Das ZSW erforscht aktuell Perowskitsolarzellen, deren Hauptvorteile die günstigen Herstellungsverfahren und ihre hohe Effizienz sind. Zudem können sie hervorragend mit anderen Materialien zu so genannten Tandemsolarzellen verbunden werden.

Ansprechpartner

Dr. Erik Ahlswede
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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, 2020 konnte bereits eine Solarzelle mit über 25 % Effizienz an einem koreanischen Forschungsinstitut als bisherige Bestmarke zertifiziert werden (Research Cell Efficiency Records, NREL https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html).

// Aufbau von Perowskit-Solarzellen

Es gibt verschiedene Konzepte für Perowskit-Solarzellen. Die klassische Struktur baut ähnlich wie farbstoff-sensibilisierte Solarzellen auf einer mesoporösen Schicht aus Metalloxiden auf. Daneben 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.

Auf dem Weg zur industriellen Reife der neuen Technologie sind noch einige Herausforderungen zu lösen: Die Stabilität der Perowskitzellen muss verbessert werden, und es wird nach Möglichkeiten gesucht, das Blei durch umweltfreundliche Alternativen zu ersetzen.

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

Ein Schwerpunkt liegt dabei auf der Entwicklung von semitransparenten Zellen und Tandemstrukturen im Verbund mit CIGS-Solarzellen, um das Sonnenspektrum effizienter nutzen und den Wirkungsgrad weiter steigern zu können.

Mögliche schematische Aufbauten von Standard- und invertierten Perowskit-Solarzellen.
Präparation von dünnen Schichten mit dem Filmziehverfahren. Die aufgebrachte „Tinte“ wird von einem Messer über das Probensubstrat gestrichen. Neben dem Abscheiden aus der Lösung wird zur Zeit die Möglichkeit geschaffen, Perowskite mittels thermischen Verdampfens bis auf eine Größe von 100 cm2 (10 cm x 10 cm) abzuscheiden.

// Hochskalieren der Fläche von Perowskit-Solarzellen

Es wurden zwar schon sehr hohe Wirkungsgrade für Perowskitsolarzellen erreicht, jedoch hauptsächlich auf kleiner Fläche und ohne industrietaugliche Beschichtungsmethoden. Das ZSW überträgt die Beschichtungsprozesse vom Spin Coating auf das industrietaugliche Filmziehverfahren (Rakeln) bzw. auf das Schlitzgießen (Slot Die Coating). Dabei wurde bereits eine Hochskalierung von 2,25 cm2 (1,5 cm x 1,5 cm) auf 81 cm2 (9 cm x 9 cm) erreicht.

// Perowskit-Solarmodule

Dank der langjährigen Erfahrung in der CIGS-Modultechnologie verfügt das ZSW über das nötige Know-How zur Modulherstellung (Laserstrukturierung, Verschaltung, Messtechnik). Es wurden bereits erfolgreich Perowskitmodule in 10 x 10 cm Größe hergestellt. Neben einfachen (semitransparenten) Perowskitmodulen sollen auch komplette Perowskit-CIGS-Tandem-Module hergestellt werden.

Perowskit-Modul mit 16 monolithisch verschalteten Zellen.
Perowskit-Zellen und –module werden mit geeigneten Verkapselungsmaterialien versiegelt. Hierbei werden Kontaktbändchen durch die Randversiegelung nach außen geführt.

// Stabilität von Perowskitsolarzellen

Eine technologische Herausforderung ist die Instabilität der eingesetzten Schichten gegenüber Feuchtigkeit und anderen Umwelteinflüssen. Am ZSW werden beschleunigte Alterungstests in Klimaschränken und im Freifeld durchgeführt, um geeignete Verkapselungsmaterialien zu identifizieren.

// Bleifreie Perowskitsolarzellen

Klassische Perowskitsolarzellen enthalten das Element Blei, da bislang nur damit hinsichtlich Bandstruktur, Stabilität und Kristallqualität ideale Kristallverbünde und somit hohe Effizienzen realisiert werden können. Für eine nachhaltige Solarzellentechnologie ist aber die Vermeidung von toxischen Elementen wie Blei zwingend nötig. Das ZSW arbeitet daher an diesem technologisch anspruchsvollem Thema und erforscht aktuell vor allem Perowskitschichten auf der Basis von Zinn.

Perowskite der Struktur ABX3 enthalten als zentrales Atom Blei (Pb). Es kann durch benachbarte Elemente des Periodensystems ersetzt werden. Aktuell im Fokus: Zinn (Sn).
Tandemsolarzellen

// Tandemsolarzellen

Tandemsolarzellen können das Lichtspektrum deutlich effizienter nutzen als herkömmliche Einfach-Solarzellen und können daher höhere Wirkungsgrade erzeugen – perspektivisch bis in den Bereich von 30 %.  Sie bestehen aus mindestens zwei Subzellen mit unterschiedlichem Absorptionsbereich bzw. sogenannter Bandlücke.

Die Bandlücke von Perowskitsolarzellen lässt sich leicht durch die Anpassung der Zusammensetzung modifizieren. Somit können perfekt abgestimmte Perowskit-Subzellen designt werden für die Herstellung von Perowskit-Silizium-, Perowskit-CIGS- oder Perowskit-Perowskit-Tandemsolarzellen.

Der Schwerpunkt des ZSWs liegt auf der Herstellung von Perowskit-CIGS-Tandemzellen, die entweder direkt monolithisch aufeinander abgeschieden werden und daher wie gewohnt einen Plus- und einen Minuskontakt haben („2-Terminal- [2T]“) oder aber separat hergestellt und elektrisch getrennt aufeinander montiert werden und daher insgesamt 4 elektrische Kontakte aufweisen („4-Terminal [4T]")-. Dies wird in mehreren Projekten (PERCISTAND, CAPITANO) gefördert.

Tandemstrukturen: 2T monolithisch und 4T mit elektrisch getrennten Subzellen.