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Perowskitsolarzellen durch Schlitzdüsenbeschichtung – ein Schritt zur industriellen Produktion
Solarzellen aus Metallhalogenid-Perowskiten erreichen hohe Wirkungsgrade und lassen sich mit wenig Energieaufwand aus flüssigen Tinten produzieren. Solche Verfahren untersucht ein Team um Prof. Dr. Eva Unger am Helmholtz-Zentrum Berlin. An der Röntgenquelle BESSY II hat die Gruppe nun gezeigt, wie wichtig die Zusammensetzung von Vorläufertinten für die Erzeugung qualitativ-hochwertiger FAPbI3-Perowskit-Dünnschichten ist. Die mit den besten Tinten hergestellten Solarzellen wurden ein Jahr im Außeneinsatz getestet und auf Minimodulgröße skaliert.
Metallhalogenid-Perowskite gelten als besonders preisgünstige und vielversprechende Materialklasse für Solarmodule der nächsten Generation. Perowskit-Solarzellen können mit Beschichtungsverfahren hergestellt werden, die mit flüssigen Tinten aus Vorläufermaterialien und verschiedenen Lösungsmitteln arbeiten. Im Anschluss an die Beschichtung verdampfen die Lösungsmittel und die Perowskite kristallisieren zu einer im Idealfall homogenen Schicht.
Die Aufskalierung im Blick
Das Team um Prof. Dr. Eva Unger am Helmholtz-Zentrum Berlin hat große Expertise mit diesen Verfahren und untersucht Optionen für die Aufskalierung. „Perowskit-Photovoltaik ist die beste lösungsprozessierbare PV-Technologie, die es gibt", sagt Eva Unger, „aber wir fangen gerade erst an, zu verstehen, wie sich das komplexe Zusammenspiel der Lösungsmittelkomponenten auf die Qualität der Perowskit-Schichten auswirkt."
Tinten mit unterschiedlicher Viskosität
Denn bei der Beschichtung der Halogenid-Perowskit-Schichten auf großen Flächen können ungewollte Inhomogeneitäten auftreten, zum Beispiel rippenartige Strukturen. „Durch Variationen in der Viskosität der Tinte lassen sich solche Effekte minimieren“, sagt Jinzhao Li, der bei Unger promoviert. An BESSY II hat er untersucht, wie sich die verschiedenen Lösungsmittelkombinationen auf die Kristallisation der Perowskit-Filme auswirken. Die besten p-i-n-FAPbI3-Perowskit-Solarzellen erreichen damit im Labormaßstab eine zertifizierte Leistung von 22,3 %. Außerdem stellte Jinzhao Li mit Kolleg*innen im HySPRINT-Innovationslabor und dem PVcomB Mini-Solarmodule (12,6 cm2) her die Wirkungsgrade um die 17 % erzielten.
Ein Jahr im Außeneinsatz getestet
Das Team von Dr. Carolin Ulbrich testete die so optimierten Solarzellen ein Jahr lang am PVcomB-Teststand im Freien. Dabei blieb der Wirkungsgrad im Winter und Frühjahr nahezu stabil, und sank erst in den wärmeren Sommermonaten. „Diese Tests von größeren Modulen unter realen Bedingungen geben uns wertvolle Hinweise, um die Halogenid-Perowskit-Photovoltaik weiter zu verbessern“, sagt Eva Unger.
Tradition trifft Innovation
Die Kombination aus traditionsreichen Unternehmen, einer lebendigen Start-up-Szene und erstklassigen Forschungseinrichtungen bietet Industrieunternehmen, die auf der Suche nach einem innovativen Umfeld sind, ideale Strukturen. Der Sektor der industriellen Produktion umfasst die Bereiche Industrie 4.0, Additive Fertigung, Elektroindustrie, Maschinen- und Anlagenbau, Kunststoffe und Chemie, Metall, Ernährung. Die Unternehmen dieser „klassischen“ Industrien haben einen wesentlichen Anteil bei der Entwicklung von Spitzentechnologien und sorgen für vernetzte Zulieferbeziehungen in der Hauptstadtregion.
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Quelle: Pressemitteilung HZB "Perowskitsolarzellen durch Schlitzdüsenbeschichtung – ein Schritt zur industriellen Produktion", 16. März 2023
Bildunterschrift 2: Die Beschichtung mit Standard-Tinte (links) erzeugt kleine "Rippen" auf der nassen Dünnschicht. Auch nach der Wärmebehandlung und der darauffolgenden Auskristallisierung der Dünnschicht zeigen sich unter dem Rasterelektronenmikroskop deutliche Inhomogenitäten (rechts). © HZB; Bildunterschrift 1: Mit der optimierten Zusammensetzung der Vorläufertinten wird die Nassschicht nahezu perfekt (links). Die Elektronenmikroskopieaufnahme zeigt: auch der kristallisierte Dünnfilm ist deutlich homogener (rechts). © HZB