05.03.2021 • Energie

Die perfekte Mischung für effiziente Perowskit-Solarzellen

Verbessertes Verfahren zur Aufbringung günstiger Perowskit-Schichten aus Lösungen auf Trägermaterien.

Solarzellen, die das Sonnenlicht so effizient wie Silizium in elektrische Energie umwandeln, sich dabei aber einfach und aus kostengünstigen Materialien herstellen lassen – für Materialforscher ist das ein langgehegter Traum. Dem sind Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums Berlin nun ein Stück nähergekommen. Sie haben ein Verfahren verbessert, mit dem sich günstige Perowskit-Schichten einfach aus Lösungen auf Trägermaterien aufbringen lassen. Dabei haben sie nicht nur entdeckt, welch entscheidende Rolle eines der verwendeten Lösungsmittel spielt, sondern auch die Lagerfähigkeit der Materialtinten genauer unter die Lupe genommen.

Abb. Die Tinte aus Perowskit-Vorstufe, Lösungsmittel und Zusatzstoff kommt... — Abb. Die Tinte aus Perowskit-Vorstufe, Lösungsmittel und Zusatzstoff kommt aus einer schlitzförmigen Düse und beschichtet das darunter entlangfahrende Glassubstrat. (Bild: J. Li, HZB)

Perowskit-Solarzellen „sind die bisher besten Solarzellen, die sich aus einer Materialtinte herstellen lassen“, erklärt Eva Unger vom HZB. „Und mittlerweile reichen ihre Wirkungsgrade an Zellen aus kristallinem Silizium heran.“ Bisher wurden viele Methoden entwickelt, um kleine Testzellen im Labor herzustellen, dort zu untersuchen und zu optimieren. Bis zur industriellen Produktion ist es aber noch ein weiter Weg. „Leider lassen sich Verfahren, die für kleinflächige Herstellung optimiert sind, nicht immer skalieren,“ so Unger. Nicht alles, was im Labor perfekt funktioniert, muss auch in der Fabrik wirtschaftlich funktionieren. „Deshalb gehen wir den nächsten Schritt und entwickeln skalierbare Methoden. Unser Team konzentriert sich auf Beschichtungsprozesse für größere Flächen.“ Dabei setzen die Forscher von Anfang an auf Verfahren, die ihre Relevanz in der Industrie bereits unter Beweis gestellt haben.

„Wir haben mit Schlitzdüsen-Beschichtung experimentiert“, so Unger. Dabei fließt die Tinte, eine dünnflüssige Lösung aus Perowskit-Vorstufe, Lösungsmittel und Zusatzstoff, aus einer schlitzförmigen Düse heraus und fällt wie ein Vorhang auf das darunter entlangfahrende Glassubstrat der späteren Solarzelle. Dann setzt die Kristallbildung ein. Es wächst eine ultradünne, halbleitende Perowskit-Struktur, die der Materialgruppe ihren Namen und der Solarzelle ihre Fähigkeiten verleiht. Für diesen Prozess ist die genaue Menge Dimethylsulfoxid – kurz DMSO – ausschlaggebend, ein organisches Lösungsmittel, das Unger als Zusatzstoff nutzt, denn in der Tinte hat es eine erstaunliche Wirkung. „DMSO induziert Kristallisationskeime für das Perowskit“, sagt die Forscherin. Kristallisationskeime sind meist winzig kleine Körnchen, die einem Kristall als Starthilfe dienen und sein Wachstum fördern. „Mit unseren Röntgenbeugungsexperimenten am BESSY II haben wir einen ganz großen Unterschied zwischen Tinten mit und ohne DMSO-Zusatz gesehen.“

Allerdings spielt hier die Dosis eine entscheidende Rolle. Mehr DMSO begünstigt das Kristallwachstum – bis zu einer gewissen Grenze. Wird diese überschritten, treten andere Prozesse in den Vordergrund und die so entstehende Mikrostruktur schmälert die Leistung der Solarzellen. Neben der optimalen Zusammensetzung hat das HZB-Team auch die Alterungsprozesse und damit die Lagerfähigkeit der Tinten eingehend untersucht. „Das ist ein Aspekt, der bisher weniger beachtet wurde“, erklärt Unger. „Das Alter einer Perowskit-Vorläufertinte kann die Bauelementleistung beeinflussen. Das ist ein wichtiger Faktor, der bei der Entwicklung von Tinten und Prozessen berücksichtigt werden muss.“

HZB / RK