Perowskity halogenkowe, oprócz zastosowania w fotowoltaice, są szeroko badane pod kątem wykorzystania w wysokowydajnych ogniwach fotokatalitycznych lub fotoelektrochemicznych (PEC – ang. - photoelectrochemical). Naukowcy z koreańsko-hiszpańsko-czeskiego konsorcjum naukowego opracowali wydajną elektrodę fotoanodową do rozkładu szkodliwych substancji organicznych, konkretnie 2-merkaptobenzotiazolu (MBT) z nanoperowskitu na bazie bromku ołowiu z cezem [S.-Y. Lee, et al., ACS Energy Lett., 2023, 8, 4488−4495].
Zastosowanie perowskitów halogenkowo-ołowiowych w ogniwach słonecznych skutkuje bardzo wysoką wydajnością konwersji fotowoltaicznej, przekraczającą 26%, ze względu na ich wysoką skuteczność wychwytywania światła, doskonały transport ładunku, tolerancję na defekty i łatwo przestrajalną przerwę wzbronioną. Te wyjątkowe właściwości optoelektroniczne mogą wskazywać na zastosowanie również w ogniwach fotoelektrochemicznych i fotokatalizie. Systemy PEC są skuteczne w rozdzielaniu i zbieraniu ładunków elektrycznych, dzięki zastosowaniu fotoelektrod i polaryzacji zewnętrznej. W ogniwach PEC fotogenerowane elektrony i dziury na fotoelektrodzie są oddzielane i poruszają się po odpowiednich ścieżkach, co prowadzi do różnych reakcji utleniania lub redukcji, takich jak rozkład substancji zanieczyszczających poprzez rozszczepienie wody, funkcjonalizacja wiązań C-H czy też redukcja CO2 na granicy faz elektroda-elektrolit.
Aby zaprojektować efektywny układ PEC, należy w pierwszej kolejności zidentyfikować pochłaniacz (absorber) światła spełniający następujące warunki: (1) powinien być w stanie absorbować światło w zakresie widzialnym, z energią pasma wzbronionego 1,5-2,5 eV , (2) minimalny poziom pasma przewodnictwa (CB – ang. conduction band) i maksymalny poziom pasma walencyjnego (VB – ang. valence band) powinien zapewniać termodynamiczną siłę napędową umożliwiającą zajście pożądanej reakcji oraz (3) powinien posiadać wystarczającą stabilność w roztworze elektrolitu, aby zapewnić jego długotrwałą wydajność i trwałość. Mając na uwadze te warunki, bromek cezu i ołowiu (CsPbBr3) okazał się obiecującym kandydatem do reakcji PEC.
Badacze wykazali, że koloidalne nanokryształy CsPbBr3 mogą służyć do rozkładu 2-merkaptobenzotiazolu (MBT). MBT jest związkiem siarkoorganicznym stosowanym w różnych obszarach przemysłowych takich jak wulkanizacja gumy za pomocą siarki, środki grzybobójcze i herbicydy. Uważa się go jednak za potencjalny czynnik rakotwórczy dla ludzi i wiadomo, że jest trudno-biodegradowalny.
Wytworzenie fotoanody perowskitowej polegało na zastosowaniu typowego procesu otrzymywania ogniwa perowskitowego metodami chemii mokrej poprzez dwuetapowe bezpośrednie powlekanie wirowe mezoporowatej folii TiO2. W prezentowanej strukturze elektrody uczulonej związkiem CsPbBr3 mezoporowaty tlenek metalu powoduje zwiększenie pola powierzchni oraz poprawę separacji i transportu ładunków poprzez wtrysk elektronów do warstwy mezo-TiO2. Aby zminimalizować ilość defektów i poprawić stabilność struktury, na powierzchnię fotoanody mezo-TiO2/nano-CsPbBr3 osadzono bardzo cienką warstwę tlenku glinu (Al2O3) metodą ALD (ang. Atomic Layer Deposition).
Oprócz zastosowania perowskitu jako fotoanody, wykorzystano również absorber jodku metyloamoniowo-ołowiowego (MAPbI3) w formie mini modułu fotowoltaicznego. W nowatorskim, tandemowym układzie PV/PEC elektrony i dziury są fotogenerowane na elektrodzie mezo-TiO2/nano-CsPbBr3 PEC, a następnie elektrony kierowane są do przeciwelektrody poprzez minimoduł perowskitowy, natomiast dziury odpowiadają za utlenianie związku MBT. Minimoduł powstały z połączenia szeregowego trzech ogniw słonecznych wykorzystano do dostarczenia napięcia (> 1,5 V) niezbędnego do pożądanego utlenienia MBT. Perowskit CsPbBr3 posiada pasmo walencyjne wystarczające do wstrzykiwania dziur do MBT, umożliwiając łatwą degradację tego związku w warunkach oświetlenia. Stosując oświetlenie tożsame dla pomiarów urządzeń fotowoltaicznych (STC AM 1,5G, 1000 W/m2) fotoelektroda mezo-TiO2/nano-CsPbBr3 wykazywała wysoki fotoprąd wynoszący 3,02 ± 0,03 mA/cm2 przy napięciu 0,8 V (V vs Ag/Ag+). Wynik ten pokazuje, że fotoprąd pochodzi głównie z perowskitu pochłaniającego światło widzialne, a nie z samej warstwy mezo-TiO2, chociaż ta ostatnia pochłania światło UV i może w pewnym stopniu przyczyniać się do utleniania MBT.
Aby sterować samodzielną fotodegradacją MBT w systemie PEC bez zewnętrznego obciążenia, jako źródło napięcia zastosowano minimoduł fotowoltaiczny w oparciu o perowskit MAPbI3. Szeregowe połączenie trzech ogniw słonecznych nie wpływa na całkowity prąd, ale umożliwia uzyskanie wyższego napięcia. Kombinacja systemu PEC i PV może mieć dwie różne konfiguracje. Pierwsza to szeregowa konfiguracja tandemowa, w której minimoduł MAPbI3 o wąsko-przerwowym pasmie jest umieszczony za elektrodą CsPbBr3-PEC o szerszej przerwie energetycznej, umożliwiając światłu przejście przez CsPbBr3 i wejście do MAPbI3. W konsekwencji oba systemy dzielą światło padające, którego większość promieniowania krótkofalowego jest pochłaniana przez elektrodę, podczas gdy promieniowanie długofalowe jest w większości pochłaniane przez minimoduł. W drugiej konfiguracji elektroda PEC i minimoduł PV są umieszczone równolegle do siebie, a każde z urządzeń wykazuje maksymalną wydajność, jednakże wymagany jest większy efektywny obszar padania światła. Niewątpliwie połączenie minimodułów i fotoelektrod na bazie perowskitu halogenkowego stwarza możliwość wykorzystania tego systemu do degradacji szkodliwego związku MBT.