Разработка методики синтеза дийодида свинца для получения пленок перовскита

Свое название солнечные элементы на основе гибридных органо-неорганических перовскитов (ГОНП) получили из-за того, что сам слой перовскита обладает кристаллической структурой, схожей с кристаллической решеткой минерала перовскита титаната кальция CaTiO₃ (Рисунок 1).

Рис. 1. Кристаллическая структура соединений перовскитов

Типичная формула соединения перовскита, используемого в солнечной энергетике, CH₃NH₃PbX₃, где CH₃NH₃ — метиламмония ион, Pb — атом свинца, а X — ион из числа галогенов (может быть как йод — I, Br — бром, так и Cl — хлор). Хорошо видно, что атомы метиламмония (зеленый) расположены в узлах слабо искаженной решетки кубического типа. В центрах псевдокубов лежат атомы свинца (черный) (в некоторых солнечных элементах на основе ГОНП вместо свинца может быть использовано олово). Атомы галогенов (синий) образуют вокруг атомов свинца практически правильные октаэдры, несколько развернутые и наклоненные относительно идеальных положений. Как правило, данный слой формируется методом центрифугирования с использованием диметиформамида (DMF) в качестве растворителя соли дийодида свинца PbI₂ [1].

Методика получения дийодида свинца состоит из следующих этапов:

1. Расчет масс реагирующих веществ с точностью до 0.1 мг с целью приготовления растворов с заданной концентрацией. Для получения порошка дийодида свинца использовались следующие химические вещества:

‒ Дистиллированная вода (H₂O)

‒ Нитрат свинца (Pb(NO₃)₂)

‒ Йодид калия (KI)

2. Наполнение объема, в котором будет происходить реакция, дистиллированной водой (H₂O) с последующим полным растворением в ней соли йодида калия (KI). Для повышения скорости растворения соли необходимо постоянно перемешивать получившийся раствор стеклянной палочкой до исчезновения видимых кристаллов соли [2].
3. Добавление в раствор нитрата свинца (Pb(NO₃)₂). Жидкость окрашивается в ярко-желтый цвет, как показано на рисунке. Молярное соотношение йодида калия и нитрата свинца 1:1. Происходит следующая реакция (рисунок 2):

4. Как видно из химической формулы, выпавший осадок является дийодидом свинца PbI₂. Его необходимо извлечь из полученного объема путем выпаривания жидкости. В результате полной просушки остается желтый порошок дийодида свинца (рисунок 3).

Рис. 3. Дийодид свинца в виде порошка

Однако, как уже было отмечено ранее, главным преимуществом солнечных элементов на основе гибридных органо-неорганических перовскитов является тот факт, что они могут быть изготовлены из распространенных металлов и промышленных химических веществ. Таким образом, в качестве источников получения необходимых компонентов могут выступать промышленные отходы, содержащие свинец. Основной проблемой такого подхода является сложность извлечения и последующей обработки. Однако, существенное снижение стоимости конечного продукта, а также снижение нагрузки на окружающую среду, позволяет утверждать, что такой способ может стать хорошей альтернативой существующим методам получения или восстановления свинца [3].

Далее будет рассмотрен способ получения нитрата свинца (Pb(NO₃)₂) путем переработки пластин свинца и диоксида свинца, извлеченных из старого автомобильного аккумулятора.

1. Необходимо извлечь из старого автомобильного аккумулятора свинец. Для этого требуется слить электролит из аккумулятора и затем несколько раз промыть его дистиллированной водой (H₂O). После чего полностью заполнить объем аккумулятора пищевой солью и оставить в таком состоянии на несколько дней.
2. Высушенный и промытый от пищевой соли аккумулятор следует вскрыть, обнажив электродные панели, и затем извлечь электроды из корпуса. Затем следует извлечь катод и анод и, не смешивая их, разложить по ёмкостям, поскольку анод — это чистый свинец (Pb), а катод — диоксид свинца (PbO₂),
3. Поместить катод — диоксид титана (PbO₂) в печь на пять часов при температуре 600 , что позволит преобразовать его в диоксид титана (PbO):

4. Растворить свинец с анода в азотной кислоте HNO₃, а оксид свинца — в уксусной кислоте CH₃CO₂H:

5. Смешать полученные растворы с йодидом калия с целью выпадения осадка дийодида свинца. Оба раствора окрашиваются в ярко-желтый цвет так же, как на рисунке 9:

1. Kojima A., Teshima K., Shirai Y., Miyasaka T., Organometal halide perovskites as visible-light sensitizers for photovoltaic cells, — 2009
2. Snaith H. J., Perovskites: the emergence of a new era for low-cost, high- efficiency solar cells // J. Phys. Chem. Lett. — 2013 — P. 3623–3630.
3. Eperon, Giles E.; Stranks, Samuel D.; Menelaou, Christopher; Johnston, Michael B.; Herz, Laura M.; Snaith, Henry J., «Formamidinium lead trihalide: a broadly tunable perovskite for efficient planar heterojunction solar cells». Energy & Environmental Science — 2014.