Pflanzen nehmen Blei aus Perowskit-Solarzellen stärker auf als erwartet
Auf Bodenproben mit unterschiedlicher Blei-Belastung wuchsen Pfefferminzpflanzen. Anschließend wurde der Bleigehalt in ihren Blättern analysiert. © Fujian Agriculture and Forestry University
Blei aus metall-organischen Perowskitverbindungen wird deutlich stärker von Pflanzen aufgenommen als beispielsweise Blei aus anorganischen Quellen. Dies zeigt eine Studie von HZB-Forscher Antonio Abate mit Partnern aus China und Italien, die in Nature communications veröffentlicht ist.
Bestimmte Perowskitverbindungen gelten als große Hoffnung für noch bessere und vor allem noch günstigere Solarzellen. Ihr Kristallgitter wird von organischen Methylammonium-Kationen gebildet, die von Schwermetall-Atomen und Atomen wie Jod umgeben sind. Die besten Perowskitsolarzellen werden heute mit Blei realisiert. In nur zehn Jahren Forschungsarbeit ließ sich der Wirkungsgrad dieser Solarzellen im Labor von 4 Prozent (2009) auf inzwischen über 25 Prozent (2019) steigern. Blei ist allerdings hochgiftig und darf nicht in die Nahrungskette gelangen. Ein quadratmetergroßes Perowskit-Solarmodul enthält jedoch nur 0,8 Gramm Blei, also sehr wenig im Vergleich zu anderen technischen Quellen von Blei (z.B. in Batterien).
Nun hat ein Team um Prof. Dr. Antonio Abate am Helmholtz-Zentrum Berlin eine Studie konzipiert, um dieses Risiko zu untersuchen. Dafür arbeiteten sie mit einem Team der Landwirtschaftlichen Universität in Fujian, China, sowie mit einer Gruppe an der Universität in Neapel, Italien, zusammen.
Die Pflanzenexperten in Fujian bereiteten Bodenproben mit unterschiedlicher Bleibelastung vor und bauten darauf Minzpflanzen sowie zwei andere Blattpflanzen an. Bei einem Teil der Proben war die Bleibelastung durch anorganische Quellen verursacht, bei einem anderen Teil durch Blei aus Perowskit-Verbindungen. Nach einer Wachstumsperiode analysierten sie den Bleigehalt in den Blättern und anderen Pflanzenteilen.
Die Analysen zeigten, dass Blei aus Perowskit-Solarzellen etwa zehnmal besser aufgenommen wird als aus anorganischen Kontaminations-Quellen. Dies könnte damit zusammenhängen, dass die organischen Kationen (Methyammonium+) im Perowskit den PH-Gehalt des Bodens verändern und damit die Bleiaufnahme durch die Pflanzen begünstigen, vermutet Dr. Qiong Wang aus dem Team von Abate. „Diese Ergebnisse weisen darauf hin, dass man Perowskite nicht einfach wie andere Quellen für Bleibelastungen betrachten sollte“, sagt Abate.
Abate forscht an der Entwicklung von bleifreien Perowskit-Solarzellen, die Zinn enthalten. Auch Zinn ist hochgiftig, allerdings reagiert es sehr rasch zu nicht-wasserlöslichen Formen. Eine weitere Versuchsreihe mit Minzpflanzen auf Zinn-belasteten Böden ergab, dass die Pflanzen es deutlich weniger aufnehmen. Bleifreie Perowskit-Solarzellen erreichen allerdings noch bei weitem nicht die hohen Wirkungsgrade von bleihaltigen Solarzellen und haben darüber hinaus auch noch größere Probleme mit der Stabilität.
Das Helmholtz-Zentrum Berlin hat auf dem Gebiet der Perowskit-Solarzellen große Expertise aufgebaut und forscht sowohl an bleihaltigen Verbindungen als auch an bleifreien Alternativen. „Wir müssen diese Materialklasse sehr breit untersuchen“, meint Abate und betont: „Natürlich ist es wichtig, Wirkungsgrade und Langzeitstabilität zu erhöhen, aber wir müssen auch die Umweltverträglichkeit im Blick behalten.“
Nature communications (2020): The biological impact of lead from halide perovskites reveals the risk of introducing a safe threshold concentration. Junming Li, Hai-Lei Cao, Wen-Bin Jiao, Qiong Wang, Mingdeng Wei, Irene Cantone, Jian Lü and Antonio Abate.
DOI: 10.1038/s41467-019-13910-y
- 5000. Proteinstruktur an BESSY II: Startpunkt für einen COVID-WirkstoffViele Proteine besitzen eine komplexe Architektur, die bestimmte biologische Funktionen ermöglicht. An manchen Stellen können Moleküle andocken und die Funktion des Proteins verändern. Ein Team am HZB hat nun das Nsp1-Protein untersucht, das bei der Infektion mit dem SARS-CoV-2-Virus eine Rolle spielt. Sie analysierten Proteinkristalle, die sie zuvor mit Molekülen aus einer Fragmentbibliothek versetzt hatten und entdeckten dabei insgesamt 21 Kandidaten als Startpunkte für die Medikamentenentwicklung. Gleichzeitig entschlüsselten sie damit auch die 5000. Struktur an BESSY II.
- Was die Zinkkonzentration in Zähnen verrätZähne sind Verbundstrukturen aus Mineralien und Proteinen, dabei besteht der Großteil des Zahns aus Dentin, einem knochenartigen, hochporösen Material. Diese Struktur macht Zähne sowohl stark als auch empfindlich. Neben Kalzium und Phosphat enthalten Zähne auch Spurenelemente wie Zink. Mit komplementären mikroskopischen Verfahren hat ein Team der Charité Berlin, der TU Berlin und des HZB die Verteilung von natürlichem Zink im Zahn ermittelt. Das Ergebnis: mit zunehmender Porosität des Dentins in Richtung Pulpa steigt die Zinkkonzentration um das 5- bis 10-fache. Diese Erkenntnis hilft, den Einfluss von zinkhaltigen Füllungen auf die Zahngesundheit besser zu verstehen und könnte Verbesserungen in der Zahnmedizin anstoßen.
- Topologische Überraschungen beim Element KobaltDas Element Kobalt gilt als typischer Ferromagnet ohne weitere Geheimnisse. Ein internationales Team unter der Leitung von Dr. Jaime Sánchez-Barriga (HZB) hat nun jedoch komplexe topologische Merkmale in der elektronischen Struktur von Kobalt entdeckt. Spin-aufgelöste Messungen der Bandstruktur (Spin-ARPES) an BESSY II zeigten verschränkte Energiebänder, die sich selbst bei Raumtemperatur entlang ausgedehnter Pfade in bestimmten kristallographischen Richtungen kreuzen. Dadurch kann Kobalt als hochgradig abstimmbare und unerwartet reichhaltige topologische Plattform verstanden werden. Dies eröffnet Perspektiven, um magnetische topologische Zustände in Kobalt für künftige Informationstechnologien zu nutzen.