Hocheffiziente Solarzellen dank solidem Fundament

Mit Wir­kungs­graden von über 24 Pro­zent im Labor ge­hören me-tallor­ganische Perow­skit-So­larzellen heute zu den effi­zientes­ten Dünn­schicht­techno­logien der Pho­to­vol­taik. Sie ver­sprechen im Ver­gleich zu den Sili­zium-So­larzellen, die der­zeit den Markt dominie­ren, eine deutlich günsti­gere und einfa­chere Herstel­lung. Wissen­schaftler des Karls­ru­her Insti­tuts für Techno­logie (KIT) ha­ben eine neuar­tige, hoch­effi­ziente Lochlei­ter­schicht aus Ni­ckeloxid entwi­ckelt, die großflä­chig ab­scheid­bar ist und in diesen Solarzel­len zu Rekorde­ffizien­zen führt.

Trifft Sonnen­licht auf den Per­woskit-Absor­ber, lö­sen sich dort Elekt­ro­nen aus ihrem gebun­denen Zustand und wer­den energe­tisch an­geregt. Gleich­zeitig bleiben positiv geladene Fehlstel­len als „Löcher“ zurück. „Um Energie aus der So­lar­zelle ent­nehmen zu kön­nen, müssen diese Elektro­nen und Löcher an un­ter­schiedli­chen Sei­ten des Absor­bers ab­geführt werden. In Perow­skit-So­lar­zellen ge­schieht dies durch se­lektive Ladungs­träger­schich­ten, also Membra­nen, die entwe­der nur die Elekt­ronen o­der nur die Lö­cher pas­sieren lassen“, erklärt Tobias Abzieher, Dokto­rand am Licht­techni­schen Institut (LTI) des KIT. „Da­mit er­fordern effiziente Perow­skit-So­larzellen nicht nur eine Op­timie­rung der lichtab­sorbie­renden Perow­skit-Schicht, sondern auch die­ser la­dungs­trägerse­lektiven Schich­ten.“

Zusam­men mit weiteren Wissen­schaftle­rinnen und Wis­sen­schaft­lern des KIT hat Abzieher eine neu­artige, hocheffi­ziente Lochlei­ter­schicht für Perow­skit-So­larzellen auf Basis von Ni­ckeloxid (NiOx) entwi­ckelt. Diese Schicht ist nicht nur kos­tengüns­tig, son­dern auch im Gegen­satz zu den übli­chen or­gani­schen Materia­lien un­empfind­licher ge­genüber Tem­pe­raturen von mehr als 70 Grad Celsius. „Um diese auf dem Sub­strat ab­zuschei­den, nut­zen wir eine Va­kuum­prozess­technik – die Elekt­ronen­strahl­ver­damp­fung. Da­bei lagert sich das Me­talloxid mittels Bedamp­fung auf einem Substrat ab. Mit dieser Technik können wir die Schicht groß­flä­chig ho­mogen, sowie dank der geringen Anzahl an Pro­zesspara­metern mit gleich­bleibend hoher Qualität herstel­len“, so Abzie­her.

Für voll­ständig vakuum­prozes­sierte Perow­skit-So­larzellen erzielt das Team Wir­kungs­grade von bis zu 16,1 Prozent und de­mons­triert da­mit eine der effi­zi­entesten Perow­skit-So­larzellen auf Basis dieser Me­thode. Neben der rei­nen Va­kuumab­schei­dung bil­det das hocheffi­ziente Substrat auch ei­nen idea­len Aus­gangs­punkt für die Ab­schei­dung des Absor­bers per Tinten­strahl­druck – das heißt mittels einer Druck­technik wie man sie von daheim kennt. Mit die­sem Ver­fahren stellen die Wis­sen­schaftler einen Weltre­kord auf: Sie er­zeugen mit tin­ten­strahlge­druckten Absor­ber­schich­ten Wir­kungs­grade bis zu 18,5 Prozent. „Aktuell domi­niert in der Ent­wicklung die Ab­schei­dung per Drehro­tations­beschich­tung, für die Wir­kungs­grade über 24 Prozent erzielt wurden. Allerdings lässt sich diese praktisch nicht auf große Flächen übertra­gen“, sagt Tobias Abzie­her.

„In unse­rer Ar­beit kon­zentrie­ren wir uns auf skalier­bare Her­stel­lungsver­fahren. Wir ar­beiten mit Nach­druck da­ran, die Perow­skit-Pho­tovoltaik aus dem Labor in die Fabri­ken zu bringen“, so Dr. Ul­rich W. Paetzold, Leiter der Ar­beits­gruppe Advan­ced Op­tics and Materials for Next Gene­ra­tion Pho­tovolta­ics am Institut für Mik­rostruk­turtech­nik (IMT) und dem Licht­techni­schen Institut (LTI) des KIT.

An dem Projekt ist neben dem KIT auch das Innova­tion Lab in Hei­delberg beteiligt. Die For­schung wurde unter­stützt durch das Bun­desmi­niste­rium für Bildung und For­schung (BMBF), die Initi­ierungs- und Ver­net­zungsför­derung der Helm­holtz-Ge­mein­schaft sowie die Karlsruhe School of Optics & Pho­tonics (KSOP).

KIT / LK