Die größte Gefährdung für Umweltorganismen durch Perowskit Solarzellen geht von den darin enthaltenen Schwermetallen wie Blei oder Zinn, sowie von verschiedenen Säuren aus. Die Wirkung von Blei und Zinn auf Umweltorganismen ist bereits gut untersucht und kritische Konzentration sind bekannt. Diese Daten können herangezogen werden, um eine Einschätzung der Gefährdung von Umweltorganismen durch Perowskit Solarzellen zu geben. Aktuell (Stand 2022) sind Perowskite noch reine Forschungsmaterialien und werden nicht in Solarzellen verbaut bzw. sind als Produkte auf dem Markt verfügbar.

Aufnahme von Perowskiten in Umweltorganismen

Bei intakten Perowskit Solarzellen (auf Dächern oder in Solarparks) kommen unter normalen Umständen Umweltorganismen nicht direkt mit den darin enthaltenen Schwermetallen in Kontakt. Jedoch könnten durch Umwelteinflüsse wie Feuer, Sturm oder Hochwasser Schäden an den Solarzellen entstehen und in der Folge eine Reihe von giftigen Schwermetallen und Säuren austreten. Umweltorganismen können über die Luft, Wasser oder Böden mit diesen Schwermetallen und Säuren in Kontakt kommen und diese aufnehmen.

Toxizität von Perowskiten in Umweltorganismen

Vor allem verschiedene Abbauprodukte aus blei- oder zinnhaltigen Perowskit Solarzellen (Schwermetalle, Säuren und Ammoniumverbindungen) können auf Umweltorganismen eine toxische Wirkung haben. Ein wichtiger Mechanismus ist dabei die Entstehung von Iodwasserstoffsäure und eine damit verbundene Herabsetzung des pH- Wertes (Ansäuerung) in wässriger Umgebung. Diese Ansäuerung ist vor allem für Wasserorganismen schädlich. Auch aus den beschädigten Solarzellen bzw. Materialien herausgelöste Blei Ionen können toxisch für Umweltorganismen sein. Zu beobachten sind diese Abbauprozesse auch in Laborstudien mit Wasserflöhen. Beim Abbau in wässriger Umgebung setzt die aus bleihaltigen Perowskiten entstehende Iodwasserstoffsäure den pH- Wert des Wassers herab, und eine erhöhte Sterblichkeit der Wasserflöhe ist zu beobachten.   Im Vergleich zur Toxizität von reinem Blei fallen die beobachteten Effekte jedoch niedriger aus.   Einer Ansammlung des aufgenommenen Bleis in Wasserflöhen wurde beobachtet. Über das Wasser bzw. Futter verabreichte bleihaltige Perowskit Nanopartikel verursachen konzentrationsabhängig Toxizität in Zebrafischen. Dieser Effekt unterscheidet sich nicht im Vergleich zu reinem Blei und kann daher auf die freigesetzten Blei Ionen zurückgeführt werden. Dies bestätigen weitere Untersuchungen mit Bleiiodid , sowie Auslaugprodukten von mechanisch zerstörten Perowskit Solarzellen. Im Gegensatz zu reinem Blei verursachen über das Futter aufgenommene bleihaltige Perowskit Nanopartikel eine Veränderung der Aktivität der Gene im Darm von Zebrafischen. Die Menge an austretenden Schwermetallen aus blei- bzw. zinnhaltigen Perowskit Solarzellen führen in Zebrafisch Embryonen zu einer moderaten Toxizität. Das bedeutet, das die austretenden Mengen an Blei und Zinn die Wasserorganismen zwar schädigen können, aber nicht tödlich wirken. Voraussetzung für diese Einschätzung ist jedoch, dass sich das freigesetzte Blei gleichmäßig in der Umwelt verteilt, und es zu keiner lokal erhöhten Konzentration kommt, zum Beispiel in der oberen Bodenschicht, oder in einem kleinen Grundwasserreservoir. Weiterhin zeigen die Untersuchungen, dass aus beschädigten Perowskit Solarzellen freigesetztes Zinn für Fische schädlicher ist als das freigesetzte Blei. Als reines Schwermetall ist Blei jedoch toxischer als Zinn. Möglicherweise spielen für die schädigende Wirkung noch weitere freigesetzte Substanzen, wie zum Beispiel Säuren eine Rolle. Zinn-haltige Perowskit Solarzellen stellen somit keine umweltverträgliche Alternative zu bleihaltigen Perowskit Solarzellen dar.   Fische reagieren im Vergleich weniger sensitiv auf Bleihaltige Perowskite als Wasserflöhen. Aus bleihaltigen Perowskiten freigesetzte Blei Ionen werden von Algen schnell aufgenommen und bei längerer Kultivierung wieder an die Umgebung abgegeben. Sehr geringe Mengen an bleihaltigen Perowskiten (bis zu 5 mg/L) können das Algenwachstum fördern, größere Mengen (40 mg/l) hingegen hemmen. Ursächlich dafür ist eine Hemmung der Chlorophyll- und Proteinbildung. Wasserbakterien reagieren sensitiver auf bleihaltige Perowskite im Vergleich zu Bodenbakterien oder anderen Umweltorganismen. In beiden Bakterienarten reduzieren die bleihaltigen Perowskite den Stoffwechsel und das Wachstum. Diese Effekte werden hauptsächlich auf die freigesetzten Blei Ionen zurückgeführt. Die Effekte auf Bodenbakterien werden durch Transformationsprozesse der bleihaltigen Perowskite in wässriger Umgebung beeinflusst. Der pH-Wert sowie die Gegenwart von Huminsäuren oder anderen Kationen wie Magnesium oder Kalzium beeinflussen das Löslichkeits- und Aggregationsverhalten der Perowskite in wässriger Umgebung. Eine Erhöhung des pH- Wertes oder der Huminsäure-Konzentration erniedrigte die Toxizität der Perowskit Materialien durch die reduzierte Freisetzung von Blei Ionen. Im Gegensatz dazu verstärkte die Anwesenheit von Magnesium oder Kalzium in Kombination mit Huminsäure die Toxizität aufgrund einer vermehrten Freisetzung von Blei Ionen. Gebundene Schwermetalle in Form von Schwermetallhalogeniden, wie sie aus Perowskit Solarzellen freigesetzt werden, stellen für Pflanzen eine besondere Gefährdung dar. Pflanzen nehmen die in den Boden freigesetzten Bleiverbindungen auf und es kommt zu einer Anreicherung in der Pflanze. In den untersuchten Pflanzen Pfefferminze, Chili und Kohl reichert sich die Bleihalogenide aus Perowskit Bausteinen (Blei Iodid und Methylammoniumiodid) um ein 10-faches effektiver an im Vergleich zum natürlichen Bleivorkommen. Somit ist auch eine Anreicherung von Blei über die Nahrungskette möglich. Zinn und Zinnverbindungen aus Perowskit Solarzellen reicherten sich weniger in Pflanzen an. Für Pfefferminz Pflanzen, die über den Boden gegenüber Zinn(II)Iodid ausgesetzt waren, war die Toxizität geringer als für Blei, da sich im Boden weniger Iodwasserstoffsäure bildet. Neben den blei- oder zinnhaltigen Perowskit Solarzellen, die sich noch in der Entwicklung befinden, gibt es Solarzellen, die bereits seit vielen Jahren im Einsatz sind. Diese klassischen Solarzellen werden grob in kristalline Solarzellen (bestehend aus geordneten Siliziumkristallen) und Dünnschichtplatten (aufgedampftes Silizium) unterteilt. Auch klassische Solarzellen enthalten Schwermetalle in geringen Mengen, die auf Umweltorganismen giftig wirken können. Bei kristallinen Solarzellen sind v.a. Blei und Zinn maßgeblich für eine toxische Wirkung verantwortlich. Im Fall von Dünnschichtplatten sind es hauptsächlich Blei und Chrom. Am sensitivsten auf die Schwermetalle reagierten Algen. Im direkten Vergleich zu bleihaltigen Perowskit Solarzellen zeigten beschädigte, siliziumbasierte Solarzellen eine höhere Toxizität gegenüber Zebrafischen und Wasserflöhen. Dabei handelt es sich um vergleichende Laborstudien, bei denen extreme Ereignisse simuliert werden. Es wurden vollständige Solarzellen zermalen und daher die Organismen extrem hohen Konzentrationen an Schwermetallen ausgesetzt. Diese Konzentrationen sind unter Umweltbedingungen nicht zu erwarten.

