskilden. Bruk av mikroinvertere, samt kapslingsmaterialer eller glassplater med høy bulkresistivitet, bidrar også til å hindre PID.

Viktig å forstå er at stabiliteten til perovskittsolceller ikke bare avhenger av selve perovskittmaterialet, men også av samspillet med elektrode-materialer, kapslingsmaterialer, temperaturvariasjoner, elektriske påkjenninger og miljøfaktorer som fuktighet og oksygen. Forebyggende tiltak må derfor ta høyde for hele systemets sammensetning og driftsbetingelser. Optimal design inkluderer valg av elektrode med passende barriereegenskaper, implementering av korrosjonshemmere, termisk stressreduksjon, samt kontroll av elektriske spenninger for å sikre lang levetid og pålitelig ytelse.

Hvordan kan grensesnittmodifikasjon redusere blylekkasje og forbedre effektiviteten i perovskittsolceller?

Perovskittsolceller (PSC) har vist stort potensial innen solenergi, men utfordringer knyttet til blylekkasje og stabilitet må overvinnes for kommersiell anvendelse. En lovende tilnærming er kjemisk modifikasjon av grensesnittene, spesielt mellom perovskittlaget og transportlagene, som både kan øke effektiviteten og redusere miljøskader ved blyutlekking.

Zhang et al. demonstrerte bruken av 1H,1H,2H,2H-perfluordekantiol (PFDT) som danner et tett selvorganisert monolag på perovskittfilmen og metallet. Denne superhydrofobe overflaten minsker defekttettheten og gir forbedret motstand mot vann og oksygen, noe som øker PCE fra 20,15 % til 21,79 %. Samtidig reduseres blykonsentrasjonen i utslippet betydelig. Denne metoden illustrerer hvordan en enkel overflatebehandling kan forlenge levetiden og sikre miljøvennlighet.

Mokhtar et al. introduserte hydroksyapatitt (HAP)-nanopartikler i PSC-skjelettet, noe som økte porestørrelsen og dermed korngrønnheten i perovskittlaget, med forbedret PCE som resultat. Dessuten ble blyutslippet dramatisk redusert. Dette viser hvordan materialdesign på nanoskalale kan optimalisere både effektivitet og miljøsikkerhet.

Meng et al. benyttet diphosfatidyl-glyserol (Di-g) fra cellemembranens fosfolipidlag for overflatebehandling, som via koordinering med metallioner og økt hydrofobisitet effektivt begrenser blylekkasje. Et tynt lag på over 10 nm sikret blyutslipp under 0,8 ppm, med adsorpsjonseffektivitet over 95 %.

På perovskitt/HTL-grensesnittet har Chen et al. brukt mesoporøs sulfonbasert kationbytteresin på PTAA, som blokkerer mulige blylekkasjestier og reduserer blykonsentrasjonen i regnvann dramatisk. En tilsvarende adsorpsjonsresin på elektroden senket blylekkasje til bare 11,9 ppb, samtidig som PCE ble forbedret.

Qi et al. presenterte 1,4-dithian som koordinerer med Pb²⁺ på perovskittoverflaten og interagerer med Li⁺ i HTL, noe som både begrenser dopant-diffusjon og øker hydrofobisitet. Effekten ble en PCE på 23,27 % og en reduksjon i blylekkasje på nesten 50 %.

Bruken av vanninsoluble sulfon-syrebaserte forbindelser som PBSA har også vist effekt ved å passivisere overflatedefekter og danne uoppløselige komplekser med Pb²⁺, som effektivt forhindrer blyutlekking.

Ved å forstå og kontrollere de kjemiske og fysiske interaksjonene ved perovskittens grensesnitt kan man skape solceller som ikke bare har høy ytelse, men også lav miljøpåvirkning. For å oppnå dette må det tas hensyn til både materialvalg og prosessbetingelser som sikrer sterk binding av blyioner, forbedret kornstruktur og motstand mot fuktighet og oksidasjon. I tillegg er det avgjørende å videreutvikle metoder som kan brukes på stor skala og i fleksible solceller uten at effektiviteten går tapt.

Det er viktig å forstå at modifikasjoner som gir økt hydrofobisitet ikke bare reduserer blylekkasje, men også forbedrer solcellens generelle levetid ved å beskytte mot miljøpåvirkninger. Videre kan koordineringskjemi på grensesnittet optimaliseres for både elektrontransport og toksinbinding. Fremtidige studier bør derfor fokusere på synergien mellom effektivitet, stabilitet og miljøsikkerhet i perovskittsolceller.