Erste Erkenntnisse zur neuen Solarzellen-Generation

Hageltests für Perowskit-Solarzellen
Nun liegen erste Ergebnisse vor, die bisher sehr positiv sind: «Bisher mussten wir annehmen, dass bei einem Schaden Blei möglicherweise komplett aus den Zellen austritt. Wir sehen nun aber für Solarzellen, die nach kommerziellem Standard eingepackt sind, dass nur ein geringer Anteil austritt: wir haben sehr niedrige Bleikonzentrationen im Regenwasser und auch alle weiteren funktionellen Metalle (wie z.B. Zinn oder Indium) aus der Zelle werden kaum ausgewaschen», sagt Felix Schmidt, Doktorand an der HLS. Die Zellen konnten auch Hageltests mit 30 und 40 mm Hagelkugeln standhalten, ohne dass sich die Metallkonzentration im Regenwasser merklich erhöht hat. Basierend auf den gemessenen Metall-Werten, der Menge an Regenwasser und der Installationsdauer auf dem Dach des FHNW Campus Muttenz, lässt sich die erwartete Umweltkonzentration, kurz PEC (predicted environmental concentration) berechnen. Für diese Solarzellen wurde bisher ein PEC im Regenwasser von weniger als 1 μg/L Pb pro m² pro Jahr ermittelt. Zum Vergleich: Im Trinkwasser sind weltweit 5-15 μg/L Blei als maximal zulässige Konzentration erlaubt.
Die PEC-Werte können mit regulatorischen Grenzwerten verglichen und somit in die Risikoanalyse der Technologie eingespeist werden. Zudem kann das Verhalten der Solarzellen unter natürlichen Bedingungen mit Solarzellen unter kontrollierten Laborbedingungen verglichen werden, um die Freisetzung des Bleis in die Umwelt modellieren zu können.
«Bei der Installation von anderen Perowskit-Solarzellen, die nur minimal und nicht mit kommerziellen Methoden eingepackt waren, haben wir bereits über Nacht visuell eine starke Verfärbung der Perowskit-Schicht beobachtet - mit passender Verpackung kann man das Risiko der Auswaschung also gut minimieren. Sobald Wasser eindringt sind die Solarzellen nicht mehr funktional, es kann also kein Strom mehr gemessen werden. Sollte dies in der Anwendung auftreten, würden die Solarmodule dann einfach ausgetauscht werden» so Schmidt. «Selbst mit schlechter Verpackung wurden über mehrere Monate nur 5-10 % des Gesamtbleigehalts im Regenwasser gemessen».

Verwitterung im Labor
Im Labor wird zudem im kleineren Massstab und unter kontrollierten Bedingungen untersucht, welche Faktoren einen Einfluss auf die verstärkte Freisetzung von Blei aus den Solarzellen haben können. Dort können die Forschenden die Zellen zum Beispiel durch UV-Bestrahlung kontrolliert verwittern lassen und anschliessend mit einem Laser spezifische Fehler (z.B. Löcher) in die Solarzellen einbringen. Darüber hinaus wird auch untersucht, ob zum Beispiel der pH-Wert (Stichwort: «saurer Regen») oder die Präsenz von Biofilmen das Auswaschen von Blei beeinflussen kann. Biofilme sind Schleimschichten, in denen Mikroorganismen wie zum Beispiel Bakterien, Algen oder Pilze eingebettet sind. «Aktuell sehen wir wenig Grund zur Sorge, was die möglichen Umweltauswirkungen von Blei angeht. Wir sind uns aber bewusst, dass Blei möglicherweise ein sensibles Thema bezüglich der gesellschaftlichen Akzeptanz der Technologie ist. Hier müssen wir sicher transparent kommunizieren und Aufklärungsarbeit leisten» sagt Markus Lenz, der die Forschungsarbeit koordiniert. «Zudem müssen wir uns schon jetzt Gedanken machen, was mit den Solarzellen am Ende ihrer Lebensdauer passiert. Deshalb entwickeln wir aktuell Möglichkeiten, um Blei vollständig aus alten Zellen zu gewinnen und dieses wieder in neuen Zellen zu verwerten».

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