Hvordan kan man teste og begrense blylekkasje fra perovskittsolceller?

Schmidt et al. demonstrerte en effektiv metode for å ekstrahere bly fra avfall av perovskittsolceller (PSC) ved hjelp av varmt vann som løsemiddel. Når temperaturen økes, forblir løseligheten til jodsalter høy, noe som muliggjør en selektiv separasjon og ekstraksjon av PbI₂. Denne prosessen kan gjentaes ved å bruke vannet flere ganger for å forbedre utvinningen av PbI₂. I tillegg kan tilsetning av overskudd av jodsalter øke utvinningen ytterligere, redusere mengden jodsalter i avløpsvannet, og minimere blyets miljøpåvirkning. I praktisk bruk kan ekstraksjonen utføres med høyere massefylde i pulpene, noe som reduserer vannforbruk og plassbehov. Det resulterende PbI₂ er krystallinsk og rent, og kan gjenbrukes til produksjon av nye perovskittfilmer uten at de optiske eller elektriske egenskapene svekkes betydelig.

Miljøpåvirkning fra blylekkasje kan oppstå ved naturlige påkjenninger som hagl, kraftig regn eller brann, som kan skade solcellemodulene. For å etterligne slike reelle forhold må man bruke egnede testmetoder som følger industristandarder for sikkerhet. Ved brann, som representerer en særlig alvorlig risiko, kan høye temperaturer smelte og fordampe bly, som deretter spres i miljøet. Conings et al. undersøkte blylekkasje ved oppvarming av PSC-moduler til 760°C og fant at perovskitten raskt brytes ned til PbI₂ ved høye temperaturer. Dette understreker behovet for forbedrede teststandarder for trygg bruk av perovskittsolceller.

Haglsikkerhet testes gjennom simuleringer som etterligner påvirkningen av hagl, snø og vind. En relevant standard, FM 44787, setter krav til ytelse og holdbarhet for stive solcellemoduler under slike belastninger. Jiang et al. gjennomførte falltester med metallkuler for å skade moduler og analyserte deretter konsentrasjonen av blylekkasje i vann som dryppet gjennom skadepunktene. Testene tok hensyn til viktige faktorer som regnvannets pH-verdi, temperatur og intensitet, siden disse påvirker løseligheten av bly i vann og dermed miljøpåvirkningen. For eksempel simulerte man surt regnvann (pH 4,2) i kombinasjon med temperaturer opp mot 45°C for å reflektere reelle værforhold.

Immersjonstester, hvor skadede PSC-moduler legges i surt vann, brukes for å måle blylekkasje under simulerte forhold som syreregn. Li et al. forbedret realismen i slike tester ved å tilsette kalsiumioner for å etterligne typisk regnvann, og brukte en spesiell metode for å måle effektiviteten til blyabsorberende lag i modulene. Chen et al. viste at temperaturen på vannet betydelig påvirker lekkasjeraten av bly, noe som er avgjørende for å forstå hvordan moduler oppfører seg under ulike miljøforhold.

For å måle blyinnhold og lekkasje brukes ulike avanserte analyseteknikker. Flame Atomic Absorption Spectrometry (FAAS) er en rimelig og sensitiv metode som gir pålitelig måling av blykonsentrasjoner ned til 0,08 ppm. Induktivt koblet plasma-massespektrometri (ICP-MS) og induktivt koblet plasma-optisk emisjonsspektroskopi (ICP-OES) er moderne metoder med høy følsomhet for elementanalyser. ICP-MS har fordelen ved å kunne oppdage ekstremt lave konsentrasjoner, men krever streng prøvespesifisitet. ICP-OES er robust mot interferens og egner seg godt til rutinemessige analyser av metallinnhold. Valg av metode bør tilpasses analysebehov og prøvetype.

For å sikre at perovskittsolceller kan benyttes trygt i det virkelige miljøet, er det essensielt å forstå hvordan blylekkasje oppstår og hvordan denne kan begrenses. Det krever at man ikke bare utvikler effektive metoder for å ekstrahere og gjenbruke bly, men også at man utfører realistiske og omfattende tester under varierte miljøforhold. Slik testing må inkludere både mekanisk påvirkning, temperaturvariasjoner og kjemiske faktorer som sur nedbør for å sikre påliteligheten av modulene over tid.

Det er også viktig å forstå at blylekkasje ikke bare er et spørsmål om direkte skade på solcellene, men også hvordan miljøfaktorer som pH og temperatur påvirker blyets løselighet og mobilitet i naturen. Langsiktig overvåkning og regulering er nødvendig for å forhindre akkumulering i økosystemer. Samtidig må det utvikles og implementeres teknologier for å sikre at gjenbruk av utvunnet PbI₂ skjer på en måte som ikke svekker materialets ytelse eller miljøvennlighet.

