Neben der Koverdampfung unter Vakuum entwickelt das ZSW auch CIGS-Absorberschichten, die durch vakuumfreie Druckverfahren aufgebracht werden können. Hierbei ist ein wesentlicher Schritt die Erforschung und Herstellung geeigneter Vorstufenmaterialien (Precursor). Diese müssen nach der Beschichtung aus der Lösung in einem thermischen Zwischenschritt in die gewünschte Chalkopyrit-Struktur umgewandelt werden. Nur wenn das Zusammenspiel zwischen Precursor und Umwandlungsschritt perfekt verstanden und beherrscht wird, lassen sich mit diesem Verfahren auch Hocheffizienz-CIGS-Solarzellen herstellen.

Ansprechpartner

Dr. Erik Ahlswede
+49 (0)711 78 70-247
Druck-CIGS

// Gedruckte Solarzellen

Bei gedruckten CIGS-Solarzellen wird aus einer Suspension sehr kleiner Partikel der Ausgangsmaterialien mit Additiven eine druckbare Tinte hergestellt. Diese wird nach dem Aufbringen auf einen Träger wie etwa molybdänbeschichtetes Glas gesintert und anschließend unter Selenatmosphäre zu polykristallinem CIGS umgewandelt.

Prinzipbild eines Druckverfahrens für den CIGS-Absorber
Lösungen für Solarzellen aus organischen oder anorganischen Absorber-Materialien

// Gedruckte Zellen auf flexiblen Substraten

Ziel der Entwicklung ist dabei nicht nur die Zellherstellung auf Glassubstraten, sondern insbesondere auch auf unterschiedlichen flexiblen Substraten. Die Verwendung von flexiblen Trägermaterialien wird dadurch erleichtert, dass bei organischen Zellen nicht die bei der CIGS-Herstellung üblichen hohen Substrattemperaturen zum Einsatz kommen. Als flexible Substrate eignen sich daher auch Kunststoff-Folien (Polymere).

Kesterite

// Kesterit-Solarzellen

Eine interessante zukünftige Alternative zu CIGS bieten die sogenannten Kesterite mit der chemischen Verbindung Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTS). Sie sind dem etablierten CIGS-Material sehr ähnlich, kommen aber ohne die relativ seltenen Elemente Indium und Gallium aus und sollen daher kostengünstigere Solarzellen ermöglichen. Bei vergleichbarem Wirkungsgrad-Niveau könnte die heutige etablierte CIGS-Produktionstechnik leicht auf CZTS umgestellt werden. Der Wirkungsgrad liegt zwar aktuell mit ca. 12,7 % (IBM 2014) noch deutlich unter dem Rekordwert von CIGS, interessanterweise sind aber bei CZTS ganz unterschiedlich komplexe Herstellungsmethoden qualitativ gleichauf. So können vergleichbare Effizienzen sowohl mit aufwändiger Vakuum-Verdampfungstechnik als auch mit einfachen lösungsbasierten Drucktechniken und anschließender chemischer Umwandlung in Selen-Atmosphäre erreicht werden.

Am ZSW sind daher kostengünstige Beschichtungsverfahren aus der Lösung die Methode der Wahl. Das Institut konnte  mit einem Wirkungsgrad von zertifizierten 10,3 % im Jahr 2014 einen europäischen Rekord für CZTS einstellen. Forschungsthemen sind aktuell grundlagenorientierte Fragestellungen zur Morphologie und Grenzflächenbildung und deren Auswirkungen auf die Solarzellen-Effizienz mit dem Ziel, die Wirkungsgrade zu steigern und industrierelevante Aspekte bei der Prozessentwicklung genauer zu beleuchten.

