Environmental fate of Perovskite photovoltaics

• Umweltschicksal von Perowskit-Solarzellen

Schmidt, Felix; Schäffer, Andreas (Thesis advisor); Hugi, Christoph (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2022)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Kurzfassung

Solarzellen der dritten Generation, die auf sogenannten Perowskit-Absorbermaterialien basieren, könnten zukünftig eine entscheidende Rolle bei der Erzeugung von grüner, erneuerbarer Energie spielen. Hocheffiziente Perowskit-Solarzellen sind bislang jedoch auf die Verwendung von Blei in einer Konzentration von etwa 0.5 g/m2 angewiesen, was ein potenzielles Sicherheits- und Umweltrisiko darstellt. In dieser Arbeit wurde die mögliche Umweltbelastung von Blei aus Perowskit-Solarzellen während ihres gesamten Lebenszyklus untersucht. Bei der Entwicklung neuartiger Solarzellen sollte der Schwerpunkt zwar primär auf Effizienz und Langzeitstabilität liegen, aber auch die Verfügbarkeit und Lieferketten der verwendeten Materialien müssen berücksichtigt werden und werden hier diskutiert. Ein potenzieller neuer Abbaumechanismus in Kunststoff-basierten Solarzellen wird vorgestellt, der durch die Präsenz von biologischem Material auf der Solarzelloberfläche ausgelöst wird (sogenannte Biodeterioration). Dieser biologisch-induzierte Zerfall könnte sich sowohl auf die Lebensdauer der Solarzelle (wenn Teile der Solarzelle der Biodeterioration ausgesetzt sind) als auch auf die Effizienz (durch die Bildung von Biofilmen) auswirken. Bestandteile einer Perowskit-Solarzelle (wie z.B. Pb) können vor allem bei Beschädigung in die Umwelt gelangen. Deshalb wurde das Schicksal der enthaltenen Metalle in umweltrelevanten Systemen experimentell untersucht. Zur Untersuchung der Mobilität und Verfügbarkeit von Perowskit-basierten Metallen wurden Boden-Wasser-Systeme simuliert. Unter worst-case Bedingungen zeigte sich, dass Boden eine natürliche Matrix für die Immobilisierung von Metallen ist und die Bioverfügbarkeit der Metalle stark reduzieren kann. In einem neuartigen Versuchsaufbau konnte die Kinetik von Pb-Auswaschung aus flexiblen Perowskit-Solarzellen untersucht werden. Dabei führte nur eine erhebliche Beschädigung unter sauren Bedingungen zur starken Freisetzung von Pb. So können geeignete Verkapselungsverfahren eine einfache Möglichkeit sein, um das Risiko von Bleiaustritt zu minimieren. Die Konzentrationen ausgewaschener Metalle unter realen Wetterbedingungen wurden mit einer Außenanlage untersucht. Anhand der Labortests und den Daten der Außenanlage ließ sich die Freisetzung von Pb modellieren und die resultierende Konzentration in umweltrelevanten System bestimmen. Schließlich wurde ein Recycling-Prozess entwickelt, um Blei aus Perowskit-Solarzellen zurückzugewinnen und wiederzuverwenden. Das Verfahren, bei dem nur Wasser und Hitze verwendet wurde, zeigte eine gute Anwendbarkeit für verschiedene Arten von Perowskit-Solarzellen. Die experimentellen Untersuchungen zeigten, dass, in manchen Szenarien substanzielle Mengen an Pb aus Perowskit-Solarzellen austreten können. Die austretende Menge und das damit einhergehende Risiko für Mensch und Umwelt ist allerdings deutlich geringer einzustufen, als der potenzielle Nutzen von hocheffizienten Solarzellen für die erneuerbare Energieerzeugung.