Hvordan kan blylekkasje fra perovskitt solceller håndteres og forebygges?

Bruken av perovskitt solceller (PSCs) har vist stort potensial på grunn av deres høye effektivitet, men blyets toksisitet utgjør en betydelig utfordring for kommersialisering og bærekraft. Bly, som finnes i perovskittmaterialet, har alvorlige negative effekter på helse og miljø, og derfor må lekkasje av bly fra solcellene forebygges på en sikker måte. I dag anvendes fysiske innkapslingsmetoder og kjemisk adsorpsjon for å begrense blylekkasje. Men ved skade på innkapslingen kan bly fortsatt sive ut og forurense omgivelsene. Det er derfor nødvendig å utvikle materialer som kan absorbere bly effektivt og integreres i eller utenpå solcellemodulen.

Valg av adsorpsjonsmaterialer må baseres på deres evne til å binde blyioner sterkt, for eksempel gjennom funksjonelle grupper som sulfonat, fosfonat, tiol, karboksyl eller karbonyl. Disse gruppene danner uoppløselige komplekser med bly, noe som reduserer mobiliteten og toksisiteten til blyet. Samtidig må slike adsorbenter ikke forstyrre solcellens elektriske egenskaper eller stabilitet. For høye konsentrasjoner av adsorbenter kan virke som urenheter, redusere ladningsoverføring og øke ikke-strålebasert rekombinasjon, noe som svekker både effektivitet og levetid. Dersom adsorpsjon skjer utenfor selve perovskittlaget, er det essensielt at materialet har høy optisk transmittans for å sikre tilstrekkelig lysinnslipp.

Produksjonskostnader og -prosess er også avgjørende. Innvendige adsorpsjonsmetoder krever ekstra produksjonstrinn, noe som øker kostnader og kan hemme storskala kommersialisering. Utvendig adsorpsjon gjennom innkapslingslaget er enklere å implementere, samtidig som det kan gi god beskyttelse mot fukt, lys og oksygen. Men dette krever adsorbentmaterialer med høye krav til stabilitet og adsorpsjonskapasitet, og det må finnes en optimal kombinasjon av adsorbent og innkapsling for å sikre både effektivitet og lang levetid. Miljøfaktorer som pH i vann eller nærvær av kalsium og magnesiumioner kan dessuten redusere adsorpsjonsevnen, noe som øker risikoen for blylekkasje og krever ytterligere forskning.

Selv om adsorbentmaterialer binder bly i uoppløselige forbindelser, kan bly under visse betingelser frigjøres igjen, for eksempel ved påvirkning av spesielle løsemidler eller kjemiske forhold. Derfor må det etableres omfattende styringssystemer som inkluderer både bruk og resirkulering av adsorbenter. Effektiv gjenbruk er viktig for å forhindre sekundær forurensning og redusere miljøpåvirkning. Håndtering av avfall fra PSCer må skje under kontrollerte forhold, og flere metoder for resirkulering har blitt utviklet. Organiske løsemidler som DMF benyttes i noen metoder, men disse har egen toksisitet og øker kostnadene. Alternativer som smeltet salt elektrolyse krever høyt energiforbruk og temperatur, noe som kan gjøre metoden mindre økonomisk.

Teknologier som kjemisk utfelling, elektrokoagulasjon, ionebytter, og adsorpsjon har vist seg effektive for blyhåndtering i andre sammenhenger og kan tilpasses for PSC-resirkulering. For å sikre en bærekraftig utvikling må miljøpåvirkning og energiforbruk kvantifiseres ved hjelp av livssyklusanalyser (LCA). Disse dataene bør integreres i økonomiske modeller som legger til rette for effektiv blykretsløp og optimal produksjonsprosess. Simuleringer av blylekkasje under forskjellige værforhold er nødvendige for å forbedre og tilpasse produksjonsteknologier. En kombinasjon av flere tiltak for å redusere lekkasje og enhetlige teststandarder vil gi bedre kontroll over blyforurensning til lavere kostnader.

Internasjonale lover og reguleringer må styrkes for å håndtere blyforurensning i PSC-industrien. Samarbeid mellom forskere, produsenter og myndigheter vil være avgjørende for å utvikle sikre, effektive og økonomisk bærekraftige løsninger som muliggjør en trygg utbredelse av perovskitt solcelleteknologi.

