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Mit umweltfreundlichem Lösungsmittel

Perowskit-Solarzellen grüner herstellen

11. Juli 2022, 14:26 Uhr | Kathrin Veigel

ZSW-Forscherin bei der Herstellung von Perowskit-Solarzellen.

Bei der Herstellung von Perowskit-Solarzellen werden meist gesundheits- und umweltschädliche Lösungsmittel eingesetzt. Für eine industrielle großflächige Beschichtung der Solarzellen braucht es daher Verfahren mit weniger kritischen Mitteln. Einen Erfolg auf diesem Weg hat nun das ZSW erzielt.

Solarzellen mit Perowskit-Schichten als lichtabsorbierendem Material sind seit einigen Jahren in den Fokus von Forschung und Wirtschaft gerückt. Als Perowskite bezeichnet man Materialien, die die gleiche Kristallstruktur aufweisen wie das gleichnamige natürliche Mineral.

Weitere Vorteile der Technologie: Perowskite können als Dünnschichttechnologie auch auf Kunststoff-Folien hergestellt werden. Damit sind sie leichtgewichtig und flexibel und erschließen auch Anwendungen, die für herkömmliche Solarmodule nicht zugänglich sind – etwa nahtlos integrierte Solarzellen auf Fahrzeugdächern oder auf Industriehallen, die keine großen Lasten tragen können.

Schädliche Lösungsmittel behindern Produktion im großen Maßstab

Die Ausgangsstoffe der Perowskite werden für die Beschichtung in speziellen Lösungsmitteln aufgelöst. Erst dann können sie gleichmäßig auf die Trägerfläche aufgebracht 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 größere Mengen des Lösungsmittels als Abfall anfallen und entsorgt werden müssten. Auch sind hohe Kosten für den Arbeitsschutz zu erwarten.

Forschung und Industrie suchen daher intensiv nach umweltverträglichen, industrietauglichen Lösungsmitteln. Aufgrund der benötigten chemischen Eigenschaften kommen jedoch nur wenige Stoffe in Frage. Forscher des Zentrums für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) haben nun genauer untersucht, ob reines Dimethylsulfoxid (DMSO) ein solches Lösungsmittel sein kann.

DMSO ist eigentlich für den Beschichtungsprozess nicht geeignet, da die hohe Oberflächenspannung und Zähflüssigkeit des Lösungsmittels zu einer ungleichmäßigen Beschichtung der Solarzelle führt. 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.

Produktionsprozess für grüne Lösungsmittel anpassen

Um dieses Problem zu lösen, wandten die ZSW-Forscher zwei Kunstgriffe an. Mittels eines angepassten Filmziehverfahrens und einer verbesserten Trocknungsmethode konnten sie den Wirkungsgrad der mit DMSO produzierten Perowskit-Solarzellen deutlich steigern. »Wir haben ein Netzmittel aus Siliziumoxid-Nanopartikeln bei der Beschichtung der Perowskit-Solarzelle genutzt und den Trocknungsprozess angepasst«, so Dr. Jan-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.

Perowskit-Solarzellen mit größerer Fläche produzieren

Hier liegt auch der große Unterschied zu Zellen mit Rekordwirkungsgraden von 25,7 Prozent. Sie wurden mit dem Verfahren der Rotationsbeschichtung, englisch Spin Coating, hergestellt. Dabei ist der Wirkungsgrad zwar höher, industriell nutzen lässt sich die Methode für große Modulflächen jedoch nicht.

»Die neuen Forschungsergebnisse sind ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zur industriellen Fertigung«, freut sich Becker. Nun soll der Herstellungsprozess weiter optimiert und größere Module hergestellt werden. Mit industrietauglichen Beschichtungsmethoden arbeiten die Forscher auf Modulgrößen von bis zu 30 cm mal 30 cm hin. Bei dieser Größe wären alle grundsätzlichen Herausforderungen für die weitere Skalierung auf kommerzielle Modulformate bereits überwunden.