KIT und NREL sehen „stiefmütterliche Behandlung“ von Vakuum-Prozessen für Perowskit-Tandemzellen

Ein internationales Konsortium unter der Leitung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und des vom US-Energieministerium getragenen National Renewable Energy Laboratory (NREL) hat in Bezug auf Perowskit-Solarzellen eine „kritische Diskrepanz zwischen Labor und Industrie“ festgestellt und analysiert. Das Team konzentrierte sich bei seiner Arbeit an der Studie „Vapor phase deposition of perovskite photovoltaics: short track to commercialization?“ auf Tandem-Solarzellen aus Silizium und Perowskit, die wegen der hohen Wirkungsgrade in Kombination mit potenziellen Kostenvorteilen als die vielleicht aussichtsreichste Technologie für einen künftigen Industriestandard gelten.

Eine der Hürden auf dem Weg dorthin, heißt es in einer Mitteilung des KIT, „ist die ungeklärte Frage, mit welchem Verfahren sich Perowskit-Solarzellen als Massenprodukt am besten herstellen lassen“. Nimmt man hierfür die in den Labren eingesetzten Methoden als Maßstab, scheint die Sache klar: „98 Prozent aller wissenschaftlichen Studien im Jahr 2022“, sagt Ulrich Paetzold, Professor am Institut für Mikrostrukturtechnik sowie am Lichttechnischen Institut des KIT, „wurden zu lösungsmittelbasierten Verfahren publiziert.“ Hierbei werden Tinten genutzt, in denen mit einem Lösungsmittel organische und anorganische Salze gelöst sind. Diese Tinten lassen sich über verschiedene Drucktechniken auf die Oberfläche eines Substrats abscheiden – im konkreten Fall betrifft dies insbesondere den Auftrag der Perowskit-Schicht auf eine Silizium-Zelle.

Die Alternative sind vakuumbasierte Verfahren, bei denen die trockenen und lösungsmittelfreien Materialien im Vakuum unter Zufuhr von Wärme sublimiert, also vom festen in den gasförmigen Aggregatszustand überführt und dann auf dem Substrat kondensiert werden. In der Dünnschicht-Technologie – auch bei der Dünnschicht-Photovoltaik – sind solche Verfahren mitsamt den benötigten Fertigungsmaschinen weit verbreitet. Bei der Erforschung von Perowskit-Solarzellen, so Paetzold, werden sie dagegen „stiefmütterlich behandelt“.

Vorteile aus Sicht der Labore

Lösungsmittelbasierte Verfahren haben im Forschungslabor mehrere Vorteile: Sie sind leichter zu handhaben, die nötigen Apparaturen sind kostengünstiger als solche für Vakuumprozesse, und die unter Laborbedingungen erzielten Wirkungsgrade der Solarzellen sind hervorragend. Im Prinzip bietet diese Art der Herstellungsverfahren auch im industriellen Maßstab Vorteile, weil sie als Rolle-zu-Rolle-Prozess skalierbar ist.

Bei der Skalierung gibt es allerdings auch einen bedeutsamen Faktor, der für Vakuumprozesse spricht. Die nämlich bieten nach Einschätzung der Forschungsgruppe eine „einfache Skalierung der Abscheidung von den kleinen Solarzellenflächen aus dem Labor hin zu anwendungsrelevanten Produktflächen“. Weitere Vorteile seien die gute Wiederholbarkeit der Abscheidung, die einfache Prozesskontrolle und die Verfügbarkeit von industriellem Prozessequipment, weil vergleichbare Verfahren in anderen Bereichen längst ein vielfach erprobter Standard sind.

Für Forschungslabore in aller Welt sind hingegen die vergleichsweise hohen Anschaffungskosten ein Nachteil. Ein weiteres Manko besteht zumindest derzeit noch in der Abscheidungsgeschwindigkeit: Vakuumverfahren benötigen tendenziell mehr Zeit, der erzielbare Produktionsdurchsatz ist also geringer. Der Studie zufolge gibt es hierfür aber etliche Lösungsansätze. „Unter Berücksichtigung von realen Parametern wie Stromkosten, Produktionsertrag, Material-, Stilllegungs- oder Recyclingkosten“ seien vakuumbasierte Verfahren somit für die Herstellung von Silizium-Perowskit-Tandemzellen durchaus konkurrenzfähig. Deshalb sei es auch nicht verwunderlich, dass ein für die Studie erstellter Überblick zu „Kommerzialisierungsaktivitäten“ der Industrie reges Interesse an vakuumbasierten Verfahren belegt.