Det er også viktig å forstå at blylekkasje ikke bare er et problem for miljø og helse i dag, men at det kan føre til langvarige økologiske konsekvenser gjennom bioakkumulering og påvirkning av jord- og vannøkosystemer. Derfor bør overvåking og forebygging av blyutslipp være en integrert del av livssyklusen til perovskittsolceller, fra produksjon til avhending. På samme måte må investering i forskning på ikke-blybaserte perovskittmaterialer intensiveres som en langsiktig strategi for å minimere miljø- og helseproblemer knyttet til bly.

Hvordan plasmoniske nanostrukturer forbedrer perovskittsolceller

Utviklingen av perovskittsolceller har de siste årene vist en betydelig økning i effektivitet, mye takket være innovative metoder for lysforvaltning. En sentral teknologi i denne sammenhengen er bruken av plasmoniske nanostrukturer, spesielt metalliske nanopartikler som sølv (Ag) og gull (Au), for å forbedre lysabsorpsjonen og den påfølgende fotostrømmen i solcellene. Disse nanopartiklene utnytter plasmonresonansfenomener, hvor frie elektroner i metallet oscillerer kollektivt i respons til lys, noe som fører til lokal forsterkning av det elektromagnetiske feltet.

Inkorporering av slike plasmoniske nanostrukturer i perovskittlaget eller tilstøtende lag som TiO₂ har vist seg å øke effektiviteten betraktelig. Metalliske nanostrukturer kan fungere som nanoantenner som fanger og sprer lys på en måte som øker sannsynligheten for at fotoner absorberes i perovskittlaget. Særlig effektivt har det vist seg å bruke kjerne-skall strukturer (for eksempel Au@SiO₂) som beskytter nanopartiklene mot oksidasjon og samtidig gir optimal plasmonisk effekt. Dette forbedrer både stabiliteten og ytelsen til solcellene.

Flere studier har dokumentert hvordan størrelsen, konsentrasjonen og plasmonresonansfrekvensen til nanopartiklene må tilpasses nøye for å matche absorpsjonsspekteret til perovskittmaterialet. Dette krever presis syntese og integreringsteknologi. Det er også blitt observert at kombinasjonen av ulike typer metaller og strukturer, som Au-Ag legeringer eller popcorn-lignende nanostrukturer, kan gi bredere plasmoniske bånd og dermed forbedret lysfangst over et større spekter.

Videre kan plasmonisk forsterkning ikke bare øke absorpsjon, men også fremme effektive ladningstransferprosesser. Eksperimenter med enkeltnanopartikler belagt med perovskitt viser bevis på elektronovertakelse mellom nanopartiklene og perovskittlaget, noe som kan redusere rekombinasjonstap og øke fotostrømmen.

I tillegg til nanopartikler har teksturering av underlaget, som bruk av fotoniske krystaller, to-dimensjonale nanoarrays eller inverse opal strukturer i TiO₂-laget, vist seg effektivt for å forbedre lysforvaltningen. Disse mikro- og nanostrukturer skaper flere lysbaner, øker flerveis refleksjon og hjelper til med å utnytte mer av det innkommende lyset i ultratynne perovskittlag.

Samtidig er det viktig å balansere den plasmoniske effekten med hensyn til stabilitet og miljøpåvirkning. Metaller som sølv kan oksidere eller migrere, noe som svekker solcellens levetid. Løsninger som innkapsling i inert materiale og bruk av legeringer kan bidra til å motvirke dette. Dessuten må livssyklusanalyser inkludere potensielle toksiske effekter, særlig med tanke på blyinnholdet i perovskitter, for å sikre bærekraftig utvikling av teknologien.

For å oppnå optimal ytelse kreves derfor en integrert tilnærming hvor plasmoniske nanostrukturer kombineres med avansert materialdesign og teksturering for å maksimere både lysfangst og ladningstransport, samtidig som stabilitet og miljøaspekter ivaretas.

Endelig må leseren forstå at plasmonisk forsterkning i perovskittsolceller er en tverrfaglig utfordring som involverer nanofotonikk, materialkjemi, elektrooptikk og bærekraftsvurderinger. Fremtidig forskning vil trolig fokusere på å finjustere nanostrukturers form, sammensetning og plassering for å skape enda mer effektive og holdbare solceller som kan konkurrere med tradisjonelle teknologier.

Hvordan påvirker fotokjemiske reaksjoner og mekanisk belastning stabiliteten i perovskittsolceller?

