Die Serienverschaltung per Laser kombiniert mit der Vakuumprozessierung aller Schichten der Solarzelle – damit haben KIT-Forschende bei einem Perowskit-Solarmodule einen Wirkungsgrad von 18 Prozent auf einer Fläche von vier Quadratzentimetern erreicht. Der neue Weltrekord wird dem KIT zufolge aber nicht der letzte gewesen sein: „Schöpfen wir das Potenzial der Technologie voll aus, ist die Herstellung von Perowskit-Solarmodulen mit Wirkungsgraden von deutlich über 20 Prozent auch auf noch größeren Flächen ein zeitnah realisierbares Ziel“, sagt Ulrich W. Paetzold, der die institutsübergreifende „Taskforce Perovskite Photovoltaics“ am KIT leitet.
Perowskit-Solarzellen erreichen im Labor inzwischen Wirkungsgrade von über 25 Prozent. Dem KIT zufolge ist es jedoch eine Herausforderung, die auf Flächen von wenigen Quadratmillimetern erzielten Wirkungsgrade auf typische Solarmodulflächen von einigen Hundert Quadratzentimetern zu übertragen. Denn Perowskit-Solarzellen werden über die sogenannte monolithische Serienverschaltung, bei der während der Abscheidung der einzelnen Schichten der Solarzelle Strukturierungslinien eingebracht werden, zu großflächigen Solarmodulen zusammengefügt. Durch diese Aufskalierung kam es bisher zu deutlichen Wirkungsgradeinbußen. Als Gründe für diesen Effekt nennt das KIT zum einen, dass die Abscheidung der einzelnen Solarzellenschichten umso schwieriger ist, je größer die Flächen werden. Zum anderen komme es bei der Serienverschaltung zu sogenannten Totflächen zwischen den aktiven Solarzellenstreifen, also zu Flächen, die für die Serienverschaltung gebraucht werden, aber später nichts zur Stromerzeugung beitragen können.
Durch das Aufdampfen aller Schichten der Solarmodule im Vakuum konnte das Forschungsteam nun den Einfluss dieser beiden Verlustmechanismen minimieren. Vorteile der Abscheidung aus dem Vakuum im Hinblick auf die Herstellung effizienter Solarmodule sind demnach die einfache Beherrschbarkeit der Prozesse, die geringe Anzahl an Prozessparametern sowie insbesondere die Unabhängigkeit des Abscheidungsmechanismus von der Beschichtungsfläche. Kombiniert haben die Forschenden dieses Verfahren mit der hochpräzisen Strukturierung und Serienverschaltung über das Eingravieren von Linien mittels eines Lasers. Damit sei es erstmals gelungen, ein großflächiges Perowskit-Solarmodul fast ohne Skalierungsverluste zu herstellen. Das sei ein wichtiger Schritt vom Labor in die Industrie.
Entwickelt hat die hochpräzise Laserverschaltung David Ritzer vom LTI. Auf einer Bauteilfläche von über 50 Quadratzentimeter verzeichnete er dank der Kombination von Vakuumprozessierung und Laserablation bereits Wirkungsgrade von bis zu 16,6 Prozent. Künftig wollen die Forschenden an der Optimierung des reinen Solarzellenschichtstapels sowie einer weiteren Reduzierung der Totflächen arbeiten.
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