Um Perowskite gleichmäßig auf die Trägerflächen der Solarzellen aufbringen zu können, müssen sie zuvor in speziellen Lösungsmitteln aufgelöst werden. Dabei kommen in der Regel Mischungen mit Dimethylformamid (DMF) zum Einsatz, das jedoch gesundheits- und umweltschädlich ist. Für eine Überführung der Produktion in einen industriellen Maßstab ist das hinderlich, da dann größere Mengen des Lösungsmittels als Abfall anfallen und entsorgt werden müssen. Auch entstehen hohe Kosten für den Arbeitsschutz.
Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) hat daher nun ein Beschichtungsverfahren entwickelt, mit dem es möglich ist, das umweltverträglichere, industrietaugliche Lösungsmittel Dimethylsulfoxid (DMSO) zu verwenden.
DMSO ist eigentlich für den Beschichtungsprozess nicht geeignet, da die hohe Oberflächenspannung und Zähflüssigkeit des Lösungsmittels zu einer ungleichmäßigen Beschichtung der Solarzelle führen. Außerdem kann der Kristallisationsprozess der Zelle mit DMSO nur schlecht kontrolliert werden, so dass oft nur kleine Perowskit-Kristalle entstehen. Die Folge: Die Zelle erzeugt weniger Solarenergie.
Kaum Wirkungsgradverluste
Um dieses Problem zu lösen, wandten die ZSW-Forscher zwei Kunstgriffe an: Mittels eines angepassten Filmziehverfahrens und einer verbesserten Trocknungsmethode haben sie den Wirkungsgrad der mit DMSO produzierten Perowskit-Solarzellen deutlich gesteigert. „Wir haben ein Netzmittel aus Siliziumoxid-Nanopartikeln bei der Beschichtung der Perowskit-Solarzelle genutzt und den Trocknungsprozess angepasst“, sagt an-Philipp Becker, der Leiter des ZSW-Fachgebiets Photovoltaik Materialforschung. Die beiden Optimierungen führen dazu, dass Schichten mit großen Kristalliten mit gleichbleibender Qualität entstehen.
Die im ZSW mit DMSO als Lösemittel hergestellten 0,24 Quadratzentimeter großen Perowskit-Solarzellen erreichen einen Wirkungsgrad von 16,7 Prozent – nur 0,2 Prozent weniger als die gleich großen, ebenfalls im Institut hergestellten Perowskit-Solarzellen mit DMF. Die Forschenden nutzen die Rakelbeschichtung, englisch Blade Coating, die relativ problemlos auf größere Produktionseinheiten skalierbar ist und sich dadurch für die industrielle Umsetzung eignet.
„Die neuen Forschungsergebnisse sind ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zur industriellen Fertigung“, freut sich Becker. „Nun werden wir den Herstellungsprozess weiter optimieren und größere Module herstellen.“ Mit industrietauglichen Beschichtungsmethoden arbeiten die Forscher auf Modulgrößen von bis zu 30 mal 30 Quadratzentimeter hin. Bei dieser Größe wären alle grundsätzlichen Herausforderungen für die weitere Skalierung auf kommerzielle Modulformate bereits überwunden.
Die Arbeit erschien unter dem Titel „One-Step Blade Coating of Inverted Double-Cation Perovskite Solar Cells from a Green Precursor Solvent“ veröffentlicht worden.
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