Am Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE arbeiten Forschende an einem neuen Produktionsweg für Perowskit-Tandem-Solarzellen. Und zwar gemeinsam mit der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) aus Saudi-Arabien, teilte das ISE mit. Es geht dabei um eine Substitution der Rotationsbeschichtung. Stattdessen kombinierten sie Aufdampfen und Blade-Coating-Beschichtung (Klingenbeschichtung) zum Abscheiden der Perowskit-Solarzellen auf Silizium-Bottom-Zellen.

Grund für die Neuentwicklung ist, dass die Produktion von Perowskit-Silizium-Solarzellen im großen Maßstab immer noch eine Herausforderung ist. Im Labor sind dagegen aktuell hohe Wirkungsgrade von über 33 Prozent zu erzielen.

»Das erfolgreiche Aufbringen der Perowskit-Topzelle mit skalierbaren Technologien auf die Silizium-Bottom-Zelle war für uns ein Durchbruch«, sagt Oussama Er-raji, Doktorand und Projektleiter am Fraunhofer ISE. »In einem zweistufigen Hybridprozess werden zunächst die anorganischen Perowskit-Materialien aufgedampft, anschließend werden die organischen Perowskite mittels Blade-Coating aufgebracht. Damit ist das Verfahren für die Produktion im industriellen Maßstab geeignet.«

Hybridverfahren Verdampfung und Nasschemie

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler demonstrierten vollständig strukturierte Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen mit Leerlaufspannungen von über 1900 Millivolt und Wirkungsgraden von 27,8 Prozent. Darüber hinaus stellten sie fest, dass die Beschichtungsgeschwindigkeit im hybriden Verdampfungs-/Blade-Coating-Prozess im Gegensatz zu einstufigen beschichteten Perowskiten keinen Einfluss auf die Perowskitdicke hat, sondern mit der Perowskit-Umwandlungsrate korreliert, die für die Optimierung des Absorbers entscheidend war.

Mit der neuen Studie bauen die Forschenden des Fraunhofer ISE auf ihrer Erfahrung mit dem Hybridverfahren auf, das Verdampfung mit einem nasschemischen Prozessschritt kombiniert. Während in der Vergangenheit für den nasschemischen Schritt das Spin-Coating-Verfahren (Rotationsbeschichtung) zum Einsatz kam, konnten sie nun ihre Erfahrungen auf das besser skalierbare Blade-Coating (Klingenbeschichtung) für den zweiten Schritt übertragen.

Perowskite nutzen blauen Anteil des Lichts

Viele Perowskit-Forschungsgruppen, darunter KAUST und Fraunhofer ISE, untersuchen Wege, um Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen in die Massenproduktion zu bringen. Bislang erfolge die Herstellung von Perowskit-Silizium-Solarzellen meist im Spin-Coating-Verfahren. »Spin-Coating eignet sich hervorragend als Labortechnik”, sagt Juliane Borchert, Gruppenleiterin Perowskit-Materialien und Grenzflächen am Fraunhofer ISE. Für die Produktion in großem Maßstab sei es jedoch nicht geeignet. »Wir gehen außerdem davon aus, dass die Erkenntnisse über die Dynamik beim Blade-Coating auf das Slot-Die-Coating (Schlitzdüsenbeschichtung) übertragen werden können, das sich noch besser für die Skalierung eignet«.

Silizium-Solarzellen können maximal 29,4 Prozent des Sonnenlichts in Strom umwandeln. Dieses physikalische Limit hat die Photovoltaik-Industrie schon fast erreicht. Um die Effizienz von Solarzellen weiterhin zu erhöhen, wenden sich Solar-Forscherinnen und Forscher weltweit der Tandem-Photovoltaik zu, insbesondere Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen. Durch die Kombination von zwei oder mehr Teilzellen aus unterschiedlichen Materialen lässt sich ein größeres Spektrum des Sonnenlichts nutzen. Während die Silizium-Solarzelle vor allem den roten Anteil des Sonnenlichts effizient in Strom umwandelt, kann die darüber liegende Teilzelle aus Perowskiten den blauen Anteil des Lichts besser nutzen.

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