Beurteilung der Effekte von Perowskiten auf Umweltorganismen

Für aquatische Organismen und Pflanzen stellen blei- und zinnhaltige Perowskite keine Gefährdung per se da, weil die giftigen Verbindungen im Produkt gebunden oder verkapselt vorliegen. Als kritisch zu bewerten sind Stoffe, die ungewollt durch Umwelteinflüsse während des Lebenszyklus aus den blei- oder zinnhaltigen Perowskit Solarzellen freigesetzt werden können. Dazu gehören vor allem Schwermetalle, Säuren und weitere, noch nicht identifizierte Stoffe. Die Stärke der Toxizität der Schadstoffe hängt von der Löslichkeit der Substanzen, aber auch vom pH-Wert der Umwelt (Wasser, Böden) ab. Da sich diese innovativen Perowskit Solarzellen aktuell noch im Forschungsstadium befinden, gibt es zu Freisetzungsmengen bisher nur wenige Daten aus dem Labor. Schwermetalle an sich sind bereits toxikologisch gut untersucht und bestehende Grenzwerte können zukünftig herangezogen werden, um eine Gefährdung von Organismen durch Perowskit Solarzellen besser abzuschätzen. Blei- und zinn-haltige Perowskit Solarzellen stellen im unbeschädigten Zustand keine Gefahr für Umweltorganismen dar. Bei einer ungewollten Beschädigung durch Umwelteinflüsse können jedoch Abbauprodukte freigesetzt werden, die negative Auswirkungen auf Organismen haben. Der Ersatz von Blei durch Zinn in Perowskit Solarzellen stellt dabei nach bisherigen Erkenntnissen keine Alternative dar. Vergleichende Untersuchungen mit klassischen Solarzellen deuten darauf hin, dass auch diese toxische Stoffe freisetzen können. Perowskit Solarzellen auf Blei oder Zinnbasis zählen aktuell (Stand 2022) noch zur Gruppe der Forschungsmaterialien und sind noch nicht in Produkten auf dem Markt verfügbar.