10.02.2023

Optoelektronik mit Perowskiten

Schweizer Projekt AMYS erforscht neuartige Materialien und Produktionsmethoden.

Um Sonnenlicht direkt in Strom umzuwandeln, gibt es verschiedene Lösungen. Die bekanntesten sind Silizium-Solarzellen, die auf Silizium-Einkristallen basieren. Solarzellen dieses Typs sind relativ dick und zerbrechlich. Als weitere Variante haben sich Dünn­schicht­solar­zellen etabliert, die etwa 100-mal dünner sind. Diese Zellstruktur ist flexibel und kann auf flexible Substrate wie Kunst­stoff­folien oder Metall­folien aufgedampft werden. Zu den bereits seit längerem bekannten Dünn­schicht­zellen aus den Halbleitern Gallium­arsenid (GaAs), Cadmium­tellurid (CdTe) oder Kupfer-Indium-Gallium-Schwefel-Selen (CIGS) gesellt sich nun eine neue Klasse: die organisch-anorganischen Perowskite. Der Begriff Perowskit beschreibt die gemeinsame Kristall­struktur der Materialien in diesen dünnen Schichten.

 

Abb.: Perowskit-Experte Fan Fu sucht nach Fabrikations­methoden ohne giftige...
Abb.: Perowskit-Experte Fan Fu sucht nach Fabrikations­methoden ohne giftige Lösungs­mittel. (Bild: Empa)

Das Interessante daran ist, dass Perowskite nicht nur als Solarzellen eingesetzt werden können, sondern umgekehrt auch als Beleuchtungs­mittel oder als Basis für Photo­detektoren, zum Beispiel in Röntgen­geräten oder Sensoren für Smartwatches. Aus diesem Grund wird diese Materialklasse derzeit weltweit intensiv erforscht. Doch es gibt ein Problem: Viele dieser Perowskit-Kristalle enthalten organische Ionen als Bausteine. Das sind Kristall­bausteine, die Kohlenstoff, Stickstoff und Wasserstoff enthalten. Sie schmelzen und verdampfen bei viel niedrigeren Temperaturen als Silizium oder GaAs, CdTe oder CIGS. Daher sind viele bewährte Produktions­verfahren für diese Materialien nicht geeignet.

Das Projekt AMYS (Advanced Manufacturability of Hybrid Organic-inorganic Semiconductors for Large Area Optoelectronics), das im Rahmen der „Strategic Focus Area Advanced Manufacturing“ (SFA-AM) des ETH-Zürich-Bereichs gestartet wurde, versucht nun, genau diese Probleme zu lösen. Benötigt wird ein industrielles Herstellungs­verfahren für Perowskit-Dünnschichten, die bisher hauptsächlich in „nassen“ Sprühverfahren in Labors hergestellt werden. Die Aufgaben der Forschungs­partner sind sorgfältig verteilt: Das Team der Perowskit-Spezialisten Ayodhya N. Tiwari und Fan Fu vom „Thin Films and Photovoltaics Laboratory“ der Empa sucht nach einem flexiblen Perowskit-Photodetektor und Solarzellen; das Team von Chih-Jen Shih von der „Nanomaterials Engineering Research Group“ der ETH Zürich will Perowskit-LEDs bauen, die Licht mit besonders hoher Farbgenauigkeit erzeugen. Und Christophe Ballif von der EPFL in Lausanne ist mit seinem Team auf der Suche nach besonders effizienten Tandem-Solarzellen, die aus Silizium auf der Unterseite und einer halb­transparenten Perowskit-Schicht auf der Oberseite bestehen.

Alle Forscher haben bereits Vorarbeiten geleistet: Im Juli stellte das EPFL-Team einen neuen Weltrekord auf: Solarzellen aus dickem, kristallinem Silizium mit einer dünnen Perowskit-Schicht darauf erreichten einen Wirkungsgrad von über 31 Prozent. Ein solcher Wert wurde bereits mit anderen Halbleiter­zellen erreicht, doch sind diese in der Herstellung rund 1000-mal teurer. Damit öffnet sich ein Tor zur kosten­günstigen Photo­voltaik. „Wir haben einen zweistufigen Prozess entwickelt, um die organischen Bestandteile unserer Perowskite schonend und homogen auf mittelgroße Solarzellen aufzutragen“, erklärt Christian Wolff, der im EPFL-Team arbeitet. „Das wollen wir nun auf ein neu entwickeltes, auf Trockendampf basierendes Verfahren ausdehnen, das es einerseits ermöglicht, noch größere Flächen homogen zu bedecken, und gleichzeitig zu sehen, ob es nicht noch bessere chemische Kombinationen gibt.“

Sebastian Siol von der Empa hilft ihm dabei. Er ist Spezialist für Beschichtungs­prozesse und für die Analyse von industriell hergestellten dünnen Schichten. Mit automatisierten Hoch­durchsatz-Experimenten wird er eine Vielzahl von verschiedenen chemischen Zusammen­setzungen und Prozess­parametern screenen, mit dem Ziel, eine „Bibliothek“ von vielversprechenden Perowskit-Mischungen zu erstellen. Damit erhalten Wolff und seine Kollegen in allen Arbeits­gruppen entscheidende Hinweise, wo sie suchen müssen. Das beschleunigt den Weg zum Ziel von preiswerten, stabilen und großflächigen opto­elektronischen Bauelementen mit vielfältigen Anwendungs­möglichkeiten.

Der Empa-Forscher Fan Fu ist Spezialist für Perowskite und ebenfalls Teil des Forschungskonsortiums. Er hat sich gleich zwei Aufgaben vorgenommen: Einerseits sucht er nach neuen Photo­detektoren und Solar­zellen auf der Basis von Perowskiten. Andererseits will er auch einen „grünen Weg“ für die industrielle Produktion von Perowskit-Zellen finden. „Während das EPFL-Team einen Trocken­prozess gefunden hat, haben wir an der Empa den Nassprozess weiterentwickelt“, erklärt der Forscher. „Wir benutzen keine giftigen Lösungs­mittel mehr, die man zwar im Labor verwenden kann, die aber im industriellen Prozess ein Handicap sind. Wir arbeiten jetzt mit Iso­propanol – das auch in jedem Coiffeur-Salon verwendet wird.“ Fan Fu will sein Nass­verfahren nun auch auf industrielle Prozesse wie die Slot-Die-Beschichtung übertragen. Bei der Suche nach dem optimalen Verfahren hilft ihm auch sein Empa-Kollege Sebastian Siol. Er wird die Probekörper aus Fus Versuchsreihen kartieren und helfen, die optimalen Prozess­parameter zu finden.

Fan Fu hat noch ein zweites Projekt, das er im Rahmen von AMYS verfolgt: Perowskit-Zellen könnten auch als Photo­detektoren in Kameras oder als Röntgen­detektoren für die medizinische Bild­gebung dienen – und hätten zwei entscheidende Vorteile: Sie sind viel billiger und einfacher herzustellen als die heute üblichen Silizium-Kamerachips. Außerdem sind sie flexibel und können sich der Körperform anpassen. Fu erläutert anhand eines Beispiels, wie interessant dies werden könnte: „Blutsauerstoff- und Puls­frequenz­sensoren in Smartwatches basieren teilweise auf der optischen Erfassung des Blutflusses.“ Mit flexiblen, optischen Sensoren könnten solche Messwerte in Zukunft viel günstiger und gleichzeitig genauer ermittelt werden, sagt Fu. „Messgeräte, die direkt auf der Haut aufliegen, sind eine Schlüssel­technologie für die zukünftige Interaktion zwischen Mensch und Maschine.“

Empa / DE

 

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