Perowskite

// Perowskit-Solarzellen

Ein neuer Typ von Solarzellen auf der Basis sogenannter Organo-Halogenid-Perowskite hat in den letzten Jahren eine rasante Karriere als hocheffiziente neue Alternative im Bereich der Dünnschichtsolarzellen erlebt. In den letzten fünf Jahren schnellten die Effizienzen sprunghaft in die Höhe, 2016 konnte bereits eine Solarzelle mit 22,1 % Effizienz an einem koreanischen Forschungsinstitut als bisherige Bestmarke zertifiziert werden (Research Cell Efficiency Records, NREL. http://www.nrel.gov/ncpv).

// Aufbau von Perowskit-Solarzellen

Es gibt verschiedene Konzepte für Perowskit-Solarzellen. Zum einen baut die klassische Struktur ähnlich zu farbstoff-sensibilisierten Solarzellen auf einer mesoporösen Schicht aus Metalloxiden auf. Zum anderen gibt es invertierte planare Solarzellen, die analog zu organischen Solarzellen aufgebaut sind, nur dass anstelle der organischen Absorberschicht eine Perowskitschicht verwendet wird. Dieser Ansatz ist umso aussichtsreicher, als hierbei nur moderate Verarbeitungstemperaturen notwendig sind.

Trotz der hohen Wirkungsgrade sind auf dem Weg zur industriellen Reife noch einige Herausforderungen zu lösen: zum einen muss die Stabilität der Perowskitzellen verbessert werden, zum anderen wird nach Möglichkeiten gesucht, das Blei durch umweltfreundliche Alternativen zu ersetzen.

Das ZSW untersucht und testet die verschiedenen Konzepte zur Herstellung, Aufbau und Struktur der Perowskit-Solarzellen und entwickelt diese in Hinblick auf industrierelevante Aspekte weiter.

Schematischer Aufbau einer Standard- und einer invertierten Perowskit-Solarzelle
Organische PV

// Organische Solarzellen

Organische Solarzellen basieren auf einer Mischung donor- und akzeptorartiger organischer Halbleiter. Ähnlich wie beim gedruckten CIGS lassen sich auch diese Materialien ohne aufwändige und teure Vakuumtechnik durch schnelle und einfache Druckprozesse aus "Tinten" aufbringen. Sie versprechen daher eine erhebliche Senkung der Herstellungskosten von Dünnschicht-Solarmodulen. Je nach Beschaffenheit der Donormoleküle unterscheidet man zwischen

  • Polymersolarzellen, die aus der Lösung hergestellt werden und
  • Oligomersolarzellen, bestehend aus "kleinen Molekülen" (small molecules), die meistens aus der Gasphase, neuerdings aber auch aus Lösung abgeschieden werden können.

Das ZSW erforscht verschiedene Aspekte der Zellphysik, der Stabilität, der Wirkungsgradsteigerung und der Aufskalierung der Herstellungsprozesse (z. B. mittels Rakeln oder Schlitzgießen) bis hin zur Prototyp-Entwicklung. Mit lösungsprozessierten Polymer- und Oligomersolarzellen konnten am ZSW jeweils Wirkungsgrade bis 7 % realisiert werden.

Prototyp eines Moduls aus organischen Solarzellen
Beispiel eines 10 x 10 cm² großen, organischen Tandemzellen-Moduls
auf Glassubstrat mit 17 Zellstreifen à 5 mm Breite.

// Tandem-Polymersolarzellen

Um den Wirkungsgrad von Polymersolarzellen steigern zu können, möchte man das Sonnenspektrum durch sogenannte Tandemstrukturen optimal nutzen. Hierzu werden zwei Einzelzellen mit unterschiedlichem spektralem Empfindlichkeitsbereich direkt übereinander aufgebracht ("Tandem"), um dadurch bei gleichem Strom die nutzbare Zellspannung idealerweise zu verdoppeln. Dadurch sollten Wirkungsgrade bis zu 15 % möglich werden. Das ZSW arbeitete bereits in mehreren Projekten im Verbund mit anderen Partnern an der Realisierung dieser organischen Tandemzellen.