Lokal produzierbar Gedruckte in-situ-Perowskit-Solarzellen

In-situ-Befüllung einer gedruckten Perowskit-Solarzelle.
In-situ-Befüllung einer gedruckten Perowskit-Solarzelle.

Das Fraunhofer ISE hat mit Hilfe seines in-situ-Konzepts für gedruckte Perowskit-Solarzellen bei gedruckter Photovoltaik einen Wirkungsgrad von 12,6 % erzielt. Ein Vorteil des Konzepts ist die ressourcenschonende Herstellung von Solarzellen.

Um Perowskit-Solarzellen attraktiver zu machen, untersuchen Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE neue Herstellungskonzepte auf ihre Machbarkeit. Ein Ansatz ist, die Anzahl an Produktionsschritten durch Umkehren des Herstellungsablaufs zu reduzieren.

Diesen Ansatz verfolgen die Forscher mit ihrem in-situ-Konzept für gedruckte Perowskit-Solarzellen. Nun haben sie es geschafft, die Herstellung einer Solarzelle so umzukehren, dass zuerst das Solarmodul vorgefertigt wird und anschließend das eigentliche photovoltaische Modul eingefüllt wird.

Das phototvoltaische Material wird dann direkt vor Ort, also in-situ, aktiviert.Mit einem Wirkungsgrad von 12,6 % haben die Wissenschaftler laut dem Arbeitsgruppenleiter Dr. Andreas Hirsch einen wichtigen Meilenstein erreicht, um die Aufskalierung und die Überführung der Technik in die industrielle Produktion sinnvoll vorantreiben zu können.

Gedruckte Elektroden verbinden sich mit Perowskiten

Ziel des aktuellen Projekts ist es, druckbare nanopörose Elektrodenschichten zur inneren Abscheidung und Ankopplung der Perowskitkristalle zu entwickeln, die Homogenität des Abscheideprozesses zu optimieren sowie hohe solare Wirkungsgrade in den fertigen Zellen nachzuweisen.

Dabei sollen die Prozessschritte »Siebdruck der Elektrodenschichten« und »Aktivierung des Perowskits« optimiert werden. Die Dicke der späteren photovoltaisch aktiven Schicht liegt bei weniger als 1 µm.

Entscheidend für den solaren Wirkungsgrad ist die Kontrolle des Abscheideprozesses der Perowskit-Kristallite im Inneren der nanoporösen Elektroden, die aus Metalloxiden und mikronisiertem Graphit bestehen. Neu beim Ansatz der Forscher ist das Verfahren zur Befüllung der ansonsten fertigen Zelle mit dem Perowskit und dessen anschließender Kristallisation.

Während bisher übliche Verfahren zu einem unkontrollierten Kristallwachstum führten, haben die Wissenschaftler des Fraunhofer ISE einen Weg gefunden, das Perowskit mittels eines polaren Gases in ein bei Raumtemperatur geschmolzenes Salz umzuwandeln und so die Poren der Elektroden zu füllen.

Die anschließende Desorption des Gases erhöht den Schmelzpunkt stark und bewirkt die Kristallisation. Das Ergebnis ist ein homogener Wachstumsprozess. Auf diese Art hergestellte photoaktive Schichten weisen eine hohe Photospannung von 1 V auf und erzielen den für 0,1 cm² messende in-situ-Laborzellen mit Graphitelektrode zertifizierten stabilisierten solaren Wirkungsgrad von 12,6 %.

Die Fraunhofer-Forscher gehen davon aus, den Wirkungsgrads ihrer gedruckten in-situ-Perowskit-Solarzellen weiter steigern zu können – nicht zuletzt deshalb, weil das verwendete Perowskit-Material in verschiedenen Untersuchungen bereits solare Wirkungsgrade von 22 % gezeigt hat.

Ressourcenschonend

Für eine potenzielle industrielle Produktion könnten nicht nur die zu erwartenden günstigen Kosten attraktiv, sondern auch die Nachhaltigkeit und Komplexität des Herstellungsprozesses interessant sein. Die Verarbeitungsschritte der gedruckten Perowskit-Solarzelle ähneln jenen der Glasverarbeitung. Daher ist eine Herstellung über dezentrale Wege mit lokalen Produktionsstätten sogar unter einfachen Infrastrukturbedingungen realisierbar.

Durch die Verwendung von preiswertem Graphit und leicht synthetisierbarem Perowskit reduzieren sich die Materialkosten fast auf die Kosten der Glassubstrate. Aufgrund der niedrigen Materialkosten könnten die Transportkosten anteilsmäßig den Verkaufspreis so erhöhen, dass lokale Produktion und Vertrieb gegenüber einer zentralisierten Herstellung global gesehen konkurrenzfähiger werden.

Das Fraunhofer ISE koordiniert das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördertes Verbundprojekt MesoPIN zur Materialentwicklung von gedruckten Perowskit-Solarzellen. Projektpartner sind die Universitäten Konstanz, Bayreuth und Freiburg sowie die Firmen Opvius in Nürnberg und Kitzingen und Thieme in Teningen.