Photovoltaik: Umweltfreundlicher Herstellungsprozess für Perowskit-Solarzellen entwickelt

Mit dem umweltfreundlichen Lösungsmittel für den Herstellungsprozess für Perowskit-Solarzellen kommt diese Photovoltaik-Technologie der industriellen Fertigung näher.Foto: ZSW
ZSW-Forscherin bei der Herstellung von Perowskit-Solarzellen.
Forscher:innen vom Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) ist es gelungen, mit einem umweltfreundlichen Lösungsmittel Perowskit-Solarzellen praktisch ohne Wirkungsgradverlust herzustellen.

Perowskit-Solarzellen kann man einfach und kostengünstig aus Tintenlösungen herstellen. Sie haben unlängst Rekord-Wirkungsgrade von bis zu 25,7 Prozent im Labor erzielt. Dabei kommen jedoch fast immer gesundheits- und umweltschädliche Lösungsmittel wie Dimethylformamid zum Einsatz. Für eine industrielle großflächige Beschichtung von Perowskit-Solarzellen in der Photovoltaik-Industrie ist die Entwicklung von Verfahren mit einem weniger kritischen Lösungsmittel sinnvoll. Einen entscheidenden Erfolg auf diesem Weg hat nun das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) erzielt. Die Forschenden entwickelten einen Beschichtungsprozess für Perowskite, bei dem sie ausschließlich das umweltfreundliche Lösungsmittel Dimethylsulfoxid eingesetzt haben. Der Wirkungsgrad der im ZSW hergestellten Solarzelle ist praktisch genauso hoch wie bei Zellen, die man mit dem toxischen Lösungsmittel Dimethylformamid hergestellt hat.

DMSO ist eigentlich für den Beschichtungsprozess nicht geeignet, da die hohe Oberflächenspannung und Zähflüssigkeit des Lösungsmittels zu einer ungleichmäßigen Beschichtung der Solarzelle führt. Außerdem kann der Kristallisationsprozess der Zelle mit DMSO nur schlecht kontrolliert werden, so dass oft nur kleine Perowskit-Kristalle entstehen. Die Folge: Die Solarzelle erzeugt weniger Photovoltaik-Strom.

Produktionsprozess für Perowskit-Solarzellen an Lösungsmittel anpassen

Um dieses Problem zu lösen, wandten die ZSW-Forschenden zwei Kunstgriffe an. Mittels eines angepassten Filmziehverfahrens und einer verbesserten Trocknungsmethode konnten sie den Wirkungsgrad der mit DMSO produzierten Perowskit-Solarzellen deutlich steigern. „Wir haben ein Netzmittel aus Siliziumoxid-Nanopartikeln bei der Beschichtung der Perowskit-Solarzelle genutzt und den Trocknungsprozess angepasst“, sagt Jan-Philipp Becker, Leiter des ZSW-Fachgebiets Photovoltaik Materialforschung. Die beiden Optimierungen führen dazu, dass Schichten mit großen Kristalliten mit gleichbleibender Qualität entstehen.

Die im ZSW mit DMSO als Lösemittel hergestellten 0,24 Quadratzentimeter großen Perowskit-Solarzellen erreichen einen Wirkungsgrad von 16,7 Prozent. Somit nur 0,2 Prozent weniger als die gleich großen, ebenfalls im Institut hergestellten Perowskit-Solarzellen mit DMF. Die Forschenden nutzen die Rakelbeschichtung, englisch Blade Coating, die relativ problemlos auf größere Produktionseinheiten skalierbar ist und sich dadurch für die industrielle Umsetzung eignet.

Hier liegt auch der große Unterschied zu Zellen mit Rekordwirkungsgraden von 25,7 Prozent. Sie hat man mit dem Verfahren der Rotationsbeschichtung, englisch Spin Coating, hergestellt. Dabei ist der Wirkungsgrad zwar höher, industriell nutzen lässt sich die Methode für große Modulflächen jedoch nicht.

„Die neuen Forschungsergebnisse sind ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zur industriellen Fertigung“, freut sich Becker. „Nun werden wir den Herstellungsprozess weiter optimieren und größere PV-Module herstellen.“ Mit industrietauglichen Beschichtungsmethoden arbeiten die Forschenden auf Photovoltaik-Modulgrößen von bis zu 30 mal 30 Quadratzentimeter hin. Bei dieser Größe wären alle grundsätzlichen Herausforderungen für die weitere Skalierung auf kommerzielle PV-Modulformate für die Dünnnschicht-PV bereits überwunden.

7.7.2022 | Quelle: ZSW | solarserver.de © Solarthemen Media GmbH

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