Perovskittbaserte solceller (PSC) er følsomme for en rekke degraderingsmekanismer som hindrer kommersialisering og langvarig stabilitet. En av de mest kritiske prosessene er den fotokjemiske nedbrytningen av perovskittmaterialet under belysning. Når materialet utsettes for sollys, absorberes fotoner (hν) og genererer eksiterte tilstander, som for eksempel i CH₃NH₃PbI₃, hvor lys fører til dannelsen av en eksitert tilstand (CH₃NH₃PbI₃*). Denne tilstanden gjør perovskittlaget sårbart for videre kjemiske reaksjoner med oksygen og vannmolekyler i omgivelsene.

Et viktig nedbrytningstrinn er oksidasjonen av jodidionene i perovskittgitteret, som fører til dannelse av nøytrale jodinterstitialer og jodidvakanser. Disse defektene fungerer som ikke-strålende rekombinasjonssentre og bidrar til gradvis fotodegradering av materialet. I kombinasjon med metaloksider med fotokatalytiske egenskaper som hulltransportlag (HTL) forverres denne prosessen ytterligere. Under både lys og varme kan perovskittmaterialet gjennomgå kjemiske reaksjoner hvor CH₃NH₃PbI₃ spaltes til PbI₂, metallisk bly (Pb⁰), I₂, CH₃NH₂, CH₃I, HI og NH₃ – alle produkter som kompromitterer strukturen og funksjonen til solcellen.

I tinnbaserte solceller (for eksempel ASnI₃) skjer oksidasjon enda lettere enn i blybaserte systemer, fordi Sn²⁺ lett oksideres til Sn⁴⁺. Reaksjonen i nærvær av oksygen danner SnO₂ og SnI₄, samt AI som nedbrytningsprodukter. Dette krever spesifikke materialstrategier, som hydro- og oksygenfobiske overflatebehandlinger av transportlagene (CTL), for å minimere degradering. Slik behandling forhindrer diffusjon av vann og oksygen inn i perovskittlaget. I noen tilfeller åpner det for bruk av slike PSC-er i vannbaserte miljøer og undervannsforhold, noe som viser potensialet for nye applikasjonsområder.

Parallelt med de kjemiske og fotokjemiske utfordringene kommer mekaniske begrensninger som en annen vesentlig degraderingsmekanisme. Den mekaniske delaminasjonen og sprekkdannelsen i PSC-er skyldes både interne restspenninger og eksterne mekaniske påkjenninger. Den interne spenningen finnes primært i perovskittlaget og manifesterer seg som strekk-, trykk- og mikrospenning. Disse spenningsformene øker skjørheten i de tynne filmene og fører til sprekker og delaminasjon fra substratet.

Særlig under termisk annealing eller ved temperatursvingninger oppstår betydelige spenninger på grunn av forskjeller i termisk ekspansjonskoeffisient og gittertilpasning mellom perovskitten og omkringliggende lag som CTL, substrat og elektrodematerialer. Disse termiske spenningene kan overstige 50 MPa, noe som i noen tilfeller er nok til å deformere metaller som kobber. Mikrospenning skyldes også misforhold i atomstørrelser og gitterdefekter, og bidrar til nedbrytning over tid.

I utendørsdrift utsettes PSC-er for ytterligere ytre mekaniske belastninger som snø, hagl og bøyning. Dette gir opphav til mikroskader i korngrensene i perovskittlaget, samt interlaminær delaminasjon forårsaket av akkumulert stress mellom lagene. Den mekaniske degraderingen er derfor både en konsekvens av produksjonsprosessen og driftsmiljøet.

Beskyttelse mot disse effektene krever helhetlige løsninger – ikke bare i materialvalg og lagstruktur, men også i innkapsling og moduldesign. Det er essensielt å forstå at stabilitet i PSC-er er et komplekst samspill mellom kjemisk motstandsdyktighet og mekanisk robusthet. Fraværet av én av disse egenskapene forkorter levetiden dramatisk.

Det er også viktig å være klar over at tilsynelatende stabile ytelsesdata i laboratoriemiljøer ikke nødvendigvis reflekterer den faktiske robustheten under reelle driftsforhold. Kombinasjonen av fotokjemiske, termiske og mekaniske påkjenninger skaper akselerert aldring i felt, og det er derfor avgjørende å utvikle standardiserte testprotokoller som etterligner denne virkeligheten.

Perovskittens iboende ioniske karakter og lave aktiveringsenergi for migrasjon betyr at defekter lett forflytter seg under elektriske felt og termisk stress. Disse dynamiske defektene påvirker både den elektroniske ytelsen og den mekaniske stabiliteten over tid. Derfor bør det ved materialdesign legges vekt på gitterstabilisering, for eksempel gjennom sammensetning med flere kationer og halider, samt bruk av uorganiske komponenter som kan hemme ionemigrasjon og strukturell omorganisering.