Tinten für günstige Solarzellen

Für die Herstellung von hochwertigen Perowskit-Dünnfilmen für großflächige Photovoltaik­module werden oft optimierte Tinten verwendet, die eine Mischung von Lösungs­mitteln enthalten. Eine Gruppe am Helmholtz-Zentrum Berlin hat nun an der Synchrotron­strahlungsquelle Bessy II analysiert, wie die Kristallisations­prozesse in solchen Mischungen ablaufen. Mit einem neu entwickelten Modell ist es nun möglich, die Kinetik der Kristallisations­prozesse für verschiedene Lösungsmittel­gemische vorab zu bewerten. Dies ist hilfreich für die Produktion von Perowskit-Modulen im industriellen Maßstab.

Hybride organische Perowskit-Halbleiter ermöglichen Solarzellen mit hohen Wirkungs­graden bei niedrigen Kosten. Sie können aus Vorläufer­lösungen hergestellt werden, die nach dem Auftragen auf ein Substrat einen poly­kristallinen Dünnfilm bilden. Einfache Herstellungsverfahren wie das Aufschleudern einer Vorläufer­lösung führen oft nur im Labormaßstab mit sehr kleinen Proben zu guten Ergebnissen. Für die Herstellung großflächiger Photovoltaik­module entwickelt das Team von Eva Unger daher Druck- und Beschichtungs­verfahren.

 Sie verwenden dabei Tinten aus den in Lösungs­mitteln gelösten Vorläufer­substanzen. Die Zusammensetzung der Tinte ist entscheidend für die Qualität der späteren Dünnschicht: Die Lösungsmittel beeinflussen durch ihre Eigenschaften den Prozess der Kristalli­sation. „Unsere Forschungs­frage lautete: Wie können wir Unterschiede in der Kristallisations­kinetik bei der Verwendung verschiedener Lösungsmittel vorab wissensbasiert abschätzen?" erklärt Unger.  

In Lösungs­mitteln mit nur einer Komponente wird der Kristallisations­prozess durch die Verdampfungsrate bestimmt. „Bei Mischungen aus verschiedenen Lösungs­mitteln wird die Verdampfung von der flüchtigsten Komponente dominiert, die am schnellsten verdampft. Dadurch ändert sich das Verhältnis der Lösungsmittel, die bei der Kristallisation vorhanden sind", sagt Oleksandra Shargaieva, Postdoc in Ungers Team. Am KMC-2-Strahlrohr von Bessy II konnte sie die Zwischen­phasen während der Bildung der Perowskit-Dünnschicht analysieren. „Dabei spielen sowohl die Verdampfungsraten der Lösungsmittel als auch die Bindungs­stärken an das Blei­halogenid eine Rolle“, sagt Shargaieva. 

„Diese Erkenntnisse sind hilfreich, um die Kinetik der Kristallisations­prozesse des Perowskit-Dünnfilms für verschiedene Lösungsmittel­kombinationen zu berechnen", sagt Shargaieva. Und Unger ergänzt: „Beim Aufskalieren vom Labormaßstab mangelt es noch an systematischem Wissen. Mit diesen Ergebnissen ebnen wir den Weg für das wissens­basierte Design von Tinten, um die Herstellung von Perowskit-Dünnschichten im industriellen Maßstab oder von Perowskit-Dünn­schichten hoher Qualität zu ermöglichen.“

HZB / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  O. Shargaieva et al.: Hybrid perovskite crystallization from binary solvent mixtures: interplay of evaporation rate and binding strength of solvents, Mat. Adv., online 2. November 2020; DOI: 10.1039/D0MA00815J
• Nachwuchsgruppe Hybride Materialien Formierung und Skalierung, Helmholtz Zentrum Berlin