Photovoltaik: Solarzellen aus dem 3D-Drucker

Besonders dünne Solarzellen mit einem 3D-Drucker herstellen, aus nachhaltigen Materialien und präzise bis auf den Nanometer. An dieser Photovoltaik-Innovation forscht Prof. Dr. Julien Bachmann, Lehrstuhl für Chemistry of Thin Film Materials an der Friedrich-Alexander Universität Nürnberg-Erlangen (FAU). Wie die FAU mitteilte, hat Bachmann bisher zeigen können, wie die Oberflächenstruktur der Halbleiter auf kleinster Ebene die Effizienz der Solarzellen beeinflusst. Mit einem hochauflösenden 3D-Drucker, der auf 0,000001 Millimeter genau ist, will er nun systematisch austesten, bei welcher Oberflächengestaltung der Halbleiter am leistungsfähigsten ist. Denn für den Einsatz nachhaltiger Materialien im Bereich der Photovoltaik sei diese Optimierung notwendig.

Gedruckte Photovoltaik-Zellen bisher wenig stabil

Bisher wurden Photovoltaik-Halbleiter, die in Solarzellen für den Stromfluss verantwortlich sind, zum Beispiel aus Silizium hergestellt. Deren Herstellungsverfahren ist jedoch unflexibel und benötigt viel Energie und Ausgangsmaterialien. Für eine umweltfreundlichere Lösung sollen vor allem nachhaltige Materialien zum Einsatz kommen können, wie sie zum Beispiel in Wandfarbe oder Wimperntusche zu finden sind. Doch die gedruckten Solarzellen zeigten sich bisher weniger effizient als die aus konventioneller Herstellung. Grund dafür ist die auf Nano-Ebene unkontrollierte Oberflächenstruktur der Materialien. In einem früheren Projekt untersuchte Prof. Bachmann, wie man die Oberflächenstruktur der Materialien gezielt geometrisch gestalten kann, um die Effizienz der Solarzellen zu steigern. Um diese Erkenntnisse nun systematisch auszutesten, verfolgt Prof. Bachmann einen Prototyping-Ansatz: Mit dem hochauflösenden 3D-Drucker will er schnell verschiedene Prototypen herstellen, dabei unkompliziert einzelne Faktoren verändern und sich so – ähnlich wie beim 3D-Druck in der Industrie – mit minimalem Aufwand zur besten Version hinarbeiten.

Für den präzisen 3D-Druck hat das Team den 3D-Druck in Atomlagen (ALAM) entwickelt. Statt wie bei den konventionellen Methoden auf Silizium-Basis zuerst eine Grundform herzustellen und anschließend überschüssiges Material abzutragen, können sie hier den Halbleiter direkt in der gewünschten Form drucken. Das spart Material. Um aber bis auf 0,000001 Millimeter präzise zu drucken, werden die Atome einzeln von zu diesem Zweck gestalteten Molekülen auf die Oberfläche geliefert und aufgetragen.

Test für Solarzellen aus dem 3D-Drucker

Dieses Verfahren wollen die Beteiligten nun für die Herstellung von Dünnschichtsolarzellen testen. Dafür möchte Professor Bachmann den Prototyp-Drucker optimieren und umbauen. So will er flexibel unterschiedliche Materialien – die für die Herstellung des Halbleiter-Aufbaus notwendig sind – aufeinander drucken. Das kann zur Herstellung verschiedener Solarzellen-Prototypen mit unterschiedlichen Oberflächenstrukturen führen. Ziel ist eine schnelle Entwicklung einer nachhaltigen und effizienten Alternative zu konventionellen Solarzellen. „Der normalgroße 3D-Druck hat die Herstellung und Weiterentwicklung von Prototypen in der Industrie revolutioniert. Die ALAM-Technik könnte eine solche Revolution auf Nanoebene bedeuten. Viel mehr Wirtschaftsakteure könnten damit Teile und Geräte auf Mikro- und Nanoebene selbst herstellen“, erklärt Prof. Bachmann.

17.2.2022 | Quelle: FAU | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH