Учёные из Сколтеха, Медико-генетического научного центра имени академика Н. П. Бочкова и Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН исследовали токсичность веществ из перовскитных солнечных батарей. Они сделали вывод, что при условии преодоления существующих технологических препятствий массовое производство этой эффективной и потенциально дешёвой альтернативы кремниевым фотоэлементам, вероятно, не повлечёт существенных рисков для здоровья человека и окружающей среды. Также выяснилось, что токсичность свинца для живого организма, вероятно, несколько переоценена, в то время как другие компоненты перовскитных батарей, напротив, заслуживают больше внимания в этом отношении. Статья опубликована в журнале Solar Energy Materials and Solar Cells.

Перовскитные солнечные батареи — перспективная технология производства солнечной энергии, которая может способствовать развитию возобновляемой энергетики и отказу от ископаемых видов топлива. По эффективности преобразования световой энергии перовскитные батареи (25,7%) уже почти сравнялись с элементами на основе кристаллического кремния, которым принадлежит текущий рекорд — 26,7%. По предварительным прогнозам, перовскиты могут обойти кремний. К тому же, в массовом производстве они были бы значительно дешевле, поэтому учёные стремятся преодолеть оставшиеся препятствия.

Широкому внедрению перовскитной фотовольтаики препятствуют три ограничения. Во-первых, пока нет технологии нанесения ровного слоя перовскита — улавливающего солнечный свет материала — достаточно большой площади. Кроме того, перовскиты неустойчивы и требуют дополнительного прозрачного защитного полимерного слоя, который выполняет роль капсулы и не позволяет элементам батарейки деградировать. В-третьих, если целостность этого слоя нарушается, например на свалке, перовскит распадается на вещества, которые могут причинять вред здоровью человека и окружающей среде.

Последней проблеме — токсичности компонентов батарей — посвящено исследование аспирантки Сколтеха Маргариты Четыркиной и её соавторов из Медико-генетического научного центра имени академика Н. П. Бочкова и Федерального исследовательского центра проблем химической физики и медицинской химии РАН. Исследование проводилось на клеточных линиях человека (in vitro) и на мышах (in vivo).

Первая фаза эксперимента проходила на глиальных клетках нервной системы и клетках соединительной ткани фибробластах. «Мы проверяли, в какой мере добавление в клеточную культуру каждого из шести распространённых компонентов перовскитов влияло на жизнеспособность клеток: какая доля клеток погибала в течение трёх дней, — пояснила Четыркина. — Ранее такого рода сопоставимых данных для прямого сравнения токсичности этих веществ не было».

Можно упрощённо сказать, что перовскит состоит из двух компонентов: йодида свинца, олова или висмута, с одной стороны, и йодида метиламмония, формамидиния или цезия — с другой. По результатам экспериментов на клетках, наименее токсичным веществом в первой тройке оказался йодид висмута. Во второй тройке выделяется йодид метиламмония: он токсичнее для клеток, чем два других вещества.

«Дальше, в экспериментах на мышах, мы сконцентрировались на трёх веществах — йодиде метиламмония, формамидиния и свинца — и получили довольно неожиданный результат, — рассказала Четыркина. — Хорошо известно, что свинец токсичен, но сравнительно низкая растворимость делает его менее биологически доступным в форме йодида, и приводит к тому, что непосредственно в живом организме из протестированной тройки веществ наиболее токсичным оказывается метиламмоний, что совершенно не соотносится с результатами экспериментов на клетках».

Как правило, входной точкой в организм для вредного вещества служит пищеварительная система, но крайне важно то, какая его часть в итоге попадёт в кровоток, и здесь большую роль играет растворимость. Эксперимент на мышах показывает, что если учитывать биодоступность вещества, то зловредный свинец внезапно оказывается менее токсичным, чем органические компоненты перовскитов, в особенности йодид метиламмония.

В своей работе учёные также оценивают в скромные 4% долю мирового потребления свинца, которая могла бы приходиться на индустрию фотовольтаики, если бы перовскитные солнечные батареи полностью заменили кремниевые. Для сравнения: примерно столько же свинца используется в косметике.

«Мы видим обнадёживающий тренд в развитии перовскитных батарей. Пока остаются препятствия для широкого внедрения этой многообещающей технологии, но, вероятно, ждать осталось недолго», — подытожила Четыркина.

Рисунки: Маргарита Четыркина и др./Solar Energy Materials and Solar Cells.

Источник: Сколтех.