Стабилизатор на основе целлюлозы помог предотвратить утечку свинца из перовскитных солнечных элементов, снижение токсичности подтвердили в экспериментах с клеточными культурами и проращиванием редиса. При этом эффективность от стабилизации не пострадала, образец даже стал работать немного лучше, говорится в статье, опубликованной в Nature Communications.
В 2024 году перовскитные солнечные элементы вышли на рынок, но об их безопасности пока нет единого мнения. Главная проблема — возможное вымывание солей свинца из сломанного или неправильно утилизированного элемента. Химики и инженеры ищут способы замедлить утечку свинца, не снижая эффективности элемента, однако до сих пор подобные исследования в основном были сосредоточены на внешней инкапсуляции.
Китайские материаловеды под руководством Ху Сяютяня (Xiaotian Hu) из Наньчанского университета предложили другую стратегию — добавили полимерную сеть для улавливания свинца непосредственно в активный слой солнечного элемента. В качестве стабилизатора использовали природный полимер — фталат гидроксипропилметилцеллюлозы (HPMCP). Молекула HPMCP объемная и имеет множество отрицательно заряженных функциональных групп (гидроксильных, карбоксильных, гликозидных), которые могут образовывать координационные связи с ионами свинца, не давая ему вымываться из элемента. При этом HPMCP недорогое и безопасное вещество, которое не образует собственных токсичных продуктов распада.
Ученые работали с инвертированным перовскитом на основе иодида свинца с добавками брома, цезия и органических катионов. Чтобы добавить HPMCP к активному слою, достаточно растворить его в диметилформамиде и смешать с исходным раствором перед нанесением. При этом, в отличие от других стабилизаторов, HPMCP не снижает эффективность солнечного элемента. Устройства с добавкой оказались даже немного эффективней — 26,27 процента против 23 процентов для контрольной группы. Авторы объяснили улучшение заполнением пустот между отдельными кристаллитами перовскита. В таких пустотах и на их границах происходит рекомбинация электронов и дырок, поэтому чем меньше пустот, тем лучше работает элемент. Также поверхность пленки с HPMCP стала более гладкой. Это облегчило экстракцию носителей заряда на электроды. Стабильность устройств тоже повысилась — они сохраняли 93 процента от начальной эффективности после 1200 часов работы при относительной влажности 85 процентов. Исследователи заключили, что слой HPMCP не только предохраняет перовскиты от воды и кислорода, но и снижает остаточные напряжения на поверхности и между кристаллитами.
Безопасность полученных модулей проверяли несколькими способами. Для сравнения взяли перовскитные пленки с добавкой HPMCP, с добавкой наиболее популярного стабилизатора полидиметилсилоксана (PDMS) и без добавок. Все пленки исследовались без защитного стекла. На коммерческих модулях такое стекло всегда есть, но авторы рассматривали наихудший сценарий — как если бы стекло было полностью разбито. Сначала испытуемые элементы на семь дней помещали в раствор стволовых клеток. Из перовскита без добавок свинец быстро вымывался и отравлял клеточную культуру: через неделю в живых осталось лишь 2,9 процента клеток. Покрытые PDMS и HPMCP образцы удерживали свинец гораздо лучше — выживаемость составила более 93 процента и более 95 процентов соответственно.
Во второй серии экспериментов перовскиты закапывали в почву с высаженными семенами редиса. Редис, соседствующий с «голым» перовскитом, почти не развивался — за 13 дней в нем накопилось 362,45 миллиграмма свинца на килограмм массы. В емкостях со стабилизированным перовскитами появились побеги, а затем и листья. Они тоже содержали свинец, но гораздо меньше (у PDMS-перовскита 17,87 миллиграмма на килограмм, у HPMCP-перовскита — 11,54 миллиграмма на килограмм). Скорость прорастания была ниже, чем в емкости вообще без перовскитов, но ненамного: с HPMCP примерно на пять процентов, с PDMS — на десять. Более подробный анализ побегов подтвердил, что HPMCP удерживает свинец эффективней, чем PDMS. Растения, выросшие рядом с PDMS-перовскитом, сильнее отличались по химическому составу от «чистых» растений и заметно хуже фотосинтезировали.
Таким образом, добавка HPMCP может эффективно сдерживать распространение свинца из сломанных солнечных элементов. Коммерчески используемый стабилизатор PDMS тоже справляется с этой задачей, хотя и несколько хуже. Комплекс тестирований, подробно описанный китайскими учеными, представляет отдельную ценность. Он относительно прост и может применяться для сравнения безопасности разных перовскитных модулей и способов их инкапсуляции.
Ранее мы рассказывали, как антиоксидант ликопин, который содержится в помидорах, помог стабилизировать перовскитные модули.
